INGENIERÍA INDUSTRIAL
Asignatura FISICA
Tema desarrollado ¿Se pueden sustituir dos fuerzas de distinto sentido por una sola fuerza?
Fecha:
16/ abril /2012
INTRODUCCIÓN Una fuerza es toda aquella causa capaz de poner en movimiento, parar, deformar o cambiar de dirección (desviar) un cuerpo. La parte de la física que estudia las fuerzas en equilibrio es la Estática y la Dinámica se ocupa de las fuerzas relacionadas con las aceleraciones producidas. (Aceleración = cambio de velocidad). Una magnitud vectorial se representa por medio de un segmento orientado llamado vector. Éste tiene cuatro elementos característicos: el punto de aplicación, es el punto sobre el que actúa el vector, la fuerza en este caso; módulo, es la longitud del segmento que representa el vector. Mide la “intensidad” del vector; dirección, es la recta que contiene al vector; sentido, es el que se da fijando en el segmento un origen y un extremo. La fuerza es una magnitud física de carácter vectorial capaz de deformar los cuerpos, modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en movimiento si estaban inmóviles. En este sentido la fuerza puede definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo o bien de deformarlo. En esta práctica se observan estas características y se determinará la relación de la fuerzas resultante con el conjunto de fuerzas que actúan sobre un peso. Por otra parte los ángulos que se formen nos demuestran la dirección y el sentido que lleva cada fuerza y es parte fundamental en la determinación de la fuerza resultante que sustituye a todo un sistema de fuerzas.
Objetivo: Comprobar a través de la experimentación si una fuerza resultante es equivalente a la suma de un conjunto de dos fuerzas de diferentes sentidos aplicados a un peso constante.
MARCO TEÓRICO Fuerzas. En física, la fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de interacción). Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía. En el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se mide en Newtons (N). Es todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de modificar su estado de reposo o de movimiento. Para que exista una fuerza es necesaria la presencia de dos cuerpos que interaccionen.
Fuerzas de contacto y fuerzas a distancia.
En un sentido estricto, todas las fuerzas naturales son fuerzas producidas a distancia como producto de la interacción entre cuerpos; sin embargo desde el punto de vista macroscópico, se acostumbra a dividir a las fuerzas en dos tipos generales: Fuerzas de contacto, las que se dan como producto de la interacción de los cuerpos en contacto directo; es decir, chocando sus superficies libres (como la fuerza normal). Fuerzas a distancia, como la fuerza gravitatoria o la coulómbica entre cargas, debido a la interacción entre campos (gravitatorio, eléctrico, etc.) y que se producen cuando los cuerpos están separados cierta distancia unos de los otros, por ejemplo: el peso. Se llama Peso de un cuerpo a la fuerza de atracción que ejerce sobre él la gravedad terrestre. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, mayor será la atracción que ejerce sobre él la gravedad terrestre y, por tanto, también será mayor su peso. Por tanto, el peso de un cuerpo es directamente proporcional a su masa. P = m·g (P = Peso, m = masa, g = aceleración de la gravedad). La masa de un cuerpo no debe confundirse con su peso. La masa depende de la cantidad de materia que tiene el cuerpo y es constante, no depende de dónde esté
y se mide con una balanza. El peso de un cuerpo varía con la gravedad, a mayor gravedad, mayor peso. No es lo mismo el peso en la Tierra que el peso en otro planeta y se mide con un dinamómetro. Uno de los efectos que producen las fuerzas sobre los cuerpos son las deformaciones. Los sólidos se clasifican en dos grupos: deformables y no deformables.
Sólidos deformables: Son aquellos que se deforman al aplicarles una fuerza. Sólidos no deformables: Se llaman también sólidos rígidos. Si las fuerzas que actúan son muy grandes, se pueden romper, produciéndose una ruptura o fractura.
Las fuerzas son capaces de cambiar la posición de un cuerpo, de moverlos.
Movimiento: Un cuerpo se mueve cuando, al actuar sobre él una fuerza, cambia de posición respecto a un punto de referencia que consideramos fijo. Cualquier cuerpo en movimiento se denomina Móvil.
Vectores. Un vector fijo es un segmento orientado que va del punto A (origen) al punto B (extremo). Es una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física definida por su módulo (o longitud), su dirección (u orientación) y su sentido (que distingue el origen del extremo). Los elementos de un vector son los siguientes:
Dirección de un vector. La dirección del vector es la dirección de la recta que contiene al vector o de cualquier recta paralela a ella. Sentido de un vector. El sentido del vector es el que va desde el origen A al extremo B. Modulo de un vector. El módulo del vector es la longitud del segmento AB; es un número siempre positivo o cero.
Según los criterios que se utilicen para determinar la igualdad o equipolencia de dos vectores, pueden distinguirse distintos tipos de los mismos:
Vectores libres: no están aplicados en ningún punto en particular. Vectores deslizantes: su punto de aplicación puede deslizar a lo largo de su recta de acción. Vectores fijos o ligados: están aplicados en un punto en particular.
Podemos referirnos también a:
Vectores unitarios: vectores de módulo unidad. No tienen ni dirección ni sentido. Vectores concurrentes o angulares: son aquellas cuyas direcciones o líneas de acción pasan por un mismo punto. También se les suele llamar angulares por que forman un ángulo entre ellas. Vectores opuestos: vectores de igual magnitud y dirección, pero sentidos contrarios. En inglés se dice que son de igual magnitud pero direcciones contrarias, ya que la dirección también indica el sentido. Vectores colineales: los vectores que comparten una misma recta de acción. Vectores paralelos: si sobre un cuerpo rígido actúan dos o más fuerzas cuyas líneas de acción son paralelas. Vectores coplanarios: los vectores cuyas rectas de acción son coplanarias (situadas en un mismo plano).
Suma de vectores. Para sumar dos vectores libres (vector y vector) se escogen como representantes dos vectores tales que el extremo final de uno coincida con el extremo origen del otro vector. Método del paralelogramo. Este método permite solamente sumar vectores de a pares. Consiste en disponer gráficamente los dos vectores de manera que los orígenes de ambos coincidan en un punto, trazando rectas paralelas a cada uno de los vectores, en el extremo del otro y de igual longitud, formando así un paralelogramo (ver gráfico a la derecha). El resultado de la suma es la diagonal de dicho paralelogramo que parte del origen común de ambos vectores. Método del triángulo. Consiste en disponer gráficamente un vector a continuación de otro; es decir, el origen de cada uno de los vectores se lleva sobre el extremo del otro. El vector resultante es aquél que nace en el origen del primer vector y termina en el extremo del último. Método analítico. Ley seno =
Ley coseno: √ El ángulo determinado por las direcciones de dos vectores a y b viene dado por:
MATERIALES: cantidad 1 3 2 2 1 4 1 1 1 2 1 1
Descripción Pie estativo Varilla soporte, 600mm Varilla soporte orificio,100mm Nuez doble Platillo para pesas de ranura, 10g Pesa de ranura, 50g Dinamómetro, 1 N Dinamómetro, 2N Soporte para dinamómetros Cinta métrica, 2m Sedal Disco graduado, original para reproducir
1
Tijeras
DESARROLLO Esta práctica comienza con el ensamble de los dinamómetros a las bases para representar los vectores. Tomando las varillas de soporte, acomodarlas en la nuez doble, se colocan los soportes para dinamómetro y se colocan los dinamómetros, al termino del ensamble de esta base; se hacen nudos a las puntas de el sedal, y se dispone a colocar cada punta en un gancho de los dinamómetros. A continuación se formaba el peso uniendo las pesas, y se coloca calculando la mitad del sedal ya unido a los dos dinamómetros. Se continúa recortando el disco graduado; para después poder colocando el disco graduado en forma de que su centro coincida con uno de los ejes el vertical. Se desplazan los dinamómetros a manera de que esté equilibrado y las dos fuerzas y ángulos sean iguales. La actividad comienza al desplazar el dinamómetro 1N en su soporte hasta que los ángulos que forman las fuerzas F1 y F2 con la vertical sean iguales. Después conforme lo requiere la tabla se van separando las dos mitades del pie estativo, hasta llegar a aproximar los ángulos. Se registran los resultados en la tabla. Para la segunda tabla; se acomoda el dinamómetro de 1N variando en su altura hasta que se formen en este cuadrante, los ángulos requeridos. Se registran los datos en la tabla.
RESULTADOS M= 100g, Fg= 1N
Tabla 1 1α/°
2α/°
α/°
F1/N
F2/N
Fr/N
20
20
40
.5
.5
.93
30
30
60
.55
.55
.952
40
40
80
.6
.6
.919
50
50
100
.7
.7
.899
1α/°
2α/°
α/°
40 55 70 90 115
40 38 35 33 30
80 93 105 123 145
Tabla 2 F1/N
.5 .63 .47 .55 .6
F2/N
Fr/N
.5 .88 .9 1.2 1.3
.766 1.05 0.9 1.01 0.878
Método Gráfico
- Comparara los valores de las resultantes FR obtenidas gráficamente, con la fuerza por peso Fg ¿Qué deduces? Al comparar los valores de los resultados de las fuerzas, se puede decir que se comprueba los valores de estas, aunque es notorio que se tiene a cometer errores en el método gráfico, por lo que lo más exacto es realizarlo con el método analítico. Aun así la aproximación a los valores es muy precisa.
Defina el resultado del experimento: Se comprobó que una fuerza resultante puede sustituir un sistema de vectores, en este caso de dos vectores. Por medio de los dos métodos gráfico y analítico podemos apreciarlo.
CONCLUSIÓN
La práctica demostró que la suma un sistema de vectores puede ser representado por un vector resultante ya que se forma a partir de sus componentes, y dependiendo del ángulo y de la respectiva fuerza que tengan. También es importante que cuando se realice este tipo de operaciones y se necesite una exactitud mayor se emplee el método analítico; el método gráfico es una aproximación a los valores reales ya que se pueden encontrar errores de medición ya sea por mal acomodación, interpretar mal los datos o simplemente por los instrumentos que se usen. Por otra parte para la realización de esta práctica es recomendable que se emplee mucha atención en la acomodación de los instrumentos como los dinamómetros y que se trate con cuidado para que los datos sean una aproximación lo más real posible. Al igual que para buscar el equilibro entre los dinamómetros fue necesario realizar los amarres del sedal lo mas igual posible para que al colocar la pesa se sintiera de igual intensidad para cada dinamómetro, por otro lado también fue necesario hacer una aproximación a la mitad del cordel para que el peso no fue más ni menos en cada lado. Siendo que en la segunda tabla, el peso cambiaba de posición porque sólo una de las fuerzas se modificaba y cambiaba de ángulo por lo tanto ahí no era tan influyente la posición del peso como fuente de precisión. La fuerza resultante es importante porque así podemos deducir la dirección , sentido y magnitud que tendrá el resultado de aplicar un sistema de fuerzas con diferentes sentidos, direcciones y magnitudes.
BIBLIOGRAFÍA
FISICA PRINCIPIOS Y PROBLEMAS James T Murphy ; Asesor Robert C Smoot Compañía editorial continental.
