LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
INTRODUCCI ÓN En la reali realizac zació ión n de esta esta exper experien iencia cia se anali analizar zarán án enó! enó!en" en"s s #$e #$e a%arcan las "scilaci"nes ar!ónicas en $n siste!a& el c$al en este cas" a tra%a tra%a'ar 'ar es el de !asa( !asa(re res"r s"rte) te) *"r !edi" !edi" del c$al c$al anali analizar zare! e!"s "s + de!"st de!"stra rare re!" !"s s la le+ de ,"",""-e e para para este este siste! siste!a) a) Anali Analizar zare!" e!"s s el c"!p"rta c"!p"rta!ien !ient" t" de este siste!a siste!a c$and"& c$and"& !ediant !ediante e las .erra!i .erra!ienta entas s "recidas en el la%"rat"ri"/ ca!%ie!"s act"res #$e se de%en tener en c$enta a la ."ra de tra%a'ar en este tip" de !"0i!ient" tales c"!": la a!plit$d + la c"nstante de l"s res"rtes + 0ariación de la p"sición) Este la%" la%"ra rat" t"ri ri" " se reali ealizó zó p"r p"r etap etapas as las las c$al c$ales es será serán n deta detall llad adas as !ás !ás adelante)
OBJETIVOS •
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 1
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
In0estiar s"%re el !"0i!ient" ar!ónic" si!ple 3AS4 de c$erp"s elástic"s) Analizar + 0eri5car la relación #$e .a+ entre peri"d" + la !asa en el 3AS)
EQUIPOS Y MATERIALES
•
S"p"rte $ni0ersal
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
•
Rela !ili!etrada
•
Balanza de precisión
•
1 res"rte en espiral de acer"
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 6
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
•
1 '$e" de pesas !ás p"rta pesas
•
1 cr"n"!etr"
MARCO TEÓRICO •
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 7
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
9na partc$la tiene $n movimiento oscilatorio c$and" n" necesaria!ente se !$e0e periódica!ente alreded"r de $n p$nt" 5'" respect" a $na p"sición de e#$ili%ri" 3$c."s !"0i!ient"s "scilat"ri"s están presentes en la nat$raleza/ per" el cas" !ás sencill" de descri%ir + analizar es el armónico #$e de%e c$!plir c"n ciertas caractersticas)
MOVIMIENTO ARMONICO SIMPLE Al sacarl" del rep"s" aparece $na $erza de tip" resta$rad"r en sentid" c"ntrari" #$e enera el !"0i!ient" .asta el extre!" "p$est" Aplicand" la segunda ley de Newton/ se tiene #$e la fuerza #$e tiene #$e act$ar s"%re $na partc$la de !asa ! #$e se !$e0e c"n $n MAS !"0i!ient" ar!ónic" si!ple4 de%e c$!plir las si$ientes c"ndici"nes:
*eri"d" T4 :se repite en inter0al"s de tie!p" i$ales Oscilat"ri" : se realiza de $n sentid" al "tr" ;rec$encia 4 : representa el n *ara $n siste!a !asa res"rte ."riz"ntal " 0ertical4 aplica!"s la 2 le+ de Ne?t"n
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 8
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
La partc$la al ser sacada del rep"s" enera $na $erza de tip" rec$perad"r elástic" #$e c$!ple la le+ de Hooke (F=-k!" 2
F = ma
= − kx ⇒
ma
=
m
2
d x 2
⇒
m
d x
dt
2
+
kx = 0
dt
Aplicand" la segunda ley de Newton:
E#$i0alente a:
mvdv + kxdx = 0
1 2
mv 2
•
+
1 2
kx 2
= E Interand":
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II @
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
$e representa la enera t"tal del siste!a #$e es c"nser0ati0a p"r#$e n" existe ricción 1 2
mv 2 +
1 2
kx 2
= E
⇒v=
k m
( A − x ) 2
2
⇒ dx = dt
k m
( A − x ) 2
2
Aplicand" c"ndici"nes iniciales t=#$ = #
x(t ) = Asen
k m
t + θ 0
Ecuación del desplazamiento para el movimiento armónico simple (MAS)
Important El peri"d" T es el tie!p" necesari" para realizar $na "scilación c"!pleta/ c"!" el siste!a es periódic" l"s tie!p"s para i$ales el"naci"nes serán l"s !is!"s/ es decir: t2DtT
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
E0al$and" la
m
T = 2π
como ω 0
k
k =
⇒
m
T =
2π ω 0
con w0 : frecuencia angular natural y f =
1 T
f : frecuencia de oscilacion es
ENTONCES x
= Asen
( ω t + θ ) 0
0
xmax= ±A v=
dx dt
= ω 0 Acos( ω 0t + θ 0 ) vmax= ±ω0 A
a=
dv dt
•
= −ω 02 Asen( ω 0t + θ 0 )
amax= ±ω02 A
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II F
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
REPRESENTACIÓN EN FUNCIÓN
D!p"a#am$nto
V"o%$&a&
A%"ra%$'n
PROCEDIMIE NTO •
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II G
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
PARTE () 3"nte el e#$ip"/ c"!" se !$estra el dise" experi!ental siste!a !asa( res"rte 0ertical4) Dtrm$n "o! *a"or! & "a! ma!a! &" r!ort
+
!, po!$%$'n & -,$"$.r$o/
Masa del resorte:
m r= 45.5 g
0Cr U&/ -, " !r*$r1n & a"2o !to! *a"or!3 0Por -,43 S/ p"r#$e para .allar la c"nstante del res"rte se necita del 0al"r de la !asa del res"rte ta!%iJn se necesita la p"ción de e#$ili%ri" para "%ser0ar el desplaza!ient" de res"rte en el !"!ent" de de"r!arse a aplicarse al$na $erza externa)
Dtrm$na%$'n &" Pr$o&o & O!%$"a%$'n Ke la diná!ica del siste!a !asa(res"rte/ se p$ede de!"strar #$e el per"d" de "scilación del siste!a $tilizad"/ está dad" p"r la ec$ación:
T =2 π
PARTE 5)
√
m+
mr 3
k
Co"o-, n ,na porta p!a! ,na p!a p-,6a/ Anot n "a Ta."a 7( "o! *a"or! & "a ma!a !,!pn&$&a 8P!a m1! "a ma!a & "a porta p!a!9 + "a &$!tan%$a r!p%to a "a po!$%$'n & -,$"$.r$o &" r!ort) O.!r*a%$'n) La ta."a $n&$%a&a n !ta !%%$'n :,
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 1H
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
x x
,alla!"s la c"nstante de res"rte c"n la "r!$la !enci"nada anteri"r!ente:
-4 para cada !edida
mr
m+
3
T =2 π DONDE)
mr= masadel resorte ( constante ) m=masa ( varia)
T = periodo ( varia )
D!p
mr 3
2
k =4 π (
2
)
(/ masa=0.1 kg
2
k =4 π
(
+
0.1 0.0152 0.144
)=
31.5827
N m
5/ masa=0.15 kg 2
k =4 π
•
(
0.15
+ 0.0152
0.254
)=
25.6765
N m
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 11
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
>/ masa=0.2 kg 2
k =4 π
(
+
0.2 0.0152 0.281
)=
30.2340
N m
?/ masa=0.25 kg 2
k =4 π
(
0.25
+ 0.0152
0.338
)
=30.9754
N m
@/ masa=0.3 kg 2
k =4 π
(
+
0.3 0.0152 0.422
)
=29.4871
N m
/ masa=0.35 kg 2
k =4 π
(
0.35
+ 0.0152
0.511
)
=28.2144
N m
/ masa=0.4 =2 2
k =4 π
(
0.4
+ 0.0152
0.606
)=
27.0486
N m
/ masa=0.45 kg 2
k =4 π
(
0.45
+ 0.0152
0.644
)
=28.5176
N m
/ masa=0.5 =2 2
k =4 π
(
+
0.5 0.0152 0.724
)
=28.0929
N m
Promedio :
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 12
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
´= K
28.0929
+ 28.5176 + 27.0486 + 28.2144 + 29.4871 + 30.9754 + 30.2340 + 25.6765 + 31.5827 9
´ =28.8156 K
N m
La ta."a ( -,&ara & "a !$2,$nt manra )
Ta."a N ( m 8G29
t8!9 & (7 o!%$"a%$on!
T 8!9
T5 8!59
(
7/(
>/> H 7/(@
7/>> H 7/7(@
7/(??
>(/@5
5
7/(@
@/7?5 H 7/(>
7/@7?5 H 7/7(>
7/5@?
5@/@
>
7/5
@/>7@ H 7/5(
7/@>7@ H 7/75(
7/5(
>7/5>?7
?
7/5@
@/( H 7/(
7/@( H 7/7(
7/>>
>7/@?
@
7/>
/? H 7/(
7/? H 7/7(
7/?55
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7/>@
/(? H 7/(@
7/@((
5/5(??
7/?
/ H 7/>(
7/(? H 7/7(@ 7/ H 7/7>(
7/7
5/7?
7/?@
/75> H 7/7( 7/75> H 7/7(
7/??
5/@(
7/@
7/5?
5/75
•
/@7 H 7/(
7/@7 H 7/7(
N
G 8 m ¿
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 16
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
PARTE >) Kesplaza!"s 0ertical!ente + .acia a%a'" la !asa s$spendida $na distancia de 7/7?@>m/ esta l"nit$d será la a!plit$d A de n$estras "scilaci"nes) S"lta!"s la !asa + de'a!"s "scilar li%re!ente e0itand" #$e se pr"d$zcan !"0i!ient"s laterales + pert$r%aci"nes4) Describa y esquematice el tipo de movimiento del sistema.
*"de!"s es#$e!atizar el !"0i!ient" "%ser0ad" !ediante el si$iente rá5c":
v=#
altura m%ima
#"#*+
#"#, &osición de
F e
#"#,
) #
v=#
am%
En este siste!a "%ser0a!"s #$e c$and" s"lta!"s la !asa s$spendida pre0ia!ente desplazada H)H1! .acia a%a'" este c"!ienza a s$%ir) Est" se de%e a #$e s"%re el c$erp" act
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 17
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
A#$ la $erza elástica 0$el0e a ser !áxi!a + "p$esta al desplaza!ient" .acia arri%a de la !asa) As/ la !asa %a'a + s$%e descri%iend" $n movimiento oscilatorio amortiguado +a #$e el !áxi!" ale'a!ient" del c$erp" #$e "scila/ respect" de la p"sición de e#$ili%ri"/ dis!in$+e de%id" a la $erza de ra0edad #$e act
PARTE ?) Cali%ra!"s el cr"nó!etr" a cer") 3edi!"s el tie!p" para 1H "scilaci"nes + deter!ina!"s el peri"d" de "scilación experi!ental para cada cas")
TABLA N ( m 8G29 (
7/(
t8!9 & (7 o!%$"a%$on! >/> H 7/(@
5
7/(@
@/7?5 H 7/(>
>
7/5
@/>7@ H 7/5(
?
7/5@
@/( H 7/(
@
7/>
/? H 7/(
7/>@
/(? H 7/(@
7/?
/ H 7/>(
7/?@
/75> H 7/7(
7/@
/@7 H 7/(
T 8!9
T5 8!59
7/>> H 7/7(@ 7/@7?5 H 7/7(> 7/@>7@ H 7/75( 7/@( H 7/7( 7/? H 7/7( 7/(? H 7/7(@ 7/ H 7/7>( 7/75> H 7/7( 7/@7 H 7/7(
7/(?? 7/5@? 7/5( 7/>> 7/?55 7/@(( 7/7 7/?? 7/5?
PARTE @) Repita l"s pas"s 64 al 84 $tilizand" !asas de !a+"r 0al"r para cada !edida) An"te l"s dat"s en las c"l$!nas c"rresp"ndientes + c"!plete la Ta%la H1) ra5car: T 0ers$s !/ T2 0ers$s !) ra5ca!"s T 0s !/ T 2 0s !:
•
ra;%a (
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 18
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
T s4 0s !M4 1 H)F H)@ *eri"d" T H)7 H)2 H
H
H)1
H)2
H)6
H)7
H)8
H)@
3asa M
ra;%a 5 T2 s24 0s ! H)F H)@ *eri"d" T2 H)7 H)2 H
H
H)1
H)2
H)6
H)7
H)8
H)@
3asa M
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 1@
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
0Am.a! 2ra;%a! !on r%ta!3 N"/ la ra5ca 1 tiende a $na c$r0a p"lin"!ica + la ra5ca 2 tiende a $na recta de pendiente i$al a la c"nstante)
Ana"$% por-,4 !on a! !ta! %,r*a!) *ara analizar las c$r0as de%e!"s enc"ntrar la ec$ación eneral del peri"d" de $na "scilación ar!ónica si!ple en $n res"rte: Sa%e!"s #$e: T =
2 π
ω
√
T =2 π
m k
ω : ;rec$encia an$lar T : *eri"d"
k : C"nstante elástica del res"rte m : 3asa
C"!"
2 π
+ - s"n c"nstantes/ !"di5ca!"s la ec$ación del peri"d":
T =C . √ m
N"ta!"s #$e la n$e0a ec$ación/ es $na ec$ación p"lin"!ica/ en este cas" $na $nción de raz c$adrada) *"r tal !"ti0"/ la rá5ca 1 tiende a $na c$r0a se!e'ante a la $nción +a !enci"nada anteri"r!ente) Ele0a!"s al c$adrad" a!%"s !ie!%r"s de la ec$ación: 2
T =C 1 . m
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 1
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
2
C 1 =
4 π
K
Si ra5ca!"s T 2 0s !/ la ec$ación tendera a $na ec$ación lineal es decir de $na recta) La ra5ca 2 !$estra ese ca!%i")
A part$r & "a 2r1;%a 5 + ,t$"$#an&o " m4to&o & mn$mo! %,a&ra&o! a""amo! "a %on!tant "1!t$%a &" r!ort)
OO: 9tiliza!"s las "r!$las anteri"res/ +a #$e t"!are!"s directa!ente l"s dat"s T2 + la !asa/ per" c"nsiderare!"s la !asa del res"rte !ás la !asa de las pesas:
m 8G29
T5 8!59
mKT5
M5
( 5 > ? @ (7
H)H182 H)1282 H)182 H)2282 H)282 H)6282 H)682 H)7282 H)782 H)8282
H H)177 H)287 H)2F1 H)66F H)722 H)811 H)@H@ H)@77 H)27
H H)H1FH2G H)H778H1 H)H@62F1 H)HG6H1F H)16267 H)1G12 H)28@1 H)6H@H2G H)6FH278
H)HHH261 H)H18@8 H)H6H@G8 H)H8H18 H)H868 H)1H888 H)17H8 H)1FHG8 H)228F18 H)28F68
!, ma
5/?5
>/5?
(/?(
(/(75
m=
∗ −2.942∗3.924 14.917 −11.5444 3.3726 = = =1.426 10∗1.102−2.942∗2.942 11.02− 8.655 2.365
10 1.4917
Pro %omo "a pn&$nt ! $2,a" a "a %on!tant C () 2
C 1 =
4 π
K
= m=1.426
2
k =
•
4 π
1.426
= 27.68 N /m
Ma!a &" r!ort)
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 1F
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
Para a""ar "a :r%,n%$a an2,"ar nat,ra" !o"amnt rmp"a#amo! *a"or! n "a :'rm,"a) ω=
√
ω=
√
k m
/m = √ 607.0175 =24.64 rad / s
27.68 N
0.0456 Kg
Enton%!) ω =¿
5?/? ra&!
PARTE ) En l$ar del p"rta pesas c"l"#$e/ en el extre!" ineri"r del res"rte/ $na pesa de !asa 12 - " 1 -4) S$Jltela c$idad"sa!ente desde dierentes p"sici"nes + "%ser0e s$ !"0i!ient" en cada cas")
0C,1" ! !, %on%",!$'n !o.r " pr$o&o & o!%$"a%$'n3 (
El peri"d" de "scilación es !ás pr"l"nad" dad" al a$!ent" de la !asa)
0In,+ " %am.$o & amp"$t,& n " pr$o&o3 (
N"/ +a #$e el peri"d" de $n pJnd$l" es independiente de s$ a!plit$d)
0In,+ " %am.$o & p!a! n " pr$o&o & o!%$"a%$'n3
(
•
El peri"d" 0ara sie!pre c$and" se a$!ente " dis!in$+a la !asa en el p"rta pesas)
DISCUCIÓN DE RESULTADO INFORME DE LABORATORIO S – FÍSICA II 1G
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
•
•
N$estr"s di0ers"s res$ltad"s .an "%tenid" err"res p"rcent$ales !$+ %a'"s c"n respect" a l"s 0al"res teóric"s + 0al"res calc$lad"s) 3
CONCLUSIO NES •
•
N"ta!"s #$e l"s 0al"res calc$lad"s de la c"nstante M +a sea p"r !ni!"s c$adrad"s " $tilizand" el pr"!edi" de cada 0al"r/ n" 0aran
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2H
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
de!asiad" p"r l" #$e c"nsiderare!"s #$e la c"nstante $n 0al"r apr"xi!ad" c"n0enci"nal!ente al 0erdader") •
•
•
•
Al $tilizar el res"rte/ c"ncl$i!"s #$e Jste +a .a%a s$rid" al$nas de"r!aci"nes per" de!asiad" n5!as/ es p"r es" #$e c"nsidera!"s #$e est"s detalles aecten a la práctica experi!ental) La !asa $tilizada eect
RECOMENDA CIONES Re0isar l"s !aterialesSUERENCI de tra%a'" antes de $tilizarl"s) 3e'"rar en la precisión en res$ltad"s "%tenid"s) AS INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 21
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
*restar atención en las indicaci"nes del d"cente de a$la) Re0isar c"n das de anticipación la $a de la%"rat"ri" a $tilizar) C"n"cer la te"ra del te!a a trate en l"s la%"rat"ri"s)
REFERENCIA BIBLIORFI R"%ert Resnic-/ Ka0id ,allida+ 2HH74) ;sica 7ta) Edición P"l) 1) CECSA/ CA 3Jxic"
Ser?a+/ Ra+!"nd A)& e?ett/ ".n Q) 2HH74) *.+sics "r Scientists and Enineers @t. ed) edición4)
Tipler/ *a$l& Lle?ell+n/ Ralp. 2HH24) 3"dern *.+sics 7t. ed) edición4) Q) ,) ;ree!an)
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 22
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
ANEO I/
EVALUACIÓN)
(/ Dtrm$n " rror por%nt,a" ntr " *a"or & "a ma!a &" r!ort m&$&a n "a .a"an#a + & "a ma!a &" r!ort n%ontra&a n "a 2r1;%a/ 3asa del res"rte !edida en la %alanza: 78)8 3asa del res"rte calc$lada en el rá5c": 78)@ E78)@(78)8478)@H)22
5/ Dtrm$n " rror por%nt,a" n " pr$o&o %a"%,"a&o + " pr$o&o m&$&o/ *eri"d" !edid": H)6G6s *eri"d" calc$lad": H)6G2s EH)6G2(H)6G64H)6G27)8
•
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 26
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
6)
0a+ &$:rn%$a3 S$ :,r a! 0a -,4 atr$.,+ ,!t& !ta &$:rn%$a3 m (@7 2
m (77 2
( 5 > ?
La t8!9 (7 o!% pe#$ea/ a #$e 6)F1 se err"r en7)H8 la !"!ent"6)G e#$ip"s/ 6)G6 cr"nó!etr")
@
H)6F1 H)7H8 H)6G H)6G6
6)7
H)67
*ara e0itar 6)8@ cr"n"!etr" 6)
Ea
±∆
H)6
H)6@ H)6@ H)6G6
H)17FH H)17FH
H)H17F
H)18
H)H18
>/> H 7/(@
7/>> H 7/7(@
Para ,na ma!a Para ,na ma!a
•
H)6G2
H)HH8 H)H17F
II/
est" el de%e estar c"rrecta!ente tener $na %$ena !"!ent" de !edición +a #$e depende de la del #$e está la !edición)
H)68@
+ cali%rad"6)G2 al p"st$ra 6)@ realizar la (7 6)@ ta!%iJn Prom/ destreza6)G6 E! realizand" H)HH8 σ
dierencia $e per" est" se de%e p$d" c"!eter !edición al de $sar l"s c"!" el
T 8!9
t8!9 (7 o!%
T 8!9
(
7)G@
H)7G@
5
8)H2
H)8H2
>
8)12
H)812
?
8)21
H)821
@
8)28
H)828
8)H6
H)8H6
8)1
H)81
7)G8
H)7G8
7)F@
H)7F@
(7
7)G2
H)7G2
Prom/
8)H72
H)8H72
E!
H)HH8
H)HH8
H)12@F
H)H12
σ Ea INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II H)12@F
TABLAS & (772) & (@72)
H)H12
H)16
H)H16
@/7?5 H
7/@7?5 H
27
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
Para ,na ma!a & 5772)
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INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 28
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
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INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2@
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
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INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
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H)F88 H)F87 H)F@1 H)F@2 H)F@2 H)F7 H)F@1 H)F8@ H)F16 H)F6F H)F8HG H)HH8 H)H18
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INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2F
LABORATORIO N° 2:OSCILACIONES
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III/
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TEMA REFERENTE
INFORME DE LABORATORIO – FÍSICA II 2G