Laboratorio Leyes de Newton • 24 Julio 2018 • Décimo
Leyes de Newton John M ateus
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Docente de Física – Colegio Cristiano Filadelfia
Resumen Para redactar el resumen: Máximo 7 renglones, mínimo 4. Dar respuesta breve y directa a las siguientes preguntas: ¿Qué se hizo? ¿Cómo se hizo? ¿Qué se obtuvo? Estas preguntas se responden en forma de parráfo continuo.
I. Objetivos • Estudiar el movimiento teniendo en cuenta las causas que lo producen. • Analizar y demostrar experimentalmente las leyes de Newton. • Describir el movimiento de un cuerpo cuando so bre él actua una fuerza uniforme.
II. Materiales • Aro de Müller. • Masas. • Soportes. • Papel milimetrado. • Cronómetro.
III. Introducción no de los logros más grandes de la humanidad
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en el área de la Física son los postulados de NewMathematica, ton que aparecen en sus Principia Mathematica, los cuales han permitido describir matemáticamente el comportamiento de la naturaleza. Aunque su simpleza narrativa nos embelesa, no son fáciles de comprender conceptualmente a la primera, pero sí son relativamente sencillos de aplicar en su forma más básica. En esta oportunidad se analizaran las leyes, resumidas brevemente en la ley de la inercia, en F = m a y en la ley de acción y reacción en lenguaje moderno. Teniendo en cuenta un montaje experimental básico, resulta interesante observar como estas sencillas leyes permiten describir la causa del movimiento de los cuerpos mediante la interacción de estos con los diferentes elementos o cuerpos que le rodean. ∗
IV. Precauciones y R ecomendaciones ◦ Asisitir puntualmente a la práctica asignada. ◦ El uso de bata blanca de laboratorio es obligatorio en todas las sesiones. sesiones. ◦ Leer con anticipación las guías de realización de
la práctica y preparar el marco teórico del experimento. ◦ Esta prohibido el uso del celular. ◦ Cada estudiante responsable del material que contenga. Si algún equipo se rompe o no se encuentra en su puesto asignado se debe comunicar al docente. ◦ Finalizada la experiencia ordenar el material y entregar al docente. ◦ Los elementos no relacionados con la práctica se deben dejar en el lugar indicado para ello.
V. Marco Teórico Definición 1 (Primera Ley de Newton) . Todo cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento uniforme y en línea recta a no ser que sea obligado obligado a abandonar abandonar dicho estado por fuerzas externas a él. Newton) . Para un cuerpo Definición 2 (Segunda Ley de Newton)
F ejercida sobre este es directamente de masa m, la fuerza total proporcional proporcional a la aceleración a del mismo. Matemáticamente, la anterior definición se puede expresar como: F
∝
a,
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Laboratorio Leyes de Newton • 24 Julio 2018 • Décimo donde F es la fuerza total aplicada sobre el cuerpo (suma de todas las fuerzas presentes que actúan sobre el cuerpo) y a la aceleración producida. En magnitud tendríamos: F
∝
a .
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La constante de proporcionalidad resulta ser m, la masa del cuerpo sobre el cual se aplica la fuerza. Por lo tanto: F = m a ,
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F = ma .
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y en magnitud:
Como se observa, dado que las unidades de m son kilogramos (kg, en el Sistema Internacional) y las de a son de metros por segundo cuadrado (m/s2 , en el Sistema Internacional), las unidades de F serán:
[ F ] = [ma ] = [m][ a] = kg ·
m = N, s2
6. Una vez finalizada la toma de datos se procede con el análisis de los mismos. Esto depende del tipo de montaje y los instrumentos utilizados. En esta parte se busca responder las preguntas planteadas inicialmente pero basadas en los datos obtenidos. Se hace necesario el uso de gráficas que muestren el comportamiento de las variables desconocidas (las medidas) del sistema. 7. Concluir contrastando los resultados finales con las predicciones que el modelo usado realiza. La pregunta que siempre se debe responder es la siguiente:
¿El modelo usado para describir el fenómeno observado se corresponde en buen grado con los resultados experimentales obtenidos? Para responder esta pregunta cuantitativamente se usa la siguiente ecuación que indica el porcentaje de correspondencia entre el experimento y el modelo usado:
(5) % =
que en el sistema internacional se conoce como Newton (N) en honor a Isaac Newton.
Definición 3 (Tercera Ley de Newton). A toda acción se opone una reacción contraria e igual en magnitud y dirigida en sentido contrario.
| zTeo − zExp | × 100 . zTeo
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VII. Procedimiento I. Masa constante, Fuerza variable
VI. Metodología Para desarrollar la práctica se usará una variante del método ciéntifico como sigue a continuación: 1. Realizar un esquema (dibujo) del fenómeno a estudiar. 2. Ubicar el mejor sistema de referencia que permita realizar las mediciones necesarias. 3. Consignar los datos iniciales y parámetros inherentes al sistema. 4. Clasificar el sistema bajo estudio según los modelos vistos en clase. 5. Realizar las mediciones pertinentes que permitan cumplir los objetivos planteados en la práctica. Tener presente que toda medida posee un rango de fiabilidad. Consignar estas medidas de forma ordenada en una bitacora de laboratorio. 2
Figura 1: Montaje experimental de los aros de Müller para la práctica.
Primero veremos qué sucede al mantener la masa de un cuerpo constante (el sistema en observación será el aro de Müller, por lo tanto, el aro hará las veces de masa inercial del sistema) mientras variamos la fuerza externa sobre él (la fuerza externa en este caso será la acción de la tensión en la cuerda debido a las masas colgantes). 1. Realizar el montaje según como se muestra en la Fig. 1.
Laboratorio Leyes de Newton • 24 Julio 2018 • Décimo
2. Coloque una masa colgante que represente una fuerza de 10 gramos-fuerza. 3. Imprima un movimiento de rotación en el aro. 4. Mida el tiempo que le toma al aro completar un giro completo (realiza esta medición cada estudiante y al final se tomará el promedio de las mediciones realizadas). 5. Repetir el proceso usando las otras masas disponibles. Los datos finales para los tiempos y la fuerza externa se consignarán en la Tabla 1 Masa constante – Fuerza variable
Fuerza Ext.
Tiempo
Aceleración sistema
(N) 10 20 30 40 50
(s)
a = 1/t2 (m/s2 )
Tabla 1: Registro de datos para un sistema de masa constante y fuerza externa variable.
Con los datos de la Tabla 1 construya una gráfica de aceleración en función de la fuerza externa en el papel milimetrado y de acuerdo a la relación que observe en esta gráfica enuncie la dependencia de la aceleración con la fuerza externa.
II. Masa variable, Fuerza constante Ahora veremos que ocurre cuando la fuerza externa (masa colgante) es constante mientras la masa del sistema varía (aros usados). Para ello, mantenga la masa
colgante fija (unos 40 gramos) y varíe el número de aros que usa. 1. Con un solo aro imprima un movimiento de giro y mida el tiempo en completar una vuelta completa (cada estudiante realiza una medición y luego se halla el valor promedio de la medida). 2. Coloque un aro adicional y repita la medición. Registramos estos datos en la Tabla 2. Masa variable – Fuerza constante
Número de Aros
Tiempo
Aceleración sistema
(gr) 1 2 3 4
(s)
a = 1/t2 (m/s2 )
Tabla 2: Registro de datos para un sistema de masa variable y fuerza externa constante.
Con los datos de la Tabla 2 construya una gráfica de aceleración en función de la masa (número de aros) en el papel milimetrado y de acuerdo a la relación que observe en esta gráfica enuncie la dependencia de la aceleración con la masa en el sistema.
VIII. Conclusiones Recordemos que las conclusiones dan respuesta a SÍ se han podido cumplir los objetivos.
Referencias [1] Hewitt, P. G., Física Conceptual, Pearson Education, Décima Ed., México, 2007.
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