. Estática primera condición de equilibrio 1.-introduccion.La Estática estudia el equilibrio de los cuerpos, es decir, aquellos cuerpos que se encuentran tanto en reposo como en movimiento con velocidad constante. En esta práctica de estática y primera condición de equilibrio, se pretende llegar a comprobar experimentalmente la primera condición de equilibrio, para fuerzas coplanares y concurrentes. Con este laboratorio se verificara los datos obtenidos por métodos teóricos con los resultados obtenidos experimentalmente y contrastarlos con los procedimientos dados que nos deben dar respuestas parecidas. Este laboratorio nos ayudara mucho para despejar todas nuestras dudas sobre estos temas tratados en clase. 2.-Objetivos.
Comprobar experimentalmente la primera condición de equilibrio, para fuerzas coplanares y concurrentes. Verificar los resultados obtenidos experimentalmente y contrastarlo con los procedimientos teóricos dados en clase y establecer las diferencias. Determinar relaciones matemáticas entre las variables físicas que intervienen en un experimento.
3.- materiales.
Computadora personal con programa data studio instalado Interface power link Sensor de fuerza (2) Pesa de 0.5 N (5) Varillas (5) Bases soporte (2) Nuez doble (4) Grapas (2) Curda Trasportador Regla Calculadora.
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. 4.-fundamento teórico.ESTÁTICA La estática es la rama de la mecánica clásica que analiza las cargas (fuerza, par / momento) y estudia el equilibrio de fuerzas en los sistemas físicos en equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas de los subsistemas no varían con el tiempo ANÁLISIS DEL EQUILIBRIO La estática proporciona, mediante el empleo de la mecánica del sólido rígido, solución a los problemas denominados isostáticos. En estos problemas, es suficiente plantear las condiciones básicas de equilibrio, que son: 1. El resultado de la suma de fuerzas es nulo. 2. El resultado de la suma de momentos respecto a un punto es nulo.
Estas dos condiciones, mediante el álgebra vectorial, se convierten en un sistema de ecuaciones; la resolución de este sistema de ecuaciones es la solución de la condición de equilibrio. Existen métodos de resolución de este tipo de problemas estáticos mediante gráficos, heredados de los tiempos en que la complejidad de la resolución de sistemas de ecuaciones se evitaba mediante la geometría, si bien actualmente se tiende al cálculo por ordenador.
FIGURA 1: esquema de fuerzas FUENTE: wikipedia CONDICIONES DEL EQUILIBRIO Cuando un cuerpo se encuentra en movimiento se dice que hay desplazamiento de un lugar hacia otro girando sobre su propio eje, pero también pueden realizar movimientos propios. Cuando vemos pasar un autobús de pasajeros efectúan movimientos de traslación pero las personas efectúan movimientos de rotación y traslación. Los movimientos por complejos que sean se pueden reducir a dos tipos:
ROTACION. TRASLACION.
PRINCIPIOS DEL EQUILIBRIO Para comprender el equilibrio se manejan dos condiciones: 1ª CONDICION DEL EQUILIBRIO. Cuando se aplica una fuerza a un cuerpo equilibrado ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme y considerando la segunda ley de Newton que provocara una aceleración, misma que será mayor mientras mayor sea la fuerza. Para que un cuerpo este en equilibrio de traslación la resultante de todas las fuerzas tendrá que ser igual a cero, por lo tanto el vector resultante es igual a cero, es decir, la sumatoria
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. de la fuerza x es igual a cero Fx=0, la sumatoria x es igual a cero Fx=0, por lo tanto la sumatoria de la fuerza y tendrá que ser igual a cero 2º CONDICION DE EQUILIBRIO. Un cuerpo puede encontrarse en equilibrio de traslación si la resultante de una fuerza que actúa sobre es igual a cero, sin embargo puede estar girando debido a un par de fuerzas como es el volante de un automóvil en donde la F 1 y la F2 lo hacen girar en el mismo sentido y su momento no se neutralizo. PRIMERA LEY DE NEWTON La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero). TERCERA LEY DE NEWTON La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario. Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba, Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tengan el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre cuerpos distintos. 5.-procedimiento.5.1 Verificación del dinamómetro
Ensamblar todas las piezas como se ve en la figura 1. Ingrese al programa data studio, al ingresar al sistema lo recibirá la ventana de bienvenida siguiente. posteriormente haga clic sobre el icono CREAR EXPERIMENTO y seguidamente reconocerá los dinamómetros previamente insertados a la interface power link Una vez realizado este procedimiento haga clic en el icono CONFIGURACION y seleccione tiro positivo a una frecuencia de 50 Hz. luego presione el icono del sensor de fuerza 1 luego seleccione numérico y cambie a 2 cifra después de la coma decimal. Seguidamente arrastre el icono medidor digital sobre cada uno de los dinamómetros Al hacer doble clic sobre el icono de fuerza y seleccionar el icono NUMERICO usted podrá egresar la cantidad de cifras después del punto decimal. trabajamos con dos cifras. Según información proporcionada por el fabricante de mínima lectura que proporciona el equipo lo cual es de 0.03 N y la máxima 50 N. una vez colocado de esta manera y sin ninguna fuerza adicional apreté el botón ZERO colocado sobre el mismo sensor. Una vez realizado todos los pasos mencionados ahora determinamos el peso de una pesa, luego de dos, tres y cuatro pesas respectivamente. anotando la lectura del dinamómetro en la tabla 1. Tabla 1: peso Cantidad de peso
1
2
3
4
5
Peso (N)
0.49
0.98
1.47
1.96
2.45
Lectura P+/-∆P
0.5±0.03
1.0±0.03
1.51±0.03
2.01±0.03
2.51±0.03
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.
OBSERVAVIONES: podemos tomar ∆P como el error instrumental del equipo que es la mínima lectura que efectúa entre 2, según información proporcionada por el fabricante, la mínima lectura del sensor fuerza es de 0.03 (N)
FIGURA2: muestra de resultados de la tabla1 en data studio. A.
CALCULOS DE LA TABLA 1:
Calculamos los pesos para 1, 2, 3,4y 5 pesas de masa igual a 50g.esto debido a la formula P = m × g donde la masa esta en kilogramos (Kg) y la gravedad esta en ⁄ por lo tanto el peso estar en Newton (N). A.1. A.2. A.3. A.4. A.5.
una pesa: dos pesas: tres piezas: cuatro pesas: cinco pesas:
P= (0.05) × (9.81) =0.49N P= (0.1) × (9.81) =0.98N P= (0.15) × (9.81) =1.47N P= (0.2) × (9.81) =1.96N P= (0.25) × (9.81) =2.45N
5.1.1.- con sus propias palabras defina el concepto de fuerza Es una magnitud física capaz de modificar la cantidad de movimiento o la
forma de los cuerpos. 5.1.2.- ¿Cómo hizo para representar una fuerza? Para representar la fuerza dibujamos un vector (representado por una flecha) teniendo en cuenta la dirección y el sentido de la misma. 5.1.3.- ¿es la fuerza un vector? ¿Por qué? dar ejemplos de otras magnitudes físicas vectoriales. Si es un vector, porque fuerza es masa por aceleración y la aceleración es una magnitud vectorial y la masa una escalar, y sabemos que un vector multiplicado por un escalar es un vector; además la fuerza tiene sentido y dirección por lo tanto es un vector. Ejemplos: aceleración, velocidad
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.
5.2.-accion y reacción: Para realizar esta parte de laboratorio primero hicimos clic sobre el icono CONFIGURACION. Seleccionamos la opción tiro positivo que tiene para el SENSOR DE FUERZA 1 y la opción EMPUJE POSITIVO para el SENSOR DE FUERZA 2, ambos a 50 Hz, Después se arrastro el icono GRAFICO sobre el SENSOR DE FUERZA 1 después se vio se vio aparecer la ventana de una grafico de fuerza en función del tiempo. Luego se arrastro el icono GRAFICO 1 sobre el SENSOR DE FUERZA 2. Así quedo un grafico con dos ejes Y coordenados de fuerza (para cada sensor) que comparten el eje X los cual representa al TIEMPO Para proseguir dos compañeros jalaron a extremos ambos sensores, por consiguiente otro integrante de grupo se encuentra observando los datos de ambos dinamómetros.
F
F
FIGURA 3: esquema de la experiencia de acción y reacción.
FIGURA 4: representación en data studio .
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.
5.2.1.- ¿Cuáles son los máximos y mínimos valores obtenidos ?utilice el icono estadística MAXIMO
MINIMO
F1 (N)
21.82
0.15
F2 (N)
22.3
0.1
5.2.2.- ¿a qué se debe la forma tan peculiar de la figura ?haga otra grabación para observar si conserva el contorno cerrado. Se debe al principio de acción y reacción ya que se representan en el gráfico la relación de las dos fuerzas entre si y por ende tienden a tener el mismo valor. 5.2.3.-Finalmente ¿a qué ley de newton se ajusta los resultados obtenidos? ¿Por qué? A la tercera ley de newton, el principio de acción y reacción, porque comparando las fuerzas son las mismas solo que en diferente sentido dependiendo del cuerpo al que se tome en referencia y esta es una característica de la tercera ley de newton. 5.3.-Paralelogramo De Fuerzas Concurrentes. Ensamblamos las piezas como se muestra en esta figura , de tal manera se obtuvo F1=0.8 N Y F2= 0.8 N , de las señales digitales de los dinamómetros
FIGURA 5: muestreo del valor de las fuerzas de la tabla 2.
FIGURA 6: esquema de la práctica.
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.
FIGURA 7: segunda muestra de la tabla 2 Tabla 2: acción y reacción. F1 (N)
0.8
1.15
1.25
F2 (N)
0.8
1.15
0.62
F R( )
1.48
1.32
1.39
P (N)
1.51
1.51
1.51
α1 ( )
30
55
30
α2( )
30
55
60
B. Cálculos de la tabla 2. Tomando en cuenta los gráficos en los anexos presentados al final de este informe se dedujo la siguiente fórmula para calcular la FR y completar el cuadro. FR= F1cos α1 F2cos α2 Obtenida la formula ya los resultados de la tabla son fácil de llenar. Una vez realizado el pasado experimento ahora se ensambló las piezas de tal manera que
α1= α2=20
como se ve en la imagen
Falta imagen
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.
FIGURA 8: muestra la medición de los ángulos. Tabla 3: ángulos fijos
α1 ( )
10
20
40
α2( )
10
20
40
F1 (N)
0.75
0.78
0.87
F2 (N)
0.74
0.8
0.88
FR(
1.47
1.48
1.34
1.51
1.51
)
P (N)
1.51
5.3.1.-Compara la fuerza resultante con la fuerza originada por las pesas P ¿qué puede concluir? Se puede deducir que son casi las mismas salvo por un error que es del 2.64%, y esto se debe a que al medir el ángulo no se hizo exactamente. 5.3.2.-Una persona desde su casa camina 14 cuadras hacia el norte y luego camina otras 18 hacia el este. Entonces en el regreso más corto ¿caminara 32 cuadras? justifique su respuesta usando vectores. No el camino más corto es de 22.8 cuadras. N
18
14
22.8 E
O
S Página 8
. 5.3.3.- ¿es el peso una fuerza? explique. Si es una fuerza, debido que es el producto de la gravedad (aceleración) y la masa además se representa por un vector. 5.3.4.- ¿Qué significa equilibrio? Equilibrio es un sinónimo de igualdad y se da cuando las sumas de fuerzas y momentos sobre todas y cada una de las partes del cuerpo se anulan 5.3.5.-Significa entonces que un cuerpo en equilibrio esta necesariamente en reposo. No necesariamente también puede estar en movimiento a velocidad constante. 5.4.-Aplicación: Con el ejemplo de use un conjuntos de poleas (polipasto) podemos reducir la intensidad de una fuerza. Como se ve en la imagen lo cual el objetivo de esta parte de laboratorio es determinar el valor de esta fuerza y determinar el porcentaje del peso reducido . Tabla 4 PESO
FUERZA
% REDUCIDO
0.98
0.18
18.36%
5.4.1.- ¿Por qué es importante usar un polipasto? Porque se utiliza para levantar o mover una carga con una gran ventaja mecánica, ya que se necesita aplicar una fuerza mucho menor que el peso que hay que mover. 5.4.2.- ¿de qué depende la reducción de la fuerza? Depende del número de poleas del cual este formado el polipasto. 5.4.3.- ¿Qué aplicación tendría estos dispositivos en la vida real? Se aplica en grúas industriales, se utilizan en talleres o industrias para elevar y colocar elementos y materiales muy pesados en las diferentes máquinasherramientas o cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan. Suelen estar sujetos a un brazo giratorio acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por rieles colocados en los techos de las naves industriales. 6.- observaciones: Cuando trabajamos con el sensor de fuerza cada vez que variaba mucho la lectura de datos teníamos que volver configurar el sensor de fuerza a cero, para eso no tenía que haber pesa colgando que le asiera generar fuerza. Se tuvo un cuidado especial moviendo las pesas para evitar la variación exagerada de datos que perjudicaría nuestro trabajo y el material de laboratorio. Pensamos en conjunto dándonos ideas para poder saber si era mejor variar las medidas de los ángulos ya que no podíamos establecerlas fijamente como lo decía la guía al final siempre modificamos las medidas para que tengamos un mejor resultado en las mediciones.
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. El uso del sensor de fuerza, creímos conveniente que debería ser en un campo más abierto, para poder trabajarlo con más facilidad para no perjudicara la toma de datos y así tener un mejor resultado en el trabajo de laboratorio. 7.-concluciones:
Con la primera experiencia concluimos que una masa colocada en el sensor de fuerza y la fuerza que ejerce la tierra sobre el objeto por la atracción de gravedad a eso se lo denomina peso que esta verticalmente hacia abajo y tiene un modulo:
W = m.g
m : la masa del cuerpo g : la aceleración de la gravedad
Con la segunda experiencia llegamos a comprobar la tercera ley de Newton o el principio de acción y reacción. Utilizando dos sensores de fuerza comprobamos al tirar de los sensores los valores máximos y mínimos resultaron parecidos esto se dio por el tercera ley de Newton que dijo: “A toda acción se opone una reacción de igual magnitud pero en sentido contrario”
Con la tercera experiencia demostramos que el cuerpo va estar en equilibrio cuando las dos fuerzas de sensores estén equilibradas nos dará dos ángulos que serán iguales F1 = 0.87
α1 = 30º
F2 = 0.87
α2 = 30º
Con la cuarta experiencia es igual a la tercera solamente es que ahorra que ponemos ángulos iguales y nos tienen que dar fuerzas iguales tales como este ejemplo
α 1 = 20º
F1 = 0.75
α 2 = 20º
F2 = 0.75
8. BIBLIOGRAFIA
Guía de laboratorio de física II (TECSUP – 2011), práctica Nº 1 páginas http://genesis.uag.mx
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Página 10
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http://www.tecnoedu.com http://dinamica-mely.blogspot.com
Página 11
