CURSO: FÍSICA GENERAL Guía de laboratorio 02 Fuerza y Movimiento: Segunda Ley de Newton I.
LOGROS ESPERADOS a)
Establece experimentalmente la relación entre fuerza y aceleración para obtener la masa del sistema, aplicando la Segunda ley de Newton.
II.
III.
EQUIPOS Y MATERIALES Nº
Cant.
Descripción
Código
1
1
850 Universal Interface
UI-5000
2
1
Motion Sensor
PS-2103
3
1
Laptop (inc. AC Adapter 65 W 20 V ) + Software Capstone
4
1
1,2 m Classic Dynamics System
ME-9429A
5
1
Dinamics cart
ME-9430
6
1
Smart pulley with clamp
ME-9448A
7
1
Mass and Hanger Set
ME-9348
8
1
Hilo resistente
SE-8050
9
1
Nivel de mesa
10
1
Ohaus Scout Pro Balance
SE-8757A
11
1
Assy Dynamics Track End Stop
ME-8971
INTRODUCCIÓN
⃗, (suma vectorial de todas las fuerzas) actúa sobre un cuerpo éste acelera, ⃗ presenta la misma dirección que la fuerza neta. Si la masa del cuerpo aumenta, la dicha aceleración Si una fuerza externa neta
aceleración disminuye pero la fuerza neta se mantiene constante. Estos hechos permiten escribir la segunda ley de Newton cómo:
⃗ ⃗
Para estudiar en el laboratorio la relación entre masa, aceleración y fuerza como lo establece la segunda Ley de Newton, usaremos el montaje experimental mostrado en la Fig. 01. El carro de masa suspendida
.
es arrastrado por el riel horizontal, por medio de una cuerda unida a una masa Considerando
las
fuerzas
de
fricción
muy
ruedas del carro y el riel como entre el hilo y la polea, la fuerza neta es
1
pequeñas,
tanto
entre
las
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Fig. 01: Representación Representación gráfica del sistema experimental experimental Posterior a realizar el DCL para ambas masas y aplicar la Segunda Ley de Newton en el sistema experimental, la aceleración del sistema resulta:
Reemplazando (2) en (3), obtenemos:
Usando la ecuación (4) podemos graficar , obteniendo del ajuste lineal la pendiente, cuyo valor es la masa total del sistema , de forma experimental. IV. PROCESO EXPERIMENTAL 4.1 Disposición del equipo para medir la l a aceleración en el sistema a)
Disponga del equipo tal como se muestra en la Fig. 02.
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b)
Asegúrese de que el hilo que pasa por la polea se encuentre completamente nivelado horizontalmente
(Fig. 02). c)
Use nivel de mesa y los soportes ajustables ubicados debajo del carril, para nivelarlo antes de iniciar la toma de datos. (Fig. 03).
Fig. 03: Nivelado del carril 4.2 Toma de Datos a)
Coloque un total de 0,055 kg como masa suspendida, de igual forma mida esta masa (pesas + portapesas) portapesas) y la masa del carrito por separado. Luego calcule la masa total del sistema
b) c)
(). Anote su resultado en la Tabla A.1. Calcule el peso ( ), en cada caso y anote sus resultados en la Tabla A.2. Coloque primero un total de 0,055 kg como masa suspendida y sostenga el carrito a 15 cm del sensor de movimiento (Fig. 04).
Fig. 04: Ubicación del carrito a 15 cm del sensor de movimiento.
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Fig. 05: Inicio programa Pasco Capstone y uso de la herramienta gráfico. e)
En la pantalla mostrada en la Fig. 06, proceda a cambiar el nombre de los ejes a fin de que reconozca el sensor de movimiento.
f)
En el eje de las ordenadas elija la opción velocidad y en el eje de las abscisas elija la opción tiempo
(Fig. 06). g)
Cambie la frecuencia de muestreo en la parte baja de la pantalla de 20,00 Hz a 50,00 Hz (Fig. 06).
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h)
Suelte el carrito y presione la opción grabar
para iniciar la toma de datos, espere a que este haya
recorrido todo el carril y presione la opción detener
, para finalizar la toma de datos.
PRECAUCIÓN: Evite que el carrito golpee el tope ubicado al final del carril. i)
Observe la gráfica mostrada en la Fig. 07 y use la herramienta autoescala
para visualizar en mayor
tamaño el gráfico (Ver Fig. 07). j)
Seleccione los puntos mejor alineados usando la herramienta resaltador Ajuste
, luego seleccione la opción
, ambas ubicadas en la parte superior de la ventana (Fig. 07).
Fig. 07: Ajuste lineal de la gráfica Velocidad (m/s) vs tiempo (s) El valor de la pendiente mostrada, es el valor de la aceleración del sistema. A note los valores medidos en la Tabla A.2.
k)
Retire los primeros 0,010 kg del portapesas y trasládelo al carrito. Tenga en cuenta que la masa suspendida va disminuyendo y la de encima del carrito aumentando, para que la masa total del sistema
no cambie (Fig. 08).
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Fig. 08: Traslado de masa suspendida del portapesas al carrito. a)
Realice tres ensayos con cada masa suspendida, obtenga la aceleración en cada caso y luego calcule la aceleración promedio
b)
〈〉. Anote todos sus resultados en la Tabla A.2.
Repita todo el procedimiento anterior cuatro veces más, hasta dejar solo una pesa de aproximadamente 0,010 kg en el portapesas.
c)
Obtenga el valor experimental de la masa total del sistema
, a partir del gráfico Fuerza (N) vs
aceleración (m/s 2) en el programa CAPSTONE , con el procedimiento mencionado a continuación: 4.3 Elaboración del Gráfico Fuerza (N) vs aceleración (m/s 2) en el programa CAPSTONE
a) Use los datos de fuerza y aceleración promedio de la Tabla A.2, en cada caso, para el respectivo ajuste lineal.
b) Para elaborar un gráfico por medio de introducción de datos, pulse la herramienta Archivo, elija “Nuevo experimento” y experimento” y luego
(Fig. 09).
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c)
Aparecerá la siguiente pantalla (Fig. 10) y elija el ícono donde aparezca la opción Tabla y gráfico .
Fig. 10: Inicio del programa Capstone y elección de la opción “Tabla y gráfico” d) En la tabla Seleccione medición, luego Crear nuevo, seguido de la opción Datos creados por el usuario y digite “a” (Aceleración) en la primera columna y “F” (Fuerza) en la segunda columna (Fig. 11).
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e) En la gráfica seleccione la medición en el eje de las abscisas que concuerde con la escrita en la primera columna (a), de igual forma para el eje de las ordenadas (F) (Fig. 12).
Fig. 12: Elección del tipo de variable en ambos ejes.
f)
Una vez ingresado los datos, seleccione la herramienta autoescala el gráfico y luego seleccione la opción Ajuste en la parte superior de la ventana (Fig. 13)
para visualizar en mayor tamaño
, en la barra de herramientas de la gráfica, ubicado
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Fig. 13: Ingreso de datos por columna y uso de la opción ajuste. g) Elija la opción Lineal mx + b (ajuste lineal) para la gráfica Fuerza (F) vs Aceleración (a), como se muestra en la Fig. 14. De esta forma se mostrará un cuadro de variables para una ecuación lineal (Fig. 14).
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Fig. 15: Obtención de la pendiente
(Masa total del sistema)
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INFORME DE LABORATORIO
Laboratorio 02: Fuerza y Movimiento: Segunda Ley de Newton
Mesa
Fecha
Hora
..……/………/…..…
CUADRO DE CALIFICACIÓN
Tipo de evaluación Toma de datos
(Grupal) Hoja de cálculos
(Individual)
Puntaje
5,0 15,0
A ser llenado por el profesor evaluador:
N°
1
2
Apellidos
Nombres
Toma de
Hoja de
datos
cálculos
Nota Individual
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Presentación de Informe grupal
A. TOMA DE DATOS (Grupal) Paso 1: Medida de la masa total referencial del sistema a)
()
Siga los pasos de las secciones 4.1 y 4.2 y complete las siguientes Tablas.
Tabla A.1: Medida de la masa total del sistema Masa Suspendida
Masa del carrito
Medida de la masa total del sistema usando balanza
Tabla A.2: Medida de la aceleración para distintos valores de fuerza aplicada al carrito (2,5 puntos)
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Alumno 01: __________________________ _____________________________________ _________________________ __________________________ _________________________ _______________ __
B. CÁLCULOS (Individual) – Muestre sus cálculos en las tablas Paso 1: Cálculo de la aceleración referencial del sistema a)
()
Use la ecuación (3), los datos de masa suspendida y masa del carrito para calcular la aceleración referencial del sistema.
b) Anote sus cálculos en la Tabla B.1.
Tabla B.1: Cálculo de la aceleración referencial del sistema (4,0 puntos)
Nº
Masa Suspendida
(kg)
1
0,055
Aceleración referencial del sistema
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b)
Calcule el error relativo porcentual tomando como referencia las masas totales referencial y medida.
Tabla B.1: Cálculo de error relativo porcentual para la masa total del sistema (1,0 puntos)
Cálculo de error relativo porcentual (E %)
| | Paso 3: Cálculo de error relativo porcentual para la aceleración a) Compare el valor de aceleración promedio relativo porcentual.
〈〉, con el calculado referencialmente y calcule el error
Tabla B.2: Cálculo de error relativo porcentual para la aceleración (5,0 puntos)
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C. RESUMEN DE ACTIVIDADES (5,0 puntos) C.1
Menciones 02 conclusiones de la experiencia
__________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _____________ __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ ___________________________ _________________________ ___________ __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _____________ __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ ___________________________ _________________________ ___________ objetos uno sobre otro son siempre iguales en magnitud y de sentidos opuestos, opuestos, C.2 Si las fuerzas que ejercen dos objetos ¿Cómo es posible que un objeto se acelere? __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _____________ __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _____________ __________________________ ______________________________________ ________________________ _________________________ _________________________ _________________________ _____________ __________________________ ______________________________________ _________________________ __________________________ __________________________ ________________________ ___________
C.3 De acuerdo con la tercera ley de Newton, en la competencia de jalar la cuerda cada equipo jala con una fuerza de igual magnitud pero sentido opuesto sobre el otro equipo. ¿Qué determina entonces qué equipo ganará?
__________________________ _______________________________________ _________________________ ________________ ____ __________________________ _______________________________________ _________________________ ________________ ____