UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE CIENCIA DEPARTAMENTO DE FISICA
COORDINADORA: CECILIA TOLEDO V SEMESTRE PRIMERO 2013 MODULO BASICO DE INGENIERIAINGENIERIA- 2012
FISICA I NOTA: En esta guía se presentan las experiencias Nº4 y Nº5, correspondientes al contenido de Estática ( ver anexo teórico página 5). De acuerdo al material disponible los grupos podrán desarrollar la Nº4 ó Nº5, lo que le será comunicado por su profesor.
LABORATORIO Nº4 ESTUDIO DE FUERZAS-PALANCAS OBJETIVOS I.- Verificar la condición de equilibrio en un sistema de más de dos fuerzas
II.-. Verificar la condición condición estático de equilibrio de una barra barra ( Palanca)
INTRODUCCIÓN En el estudio de la mecánica se puede realizar un análisis de los cuerpos propiamente tales , como también cuando estos lo podemos considerar como partículas. Este análisis es el que se se desarrollará desarrollará en esta sesión. sesión.
ACTIVIDADES EXPERIMENTAL I: Verificar la condición de equilibrio del sistema propuesto en la figura adyacente
.- Realice el montaje que muestra la figura adyacente.
.- Tome las medidas pertinentes, cuales las puede registrar en el cuadro siguiente para que verifique la condición de equilibrio equilibrio de fuerzas ( F 0 )
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1
m1g m2g m3g )
( º) ( º )
T 1x (N) T 3x (N) T 1y (N) T 2y (N) T 3y (N) ΣFx = ____________________________ Σ Fy = ____________________________
II.-.ACTIVIDAD EXPERIMENTAL II: Verificar la condición estático de equilibrio de una barra ( Palanca) I.-
Para el sistema indicado en la figura Nº1, donde el eje de rotación está ubicado en el centro de masa, cuelgue las masas mA y mB como muestra la figura ( o en forma similar) de tal manera que la barra permanezca en equilibrio estático en la posición horizontal.
FIGURA Nº1
B
1. Haga un esquema de “todas” las fuerzas que actúan sobre la barra ( diagrama de cuerpo libre) 2. ¿ Que fuerzas hacen torque respecto del fulcro ( punto de rotación) Compruebe que la fulcro
3.
0
(respecto del fulcro).¿ A que tipo de palanca corresponde ?
Identifique dos tipos de instrumentos y/o herramientas que se identifican con este tipo de Palancas.
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2
III.- Realice el montaje que muestra la siguiente figura . 1. En el extremo izquierdo se encuentra el eje de rotación.
F
B
2. Cuelgue un cuerpo en el extremo derecho( bloque A) 3. Aplique una fuerza con una cuerda cerca del fulcro, esta cuerda se hace pasar por una polea fija de modo que del otro extremo cuelga un bloque de peso conocido( bloque B) 4. Elija los bloques adecuados de modo que la barra o permanezca en equilibrio estático en posición horizontal. 5. Haga un diagrama con todas las fuerzas que actúan sobre la barra 6. Registre las medidas necesarias que le permitan comprobar el equilibrio estático. 7. Escriba las ecuaciones que le permitan comprobar las dos ecuaciones del equilibrio estático, es decir,
F
0
;
P
0.
8. ¿A que tipo de palanca corresponde? Identifique dos tipos de instrumentos y/o
herramientas que se identifican con este tipo de Palancas
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LABORATORIO Nº5 ESTUDIO DE UNA VIGA EN EQUILIBRIO ESTÁTICO Objetivo: I. Determinar las reacciones que se presentan cuando se aplican cargas puntuales verticales a una viga horizontal rotulada en uno de sus extremos. II. Determinar la relación funcional del gráfico constantes.
fuerza versus posición
identificando
Materiales .- Sensor de fuerza .- Barra ( canaleta ) .- Objeto de masa M .- Balanza .- Soporte universales. 1) Procure que el riel quede situado en forma horizontal. 2) Calibre el sensor de fuerza 3) Sitúe la masa M de acero en uno de los extremos del riel, Verifique que el sistema quede horizontal y en equilibrio 4) Proceda a cambiar de posición la masa midiendo la distancia a partir del extremo y registre el valor que indica ahora el sensor de fuerza. Repita el proceso para distintas distancias. Registre en una tabla los valores encontrados. X(m) F(N)
Sensor de Fuerza
Masa M
RIEL SOSTENIDO POR CUERDA
RIEL
5) Escriba las ecuaciones que verifican el equilibrio estático
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4
6) Realice un gráfico de fuerza en función de la posición ( utilice DataStudio) 7) Del grafico obtenido, realice un ajuste lineal 8) Escriba la relación funcional e interprete cada una de las variables involucradas en ella. 9) A partir del grafico, determine experimentalmente los valores de la masa del riel y el del objeto de masa M. 10) Compare los valores obtenidos en el punto anterior con los medidos por la balanza, determine el % de error. 11) Utilizando los datos medidos (por la balanza experimentalmente la aceleración de gravedad.
y
la
huincha)
determine
12) Compare el valor obtenido en el punto anterior con la aceleración de gravedad en Santiago (averígüelo)
ANEXO TEORICO CONCEPTO DE MOMENTO DE UNA FUERZA O TORQUE (
)
Recordemos que se define el torque o momento de una fuerza una cantidad vectorial dada por la expresión.
r
o
F
con
o
r F sen
con respecto a un punto 0 como
;
o
Fb
donde r es el vector posición del punto de aplicación de la f uerza F , medido desde O.
o
Línea de acción de F B
r
O
O
F F
r
La distancia de la figura anterior ,OB = b , se le llama
brazo
de palanca . Corresponde a la distancia entre el p unto 0 y la línea de acción de la fuerza F . De acuerdo al producto vectorial, el torque vectores r y F
o
, es un vector perpendicular al plano que forman los
y el sentido lo da la regla de la mano derecha o del tirabuzón. Debe especificarse
claramente respecto de que punto hace torque la f uerza F En coordenadas cartesianas, el torque se puede calcular por medio del determinante:
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i
j
k
x
y
z
Fx
Fy
Fz
ˆ
o
ˆ
ˆ
;
i yFZ
ˆ
z Fy
j x Fz
ˆ
z Fx
k xFy ˆ
yFx
CENTRO DE GRAVEDAD Los cuerpos están formados por un gran número de partículas sobre las cuales actúa la fuerza de gravedad. Se puede demostrar que la fuerza de todas esas fuerzas individuales tiene el efecto equivalente de una sola fuerza que actúa en un solo punto que se le conoce como “centro de gravedad”(c.g) y que corresponde a la fuerza peso m g del cuerpo
mg
MAQUINAS SIMPLES: Las máquinas son dispositivos que multiplican una fuerza o bien cambian la dirección de una fuerza, entre las máquinas simples podemos citar a las palancas, las poleas, gatas hidráulicas, tornos, planos inclinados. Estas máquinas simples nos proporcionan una “ventaja mecánica”. Si se llama Fa a la fuerza de entrada (esfuerzo) que es la que se aplica a la palanca para mantener o levantar una carga y FL a la fuerza de salida o fuerza de carga o resistente), entonces la ventaja mecánica ideal (no se considera perdida por roce) viene dada por:
VENTAJA MECANICA = V.M =
FL Fa
LA PALANCA La palanca es una máquina simple bastante eficiente. Básicamente está formada por una barra rígida que se puede hacer rotar respecto de un punto línea que recibe el nombre de FULCRO.
xL
xa
M
FL Según las posiciones que tengan las dos fuerzas y el fulcro, se definen tres clases de palancas: Primera clase: el fulcro se encuentra entre ambas fuerzas Segunda clase: la carga está entre el fulcro y el esfuerzo. Tercera clase: el esfuerzo está entre el f ulcro y la carga.
Fa
FULCRO
En el conjunto de figuras siguiente están esquematizadas los tipos de palancas:
Fa
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La figura siguiente muestran palancas en el cuerpo humano
www.sobreentrenamiento.com LAS POLEAS Las poleas, al igual que las palancas, son máquinas simples. Una polea no es más que una rueda que puede girar libremente alrededor de un eje que pasa por su centro. Ahora, una polea o un sistema de poleas es un dispositivo con el cual se puede variar la dirección y la magnitud de una fuerza para obtener alguna ventaja mecánica. Una polea fija solo permite cambiar la dirección o sentido de la aplicación de la fuerza y la polea móvil permite “ahorrar fuerza”.
POLEA MOVIL
POLEA FIJA
F
F
COMBINACIÓN DE POLEAS: Si se considera que las poleas son de masa despreciable, entonces se cumple que:
F = P/2
P P
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F = P/4
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CONDICIONES DE EQUILIBRIO ESTATICO PARA UN SISTEMA DE FUERZAS COPLANARES
1.-
Un sistema está en equilibrio de traslación cuando la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el sistema es nula. Para un sistema en un plano se tiene que cumplir:
F 2.-
0
; Fy = 0
Un sistema se encuentra en equilibrio de rotación cuando la suma de todos los momentos que actúan sobre el sistema es nulo. P
3.-
Fx = 0
0
Para la condición de equilibrio de un cuerpo debe cumplirse que la sumatoria de las fuerzas debe ser cero y la suma de los torques debe ser cero
Si las fuerzas ( magnitudes vectoriales) están en un plano, entonces esta tiene dos componentes, que pueden ser Fx y Fy r
F
BIBLIOGRAFÍA 1.- Física Tomo I. Raymond Serway 2.- Física Práctica. G. L. Squires. 3.- Física Experimental. Daish y Fender 4.- Fíisca. J. W. Kane
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