Universidad Tecnológica de México
Área mayor Materia: Estática
Práctica Prácti ca 3 Ár Á r ea: Ingeniería
ESTÁTICA
Procedimiento Malab. 03
Revisión 3
abril 200
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Práctica no. 3 Fuerzas de fricción
Fecha de elaboración: ________ Fecha de revisión: ___________ Responsable: ______________
Objetivos •
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El alumno propone y prueba hipótesis mediante el desarrollo completo de la práctica “fuerzas de fricción”, aplicando el método científico. Analizar sistemas físicos donde existen fuerzas de fricción para representarlos gráfica y matemáticamente con ayuda de un esquema.
Normas de seguridad • Trabajar dentro de la línea de seguridad • No comer alimentos dentro del laboratorio • Manejar con precaución el equipo para evitar accidentes Equipo de seguridad • Bata de laboratorio
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Investigación previa 1. 2. 3. 4. 5.
Define y explica que es la fuerza de fricción. Define y explica la fricción en seco o de Coulomb. Explica en que consiste la fuerza normal a una superficie plana Explica qué es el coeficiente de fricción estático y dinámico. ¿Cuáles son las condiciones para que exista equilibrio?
Equipo 1 Plano inclinado 1 Superficie de acrílico 1 Bloque de madera con superficie de distinto grado de rugosidad o rozamiento 1 Dinamómetro con rango de 0 a 500 g. 1 Juego de pesas 1 Transportador 1 Soporte universal
Marco teórico Al estudiar los sistemas de fuerzas que actúan sobre un objeto, en muchas ocasiones, se trata con fuerzas de fricción, las cuales tienen características particulares. La fuerza de fricción es una fuerza variable que en general se opone al movimiento, de acuerdo con cada caso y puede tener un valor máximo. Las fuerzas de fricción dependen de la interacción entre el par de superficies en contacto, así como el valor de las masas que interactúan. La fuerza de fricción se presenta cuando un cuerpo está en reposo o en movimiento, si el movimiento está por producirse se llega al valor máximo de la magnitud de la fuerza de fricción. Mientras no se alcance este valor máximo es imposible conocer el valor de la fuerza de fricción, sólo se conoce la dirección de la mencionada fuerza. Y en el caso de movimiento es posible conocer la magnitud y el sentido de esta. La fuerza de fricción se clasifica en dos casos: cuando no hay movimiento, donde se define el coeficiente de fricción estático y en el caso de movimiento del sistema, que se define a través del coeficiente de fricción cinético , es claro que el coeficiente de fricción estático tiene un valor mayor que el coeficiente de fricción dinámico, esto se debe al paso del equilibrio estático para establecer un equilibrio cinético.
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Por lo anterior en esta práctica se calculará el valor de la fuerza de fricción un instante antes de que exista movimiento, ya que el curso es de estática.
Desarrollo a) Arma tu sistema como se muestra en la figura. b) Colocarás el bloque de madera (con superficie de madera hacia abajo, no la cara que tiene las superficies deslizantes), como se muestra en la figura 1. c) De la parte de la armella únelo a la argolla del dinamómetro.
Figura 1
d) Con sumo cuidado y lentitud, tirando manualmente del dinamómetro, de tal manera que se vaya incrementado paulatinamente la fuerza que ejerces sobre el dinamómetro y el bloque de madera, hasta el punto en que el movimiento sea inminente. Si el peso del bloque es pequeño y no se nota la fuerza, coloca encima de éste un peso adicional de 200 o 400 gramos, según lo consideres conveniente. e) En ese punto tomarás el valor que indica el dinamómetro y lo anotarás. f) Repetirás este procedimiento al menos cinco veces y calcularás la fuerza promedio. g) Es muy importante distinguir en el caso de la fricción: a. Área: extensión bidimensional de una cara exterior. b. Superficie: cualidad de la cara exterior que puede ser: lisa o rugosa.
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Dibujarás el diagrama de cuerpo libre, donde pondrás todas las fuerzas que intervienen (no se te olvide considerar el peso del bloque), y con los resultados y utilizando las fórmulas que involucran la fricción, calcularás el coeficiente de fricción (madera-acrílico). Repetirás el mismo experimento con dos superficies más y calcularás el coeficiente de fricción estático para los siguientes pares de superficies: Bloque de madera – Superficie acrílica Bloque de madera – Superficie madera Tabla I Superfici es Peso del carro (N) Fuerza pro m. (N) Madera – lija gruesa Madera – Acrílico Madera – Madera
Coef. fricció n µ = (f/N)
Experimento no. 2
Aquí se repiten todos los pasos del 1 al 5, del experimento anterior, en donde se va a mantener la misma interacción de dos superficies. En este caso será el bloque de madera sobre la superficie de madera. Se realizará lo siguiente: 1) Coloca sobre el bloque de madera diferentes pesas que irán variando su peso total. Cuida que la superficie de madera quede hacia abajo. Puedes iniciar con 50 g. 2) Se variará el peso de manera ascendente hasta diez valores diferentes de manera que la variación de peso sea del mismo valor de un paso a otro, (ejemplo de 50 g en 50 g). 3) Escribe en la tabla No 3 en la primera columna el peso adicional, en la segunda la suma de los pesos (la del carro más la adicional) ambas en gramos, en la tercera la fuerza aplicada en gramos, es decir la mostrada en el dinamómetro, y en la cuarta columna pondrás el valor calculado del coeficiente de fricción, para lo que usarás las fórmulas del experimento anterior. Tabla 2 peso adicio nal
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peso total (g)
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Fuerza (g)
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Coef. Fricc. ( )
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4) Con los datos de la tabla anterior, graficarás en papel milimétrico el peso total contra el coeficiente de fricción calculado y anotaras tus conclusiones. Experimento no. 3
En este experimento determinarás el efecto del área de la superficie de contacto entre dos superficies diferentes. Para esto, utilizando la misma secuencia de pasos que el experimento no. 2, se mantendrá constante el peso y lo que cambiará será la superficie de interacción. Se sugiere que al peso del carro le agregues 400 o 500 g como peso adicional y la suma de los pesos será tu peso total. La superficie contra la que friccionarás el bloque será madera.
s1 s2 1. Coloca el bloque de madera de forma que asiente sobre la superficie S1. 2. Coloca el peso adicional (que se mantendrá constante). 3. Sigue los pasos del experimento dos para conocer la fuerza necesaria para el inminente movimiento con ayuda del dinamómetro. 4. Repite el experimento cinco veces, y calcula la fuerza promedio. 5. Con ese valor calcularás el coeficiente de fricción. 6. Coloca el bloque de madera de forma que asiente ahora la superficie S2 (de canto) y repites los pasos del inciso 2. Tabla 3 Superficies S1
Fuerza Aplicada (prom.) g
Coeficiente de Fricción µ
S2
Experimento no. 4
Utilizarás el equipo que consiste de un plano inclinado de madera.
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El experimento consiste en encontrar en ángulo máximo de inclinación para el cual el bloque de madera inicia su movimiento. 1. Coloca el bloque de madera (de tal manera que quede la superficie de madera hacia abajo y no sobre los deslizadores) sobre la superficie del plano inclinado a una distancia dos tercios aproximadamente de la bisagra de giro. 2. Levanta el plano inclinado muy lentamente, manteniendo el transportador de madera alineado con la bisagra, de tal manera que nos dé el ángulo de inclinación en cualquier momento.
3. En un momento determinado el bloque de madera empezará a deslizarse hacia abajo (es el punto de inminente movimiento). Anota el valor del ángulo de ese preciso instante. 4. Repetirás el experimento diez veces y llenarás la siguiente tabla: Tabla 4 Experimento
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Án gulo (α)
Wx
¿Qué relación tiene la tangente del ángulo
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Wy
µ
F (g)
con el coeficiente de fricción?
α
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Análisis y presentación de resultados Presentarás para cada experimento: 1) El diagrama de cuerpo libre. 2) El desarrollo matemático para calcular los coeficientes de fricción. 3) Observar si su valor está en función de las variables estudiadas. Para el experimento no.1, calcularás el coeficiente de fricción estático para los tres juegos de superficies. Presenta las tablas. Para el experimento no. 2, calcularás el coeficiente de fricción para cada punto de la tabla 2 (diez) y graficarás en papel milimétrico masa (eje y) contra coeficiente de fricción (eje x) y anotarás tus conclusiones. Presenta las tablas. Para el experimento no. 3, calcularás el coeficiente de fricción de cada superficie S1 y S2 y responderás a las siguientes preguntas: a) ¿Cómo son ambos valores del coeficiente de fricción? b) ¿Varía el coeficiente de fricción con el área? Para el experimento no. 4, calcularás las componentes Wy y Wx del peso, la normal y el valor del coeficiente de fricción y después harás lo siguiente: a) Calcula el valor promedio del coeficiente de fricción. b) Calcula el valor promedio del ángulo del plano inclinado. c) Responde a la siguiente pregunta y fundamenta tu respuesta: ¿Qué relación tiene el coeficiente de fricción con la tangente del ángulo? Para los experimentos 1, 2 y 3, utiliza el análisis de las fuerzas en el bloque como se muestra en la siguiente figura:
W=mg
Para el experimento 4 se utilizará el diagrama de cuerpo libre para plano inclinado.
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Conclusiones Escribe una pequeña redacción en la que indiques tus observaciones personales refiriéndote al análisis de los resultados, indicando las habilidades y conocimientos que te brinda la experiencia de realizar esta práctica.
Notas para los alumnos 1.
Esta práctica se evaluará de acuerdo a los parámetros especificados en las rúbricas que encontrarás en la Guía de Evaluación del alumno correspondiente a la materia.
Fuentes de información •
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Beer, F.P. y Johnston, E. R., Mecánica vectorial para ingenieros: Estática , Vol. 1, McGraw-Hill, México, 1996. Bedfor, Anthony y Wallace Fowler, Mecánica para ingeniería. Estática , Addison Wesley Iberoamericana, México, 1996.
El presente documento es una obra colectiva que fue redactada bajo la metodología didáctica desarrollada por el Instituto de Investigación de Tecnología Educativa de la Universidad Tecnológica de México. Prácticas de Estática Director de Desarrollo de Ingeniería: Ignacio Rodrígu ez Robles
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Colaboración en la redacción: Israel Enrique Herrera Díaz Colaboración en la validación técnica: Francisco Elías Ríos Hernández Colaboración en la revisión pedagógica: Olivia Quevedo Aguilar Colaboración en la revisión de estilo: Ar tu ro Gon zález Maya Roberto del Vecchyo Calcáneo
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