INFORME DE LABORATORIO N°1 (Equilibrio de Fuerzas) I.
OBJETIVOS:
Comprobar la primera condición de equilibrio para un sistema de fuerzas concurrentes en un punto Comprobar la segunda ley de equilibrio para un sistema de fuerzas que actúan en diferentes puntos de aplicación Analizar y comparar los resultados teóricos –prácticos
II.
MARCO TEÓRICO:
PRIMERA LEY DE NEWTON O LEY DE LA INERCIA: La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que: Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.5 Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como esta a la fricción. En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta.
Ejemplo, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante. En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial. Lo anterior porque a pesar que la Tierra cuenta con una aceleración traslacional y rotacional estas son del orden de 0.01 m/s^2 y en consecuencia podemos considerar que un sistema de referencia de un observador dentro de la superficie terrestre es un sistema de referencia inercial.
PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO: Un cuerpo se encuentra en estado de equilibrio traslacional si y sólo si la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre él es igual a cero. Cuando un cuerpo está en equilibrio, la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero. En este caso, Rx como Ry debe ser cero; es la condición para que un cuerpo esté en equilibrio:
SEGUNDA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO: Un cuerpo se encuentra en equilibrio de rotación si el momento resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él, respecto de cualquier punto, es nula. Matemáticamente, para el caso de fuerzas coplanares, se debe cumplir que la suma aritmética de los momentos relacionados con rotaciones anti horarias debe ser igual a la suma aritmética de los momentos relacionados con rotaciones horarias.
III.
INSTRUMENTOS DE LABORATORIO:
Una computadora Programa data estudio instalado InterfaseScienceWorshop 750
2 sensores de fuerza CI-6537 01disco óptico de Hartl (Forcé Table)
01 juego de pesas Cuerdas inextensibles Una regla de 1 m Un soporte de accesorios Una escuadra o transportador
IV.
PROCEDIMIENTOS Y ACTIVIDADES:
•
PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO:
Instalar el equipo disco óptico de hartl Verificar la instalación de la interface
Ingresar el programa data estudio y seleccionar crear experimento
Marque las pequeñas poleas de dos posiciones diferentes y verificar que la argolla se encuentre en un punto de equilibrio solo por la acción de la cuerda con sus respectivas cuerdas Los pesos W1 y W2 y la fuerza de tención T en el sensor de fuerzas
representan la acción de tres fuerzas concurrentes. Los ángulos ( θ1 . θ 2 .
θ3 )para las fuerzas de tención. Cuando instala el equipo registrar datos en la tabla 1.1 Repita cuatro veces este procedimiento en alguno de ellos considere
que la fuerza de tención registrado por el sensor de fuerza este en dirección vertical ( θ 3 = 0)
θ1
θ2
θ3
55 g
T1 newton 0.29 N
90°
130°
140°
65.6 g
70 g
0.19 N
110°
100°
150°
03
25 g
17 g
0.17 N
130°
150°
80°
04
12 g
11.5 g
0.08 N
110°
120°
130°
n
M1 (g)
M2 (g)
01
65 g
02
•
SEGUNDA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO:
Instale el equipo. La cuerda de tención que contiene al sensor de fuerza forma un Angulo de 90º con el soporte universal al cual esta sujetado. Bajo la influencia de todas las fuerzas que que actúan sobre el cuerpo rígido, esta debe estar en equilibrio de rotación Registre los valores de la correspondencia masa m 1 de las pesas que se muestran. Así mismo registre los valores de las distancias de los puntos de aplicación ala punto de contacto del cuerpo rígido con el soporte universal Registre también la lectura observada a través del sensor de fuerza y el Angulo de inclinación theta del cuerpo regido con respecto a la superficie de la masa Repita este proceso cuatro veces haciendo variar los valores de masa
N
M1 (g)
M2 (g)
M3(g) L1(cm)
L2(cm)
L3(cm)
T1(N)
θ1
01
105 g
205 g
65 g
21 cm
51 cm
75.5 cm
02
125 g
115 g
205 g
21 cm
51 cm
75.5 cm
03
25 g
65 g
45 g
21 cm
51 cm
75.5 cm
04
125 g
165 g
145 g
21 cm
51 cm
75.5 cm
V.
1.12 N 60° 1.44 N 62° 0.60 N 59° 1.33 N 61°
CUESTIONARIO:
1.- Elabore la equivalencia entre los ángulos θ1 y θ1 representado
a la
figura 1.3a y 1.3b con estos valores θ1 = F ( θ1 ) tienes q efectuar los cálculos
2.- Descomponer a las fuerzas w1 . w2 y T en sus componentes ortogonales del plano cartesiano x-y las componentes en dirección horizontal y vertical de estas fuerzas se determinan las ecuaciones respectivamente
3.- Calcule la suma de los componentes de el eje x en el eje y por separado explique cada uno de estos resultados
4.- Elabore una tabla de resumen para ello considere el siguiente modelo N
W1X
W2 X
TX
3
∑ Fix i =1
W1Y
W2 y T
TY
3
∑F i =1
iy
01 02 03 04 Donde Fix y Fiy representa a las variables horizontales y vertical de las fuerzas que actúan sobre el sistema 5.- Calcule la incertidumbre en la lectura de las medidas de fuerzas registradas
6.- ¿Qué es inercia?
En física, la inercia es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras no se aplique sobre ellos alguna fuerza, o la resistencia que opone la materia al modificar su estado de reposo o movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme si no hay una fuerza actuando sobre él. En física se dice que un sistema tiene más inercia cuando resulta más difícil lograr un cambio en el estado físico del mismo. Los dos usos más frecuentes en física son la inercia mecánica y la inercia térmica. La primera de ellas aparece en mecánica y es una medida de dificultad para cambiar el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. La inercia mecánica depende de la cantidad de masa y del tensor de inercia. La inercia térmica mide la dificultad con la que un cuerpo cambia su temperatura al estar en contacto con otros cuerpos o ser calentado. La inercia térmica depende de la cantidad de masa y de la capacidad calorífica. Las llamadas fuerzas de inercia son fuerzas ficticias o aparentes que un observador percibe en un sistema de referencia no-inercial. En física, la inercia es la propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en su estado de reposo o movimiento, mientras no se aplique sobre ellos alguna fuerza, o la resistencia que opone la materia al modificar su estado de reposo o movimiento. Como consecuencia, un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme si no hay una fuerza actuando sobre él. En física se dice que un sistema tiene más inercia cuando resulta más difícil lograr un cambio en el estado físico del mismo. Los dos usos más frecuentes en física son la inercia mecánica y la inercia térmica. La primera de ellas aparece en mecánica y es una medida de dificultad para cambiar el estado de movimiento o reposo de un cuerpo. La inercia mecánica depende de la cantidad de masa y del tensor de inercia. La inercia térmica mide la dificultad con la que un cuerpo cambia su temperatura al estar en contacto con otros cuerpos o ser calentado. La inercia térmica depende de la cantidad de masa y de la capacidad calorífica. Las llamadas fuerzas de inercia son fuerzas ficticias o aparentes que un observador percibe en un sistema de referencia no-inercial. SEGUNDA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO: 7.- Haga un diagrama del sistema de fuerzas que actúan sobre el cuerpo rígido y formule ecuaciones de equilibrio para el sistema considerar también el peso del cuerpo rígido (regla)
8.- Conociendo los valores de los pesos w1. W 2y w 3 las distancias L1y el Angulo de inclinación θ determine analíticamente el valor de la fuerza de tención
9.- Compare este valor con el valor de experimental medio por el sensor de fuerza determine también la fuerza de reacción en el punto de apoyo 0 Esta fuerza debe tener una pendiente de inclinación
10.- Elabore una tabla, en la cual haga un resumen de los resultados obtenidos. Si existe diferencia ¿a qué atribuye usted esta diferencia?
11.- Si la cuerda de tención que contiene al dinamómetro no estaría en posición horizontal ¿Qué diferencia existe en los cálculos analíticos de la fuerzas de
tensión
y
la
fuerza
de
reacción
en
el
punto
de
apoyo?
12.- Tambien adjunten el valor de las componentes horizontales y vertical de la fuerzas de reacción en el punto de apoyo O; así como su Angulo de inclinación con respecto a la horizontal utilice las ecuaciones para que elabore las tablas de su informe puede considerar los siguientes modelos N
θi
W1 cos θ new W2 cos θ new
W3 cos θ new
L1 (M)
L2 (M)
L3 (M)
01 02 03 04
N
T1
T1
Rxi
Ryi
Ri
Donde T1 y T1 fuerzas de tención determinar teórica y en el laboratorio respectivamente =l T1 - T1 l diferencia entre estos valores Rxi , Ryi _: componentes ortogonales de las fuerzas de reacción Ri Modulo de la fuerza de reacción
VI.
CONCLUSIONES:
Después de haber estudiado y analizado diferentes ejemplos reales de equilibrio, podemos llegar a la conclusión de que en todo cuerpo y en todo momento y a cada momento están interactuando diferentes tipos de fuerza, las cuales ayudan a los cuerpos a realizar determinados movimientos o, a mantenerse en estado de equilibrio, ya sea estático o dinámico.
BIBLIOGRAFÍA:
Al varenga, Beatriz Física I Goldemberg Física fundamental T-I Negro Física experimental Física – Maiztegui & Sabato – Edición 1 Revista Investigación y Ciencia – Jean Michael & É. Kierlik – Julio 2002 Física, Curso Elemental: Mecánica – Alonso Marcelo Física – Wilson Jerry Cuestiones de Física – Aguilar Jsement Física Tomo I – Serway Raymond Dinámica II: Mecánica Para Ingeniería y sus Aplicaciones – David J. MacGill & Wilton King Michel Valero Física Fundamental Vol.-1 Alonso –Finn Física Vol.-1 Sears –Zemansky –Young Física Universitaria http://fisica.usach.cl/~lhrodrig/fisica1/estatica.pdf
