Cinetica Y Potencial

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

ESTUDIO DE LA RELACIÓN ENTRE LAS ENERGÍAS CINÉTICA Y POTENCIAL DE UN DESLIZADOR EN UN RIEL DE AIRE RONALDO GARZÓN PEÑA - ING. INDUSTRIAL DIEGO ALEJANDRO GRAJALES AMADO – GEOLOGIA Quien nunca ha cometido un error nunca ha probado algo nuevo. Albert Einstein

Resumen A la energía se lo conoce como la capacidad que tiene un sistema físico para realizar un trabajo. En el caso de la materia esta posee energía la cual es el resultado de su movimiento o de su posición. Teniendo 2 clases de energía, la relacionada al movimiento recibe el nombre de energía cinética, y la relacionada a la posición del objeto respecto a la tierra se le conoce como energía potencial gravitatoria, esta energía se puede trasformar de una forma a la otra sin cambiar su cantidad total de energía, osea que la energía se conserva. Pero esta solo solo se mantendrá cuando solo solo actúen fuerzas conservativas en el sistema, lo que se hizo en este proyecto fue evaluar experimentalmente el principio de conservación de la energía mecánica, mediante el montaje experimental de un riel de aire inclinado.

INTRODUCCIÓN En este proyecto de investigación se estudiara la relación entre la energía potencial y cinética de un cuerpo sobre un riel de aire que parte del reposo a una altura determinada, conociendo en este su posición y diferentes tiempos, se buscara además determinar experimentalmente la e nergía inicial y final del deslizador. Marco teórico:

Conservación de la Energía La energía se puede transformar de una forma a la otra, esta cantidad no cambia. Por ejemplo en un sistema que sea mecánico y donde todas las fuerzas sean conservativas, se puede transformar la energía cinética en potencial y viceversa

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Fuerzas conservativas:Las fuerzas conservativas poseen dos importantes propiedades:

1. El trabajo realizado sobre una partícula que se mueve entre cdospuntos cualquiera, es independiente de la trayectoria seguida de la partícula, esta solo depende de su posición. 2. El trabajo realizado por una fuerza conservativa a lo largo de cualquier trayectoria cerr ada es cero. Fuerzas no conservativas: Las fuerzas no conservativas son aquellas en las que se realiza un trabajo distinto de cero a lo largo de un camino cerrado. El trabajo de las fuerzas no conservativas es proporcional al recorrido realizado. ejemplo: fuerza de rozamiento y fuerza magnética Energía mecánica: Se define como la forma de energía que se puede transformar en trabajo mecánico de modo directo. Para sistemas abiertos formados por partículas que interactúan mediante fuerzas puramente mecánicas o campos conservativos la energía se mantiene constante con el tiempo:

En donde:

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METODOLOGÍA El desarrollo de este proyecto de investigación se realizó de la siguiente manera utilizando el modelo visto en la imagen.

PRIMERA FASE:En esta fase se identificó las fases independientes del proyecto experimental como la masa del deslizador, el ángulo. Además las dependientes como las velocidades, energías, potencial y cinética. SEGUNDA FASE: En esta fase se halló la energía potencial del estado inicial del deslizador, que corresponde a una altura respecto al punto de referencia y cinética del estado final del deslizador, que corresponde al punto de referencia desde donde se tomó la altura.

EL desarrollo de esta fase será de la siguiente manera:

Primero: Se medirán las condiciones iníciales del proyecto experimental, donde, D es la distancia entre fotoceldas, h será la altura que se elevara una parte del riel, d la distancia en los soportes del riel, L el largo del carro deslizante y m la masa del carro. Segundo: En el experimento se registrarán los tiempos que demora el deslizador en recorrer el espacio identificado con la letra D, para ello se utilizarán un par de fotoceldas para medir el tiempo que demora el deslizador en pasar entre ellas. Las fotoceldas deben colocarse en modo GATE y presionar RESET.

Tercero: Se encontrara la energía potencial que corresponde al estado inicial del sistema a través del producto del seno del ángulo por la distancia entre las fotoceldas.

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Cuarto: Se determinaran los tiempos de las fotoceldas soltando siempre desde el mismo punto el deslizador. Quinto: Se hallara la energía potencial del deslizador en condiciones iníciales y finales, para ello haciendo usos de las velocidades calculadas gracias a los tiempo de las fotoceldas, teniendo en cuenta que la velocidad es el cociente del espacio entre el tiempo.  = tan

−1 ℎ 

  =



Sexto: Se repetirán los pasos anteriores para aproximar los datos obtenidos. TERCERA FASE: En esta fase se estudiara la energía mecánica en diferentes instancias variando las condiciones iníciales como la altura o la masa. Lo primero será repetir la fase anterior variando las alturas del sistema y luego se repetirá con una altura fija y diferentes masas. CUARTA FASE: En esta fase se relacionaran la energía cinética y potencial entre la posición 1 y la posición 2 para los hallazgos de las fases dos y tres. QUINTA FASE: En esta fase se sintetizaran los hallazgos de este laboratorio experimental estableciendo relaciones entre los resultados hallados.

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TRATAMIENTO DE DATOS. Los datos obtenidos en las fases metodológicas del desarrollo del laboratorio experimental se presentaran a continuación.

D (cm)

60

h (cm)

T1 (s) 0.251 0.252 0.252 0.252 Tabla 1 Fase 2

D (cm)

2.19 d(cm) 100 L (cm) Tiempo registrado de las fotoceldas T2 (s) 0.184 0.184 0.184 0.184

60

h (cm) 3.25 4.3 4.66 Tabla 2 Fase 3

D (cm)

T1 (s) 0.251 0.252 0.252

60

m (g) 229.2 240.8 384.3 430 Tabla 3 Fase 3

T1 (s) 0.254 0.254 0.255 0.256

12.1

m (g)

183.5

T3(s) 0.435 0.436 0.436 0.436

d(cm) 100 L (cm) 12.1 Tiempo registrado de las fotoceldas T2 (s) 0.184 0.184 0.184

m (g)

d(cm) 100 L (cm) 12.1 Tiempo registrado de las fotoceldas T2 (s) 0.184 0.185 0.185 0.185

h (cm)

5

183.5

T3(s) 0.435 0.436 0.436

T3(s) 0.438 0.439 0.440 0.441

2.19


ANÁLISIS DE RESULTADOS. El análisis a los datos obtenidos se presentara a continuación de forma jerárquica por fases. D (cm)

60

h (cm)

2.19

T1 (s) 0.25175

d(cm) 100 L (cm) Tiempo promedio T2 (s) 0.184

12.1

d(m) 1 Energías presentes

0.121

m (g)

183.5

T3(s) 0.43575

Tabla 4

D (m)

0.6

h (m)

0.0219

Estado (fotocelda) 1 V (m/s) Ek (J) 2.38 0.52 Tabla 5 Energía mecánica teórica 0.97 J Tabla 6 D (m) h (cm) 3.25 4.3 4.66 Tabla 7

T1 (s)

T2 (s)

0.251 0.252 0.252

0.184 0.184 0.184

Energía mecánica teórica 1.14 1.29 1.33 Tabla 8

Ep (J) 0.42

L (m)

m (kg)

Estado (fotocelda) 2 V (m/s) Ek (J) 3.26 0.97

Energía mecánica experimental 0.94 J

0.6

d(m) 1 Energías Presentes Estado (fotocelda) 1 V (m/s) Ek (J) Ep (J) 2.39 0.52 0.62 2.38 0.51 0.78 2.38 0.51 0.82

Energía mecánica experimental 0.97 0.97 0.97

6

0.1835

Ep (J) 0

Error 3.09%

L (m)

0.121

m (kg)

0.1835

Estado (fotocelda) 2 V (m/s) Ek (J) Ep (J) 3.26 0.97 0 3.26 0.97 0 3.26 0.97 0

Error 14.91% 24.81% 27.06%


D (m) m (g) 0.2292 0.2408 0.3843 0.430 Tabla 9

T1 (s)

T2 (s)

0.254 0.254 0.255 0.256

0.184 0.185 0.185 0.185

Energía mecánica teórica 1.05 1.09 1.48 1.59 Tabla 10

0.6

d(m) 1 Energías Presentes Estado (fotocelda) 1 V (m/s) Ek (J) Ep (J) 2.36 0.63 0.42 2.36 0.67 0.42 2.35 1.06 0.42 2.34 1.17 0.42

Energía mecánica experimental 0.97 0.97 0.97 0.97

L (m)

0.121

h (m)

0.0219

Estado (fotocelda) 2 V (m/s) Ek (J) Ep (J) 3.26 0.97 0 3.26 0.97 0 3.26 0.97 0 3.26 0.97 0

Error 7.61% 11.01% 34.45% 38.98

CONCLUSIONES Realizado el experimento se pudo llegar a la conclusión de que efectivamente existe una relación entre la energía potencial y la energía cinética de un sistema, y que prácticamente la energía mecánica se conserva, no obstante se puede ver que la conservación de la energía mecánica no es tan exacta como se puede ver con análisis teóricos, pues el riel de aire lo único que hace es disminuir una parte de la fuerza de fricción que inevitablemente estará en el sistema, y esta aunque se intente eliminar no desapareció del todo, lo que causo variaciones en el experimento e hizo que se disolviera un poco de esta energía del sistema, haciendo que este perdiera altura y velocidad. No obstante, si la fuerza de fricción hubiera desaparecido por completo, el carro deslizador hubiera repetido el sistema en un bucle infinito ya que la energía siempre se hubiera mantenido y este nunca se hubiera detenido, excepto si se hubiera presentado una interferencia en el sistema que lo hubiera obligado a detenerse, por eso está claro decir que en un medio real nunca se podrán llegar a estos resultados esperados en los que la energía se conserve al 100% a no ser que se tengan equipos más avanzados que permitan que esto se realice.

REFERENCIAS Kleppner, D., &Kolenkow, R. J. ((1976).). AN INTRODUCCION TO MECHANICS. Boston: McGraw Hill. WIKIPEDIA. (13 de Octubre de 2015). https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_conservativa. Material didáctico I6: http://ciencias.uis.edu.co/lab/app/components/research/fisica1/i6.pdf

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ANEXOS

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Este material fue desarrollado por Adriana Rocio Lizcano Dallos, M.Sc y David Alejandro Miranda Mercado, Ph.D, en el marco del proyecto titulado “Fortalecimiento de las capacidades científicas y tecnológicas para lograr una mejor formación para la investigación por medio de mejores laboratorios de física para ciencia e ingeniería”, fase 1: re -enfoque metodológico. Para el desarrollo de esta actividad se contó con el apoyo de Jorge Humberto Martínez Téllez, Ph.D, Director de la Escuela de Física, David Alejandro Miranda Mercado, Ph.D, Decano de la Facultad de Ciencias y Gonzalo Alberto Patiño Benavides, Ph.D, Vicerrector Académico de la Universidad Industrial de Santander.

Bucaramanga, 07 de mayo de 2016

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