GUIAS DE LABORATORIO I DE FISICA

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GUIAS DE LABORATORIO I DE FISICA

  1. 1. COMPOSICIÓN Y DESCOMPOSICIÓN DE FUERZASAdaptación del Experimento Nº 4 de la Guía de Ensayos y Teoría del Error del profesor Ricardo Nitsche, página 51-54. Autorizado por el Autor.Materiales:Mesa de fuerzaJuego de pesas variasRegla, compás y transportadorOBJETIVOS Al finalizar el ensayo el participante ha de estar en capacidad de confirmar,aplicando suma de vectores, que la fuerza es una cantidad vectorial. Para ello hade ser capaz de: Determinar experimentalmente la fuerza equilibrante de un sistema de fuerzas concurrentes en un punto Determinar distintas componentes rectangulares de una fuerzaTEORÍA La interacción entre los distintos objetos de la naturaleza se observa enpartículas cuando estas modifican su estado de reposo o de movimiento; la causade esta interacción se conoce como fuerza. Si las líneas de acción de variasfuerzas se cortan en un mismo punto hablamos de fuerzas concurrentes; la sumavectorial de todas estas fuerzas se conoce como fuerza resultante, y esproporcional a la masa y a la aceleración que experimenta un objeto. Un sistemaestá en equilibrio estático si la magnitud de la fuerza resultante es nula. La fuerzaque equilibra el sistema se conoce como fuerza equilibrante y es igual enmagnitud y dirección, pero opuesta en sentido a la resultante de varias fuerzasconcurrentes en un punto. Figura Nº 1
  2. 2. Para analizar la naturaleza vectorial de las fuerzas haremos uso de la mesade fuerza, que consiste en un círculo horizontal graduado (en grados) sobre cuyoborde deslizan cuatro cursores solitarios con sendas poleas. Estas sirven paraconcentrar en un anillo las fuerzas debidas a varias pesas sobre el centro delcírculo. Se supone despreciable el roce entre las cuerdas y las poleas de loscursores, por tanto las tensiones de cada cuerda son iguales a los pesos quesoporta cada cursor.PARTE I: PRE-LABORATORIO1. Dos vectores de 5 y 8 unidades de longitud forman entre sí un ángulo de 45º, determinar la magnitud del vector resultante y dirección respecto al más pequeño. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitud de la resultante y su dirección con ayuda de la regla y transportador, compare sus resultados por ambos métodos.2. Determinar el ángulo entre dos vectores de 8 y 12 unidades de longitud tal que su vector resultante tiene magnitud de 10 unidades. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine el ángulo entre los vectores con ayuda de estos instrumentos de dibujo.3. Dos vectores forman un ángulo de 120º, uno de ellos tiene 10 unidades de longitud y hace un ángulo de 45º con respecto a la resultante de la suma de ambos. Determinar las magnitudes del otro vector y de la resultante. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitudes de otro vector y de vector resultante con ayuda de estos instrumentos de dibujo.4. El vector resultante de la suma de dos vectores tiene 10 unidades de longitud y hace un ángulo de 30º con uno de los vectores componentes, el cual tiene una magnitud de 12 unidades. Determinar magnitud del segundo vector y el ángulo entre los vectores que se suman. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitudes del otro vector y su ángulo con ayuda de estos instrumentos de dibujo.5. Determinar el ángulo entre dos vectores de 4 y 6 unidades de longitud, cuando la resultante forma un ángulo respecto al primer vector de 60º. ¿Cuál es la magnitud del vector resultante? Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine el ángulo entre los vectores y la magnitud de la resultante con ayuda de estos instrumentos de dibujo.6. El vector resultante de dos vectores tiene una magnitud de 15 unidades y forma ángulos con respecto a sus vectores sumando de 30º y 45º; determinar las magnitudes de los dos vectores sumandos. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine las magnitudes de los vectores con ayuda de estos instrumentos de dibujo.
  3. 3. PARTE II: LABORATORIO Ejercicio Nº 1. Determinación de la fuerza equilibrante de dos fuerzas Monte el aparato, coloque la mesa en posición horizontal. Previa asignación de las fuerzas y direcciones de las mismas por parte del supervisor, los participantes del grupo han de ubicar en dos de los cursores en las direcciones (ángulos) señalados y colocar en el porta masa de cada polea correspondiente los pesos indicados (debe considerar el peso previo del porta masa que es de 5 gr-f). No olvidar colocar, en esta etapa, dentro del anillo central donde están atadas las cuerdas un sujetador que la fija al centro, a fin de evitar que el sistema deslice. Se procede a colocar pesos en la tercera polea y se desliza el tercer cursor hasta que el anillo central se separe del sujetador del centro de la mesa y quede centrado y en equilibrio con el mismo. Para confirmar sus resultados quite el sujetador central y mueva ligeramente el anillo de su posición de equilibrio. Si este vuelve a la misma, el sistema está en equilibrio. Proceda a anotar en la tabla inferior todos los datos del ejercicio, y para medir el error en magnitud de la equilibrante, aumente o reduzca pesos en el porta masa hasta que pierda el equilibrio y para el error de dirección deslice a ambos lados de la dirección de equilibrio el cursor hasta perder el equilibrio. Tabla Nº 1 Módulo y direcciones de Fuerzas concurrentes en un punto Fuerza Módulo (gr- Error de módulo (gr- Dirección Error de ángulo f) f) (º) (º) F1 F2F equilibrante Nota: para el error del módulo y dirección para las fuerzas F 1 y F2 asuma los errores máximos absolutos. Ejercicio Nº 2. Composición de una fuerza en dos componentes perpendiculares Monte el aparato, enumerando por conveniencia los cursores del 1 al 3, coloque el cursor nº 1 en la posición 180º y el peso asignado por el supervisor. No olvides colocar el sujetador en el centro del anillo para evitar deslizamiento del sistema, A continuación coloque los cursores nº 2 y nº 3 en el primer y cuarto cuadrante respectivamente. De tal forma que formen entre sí un ángulo de 90º. Y añada pesos a las poleas 2 y 3 de tal forma que el sistema se equilibre. Recuerde que los porta masa pesan 5 gr-f.
  4. 4. Cambie dos o tres veces el ángulo que forman los cursores nº 2 y nº 3 conrespecto al sistema de referencia (0º) pero mantenga un ángulo entre ambos de90º y repita el paso anterior. Anote sus resultados en la tabla inferior.Tabla Nº 2 Composición de una fuerza en dos componentes perpendicularesMódulo F1: Ángulo 1 (θ1) = 180º Módulo F2 Módulo F4 Ángulo 2 Ángulo 3 (θ3) | θ2+ θ3| = 90º (θ2)PARTE III: POST-LABORATORIOEjercicio Nº 3: Verificación de los resultados de la fuerza equilibrante A partir de los datos de la tabla Nº 1 determinar las componentes de losvectores sumados (F1 y F2), así como los errores de dichas componentes. Realicela suma de las componentes y determine la magnitud y dirección del vectorresultante, así como los errores correspondientes. Compare sus resultadosanalíticos con los experimentales, no olvide que la resultante es igual en magnitudy opuesta en sentido a la equilibrante. Dibuje, a escala, los vectores sumados y determine de forma gráfica lamagnitud y dirección de la resultante. Compare sus resultados gráficos con losexperimentales. Se recomienda el cálculo de errores mediante el error relativo porcentualmediante las siguientes expresiones: (1) (2) (3) (4)
  5. 5. Ejercicio Nº 4: Verificación de los resultados de la composición A partir de los datos de la tabla Nº 2, llenar la siguiente tabla: Tabla Nº 3 Verificación de componentes de una fuerzasF1 = cos(θ2) sen(θ2) = F1* F2* θ2 F2 F3 = cos(θ3) cos(θ2) cos(θ2) sen(θ3)Compare resultados de las columnas 6,7 y 8 con los valores de F 2, F3 y F1respectivamente. Dibuje a escala, para cada caso medido en el ejerció nº 2, los vectorescomponentes y determine la magnitud y dirección de la resultante. Compare elvalor de F1 y su dirección.
  6. 6. ACELERACION DE LA GRAVEDAD. CAIDA LIBRE. (SENSOR DE FOTOPUERTA Y LÁMINA OBTURADORA). Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 5. Teacher’s Guide Volumen 1. Pág. 53. Student Workbook Volumen 1. Pág. 35Concepto Data Studio Science Workshop Science Workshop (Mac) (Mac)Movimiento PO5Free P06 Free Fall Picket P06_FALL.SWSLineal Fall.ds FenceEquipos Requeridos:Sensor de Foto puerta (CI-6742) 1Lámina Obturadora 1Base y soporte 1OBJETIVOS Utilizar el sensor “Fotopuerta” para medir el movimiento de un objeto en caída libre. Utilizar el software Data Studio para determinar la aceleración de la caída de objetos. Comparar los resultados de la pantalla de la tabla con los resultados de la gráfica. Comparar el valor de la aceleración del objeto que cae con el valor aceptado.TEORÍADespreciando la resistencia del aire, un objeto cae una distancia proporcional alcuadrado del tiempo. Galileo fue el primero en obtener una relación matemáticaentre la distancia y el tiempo. Afirmó que para un lugar determinado en la Tierra,todos los objetos caen con la misma aceleración uniforme. Esta aceleración seconoce comúnmente como la aceleración de la gravedad, y se le da el símbolo g.Este valor es aproximadamente g = 9,8 m/seg 2.Caída de una "Lámina Obturadora" (una tira de plástico transparente convelocidad uniforme entre bandas opacas) a través de un sensor de Fotopuerta:Cada banda opaca en la "Lámina Obturadora" bloquea la señal del sensor deFotopuerta y el tiempo de un bloqueo a la siguiente se vuelve cada vez más corto.Conociendo la distancia entre el borde inferior de una banda opaca hasta el bordeinferior de la banda opaca siguiente, el programa Data Studio calcula la velocidadmedia de la "Lámina Obturadora" por el movimiento de una banda a otra. La
  7. 7. pendiente de la gráfica de la velocidad media en función del tiempo da laaceleración de la caída de objetos.Predicción: A continuación dibuje una predicción del gráfico velocidad vs detiempo de un objeto en caída libre.PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO.1. Conecte la interface delScienceWorkshop alcomputador, encienda lainterface y encienda elcomputador.2. Conecte el plug de laFotocompuerta al canal digital 1de la interface.3. En la pantalla principal, haga un clic en Data Studiopara abrir el archivo, a continuación aparecen cuatroopciones, escoja “Crear Experimento” y realice undoble clic.Puede visualizarse en la pantalla del computador unafotografía del Scienceworkshop. Haga un clic en lalínea de Canal 1 para añadir el sensor. Línea de canales
  8. 8. En la pantalla se despliegauna ventana para escoger elSensor Digital.Para esta práctica, seleccionela opción “Fotopuerta ylámina obturadora” y haga unclic en aceptar.PARTE II: CALIBRACIÓN DEL SENSOR Y CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO. • No es necesario calibrar el sensor. 1. El programa supone 5 centímetros (0, 05 m) de espacio -de punta a punta-, entre la separación del borde inferior de una banda opaca y el borde inferior de la banda opaca siguiente en la "lámina obturadora". Para cambiar la configuración predeterminada a otro valor, haga doble clic en el Fotopuerta y Lámina Obturadora, luego hacer clic en la ventana “Constantes”. Introduzca el valor correcto para la separación de las bandas opacas en su Lámina Obturadora. Haga clic en Aceptar para regresar a la ventana de configuración del experimento.
  9. 9. PARTE IIIA: TOMA DE DATOS.1. Antes de grabar los datos para su posterior análisis, practique con la Fotopuerta y la Lámina Obturadora. Se recomienda que un viejo artículo de ropa, muestra de alfombra, o un pedazo de cartón se coloque en el suelo directamente debajo de la Fotopuerta, para que la lámina obturadora tenga un suave lugar para aterrizar y así no se deteriore con facilidad.2. Cuando todo esté listo, inicie la grabación de datos. Sostenga la lámina obturadora en un extremo entre el pulgar y el dedo índice para que el borde inferior la lámina obturadora esté justo por encima del haz de luz de la Fotopuerta.3. Deje caer la lámina obturadora verticalmente a través de la Fotopuerta. La grabación de datos se inicia cuando el haz de luz de la Fotopuerta incida en la primera área transparente. Detener la grabación una vez que la lámina obturadora ha pasado totalmente a través de la Fotopuerta.ANALIZANDO LOS DATOS1. Configura tu pantalla el gráfico que muestra los valores de la velocidad enfunción del tiempo.2. Examinar el tramo de la velocidad en función del tiempo en la gráfica. Si esnecesario, ajustar la escala del gráfico para ajustar los datos, haciendo clic en elícono “optimizar”. Determine la pendiente de la recta más ajustada de la velocidaden función del tiempo, haciendo clic en “Herramientas de Ajuste”.
  10. 10. Optimizar escala Herramienta de Ajuste Sugerencia: Seleccione "Ajuste lineal” del menú4. Utilice la tabla aceleración-tiempo. Seleccione los valores de la medición yhaga clic derecho y seleccione Estadística para determinar la "Media" de laaceleración.
  11. 11. 5. Anote el valor de la media de la aceleración, y la pendiente de la velocidad enfunción del tiempo ggráfico:_________________ gtabla: __________________POST-LABORATORIO1. ¿Puede un objeto tener cada vez mayor velocidad y una aceleración constante? ¿Puede la velocidad de un objeto ser cero en el mismo instante que su aceleración no es cero?2. Compare la pendiente del gráfico velocidad vs tiempo con el valor aceptado de la aceleración de un objeto en caída libre (g = 9,8 m/seg2). Use el error relativo porcentual.3. Compare el valor medio de la aceleración obtenida de la tabla con el valor aceptado de la aceleración de un objeto en caída libre (g = 9,8 m/seg2). Use el error relativo porcentual.4. ¿Qué factores cree usted que puede hacer que el valor experimental sea diferente al valor aceptado?
  12. 12. FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA (PHOTOGATE / SISTEMA DE POLEAS) Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 21.Teacher’s Guide Volumen 1. Pág.199. Student Workbook Volumen 2. Pág. 145.Concepto DataStudio ScienceWorkshop ScienceWorkshop (Mac) (Win)Leyes de P21 Kinetic P25 Kinetic P25_KINE.SWSNewton Friction.DS FrictionEquipos RequeridosPhotogate/Sistema de Poleas (ME-6838) Masa y Set sostenedor (ME-8967)Balanza (SE-8723) Cuerda (SE-8050). 2 mBloque de Fricción w / gancho (003- Tabla Universal (ME-9376)04708)¿Qué piensa usted acerca de?En relación con la dirección del movimiento, ¿en cuál dirección actúa la fuerza defricción cinética?.Un poco de teoría.El bloque de masa M se coloca en una tabla nivelada conectado por una cuerda auna masa (m) que cuelga de una polea. A medida que la masa se suelta, empiezaa caer y el bloque se deslizará sobre la superficie de la tabla.Si se considera a ambas masas como un sistema, el diagrama de cuerpo libreincluye dos fuerzas: la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa m y lafricción cinética que actúa sobre la masa M. De acuerdo a la segunda ley deNewton, el vector suma de las fuerzas es igual al total de las masas del sistemapor la aceleración del sistema. Σ F = mg - Fk = (M + m) adonde Fk es la fuerza de fricción cinétrica que viene dada por: F k = µk Ndonde µk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal actuandosobre el bloque:
  13. 13. N=MgResolviendo y despejando el coeficiente de fricción cinética, queda que: µk = ( mg - (M + m) a ) / M gEn general, el coeficiente de fricción cinética para el bloque depende solo de lostipos de materiales que se frotan conjuntamente.Lo que usted debe hacer.Utilizar el sistema Photogate/Poleas para estudiar la forma en que el coeficientede fricción cinética de un objeto depende de la fuerza normal entre las superficies,el área de contacto entre las superficies, los tipos de material que hacen contactoy la velocidad relativa de las superficies.PARTE I: Configuración del Equipo.1. Conecte la interface del ScienceWorkshop alcomputador, encienda la interface y encender elordenador.2. Conecte el plug del Photogate al canal digital 1de la interface.3. Abra el documento titulado tal como se muestra:DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win)P21 Kinetic P25 Kinetic Friction P25_KINE.SWSFriction.DS• El Documento DataStudio tiene una pantalla del Workbook. Lea las instruccionesen el Workbook.• El documento ScienceWorkshop muestra un gráfico de Velocidad vs. tiempo.• Nota: La longitud de arco para el sistema Photogate/Poleas se fija en 0.015 m. Siestá utilizando una polea diferente, cambiar la longitud de arco en la ventana delsensor, haciendo un doble click en el icono de la polea inteligente en la ventana deconfiguración del experimento.
  14. 14. PARTE II: CALIBRACION DEL SENSOR Y CONFIGURACION DEL EQUIPO.• No es necesario calibrar el sistemade Photogate/poleas.1. Usar la Polea de Montaje paraadjuntar la polea a la lengüeta delPhotogate.2. Utilice la tabla universal paramontar la varilla vertical de la polea enel borde de una superficie horizontal,como una mesa.3. Determine la masa del bloque defricción. Registre la masa en la tablade datos del post-laboratorio.4. Use un pedazo de cuerda alrededor de unos 10 centímetros más largo que ladistancia desde la parte superior de la superficie horizontal hasta el suelo. Conecteun extremo de la cuerda al bloque.5. Ponga la cuerda en la ranura de la polea. Conecte el gancho de la masa al otroextremo de la cuerda. Colocar el bloque y el Sistema Photogate/polea como semuestra en la figura. Si está utilizando un sostenedor PASCO, puede adjuntar lacuerda a la masa del sostenedor dando vueltas a la cuerda a través de la muescade tres a cuatro veces.PARTE IIIA: Toma de Datos – Superficie lisa más grande del bloque.1. Coloque el bloque de tal manera que su lado liso más grande descanse sobre lasuperficie.2. Ponga suficiente masa sobre el sostenedor, de tal manera que el bloque sedeslice sobre la superficie sin necesidad de un impulso inicial. Medir y registrar elvalor de la masa colgante TOTAL (recuerde incluir la masa del sostenedor).
  15. 15. 3. Tire el bloque fuera del Sistema Photogate/Polea hasta que la masa colgantecasi llegue a la polea. Mantenga el bloque en su lugar. Gire la polea para que lavarilla del photogate no se bloquee (diodo emisor de luz-en el photogate no estáencendido).4. Comience el registro de datos.5. Suelte el bloque.6. Detenga el registro de datos justo antes que el bloque golpee la polea. Nopermita que el bloque golpee la polea.• Los datos aparecerán como Run # 1 (Corrida nro. 1).7. Repita el procedimiento para obtener una segunda corrida de datos para lamisma masa colgante y superficie.• Los datos aparecerán como Run # 2. (Corrida nro. 2).PARTE IIIB: Toma de datos – Bloque de diferente masa.1. Duplique la masa del bloque, colocando una masa aproximadamente igual a lamasa del bloque en la parte superior del bloque.2. Mide y registre la masa total (M) del bloque y la masa adicional en la tabla dedatos.3. Duplique la masa colgante. Mide y registre la masa total colgante (m) en la tablade datos.4. Haga una corrida de datos (como lo hizo en la parte IIIA) para ver cómo lasdiferentes masas afectan el coeficiente de fricción cinética.PARTE IIIC: Toma de datos - Diferentes Superficies.1. Retire la masa adicional del bloque y la masa adicional del sostenedor, para quequeden solo las masas originales.2. Oriente el bloque para que su lado liso más pequeño sea ahora el quedescanse sobre la superficie horizontal.3. Tome los datos, haga una corrida y compárela con los datos de la Parte III A.PARTE IIID: Toma de Datos - Superficie de materiales diferentes1. Oriente el bloque para que su lado rugoso más grande descanse sobre lasuperficie horizontal.2. Coloque suficiente masa sobre el sostenedor para que el bloque deslice sobrela superficie sin necesidad de un impulso inicial. Mida y registre el valor total de lamasa colgante en la tabla de datos. Recuerde incluir la masa del sostenedor.3. Tome un registro de datos para ver cómo los diferentes materiales afectan elcoeficiente de fricción cinética.4. Oriente el bloque para que su lado rugoso más pequeño descanse sobre lasuperficie horizontal.5. Tome un registro de datos utilizando la misma masa colgante que empleó parael lado suave más grande y compárela con la corrida de los datos para el ladorugoso más grande.
  16. 16. PARTE IIIE: Toma de Datos - Diferentes masas colgantes.1. Regrese el bloque a la orientación original, como en la Parte IIIA (la parte suavemás grande hacia abajo).2. Coloque una cantidad de masa en el sostenedor que sea mayor a la colocadaen la Parte IIIA. Mida y registre la masa total del sostenedor en la tabla de datos.3. Tome un registro de datos como en la Parte IIIA.4. Repita el proceso anterior, utilizando masas colgantes superiores, haga 2mediciones.Asegúrese de medir y registrar la masa total colgante para los tres ensayos.Resumen de datos tomados Nro. de Parte y Descripción Corrida 1 IIIA, Lado suave más grande del bloque 2 IIIA, Lado suave más grande del bloque 3 IIIB, Mayor masa de bloque y mayor masa colgante 4 IIIC, Lado suave más pequeño del bloque 5 IIID, Lado rugoso más grande del bloque 6 IIID, Lado rugoso más pequeño del bloque 7 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 1 8 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 2 9 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 3Analizando los Datos.1. Determine la aceleración experimental para cada una de las corridasregistradas.• Haga click en el gráfico de pantalla para activarlo. Encuentre la pendiente de lavelocidad vs. tiempo, que representa la aceleración promedio del bloque.En DataStudio, seleccione Run # 1 (Corrida nro. 1), en el menú "Data" en elgráfico de la pantalla. Si se muestra una múltiple corrida de datos, en primer lugarseleccione “No Data” del Menú y, a continuación, seleccione Run # 1.Haga click en el botón "Scale to fit" para que los ejes del gráfico se ajusten a losdatos. A continuación, haga click en el botón Fit del menú. Seleccione Linear.En ScienceWorkshop, seleccione Run # 1 desde el menú "Data" en la pantallagráfica. Si se muestra una múltiple corrida de datos, en primer lugar seleccione“No Data” del Menú y, a continuación, seleccione Run # 1. Haga click en el botón"Autoscale" para que los ejes del gráfico se ajusten a los datos. Haga click en elbotón “Statistics” para abrir el área de Estadística en el lado derecho de la gráfica.
  17. 17. En el área de estadísticas, haga click en el botón Menú de Estadística. SeleccioneCurve Fit, Linear Fit en el menú.• Registre la pendiente de la línea en la tabla de datos del Post-Laboratorio. Repitael procedimiento anterior para cada una de las corridas realizadas.2. Usando los valores de las masas y el valor de la aceleración, determine yregistre el coeficiente de fricción cinética de cada uno de los datos de la tabla.Registre sus resultados en el post-laboratorio.POST-LABORATORIOResponda nuevamente la interrogante inicial:En relación con la dirección del movimiento, ¿en cuál dirección actúa la fuerza defricción cinética?Tabla de DatosCorrida M m a exp µk Masa total Masa total aceleración coeficiente de del bloque colgante experimental fricción (Kg) (Kg) (m / s2)123456789ResumenCorrida Parte y Descripción µk1 IIIA, Lado suave más grande del bloque2 IIIA, Lado suave más grande del bloque3 IIIB, Mayor masa de bloque y mayor masa colgante4 IIIC, Lado suave más pequeño del bloque5 IIID, Lado rugoso más grande del bloque6 IIID, Lado rugoso más pequeño del bloque7 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 18 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 29 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 3
  18. 18. Preguntas:1. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con la masa del bloque?2. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el área de contacto entre elbloque y la superficie horizontal?3. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el tipo de material entre elbloque y la superficie horizontal?4. Cuando se utilizan diferentes tipos de materiales ¿Cómo varía el coeficiente defricción cinética con el área de contacto entre el bloque y la superficie horizontal?5. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética a medida que varía la velocidaddebido a las diferentes masas colgantes?6. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de fricción cinética y la masa, área decontacto, o velocidad del objeto?7. Si la masa del bloque aumenta, ¿aumenta la fuerza de fricción cinética?. ¿Porqué?
  19. 19. SEGUNDA LEY DE NEWTON. MÁQUINA DE ATWOOD (SISTEMA DE PHOTOGATE Y POLEAS).Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 10.Teacher’s Guide Volumen 1. Pág. 89. Student Workbook Volumen 1. Pág.Concepto DataStudio Science Workshop Science Workshop (Mac) (Win)Leyes de P10 P13 Atwood`s P13_ATWD.SWSNewton ATwood’s.DS MachineEquipos Requeridos.Sistema de Photogate y Poleas (ME-6838)Masas y Sostenedores (ME-8967)Cuerda (SE-8050)Tabla Universal (ME-9376B)¿Qué piensa usted acerca de?El propósito de esta actividad es estudiar la relación entre fuerza, masa yaceleración mediante una máquina de Atwood. ¿Cómo se aplica en la vida real lamáquina de Atwood?Un poco de teoríaLa aceleración de un objeto depende de la fuerza neta y de la masa del objeto. Enuna máquina de Atwood, la diferencia de peso entre dos masas colgantesdetermina la fuerza neta que actúa sobre el sistema conformado por ambasmasas. Esta fuerza neta acelera ambas masas colgantes; la masa más pesada esacelerada hacia abajo y la más liviana es acelerada hacia arriba.Basándose en el diagrama de cuerpo libre, T es la tensión en la cuerda, M2> M1,y g es la aceleración de la gravedad. Considerando que hacia arriba las fuerzasson positivas y hacia abajo negativas, las ecuaciones de fuerza neta para M1 y M2son las siguientes:
  20. 20. Suponiendo que la polea es de masa despreciable, que la fricción es nula y que lacuerda es de masa despreciable e inextensible, entonces T1 = T2. Despejando“a”, la aceleración del sistema de ambas masas, la aceleración teórica es “g”veces la diferencia entre las masas dividida por el total de las masas.Lo que usted debe hacerUtilizar el Sistema de Photogate y poleas para estudiar el movimiento de lasmasas, mientras una sube la otra baja.Utilizar DataStudio o ScienceWorkshop para registrar los cambios en la velocidadde las masas a medida que se mueven.La pendiente de la curva de velocidad vs. tiempo es la aceleración del sistema.PARTE I: Configuración del Equipo.1. Conecte la interface delScienceWorkshop al computador,encienda la interface y encienda elcomputador.2. Conecte el plug del Photogate alcanal digital 1 de la interface.3. Abra el documento tal como semuestra:DataStudio Science Workshop (Mac) Science Workshop (Win)P10 ATwood’s.DS P13 Atwood`s Machine P13_ATWD.SWS• El documento DataStudio tiene una pantalla Workbook. Lea las instrucciones.• El documento ScienceWorkshop muestra un gráfico de velocidad vs. tiempo.• Nota: La longitud de arco de la polea está fijada en 0.015 m. Si está utilizandouna polea diferente, cambie la longitud de arco en el sensor de ventana haciendodoble click en el icono del sensor en la ventana de configuración del experimento.PARTE II: Calibración del Sensor y Configuración del Equipo.• No es necesario calibrar el sensor.1. Monte el sujetador en el borde de
  21. 21. una mesa.2. Utilice la vara sostenedora de lapolea para adjuntar la polea a lalengüeta del Photogate.3. Coloque el Sistema de Photogate yPoleas en el sujetador para que lavarilla quede horizontal.4. Use un pedazo de cuerda de unos10 cm más largo que la distanciadesde la parte superior de la poleahasta el piso. Coloque la cuerda en laranura de la polea.5. Coloque portamasas osostenedores a cada extremo de lacuerda.Para atar la cuerda al sostenedor,anude y enrolle alrededor de 5 veces.6. Coloque de cinco a seis masas deljuego de masas, con un total de(aproximadamente) 100 gramos demasa en un sostenedor y registre lamasa total de M1 en la tabla de datosdel Post-laboratorio. Asegúrese deincluir los 5 gramos de la masa delsostenedor en la masa total. En elotro sostenedor, coloque un poco másde masa, para que M2 sealigeramente mayor que M1. Registreel valor de M2 en la tabla de datos.7. Mueva el sostenedor de M2 hacia arriba hasta que la masa M1 casi toque elsuelo. Sostenga a M2 para que no se caiga. Gire la polea de modo que el haz delPhotogate no se bloquee (el diodo emisor de luz roja (LED) en el Photogate nodebe encenderse).
  22. 22. PARTE IIIA: Toma de Datos – Masa Total Constante.1. Suelte el sostenedor de M2 y deje caer. Inicie la grabación de datos.2. Detenga la grabación justo antes de que el sostenedor de M2 toque el suelo.No deje que la masa en movimiento golpee a la polea."Run # 1" aparecerá en la lista de datos. (Corrida nro. 1).3. Para la Corrida nro. 2, mueva una masa del sostenedor de M2 y pásela a M1.Este proceso cambia la fuerza neta, sin cambiar la masa total del sistema.Registre la nueva masa total de cada sostenedor en la tabla de datos. Deje que lamasa caiga y realice un nuevo registro de datos. Detenga la grabación de datosjusto antes de que el sostenedor llegue al suelo.4. Repita el paso anterior para crear tres combinaciones más de masas. Para cadacaso, la fuerza neta varía, pero la masa total del sistema permanece constante.PARTE IIIB: Toma de Datos – Fuerza Neta Constante.1. Colocar las masas tal y como estaban en la Corrida nro. 1. Ahora, lo que sepretende es cambiar la masa total del sistema, pero manteniendo la misma fuerzaneta. Para ello, hay que añadir exactamente la misma cantidad de masa a los dossujetadores.Asegúrese de que la diferencia de masa sea la misma que al inicio en la parte IIIA.2. Añadir aproximadamente 10 g de masa a cada sujetador. Registre la nuevamasa total de cada sostenedor en la tabla de datos. Suelte el sujetador M2 ydéjelo caer. Comience a tomar los datos. Detenga la grabación justo antes de queel sujetador M2 alcance el suelo.3. Repita el paso anterior para crear tres corridas más. Para cada corrida, la fuerzaneta permanece constante, pero la masa total del sistema cambia.Analizando los datos1. Determine la aceleración experimental para cada corrida de datos.• Haga click en el gráfico de pantalla para activarlo. Encuentre la pendiente de lavelocidad vs. tiempo en el gráfico, la cual representa la aceleración promedio delas masas.En DataStudio, seleccione Run # 1 desde el menú de datos en la pantalla. Si seejecutan múltiples datos, primero seleccione “No Data” del menú de datos y acontinuación seleccione Run # 1. Haga click en "Scale to fit" para ajustar los ejesdel Gráfico a los datos. A continuación, haga click en el botón Fit del menú.Seleccione Linear.En ScienceWorkshop, seleccione Run # 1 desde el menú de datos en la pantalla.Si se ejecutan múltiples datos, primero seleccione “No Data” del menú de datos ya continuación seleccione Run # 1. Haga click en "Autoscale" para ajustar los ejesdel Gráfico a los datos. A continuación, haga click en el botón Statistics para abrirel area de Estadística en el lado derecho del gráfico. En el área de Estadística
  23. 23. haga click en el botón de botón Menú de Estadística. Seleccione Curve Fit, LinearFit en el menú.Registre el valor de la pendiente en la tabla de datos. Repita el procedimientoanterior para cada una de las 9 corridas restantes.Para cada una de las corridas, utilizando los valores de las masas, calcule yregistre la fuerza neta en la tabla de datos Fnet = (M2 – M1 )g3. Calcule y registre la masa total en la tabla de datos.4. Utilizando la masa total y la fuerza neta, calcule la aceleración teórica, a travésde la ecuación: a = Fnet / (M1 +M2)5. Para cada corrida, calcule y registre la diferencia porcentual entre la aceleraciónexperimental y la aceleración teórica.Registre los resultados en el post-laboratorio.POST-LABORATORIOResponda nuevamente la interrogante inicial:¿Cómo se aplica en la vida real la máquina de Atwood?Tabla de Datos: Masa Total ConstanteCorrida M1 M2 a exp F neta M1 + a teor Diferencia (kg) (kg) (m/s2) (N) M2 (m/s2) Porcentual (kg)12345
  24. 24. Tabla de Datos: Fuerza Neta ConstanteCorrida M1 M2 a exp F neta M1 + a teor Diferencia (kg) (kg) (m/s2) (N) M2 (m/s2) Porcentual (kg)678910Preguntas:1. Compare la aceleración experimental con la aceleración teórica determinando ladiferencia porcentual. ¿Qué causas podrían considerarse para esta diferenciaporcentual?.2. Para los datos de masa total constante, realice un gráfico de Fuerza neta vs.aceleración experimental. Nota: Incluya un signo negativo para la aceleracióncuando M1 es mayor que M2. Anexe el gráfico al post-laboratorio.3. Dibuje la mejor línea de ajuste en el gráfico. ¿Qué representa la pendiente deésta línea?.4. ¿Cómo el gráfico de Fuerza vs. aceleración se relaciona con la Segunda Ley deNewton?.

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