Prácticas de tribología

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN CENTRO TECNOLÓGICO ARAGÓN

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM



Autores: Dr. Javier Jiménez García M. en D.U. Julio Bernal Vázquez

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM

Contenido Pagina Prefacio

Pagina

3

Reglamento

Practica 1: ELECTROSCOPIO

Practica 4: ROTOR

41

Practica 5: FRICCIÓN CINÉTICA

51

Practica 6: FRICCIÓN ESTATICA

61

5

7

Practica 2: WIMSHURST

17

Practica 3: GENERADOR DE

27

Y DINAMICA

Practica 7: RUGOSÍMETRO

83

VAN DE GRAAFF

MÉXICO

2015

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM Prefacio

Prefacio La tribología es un campo de investigación y de aplicación, relativamente nuevo, poco conocida por los no

Como profesores universitarios es un verdadero placer

especialistas, que implica una interdisciplinaridad estrecha

plasmar en esta Propuesta de Prácticas las experiencias

entre físicos, químicos, hidrodinámicos y sobre todo

exitosas, docentes y profesionales sobre una te mática tan

ingenieros, teniendo un desarrollo considerable en el

importante, la Tribología, para contribuir de una forma

transcurso de las últimas décadas.

estratégica en la vinculación del desarrollo tecnológico en la industria, la academia y la formación profesional de nuestros egresados.

Desarrollo que se ha visto impulsado por la complejidad y la creciente sofisticación de la ingeniería de los sistemas utilizados en múltiples sectores (transporte, espacio,

Debido a la modificación del Plan de Estudios de la carrera

robótica y tecnologías médicas).

en ingeniería Mecánica de la FES Aragón, es imprescindible instrumentar y generar protocolos de prácticas en las temáticas afines (fricción, desgaste y

Hecho que ha obligado a los involucrados a centrar sus

lubricación), para apoyar la asignatura de Tribología,

investigaciones

materia obligatoria de la especialización de diseño recién

comportamiento tribológico de los materiales, ya que son

incorporada al plan de estudios, con la finalidad de

especialmente importantes en términos de seguridad,

fortalecer los procesos de enseñanza y las necesidades

fiabilidad y sobre todo para el ahorro de energía.

de aprendizaje.

3

en

comprender

y

mejorar

el

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM Prefacio

Por ello, es fundamental, que a través de la incorporación



de estas prácticas, nuestro alumnado este a l a vanguardia 

aprendan las referencias de nuevos desarrollos en descriptiva

mediante

un

teórico

mínimo

requerido

para pa ra

su

realización.

de los principales avances científicos y tecnológicos, y investigación

Marco

La descripción de los prototipos y materiales con los cuales se realizará la práctica.

enfoque

Asimismo

experimental, con contenidos actualizados.

se

propone

una

secuencia

de

los

procedimientos experimentales y su análisis, para que con base en los objetivos planteados en la práctica, escriban las conclusiones correspondientes, posibilitando al

Cabe destacar que con ello se podrá mejorar la formación de recursos profesionales, y así

alumnado la oportunidad de autoevaluar sus prácticas

avanzar hacia el

profesionales.

desarrollo de entornos educativos contextualizados y con significados que generen escenarios alternativos de enseñanza y de aprendizaje, para el desarrollo de

Los autores agradecemos el apoyo recibido para el

competencias en el campo de la tribología.

desarrollo de las Prácticas de Tribología al Programa de Apoyo a Proyectos para la Innovación y Mejoramiento de la Enseñanza, PAPIME PE100614, UNAM.

Es importante mencionar que en cada práctica propuesta, se incluye un instructivo, en el cual se establecen los: 

Objetivos específicos.



Competencias a desarrollar.



Criterios de evaluación.

Dr. Javier Jiménez García M. en D.U. Julio Bernal Vázquez

4

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM Reglamento

Reglamento

4.

Para evitar accidentes quitarse quitarse bufandas, pañuelos largos u objetos que que dificulten tu movilidad.

Existen normas que deben cumplirse estrictamente para 5. Queda restringido el acceso con alimentos o

evitar accidentes en el laboratorio de Tribología del Centro

bebidas al laboratorio.

Tecnológico Aragón, en el área de Comportamiento de Materiales, que a continuación se describe:

6. El laboratorio es laboratorio es un un espacio 100% libre de humo de 1. Para permitir

el acceso al

tabaco.

laboratorio, es

indispensable el uso de la bata reglamentaria 7. Para operar un instrumento o aparato, solicitar

(blanca, de algodón y manga larga).

apoyo del profesor o técnico del laboratorio, para adquirir la destreza necesaria.

2. Para la manipulación de sustancias químicas y equipos, deben usarse guantes, lentes protectores

8. Una vez concluido el uso de un aparato o

y mascarillas.

instrumento, seguir el procedimiento adecuado para

3. Para las sesiones de laboratorio es recomendable

apagarlo,

desconectarlo,

guardarlo

y

entregarlo al responsable del laboratorio.

vestir ropa sencilla, que proteja la mayor parte del cuerpo y preferentemente de algodón, zapatos 9.

cerrados, con suelas gruesas, sin tacones.

En caso de producirse un accidente, quemadura o lesión, comunicarlo inmediatamente al profesor.

5

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM Reglamento

10. La integración de equipos es de un máximo de

16. Cada integrante del e quipo deberá llenar el reporte

cinco personas por práctica, nombrando un

de asistencia a la práctica.

responsable. 17. Las faltas de indisciplina, según su gravedad, 11. La tolerancia máxima para el ingreso i ngreso al laboratorio

pueden ocasionar la suspensión temporal o

y poder realizar la práctica es de 15 minutos.

definitiva del alumno(a).

12. Para poder realizar la práctica es obligatorio conocer el contenido temático correspondiente.

El presente reglamento está basado en los reglamentos de higiene y seguridad de l a UNAM.

13. Durante el desarrollo de la práctica, el e quipo es el responsable de los materiales del laboratorio, en caso de descomposturas, estos tendrán que reponer o reparar los mismos. 14. Informar al profesor s i algún material está roto o averiado antes de comenzar la práctica.

15. Al concluir la práctica, el equipo es responsable de limpiar el equipo y área de trabajo utilizada.

6

Laboratorio de Tribología

Facultad de Estudios Superiores Aragón

Práctica 1

ELECTROSCOPIO

Codificación

CMJJG-001

Autor

Centro Tecnológico Aragón Aprobado

Área Comportamiento de Materiales

Dr. Javier Jiménez García M. en D.U. Julio Bernal Vázquez Comité Editorial FES ARAGÓN CTA

Revisado

Ing. Daniel Martin Sánchez Lara

Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

10

Ingeniería Mecánica PAPIME PE100614, UNAM.

PRÁCTICA No. 1

LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM ELECTROSCOPIO

Objetivo general

Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas del trabajo colaborativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación, respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico, el aprendizaje y disciplina.  Capacidad de realizar actividades intelectuales de reflexión, análisis y síntesis, que le faciliten la toma de decisiones en situaciones no previstas durante su formación.  Identificar, interpretar y plasmar los resultados obtenidos de los experimentos empleando un lenguaje científico.  Búsqueda efectiva y eficiente de información confiable y pertinente en diversas fuentes. 

Que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento del electroscopio con diferentes tipos de cargas, para aprender a identificarlas y sea capaz de describir y explicar los fenómenos electrostáticos al final de la práctica.

Objetivos específicos    

Explicar el principio Físico de funcionamiento del Electroscopio. Determinar cualitativamente como cargar positiva y negativamente un electroscopio por contacto. Determinar cualitativamente el tipo de carga de un electroscopio. Especificar el tipo de carga que posee un cuerpo cargado.

Criterios de evaluación  

Competencias a desarrollar

 

Diseñar modelos model os simplificados que describan los fenómenos electrostáticos para comprender su comportamiento.  Construir y desarrollar argumentaciones válidas, identificando hipótesis y conclusiones. 



8

Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado

PRÁCTICA No. 1



Equipo del Laboratorio y Materiales

Marco teórico

A continuación se enlista e nlista el equipo y material requerido para la elaboración y la implementación de la práctica, tabla 1.

Los fenómenos eléctricos, desde la antigüedad, han sido observados con mucho interés. Desempeñando en la actualidad un gran papel en el funcionamiento de muchas cosas que nos rodean, como producto de la interacción de los átomos constitutivos de toda la materia, a través de los electrones. Donde la carga surge como una propiedad inherente de la materia.

Equipo Requerido

Cantidad

Material

Cantidad

Electroscopios

2

mbar

1

Barra de Ebonita

2

Barra de polietileno

2

Barra de Vidrio

2

Lámina de acetato

2

Paño

2

Trozo de seda

2

Piel

2

Plataforma con soporte

2

Tabla 1.

Probablemente el ejemplo más citado de la observación de la electricidad como fenómeno es el de la atracción que presentaba una barra de ámbar cuando se frotaba a pequeños objetos como pajitas o plumas. Pero cuantas veces nos hemos asombrado, al recibir una descarga electrostática, ya sea en los pasamanos de un centro comercial o por hacer contacto con una perilla metálica, e incluso cuando saludamos o rozamos a otra persona. Normalmente el ser humano se encuentra en presencia de un gran número de fenómenos electrostáticos, originados principalmente por fricción, ejemplo de ellos son las pequeñas cargas originadas por el peine al pasar por el cabello, o por caminar en una alfombra usando zapatos de goma, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece

Material y equipo.

9

PRÁCTICA No. 1



niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. Es importante mencionar que la capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico.

Actualmente existen en el mercado pequeños dispositivos que permiten eliminar las cargas electrostáticas que constan de un pequeño conductor que eventualmente disipa las cargas, además se pueden tomar otras precauciones para evitar cargas electrostáticas, como por ejemplo no poner en contacto superficies aislantes, humidificar el aire, o simplemente establecer un contacto entre el objeto y la tierra.

Asimismo se originan cargas cargas electrostáticas en la mayoría mayoría de los aparatos eléctricos de uso doméstico, ejemplo de ello son las pantallas, que se cargan después de ser usadas durante un intervalo de tiempo; todos estos son fenómenos de pequeña magnitud que pasan casi desapercibidos pero hay otros en los que la electricidad estática es mucho más apreciable e importante, por ejemplo muchas fotocopiadoras e impresoras láser funcionan gracias a la electricidad estática originada por un rayo de luz sobre un tambor fotosensible y la carga electrostática es usada para fijar el polvo de impresión al papel.

Para dar respuesta a esta serie de preguntas es necesario comprender el campo eléctrico, conocer cómo interactúan las cargas, cuáles son sus propiedades y como dicho campo se relaciona con el entorno cotidiano. En cuanto a sus propiedades, existen dos tipos de cargas eléctricas, positiva y negativa. Las cargas de igual signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen. Esto implica que la carga tiene una tendencia natural a ser transferida entre materiales diferentes.

Cabe destacar que cuando un auto viaja a alta velocidad a través de aire seco su superficie exterior también adquiere una carga electrostática considerable, de igual manera las tormentas eléctricas son producidas por cargas electrostáticas en las nubes que interactúan con la tierra ionizando el aire y produciendo una gran chispa.

Asimismo, la carga eléctrica siempre se conserva, así cuando dos objetos inicialmente neutros son cargados al ser frotados entre sí, la carga no se crea en el proceso.

10

PRÁCTICA No. 1



Los objetos se cargan debido a que la carga negativa se carga de un objeto a otro. Un objeto gana cierta cantidad de carga negativa, mientras que el otro pierde una cantidad igual de carga negativa y por lo tanto queda con carga positiva. Además, recordemos que la carga esta cuantizada, presentándose en la naturaleza como paquetes discretos.

Los fenómenos mencionados relativos al flujo de carga nos llevan a pensar en nuevos conceptos, cuando un material permite transportar la carga o no. Todo depende de la naturaleza química del material, en un sólido sólo podrá desplazarse carga negativa, mientras que sistemas en fase líquida (acuosa) o gaseo sa ambas cargas pueden tener un flujo.

Respectivamente las fuerzas eléctricas pueden actuar a través del espacio e incluso producir un efecto cuando no hay contacto físico entre los objetos involucrados, al interactuar con el campo eléctrico. Ya que éste existe en la región del espacio que rodea un objeto cargado. Y si un objeto cargado entra en esa región, el campo es el que ejerce una fuerza sobre el segundo objeto cargado.

Cabe mencionar que los electrones en un sólido se podrán mover de acuerdo con la naturaleza aislante o conductora del material. La gran mayoría de los metales son altamente conductores, debido a los espacios vacíos que se encuentran en los niveles transicionales de energía por los cuales los electrones pueden circular; en un material aislante estos espacios no existen.

Es importante mencionar que cuando la materia queda parcialmente cargada, ligado a la interacción entre dos materiales con diferente electronegatividad, la carga tiene un flujo. Pero en ningún proceso se puede crear o disipar una carga neta, así la carga total del universo siempre es constante. Por ello, cuando frotamos plástico con piel, los electrones migran hacia el plástico dándole una carga parcial negativa, pero dicha carga parcial tiene igual magnitud en la piel con signo contrario.

Es importante destacar que existen instrumentos de medida diseñados específicamente para confirmar y determinar la presencia de de cargas cargas eléctricas en un cuerpo, en concordancia con los conceptos de conductividad, como es el electroscopio, el cual se describirá a continuación.

11

PRÁCTICA No. 1



Electroscopio Procedimiento Experimental

El electroscopio es un instrumento que permite identificar la presencia de cargas eléctricas en un cuerpo. Detectando la presencia de un objeto cargado mediante el fenómeno de separación de cargas por inducción, y en un conjunto seguido de pasos determinar si dos cuerpos tienen la misma carga o no.

Con base en el objetivo general de la práctica que el alumnado comprenda y argumente el c omportamiento del electroscopio con diferentes tipos de cargas, para aprender a identificarlas y sea capaz de describir y explicar los fenómenos electrostáticos al final de la práctica, se plantea la parte experimental en dos secuencias didácticas.

Un electroscopio, figura 1, se carga generalmente por transferencia de la carga. Una barra de metal conduce la carga hasta dos laminillas de oro o aluminio, que por obtener dicha carga, y ser del mismo signo en cada laminilla, estás se repelerán. Si la magnitud de la carga aumenta, la fuerza de repulsión será mayor.

Figura 1.

Primer secuencia Primero construiremos dos electroscopios utilizando los siguientes materiales, tabla 1.

Electroscopio.

Materiales

Cantidad

Matraz

2

Alambre de cobre

4

Corcho

2

Hojas de aluminio

2

Esfera de poliestireno

2

Globo

2

Tabla 2.

12

Materiales requeridos

PRÁCTICA No. 1



Desarrollo

A.

1. Cortar el alambre alambre de cobre considerando la altura del matraz. 2. Perforar el corcho e introducir el alambre de cobre. 3. Probar si el corcho cierra herméticamente el matraz, protegiendo de las corrientes corrientes de aire, aun cuando se introdujo el alambre 4. Doblar el extremo del alambre que queda en la parte interna del matraz para tener una curvatura adecuada. 5. Cortar dos trozos trozos de papel aluminio, uniformes en tamaño y forma, para poder colocarlos en el extremo del alambre curvado. 6. Una vez instalado en el matraz, al extremo que queda en la parte superior se le pone una esfera de polietileno cubierta con papel aluminio. 7. Para verificar su funcionamiento, frotar un globo en el cabello de una persona y ponerlo en contacto con el matraz para observar si las láminas de aluminio sufren o no un desplazamiento. Una vez construidos los dos electroscopios, efectuar la siguiente metodología

Producción de cargas positiva y negativa a) Acerque la varilla de vidrio sin frotar al electrodo central del electroscopio. ¿Observe que le sucede a las laminillas del electroscopio?. Registre sus observaciones b) Frotar vigorosamente la varilla de vidrio con la tela de seda y nuevamente acérquela al electrodo central del electroscopio. ¿Qué le sucede a las laminillas del electroscopio?. Registre lo observado. c) Toque el electrodo central del del electroscopio con la varilla de vidrio previamente frotada con seda para transferir la carga. Registre sus observaciones. d) Para obtener más cargas sobre el electroscopio habrá que repetir varias veces el proceso de frotación y transferencia. Registre sus observaciones. e) Para descargar el electroscopio toque con un dedo el electrodo central. f) Repita los pasos anteriores para los casos con la varilla de ebonita frotándola con seda. g) Repita el proceso para el caso en que la varilla es de acrílico y se frota con seda.

13

PRÁCTICA No. 1



B. Determinación del tipo de carga que tiene un cuerpo.

Análisis de datos experimentales

a) Frote vigorosamente la varilla de polietileno con la lana y acerque el extremo frotado al electrodo central del electroscopio sin tocarlo. ¿Qué le sucede a las laminillas del electroscopio?. b) En presencia de la varilla varilla frotada coloque su dedo en el lado opuesto del electrodo central. c) Después de cierto tiempo y en presencia de la varilla cargada retire el dedo del electrodo central. ¿Se cargaron las laminillas?.

C.







Cuerpo cargado positivamente a) Frotar vigorosamente la varilla de vidrio con la tela de seda gruesa (o con lanilla) y se le acerca sin tocar la esfera del electrodo del electroscopio. En caso de que las laminillas del electroscopio se abriesen más, la varilla de vidrio tendrá carga del mismo signo que la del electroscopio. En caso contrario la varilla tendrá signo opuesto. b) Repita el paso anterior para el caso en que la varilla que se frota es la varilla de acrílico con lana.



14

Con base en la experimentación efectuada generar un modelo gráfico gráfico que permita explicar cuando la carga del electroscopio es positiva y negativa por contacto. Con base en la experimentación efectuada generar un modelo gráfico gráfico que permita explicar cuando la carga del electroscopio es positiva y negativa por inducción. Analice e Interprete como podemos mediante el modelo utilizado conocer el tipo de carga de un electroscopio. Con base en los objetivos planteados en la práctica, escriba las conclusiones correspondientes.

PRÁCTICA No. 1



Segunda secuencia Cuestionario 1. Colocar 2 hojas de acetato adyacentes. 2. Frotar la hoja superior con un paño. 3. Acercar la hoja superior al electroscopio y observar lo que ocurre. 4. Acercar la hoja inferior al electroscopio y observar lo que ocurre.

1. ¿Por qué un cuerpo cargado atrae un trozo de papel (neutro)? 2. ¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método de frotamiento? 3. ¿En qué fenómenos de la vida cotidiana observamos electricidad estática?, Si estos fenómenos son molestos ¿Cómo podrían evitarse? 4. ¿Cómo influye la humedad del ambiente en la descarga del electroscopio?

Análisis de datos experimentales

Argumentar el comportamiento del electroscopio respecto a las hojas de acetato.

15

PRÁCTICA No. 1



Conclusiones generales

6. La tierra funciona como un gran conductor capaz de disipar cargas muy rápidamente sin importar si son positivas o negativas, por esta razón se usa una conexión llamada polo a tierra. 7. El exceso o defecto de electrones en una carga electrostática está determinado tanto por el método por el que el cuerpo adquiere la carga como por las propiedades intrínsecas del mismo.

1. Un material con carga neutra puede adquirir o no una carga neta positiva o negativa dependiendo del material frotado. 2. Un objeto cargado negativamente, cargará positivamente a otro si lo hace por inducción, así un objeto cargado positivamente, lo cargará negativamente. En general, si se carga un objeto por inducción, éste quedará cargado con el signo contrario del objeto que lo está cargando. 3. Partículas con el mismo signo de carga carga tenderán a repelerse. Se puede observar lo anterior cuando al cargar el electroscopio aparecía un ángulo entre las láminas estática y móvil, ya que ambas quedaban cargadas con el mismo signo. 4. Partículas de signo contrario tenderán a atraerse. Lo anterior se observa cuando luego de cargar al electroscopio se le acercaba un objeto con carga de signo contrario y se observaba una disminución en el ángulo entre las láminas. 5. La facilidad con que un cuerpo adquiere una carga electrostática depende no sólo de sus propiedades sino también de las características del medio ambiente.

Bibliografía [1] Giancoli,

Douglas, “Física, principios con aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición, México, 2006. [2] Tilpler, P. A., “ Física Física para la ciencia y la tecnología”, tecnología”, Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.

[3] Goldemberg, J. Física General y Experimental. Vol II. Edit. Interamericana. México 1972. [4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 1980. [5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España 1992. [6] Tipler, p. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000. [7] http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio

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Centro Tecnológico Aragón


Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Tribología Práctica 2

WIMSHURST

Codificación

CMJJG-002

Autor


Aprobado

Comité Editorial FES ARAGÓN CTA

Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

10

PAPIME PE100614, UNAM.

PRÁCTICA No. 2


PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM WIMSHURST

Objetivo general



Construir y desarrollar argumentaciones válidas, identificando hipótesis y conclusiones.  Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas del trabajo colaborativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación, respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico, el aprendizaje y disciplina.  Capacidad de realizar actividades intelectuales de reflexión, análisis y síntesis, que le faciliten la toma de decisiones en situaciones no previstas durante su formación.  Identificar, interpretar y plasmar los resultados obtenidos de los experimentos empleando un lenguaje científico.  Búsqueda efectiva y eficiente de información confiable y pertinente en diversas fuentes.

Que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento de la máquina de Wimshurst, con base en su diseño y el efecto triboeléctrico, triboeléctrico, para observar los fenómenos físicos electromagnéticos generados por la acumulación de cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Objetivos específicos     

Diseño y fabricación de la máquina de Wimshurst Explicar el principio de funcionamiento de la máquina de Wimshurst. Explicar cualitativamente la generación de cargas de cargas eléctricas por inducción inducción electrostática. Determinar la repulsión o atracción eléctrica entre objetos. Generar chispas chispa s aisladas, intensas y con longitudes diversas.

Criterios de evaluación  

Competencias a desarrollar 

 

Diseñar modelos simplificados que describan los fenómenos electrostáticos para comprender su comportamiento.



18

Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado.

PRÁCTICA No. 2




Marco teórico


La máquina de Wimshurst es un generador un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James británico James Wimshurst (1832 - 1903). 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto el efecto triboeléctrico, triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Equipo Requerido

Cantidad

Material

Cantidad

Máquina de Wimshurst

1

Cartulina

1

Velas Cerillos Trementina Vaso de precipitado Papel estaño Placa de vidrio Placas de aluminio Soporte aislante Plataforma con soporte Esfera de poliestireno Papel aluminio Cobre Tijeras

6 1 1

Tabla 1.

2 1 2

Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de ca da disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico, figura 1.

2 2 2 6 1 1 1

Cabe mencionar que este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre sí por el eje. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos

Material y equipo.

19

PRÁCTICA No. 2



peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Así un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco.

En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, que sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. En general no es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por eso algunas máquinas incorporan un trocito de piel que tiene un mínimo de carga de manera que la máquina arrancará siempre con la misma polaridad. Además la corriente estática se almacena en botellas de Leyden.

Debido a que estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa. Cabe mencionar que en el funcionamiento de la máquina existe otro principio físico que la rige, el “efecto corona”,

que se presenta cuando el potencial de un conductor en el aire se eleva hasta valores tales que sobrepasan la rigidez dieléctrica del aire que rodea al conductor. Que para nuestro caso impediría que la tensión se elevase a causa de las pérdidas provocadas al ionizar el aire circundante.

Figura 1.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía

Máquina de Wimshurst.

20

PRÁCTICA No. 2



mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica.

Procedimiento Experimental Cabe destacar que la salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante, ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. Por ello, el aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máxima que se puede alcanzar.

Con base en el objetivo general de la práctica que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento de la máquina de Wimhurst, se plantea la parte experimental en dos secuencias didácticas.

Primer secuencia Asimismo la chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, Leyden, un tipo de condensador de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperios.

Primero analizaremos el funcionamiento de una máquina de Wimshurst como generadora de cargas electrostáticas.

21

PRÁCTICA No. 2



Desarrollo

encuentran sujetos a los extremos de una barra aislada de aluminio F, ahí una de las laminillas pierde electrones y estos viajan al otro extremo de la barra donde la laminilla opuesta los gana, así una laminilla tendrá carga positiva y la otra negativa.

Con base en las partes del de l generador electrostático, figura 2, se procedió al análisis de su fu ncionamiento de manera cualitativa.

Los discos al girar hacen que estas laminillas cargadas se alineen con otro par de laminillas del disco opuesto que también están en contacto con unos peines y estos a otra barra aislada F`. Ahí las laminillas cargadas inducen cargas opuestas en las laminillas del otro disco, esto es conocido como el electróforo de Volta.

Figura 2.

A cada ca da lado l ado de los discos tenemos un colector de carga m, n en forma de U, debido al diseño a cada colector le corresponde un tipo de carga. Estos colectores están conectados a dos botellas de Leyden L y L`, estos condensadores tienen un punto común o tierra, que en nuestro caso es un alambre de cobre que está debajo de la base de la máquina.

Partes del generador electrostático 1890.

En general la máquina consta de dos discos en acrílico (o cualquier material dieléctrico) que giran en sentido contrario con un eje común, en su superficie y de forma opuesta tienen adheridas unas laminillas de aluminio (a), éstas colocadas en forma radial.

La máquina es accionada por un sencillo sistema de poleas R, R` y una manivela K. Usualmente las máquinas de Wimshurst tienen unas barras terminadas en esferas A, B que son solidarias a los colectores para apreciar a preciar el efecto corona.

La separación de los discos no sobrepasa el medio centímetro. La carga se genera cuando las laminillas entran en contacto con unos peines de cobre que se

22

PRÁCTICA No. 2



EQUIPO DIDACTICO DE COMPROBACIÓN Y FABRICADO MEDIANTE PROYECTO

“DISEÑADO



PAPIME PE100614, UNAM”

Diseño A continuación se presentan las partes más relevantes del diseño de la máquina. 



Colectores de carga: Son alambres de cobre Cal. 10 doblados en U, de tal manera que las puntas tiene una distancia de 4 cm. Se perforaron unos agujeros de 0.1 cm. para que en ellos se pudieran incrustar puntas metálicas (puntillas de acero limadas), a cada lado se colocaron cinco puntas, separadas entre sí por 0.5 cm. Los colectores están unidos a la maquina por una barra de acrílico de 28 cm. de largo, que permite que pase por su centro el eje, a los extremos encontramos unos bases de acero para los colectores y las barras terminadas en esferas. También de allí bajan unas barras para conectar las botellas de Leyden.

Discos: Los discos son de 30 cm. de diámetro y 0.5 cm. de espesor. En el centro tenemos un agujero circular de 1.5 cm. de diámetro. Cada disco tiene adheridos 24 laminillas de aluminio, separadas una de otra por un ángulo de 15º. Así se garantiza que en el espacio entre laminillas se podría colocar otra, punto importante para mejorar la inducción de cargas. Las laminillas son de 5.0 cm. de largo con los bordes redondeados.



Poleas: Del sistema de poleas, para destacar están las piezas que sostienen a los discos. Son unos cilindros con un diámetro de 3.1 cm., hechas en aluminio. En la parte frontal se les incrusta un rodamiento para mejorar su funcionamiento y para asegurar los discos tenemos un roscado en la parte posterior para un tornillo hueco. La polea inferior es un disco de 7.0 cm. de diámetro.

23

Peines: Se hace una trenza con alambre delgado de no más de 3 cm. de larga. Esta es sujetada por un tornillo y un buje a la barra aislada, esta barra es de Aluminio de 27 cm. de larga, 2.4 cm. de ancha y 0.4 cm. de espesor, sus bordes están contorneados para evitar cualquier punta y en el centro tiene un agujero de 1.1 cm. de diámetro, en este para dejar aislada eléctricamente la barra del resto de la maquina se ponen unos bujes de plástico que reducen el diámetro a 5/16 pulgadas.

PRÁCTICA No. 2



Se pueden sustituir estos bujes por cualquier otro material dieléctrico, como la cinta de teflón. 



i) Si colocamos próximas las dos esferas terminales terminales de los excitadores, se producirá una chispa continua entre ellas. Registre sus observaciones.

Eje: A excepción de las botellas de Leyden, todo lo demás se soporta en el eje, esté es de acero de 25 cm. de largo en la mitad tenemos un cilindro de 3.0 cm. de largo 0.94 cm. y de ancho, en la mitad de este es un poco más ancho para garantizar que los discos no se frenen entre sí. El resto del eje tiene un roscado de 5/16 pulgadas, con cuatro tuercas para asegurar la máquina,

j) Coloque una cartulina entre las dos esferas condensadoras de la máquina de Wimshurst y hágala funcionar. Registre sus observaciones. k) Colocar una vela encendida muy cerca de cada una de las dos esferas metálicas cuando se tenga una chispa continua. Registre sus observaciones. Indique por medio de la atracción, cuál es el polo negativo y el positivo.

Base: Su superficie es de madera de 45x21 cm., tiene una altura de 24 cm.

l) Aleje lo más posible posible las dos esferillas terminales de los excitadores, estando en comunicación los dos condensadores de la máquina y hágala funcionar, espere un momento y aproxime las dos esferillas excitadoras. Registre sus observaciones. Se puede regular la intensidad de la chispa y su longitud?

Segunda secuencia Una vez analizado el funcionamiento y las partes constitutivas de la máquina de Wimshurst llevar a cabo la siguiente metodología.

m) Coloque esencia de trementina en u n vaso de precipitado y acérquelo a cada una de las terminales de los excitadores de la máquina de Wimshurst en funcionamiento. Registre sus observaciones. En que terminal existe atracción o repulsión eléctrica?

h) Colocar las dos esferas metálicas terminales lo más alejadas posibles y acércalas poco a poco al accionar la máquina. Registre sus observaciones.

24

PRÁCTICA No. 2



Tenemos la presencia de un dieléctrico en el experimento?  En qué zona de las placas ocurre la descarga al acercarlas?  Con la ayuda del soporte coloque entre las placas, una esfera de poliestireno recubierta de aluminio. Registre sus observaciones.  ¿Qué le sucede a la pelota al accionar la máquina?.  Acerque una vela encendida entre las placas de aluminio? Registre sus observaciones? 

n) Moviendo con una una mano la manecilla de la máquina de Wimshurst, mantenga las esferillas excitadoras separadas para que no salte la chispa entre ellas, y acerque los dedos de la otra mano a una de estas esferillas excitadoras. Registre sus observaciones. La longitud de las chispas dependen de la carga de la máquina de Wimshurst. o) Coloque tiras de papel de estaño, pegadas en zig zag sobre una placa de vidrio y con dos caimanes conecte las barras de descarga en sus dos extremos y haga funcionar la máquina. Registre sus observaciones.

q) Mediante un caimán conectar una barra descarga al soporte aislante de una estrella cobre que gira libremente, para transferir potencial eléctrico a la estrella con funcionamiento de la máquina.

p) Mediante dos caimanes conectar las barras de descarga a dos placas de aluminio con soporte aislante, para transferir el potencial eléctrico a las placas con el funcionamiento de de la máquina. 

 

de de el el

¿Observe que le sucede a la estrella de cobre cobre al accionar la máquina? Registre sus observaciones.  Acerque su mano a la estrella. Se afecta su movimiento?  Acerque una vela encendida a la estrella? Registre sus observaciones? 

Al accionar la máquina de Wimshurst aleje y acerque las placas de aluminio. Registre sus observaciones. Se cargaron cargaron las placas de aluminio. Influye la superficie de las placas de aluminio para la observación?

25

PRÁCTICA No. 2



Bibliografía [1] Aparicio Arturo, Coronado Maurilio. “Diseño y construcción de una máquina de Wimshurst para

Cuestionario 5. ¿Es factible observar la repulsión entre cargas del mismo género y atracción de las opuestas con la máquina de Wimshurst? 6. ¿Es posible polarizar los dieléctricos para poder inducir cargas? 7. Con el funcionamiento de la máquina podemos comprobar la existencia de la carga eléctrica?

la

enseñanza

de

la

electrostática”.

Revista

colombiana de Física Vol. 36, Nº 2. 2004. pp. 430. [2] J.R. Reitz, F.J. Milford, Fundamentos de la teoría electromagnética, Fondo Educativo Interamericano, México, 1984. [3] Tilpler, P. A., “ Física Física para la ciencia y la tecnología”, tecnología”, Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.

[4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 1980. [5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España 1992. [6] Tipler, P. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000. [7] http://es.wikipedia.org/wiki/MáquinaWimshurst [8] http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html

Conclusiones Con base en los objetivos planteados en la práctica, argumente el comportamiento de la máquina de Wimshurst.

26





GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

Codificación

CMJJG-003

Autor


Aprobado


Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

13

Ingeniería Mecánica PAPIME PE100614, UNAM.

PRÁCTICA No. 3


PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

Objetivo general

Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas del trabajo colaborativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación, respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico, el aprendizaje y disciplina.  Capacidad de realizar actividades intelectuales de reflexión, análisis y síntesis, que le faciliten la toma de decisiones en situaciones no previstas durante su formación.  Identificar, interpretar y plasmar los resultados obtenidos de los experimentos empleando un lenguaje científico.  Búsqueda efectiva y eficiente de información confiable y pertinente en diversas fuentes. 

Que el alumnado comprenda y argumente el funcionamiento del Generador de Van de Graaff para inducir dipolos en distintos cuerpos y explicar los fenómenos de atracción y repulsión eléctrica al final de la práctica.

Objetivos específicos Explicar el principio Físico de funcionamiento del Generador de Van de Graaff. verificar  Realizar mediciones indirectas de carga y verificar si ciertos cuerpos están cargados.  Comprobar y visualizar los efectos de punta. directas de potencial eléctrico. eléctrico.  Realizar mediciones directas  Aislar un cuerpo de los efectos de un campo eléctrico. 

Criterios de evaluación 

Competencias a desarrollar

 

Diseñar modelos simplificados que describan los fenómenos electrostáticos para comprender su comportamiento.  Construir y desarrollar argumentaciones válidas, identificando hipótesis y conclusiones. 

  

28

Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado. Rúbrica de evaluación.

PRÁCTICA No. 3




Marco teórico


Para poder comprender y argumentar el funcionamiento del Generador de Van de Graaff es necesario definir por su contexto el campo producido por un conductor esférico cargado empleando el teorema de Gauss.

Equipo Requerido Generador de Van de Graaff

Cantidad 1

Material Aguja metálica Vela Llave stillson Bronce. Mechón de pelo Caimanes Flaneras de aluminio Papel higiénico Papel aluminio Cinta adhesiva

Tabla 1.

Cantidad

El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dicha superficie dividido entre e0.

2 2 2

Matemáticamente,

2

Consideremos una esfera hueca de radio R cargada con una carga Q, figura 1. La aplicación del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:

2 4 2 1 1 1

Figura 1.

Material y equipo.

29

Esfera hueca de radio R.

PRÁCTICA No. 3





1. A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico. Como la distribución de carga tiene simetría esférica, por lo tanto, la dirección del campo es radial.

r>R .Si estamos calculando el campo en el exterior de la esfera cargada, la carga que hay en el interior de la superficie esférica de radio r es la carga totalq=Q.

4.-Aplicar el teorema de Gauss y despejar el módulo del campo eléctrico

2. Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo Tomando como superficie cerrada, una esfera de radio r. El campo E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos los puntos de la superficie esférica por lo que,

En la figura 2, se muestra la representación del módulo del campo eléctrico E en función de la distancia radial r.

∫  ∙   = ∫∙∙cos0°= ∫=∙4 



Donde el flujo total es



 · 4  

3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada la esfera de A. r
Figura 2.

30

Módulo del campo eléctrico.

PRÁCTICA No. 3



Potencia del motor que mueve la correa

El campo en el exterior de la esfera conductora cargada con carga Q, tiene la misma expresión que el campo producido por una carga puntual Q situada en su centro.

Supóngase que la diferencia de potencial entre el conductor hueco del generador de Van de Graaff y el punto sobre el cual se esparcen las cargas sobre la correa es V, figura 3. Si la correa proporciona carga positiva a la esfera a razón de i amperes. Determinar la potencia necesaria para mover la polea en contra de las fuerzas eléctrica.

Potencial de la esfera conductora Se denomina potencial a la diferencia de potencial entre un punto P a una distancia r del centro de la esfera y el infinito.

El trabajo que hay que realizar para que una carga dq positiva pase de un lugar en el que el potencial es cero a otro en el que el potencial V es

Como el campo en el interior de le esfera conductora es cero, el potencial es constante en todos sus puntos. El potencial en la superficie de la esfera es el área sombreada (figura de la derecha)

dW=Vdq La potencia

Se denomina capacidad denomina capacidad de la esfera (más adelante definiremos esta magnitud) al cociente entre la carga y su potencial, C=Q/V=4p e0R.

Figura 3.

31

Representación de la diferencia de potencial.

PRÁCTICA No. 3



Para el generador de Van de Graaff de nuestro laboratorio que transporta en la correa una carga máxima 6 mC en cada segundo, desde un potencial 0 a un potencial máximo de 200 kV, la potencia será P=200·103·6·106=1.2 W

Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial es el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es conservativa.

Fuerza electromotriz Debido a que en el Generador de Van de Graaff las cargas positivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el potencial aumenta, y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas. Por ello, a continuación se define que es la fuerza electromotriz.

Campo en el interior de un condensador Un condensador o capacitor es un dispositivo formado por dos conductores (denominados armaduras), generalmente con forma de placas, cilindros o láminas, separados por el vacío o por un material dieléctrico (no conduce la electricidad), que se utiliza para almacenar energía eléctrica.

Se denomina fuerza electromotriz o fem Ve al trabajo por unidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química, magnética, etcétera).

La forma más sencilla de un cond ensador consiste en dos placas metálicas muy cercanas entre sí con cargas q en una y -q en la otra. Este tipo de condensador se denomina plano-paralelo.

32

PRÁCTICA No. 3



El módulo del campo eléctrico creado por cada una de las placas del condensador, como se ha visto en el ejemplo anterior, viene dado por: Los condensadores se utilizan en circuitos electrónicos como dispositivos para almacenar energía. El primer condensador fue fabricado en 1746, y estaba constituido por un recipiente de vidrio recubierto por una lámina metálica por dentro y por fuera. Se conoce comúnmente como botella de Leiden. Leiden.

Las líneas del campo eléctrico creado por la placa cargada positivamente están dirigidas hacia fuera de la misma, lo contrario que ocurre para la placa con carga negativa, figura 4.

Una vez revisado el marco teórico se procederá a la descripción del generador.

Generador de Van de Graaff Figura 4.

Líneas del campo eléctrico.

El generador de Van de Graaff, figura 5, es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca, constituyéndose en un generador de corriente constante. Pudiendo alcanzar hasta diferencias de potencial de 5 mega voltios, con muy diversas aplicaciones que incluyen la producción de rayos

Por lo tanto, en el exterior del condensador el campo es nulo y en el interior su módulo es el doble del campo que crearía una sola de las placas:

33

PRÁCTICA No. 3



X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

Figura 5.

Está constituido por: a) una esfera hueca conductora de 25 cm de diámetro; b) una banda sin fin de goma látex de 4 cm de ancho y 120 cm de largo, que permite el transporte de las cargas, c) un sistema de dos rodillos guías para conducir la banda aislante de goma, los cuales son impulsados por un motor eléctrico cuya velocidad puede variarse a través de un dispositivo reostático; d) un rodillo superior de resina que gira libremente por acción de la cinta; e) un rodillo inferior de resina que es impulsado por la polea motora; f) un elemento de fricción revestido de fieltro que actúa sobre el rodillo inferior; g) dos electrodos tipo cepillo de acero, para transferencia de las cargas; h) Una estructura de material plástico aislante (acrílico), que es el soporte del conjunto. En la figura 6, se muestra el esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

Generador de van de Graaff.

34

PRÁCTICA No. 3



Funcionamiento del generador de Van de Graaff Para comprender su funcionamiento, es necesario explicar cómo adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.

Figura 6.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la polea y la cinta están hechas de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

Esquema del Generador de Van de Graaff.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor

Como se puede observar la rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transportando un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday). Faraday).

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cint a y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera una carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura. Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente

35

PRÁCTICA No. 3



tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica).

conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta. Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo, figura 7.

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea pol ea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco.

Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente. Figura 7.

Proceso de transporte de cargas.

La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que

36

PRÁCTICA No. 3



Procedimiento Experimental


“DISEÑADO

Con base en el objetivo general de la práctica que el alumnado comprenda y argumente el funcionamiento del Generador de Van de Graaff, para inducir dipolos en distintos cuerpos y explicar los fenómenos de atracción y repulsión eléctrica al final de la práctica, se plantea la parte experimental en dos secuencias didácticas.


Primer secuencia Primero se construyó el generador de Van de Graaff utilizando los siguientes materiales, tabla 2, figura 8.

Materiales

Cantidad

Semiesfera hueca de Acero inoxidable Acrílico Tubo de PVC Motor eléctrico Banda de látex Rodillos guías Teflón Barra de polietileno Papel aluminio Malla de aluminio Caimanes Madera

Tabla 2.

2 2 1 1 2 6 1 1 1 2 1 1

Figura 8.

Van de Graaff didáctico.

Características del generador de Van de Graaff:    

Materiales requeridos.

37

Diámetro de la esfera conductora 21 cm. Capacidad 15 pF. Tensión máxima 150-200 kV. Máxima corriente 6 m.

PRÁCTICA No. 3



Una vez construido el generador de Van de Graaff , efectuar la siguiente metodología.

A.

B.

Viento iónico



Pegar con cinta una aguja metálica en la la parte superior de la cúpula con la aguja señalando hacia arriba. Encender el generador y posteriormente acercar una vela encendida. Registre sus observaciones. La llama sufre algún desplazamiento. Este experimento puede provocar la ionización de todo el ambiente. Hacer que un compañero se coloque sobre una superficie aislante y se acerque a la punta de la aguja y que después de un lapso toque a un compañero. Registre sus observaciones. Describa el fenómeno ocurrido. Insertar en la parte superior de la aguja un mechón de pelo, para demostrar el efecto de la carga electrostática sobre filamentos. Registre sus observaciones.

Efecto de carga de pequeños cuerpos y posterior repulsión de los mismos.

1. Colocar un trozo de papel higiénico cortado en flecos pegado con unas cintas adhesivas. Encender el generador. Registre sus observaciones. 2. Colocar pequeños trozos de papel de aluminio sobre la esfera del generador, luego se le da marcha. Registre sus observaciones. Que efecto se produce. 3. Apilar moldes de aluminio en la superficie y encender el generador. Registre sus observaciones. 4. Colocar un mechón de cabello con cinta adhesiva en la parte central. Accionar el generador. Registre lo observado.





38

C.

Descarga de chispas (rayos)



Encender el generador y acercar utilizando una llave stillson un trozo de bronce. Registre lo ocurrido. Puede incrementar la longitud de la chispa con otro material. La humedad del ambiente influye.

PRÁCTICA No. 3



D.



Conecte un caimán caimán al generador generador y coloque la otra punta en un recipiente metálico. Registre sus observaciones.

Conclusiones De acuerdo a los objetivos planteados en la práctica, escriba las conclusiones correspondientes.

Carga de una persona

Subir a una persona delgada, con cabello largo, lacio y limpio sobre poliestireno expandido y hacerla tocar la esfera del Generador de Van de Graaff apagado y descargado y luego lo ponemos en marcha. Registre sus observaciones. Explique el fenómeno ocurrido.

Bibliografía [1] Giancoli,

Douglas, “Física, principios con aplicaciones”, Pearson Educación, 6ª edición,

México, 2006. [2] Tilpler, P. A., “Física para la ciencia y la tecnología”, Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000. [3] Goldemberg, J. Física General y Experimental. Vol II. Edit. Interamericana. México 1972. [4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 1980. [5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España 1992.

Análisis de datos experimentales 

Con base en la experimentación efectuada generar un modelo gráfico que permita explicar los fenómenos ocurridos.

Nota: Evitar recibir descargas extremas.

39

PRÁCTICA No. 3



40






ROTOR

Codificación

CMJJG-004

Autor


Aprobado


Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

9


PRÁCTICA No. 4


PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM ROTOR

Objetivo general Que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento del Rotor, para aprender a identificar las fuerzas que actúan en el sistema.



Capacidad de realizar actividades intelectuales de reflexión, análisis y síntesis, que le faciliten la toma de decisiones en situaciones no previstas durante su formación.



Identificar, interpretar y plasmar los resultados obtenidos de los experimentos empleando un lenguaje científico.



Búsqueda efectiva y eficiente de información confiable y pertinente en diversas fuentes.

Objetivos específicos 

Explicar el principio Físico del funcionamiento del Rotor.



Determinar qué qué tipo de aceleración se presenta.



Determinar el coeficiente de fricción para impedir impedir que caiga el pasajero.



Criterios de evaluación

Indicar si el coeficiente de de fricción depende del peso del pasajero.

    


Construir y desarrollar argumentaciones válidas, identificando hipótesis y conclusiones.



Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas del trabajo colaborativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación, respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico, el aprendizaje y disciplina.

42


PRÁCTICA No. 4




Marco teórico En muchos parques de diversiones encontramos un juego que se llama el rotor. El rotor es un cuarto cilíndrico cilíndrico vacío que se puede poner en rotación alrededor del eje vertical del cilindro. Una persona entra en el rotor, cierra la puerta y se para contra la pared. El rotor aumenta gradualmente su velocidad de rotación a partir del reposo, hasta que, a una velocidad predeterminada, el piso en el que esta la persona se abra hacia abajo dejando ver un pozo profundo, el pasajero no cae sino que queda prendido contra la pared del rotor, figura 1.


Equipo Requerido

Cantidad

Rotor

1

Tabla 1.

Material Sujeto para prueba Aditamentos

Cantidad 1 3

Lona

2

Lana

2

Material y equipo.

Figura 1.

43

Rotor.

PRÁCTICA No. 4




Efectuando el análisis de fuerzas de la figura 2:

Con base en el objetivo general de la práctica que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento del Rotor, para aprender a identificar las fuerzas que actúan en el sistema, se llevarán a cabo las siguientes secuencias.

Se tienen 3 fuerzas descritas, la fuerza

Como la fuerza normal es un vector que recorre toda la circunferencia con una distancia al eje de giro y que no cambia en ningún momento, por lo tanto es una aceleración centrípeta.

⃗

Primer secuencia a) Qué tipo de aceleración se presenta, figura 2.

ó 

Figura 2.

,   .

Representación de las fuerzas que actúan en el rotor

44

PRÁCTICA No. 4



Segunda secuencia

Realizando las sumatorias de fuerzas en los 2 ejes:

∑=−………. ∑=−………. 1 ∑=………. ∑=………. 2

b) Determinar el coeficiente de fricción para impedir que caiga. Como:

Dibujando el diagrama de cuerpo libre, figura 3.

=

y

=,

Igualando a cero la ecuación (1) queda como:

−=0 Se despeja al coeficiente de fricción dinámico

Figura 3.

−+=  =     =  

Diagrama de cuerpo libre.

Despejando a N:

−+=  =     =   ………3 45

PRÁCTICA No. 4



Tercer secuencia

Ya que el pasajero no se mueve verticalmente, y que experimenta en cualquier instante una aceleración radial

 = ⃗,

c) Indique si el coeficiente de fricción depende del peso del pasajero, figura 4.

N se puede escribir como:

   =  ⃗ … … … 4  =   Igualando (3) y (4) ⃗  Despejando el coeficiente de fricción:

 =    ⃗  ⃗ = ⃗⃗   = ⃗  = ⃗     ⃗  =     =  

Figura 4.

Pasajeros suspendidos en el rotor con distinto peso.

En la ecuación obtenida en el inciso anterior, el coeficiente de fricción depende de la gravedad, vector de posición y de la velocidad instantánea, por lo tanto: El coeficiente de fricción No depende del peso del pasajero

46

PRÁCTICA No. 4



Cuarta secuencia A continuación se muestran las vistas isométricas para la implementación de la práctica, figura 5 y 6.


“DISEÑADO


Figura 6.

Figura 5.

Vista Isométrica.

.

47

Vista superior y frontal.

PRÁCTICA No. 4



Desarrollo 8. Conectar el equipo de comprobación “Rotor”, figura 7, al tomacorriente. 9. Introducir al pasajero (muñeco) en el plato central. 10. Encender el equipo para poner en rotación, mediante el motor dc, el primer plato alrededor del eje vertical. 11. Incrementar gradualmente la velocidad de rotación a partir del reposo. 12. Una vez que se tenga la velocidad predeterminada, accionar el segundo plato, por medio del servomotor, para llevar a cabo un desplazamiento de 180° del eje vertical. 13. Anotar las observaciones del experimento. 14. Regresar el segundo plato a su posición original. 15. Disminuir la velocidad de rotación gradualmente. 16. Apagar el equipo. 17. Intercambiar los materiales que utiliza el pasajero, así como los recubrimientos de las paredes del rotor y repetir la secuencia indicada. 18. Verificar que en cada caso el pasajero quede prendido contra la pared del rotor. Figura 7.

48

Rotor Didáctico.

PRÁCTICA No. 4








Con base en la experimentación efectuada comparar las secuencias generadas para su verificación. Analice e Interprete como podemos mediante el modelo utilizado conocer el tipo de aceleración y el coeficiente de fricción. Como dato práctico, el coeficiente de fricción entre el material textil (ropa) y una pared típica de rotor (lona) es de cerca de 0.40.

Bibliografía [1] Resnick, Robert, “Física”, CECSA, 6ª edición, México, 1999. [2] Giancoli, Douglas, “Física, principios con aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición, México, 2006. [3] Burbano S., Burbano E., Gracia C. “Física General”. Editorial Tebar (2004) [4] Tipler P. A. Física. Editorial Reverté (1994). [5] Serway, “Física”, Editorial McGraw-Hill (1992).

Conclusiones Con base en los objetivos planteados en la práctica, escriba las conclusiones correspondientes.

49

PRÁCTICA No. 4



50






FRICCIÓN CINÉTICA

Codificación

CMJJG-005

Autor


Aprobado


Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

9


PRÁCTICA No. 5 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA

PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM FRICCIÓN CINÉTICA

Objetivo general










Que el alumnado comprenda y argumente el coeficiente de fricción cinético.

Objetivos específicos



Establecer la magnitud de la aceleración de un cuerpo que se desplaza de manera rectilínea sobre un plano.



Determinar los coeficientes de fricción entre diferentes parejas de materiales.

Criterios de evaluación     






52





Marco teórico


Cuando un cuerpo está en contacto con una superficie, se presenta una fuerza que actúa sobre él. Esta fuerza recibe el nombre de fuerza de fricción, la cual se define como una fuerza que se opone al deslizamiento de un cuerpo sobre una superficie.

Equipo Cantidad Requerido Base

1

Tabla 1.

Material Cubo con diferentes superficies sobre cada una de las caras Contrapesos Resortes Superficies Intercambiables Cronómetro Dinamómetro

Los factores que originan la fricción son:

Cantidad 1 2 2 5 1



El rozamiento: lo ocasionan las irregularidades de la superficie en contacto.



Cuanto más ásperas sean las superficies, mayor será la fricción.



El peso de los cuerpos en contacto. Si Si el peso es mayor, mayor será la fricción.

Es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó.

Material y equipo.

La fuerza cinética, en cambio, es igual al coeficiente de rozamiento dinámico, denotado por la letra griega , por la normal en todo instante.

53



Esta fuerza se presenta cuando se rompe el estado de reposo y el cuerpo inicia un movimiento. La magnitud de la fuerza de rozamiento cinético disminuye y se define como la fuerza que se opone al movimiento de los cuerpos están en contacto y su magnitud es directamente proporcional a la fuerza normal.

Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:   

El coeficiente de fricción cinética o di námico (µk) se define como El cociente entre la fuerza de fricción cinética o dinámica y la fuerza normal. Su valor depende de la naturaleza de las superficies en contacto.

µk= µk = Fk/N

 

F: la fuerza aplicada. Fr: la fuerza de rozamiento rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento. Fi: fuerza de inercia, que se opone a la aceleración de cuerpo, y que es igual a la masa del cuerpo m por la aceleración que sufre a. P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad. N: la fuerza normal, que la superficie superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo.

Como equilibrio dinámico, se puede establecer que:

…(1)



El coeficiente de fricción cinética o di námica (µk) se define como el coeficiente entre la fuerza de fricción, cinética y dinámica y la fuerza normal. Su valor depende de la fuerza de las superficies en contacto, figura 1.



=  −  = 

Sabiendo que:   

Figura 1.

Fricción cinética.

54

==  −  =   = 

…(2) …(3)



Rozamiento dinámico

la segunda ecuación de equilibrio dinámico será:

 =  +

En el caso de rozamiento dinámico en un plano inclinado, se tiene un cuerpo que se desliza, y siendo que está en movimiento, el coeficiente que interviene es el dinámico, así como una fuerza de inercia Fi, que se opone al movimiento, el equilibrio de fuerzas se da cuando:

es decir, la fuerza resultante F aplicada a un cuerpo es igual a la fuerza de rozamiento Fr más la fuerza de inercia Fi que el cuerpo opone a ser acelerado. De lo que también se puede deducir:

Descomponiendo los vectores en sus componentes normales y tangenciales se tiene:

 

 =   −  = 

Teniendo en cuenta que:   

Con lo que se tiene la aceleración a que sufre el cuerpo, al aplicarle una fuerza F mayor que la fuerza de rozamiento Fr con la superficie sobre la que se apoya.

 =  =  = 

Y como en el caso de equilibrio estático, se tiene:

55



Desarrollo

Con estas ecuaciones se determina las condiciones de equilibrio dinámico del cuerpo con fricción en un plano inclinado. Si el cuerpo se desliza sin aceleración (a velocidad constante) su fuerza de inercia Fi será cero, y se puede ver que:

1. Seleccionar un tipo de cara usando el cubo, después se colocará sobre una superficie en la base. 2. Colocar el contrapeso recomendado (1 kilogramo), figura 2.

Esto es, de forma semejante al caso estático:

Figura 2.

Con lo que se puede decir que el coeficiente de rozamiento dinámico de un cuerpo con la superficie de un plano inclinado, es igual a la tangente del ángulo del plano inclinado con el que el cuerpo se desliza sin aceleración, con velocidad constante, por el plano.

Cara seleccionada .

3. Se soltara el contrapeso y por medio del cronometro se medirá el tiempo en el cual se mueva el cubo además se medirá la distancia que recorre el cubo. 4. Se regresaran los elementos a una posición posición inicial y se repetirá el procedimiento para cada una de las superficies intercambiables de la base, figura 3.

56



Tablas MATERIAL MTS FUERZA K FUERZA NORMAL concreto loseta 9.8 9.8 6.37 vinílica tela 9.8 9.8 6.37 yeso 9.8 9.8 6.37 lija 9.8 9.8 6.37

Figura 3.

Superficie seleccionada .

MATERIAL lija

5. Se girara el cubo recomendado para la práctica realizando las combinaciones posibles entre las caras del cubo y las superficies intercambiables de la base. 6. Llenar las tablas con los datos solicitados, para cada una de las combinaciones, usando las formulas mencionados en la teoría.

loseta vinílica tela yeso lija

MATERIAL vidrio

57

MTS


MTS

FUERZA

FUERZA

NORMAL

9.8

9.8

6.37

9.8 9.8 9.8

9.8 9.8 9.8

6.37 6.37 6.37

FUERZA

K

FUERZA

NORMAL

9.8

K

9.8

6.37

9.8 9.8 9.8

9.8 9.8 9.8

6.37 6.37 6.37

µ

µ

µ


MATERIAL loseta

MATERIAL papel

MTS


MTS

FUERZA

FUERZA

NORMAL

9.8

9.8

6.37

9.8 9.8 9.8

9.8 9.8 9.8

6.37 6.37 6.37

FUERZA

K

K

FUERZA

NORMAL

loseta vinílica tela

9.8

9.8

6.37

9.8

9.8

6.37

yeso

9.8

9.8

6.37

lija

9.8

9.8

6.37


µ

Análisis de datos experimentales Con base en la experimentación efectuada comparar las secuencias generadas para su verificación.  Analice e Interprete como podemos mediante el modelo utilizado aplicar una fuerza normal.  Mediante el modelo podemos visualizar la fuerza de rozamiento.  Con los datos obtenidos se puede calcular el coeficiente de fricción dinámica.  Al realizar los experimentos se puede observar observar la reacción que provoca el resorte respecto a la masa  Existe una variación del recorrido al utilizar diversos materiales.  Influye el tamaño (área de contacto) al realizar los experimentos. 

µ

58



Bibliografía [1] Resnick, Robert, “Física”, CECSA, 6ª edición, México, 1999. [2] Giancoli, Douglas, “Física, principios con aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición, México, 2006. [3] Burbano S., Burbano E., Gracia C. “Física General”. Editorial Tebar (2004) [4] Tipler P. A. Física. Editorial Reverté (1994). [5] Serway, “Física”, Editorial McGraw-Hill (1992).

Conclusiones Con base en los objetivos planteados en la práctica, escriba las conclusiones correspondientes.

59



60



Codificación

FRICCIÓN ESTATICA Y DINAMICA

CMJJG-006

Centro Tecnológico Aragón Autor


Aprobado


Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

21




PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM FRICCIÓN ESTATICA Y DINAMICA

Objetivo general



Que el alumnado comprenda y argumente el coeficiente de fricción estático y dinámico de algunos pares tribológicos.











Determinar el coeficiente de fricción estático entre distintas parejas de materiales.



Establecer el coeficiente de fricción dinámico entre diversas parejas de materiales.

Criterios de evaluación     






62





Marco teórico


Equipo Cantidad Requerido Equipo 1 didáctico

Tabla 1.

Material

Cantidad

Superficies Intercambiables Foamy – hoja de papel – acetato – tela manta – polietileno – lija de grano (50 – 80) – aluminio. Contrapesos

10

Cronómetro

1

La fricción es característica de los sistemas, siendo un fenómeno trascendental, debido a la interacción que existe entre los elementos mecánicos, porque al interactuar reduce la eficacia de las máquinas, provocando cambios dimensionales o daños superficiales que, a su vez, causan problemas secundarios tales como vibración o mal funcionamiento, lo que repercute en mayores consumos de energía y en incrementos del costo de producción.

“La fricción es una fuerza resistente que actúa sobre un

cuerpo, que impide o retarda el deslizamiento del cuerpo respecto a otro cuerpo o superficie cuando están en contacto”. Cabe mencionar que esta fuerza siempre actúa tangencialmente a la superficie en los puntos de contacto con otros cuerpos, y tiene un sentido tal que se opone al movimiento posible, existente del cuerpo respecto a estos puntos.

2

Material y equipo.

63



Fricción Estática

Asimismo, se define como f uerza de rozamiento o fu erza de fricción entre dos superficies en contacto a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de fricción estática). Generándose debido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto.

La fuerza de fricción entre dos cuerpos aparece aun sin que exista movimiento relativo entre ellos. Cuando así sucede la fuerza de fricción estática, que usualmente se denota como  y su magnitud puede tomar valores entre cero y un máximo, el cual está dado por:



 max= 

Es importante destacar que la fricción genera una resistencia al movimiento y aumenta el área real de contacto. A continuación se observa un esquema de cómo se verían al microscopio las grandes deformaciones de l os picos de dos superficies que están en contacto, figura 1.

Figura 1.

…(1)

Dónde:

− F: fuerza de rozamiento estático. − µ: coeficiente de rozamiento estático. − N: fuerza normal. En la figura 2, se aplica una fuerza F que aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como en este caso la aceleración es cero, la fuerza F aplicada es igual y opuesta a la fuerza de fricción estática  , ejercida por la superficie.



Grandes deformaciones de los picos de las dos superficies que están en contacto.

64



Fricción Dinámica

Si un cuerpo desliza con una velocidad constante experimenta una fuerza de rozamiento llamada fuerza de rozamiento dinámico, figura 3.

Si la velocidad con la que se mueve el cuerpo es constante, entonces la fuerza de rozamiento dinámico  es igual y opuesta a la fuerza aplicada . La fuerza de rozamiento dinámico  es proporcional a la fuerza normal .





Figura 2.



Bloque en reposo.

 ,

La máxima fuerza de fricción estática  corresponde corresponde al instante en que el bloque está a punto de deslizar.

Figura 3.

65

Fuerza de rozamiento dinámico.

 


F  = µ N


…2


Dónde:

Con base en el objetivo general de la práctica que el alumnado comprenda y argumente el coeficiente de fricción estático y cinético de algunos pares tribológicos, se consideró la N o r m a ISO 8295, TAPPI T816, la cual nos permitió llevar a cabo las siguientes secuencias.

− F: fuerza de rozamiento dinámico. − µ: coeficiente de rozamiento dinámico. − N: fuerza normal.

Primer secuencia

Con el objeto de comparar las propiedades de fricción de parejas de distintos materiales, en diferentes condiciones de sus superficies de contacto y calcular la fuerza máxima de fricción correspondiente a una presión normal cualquiera, se utiliza una cierta constante experimental a la que se da el nombre de coeficiente de rozamiento o de fricción.

Diseño mecánico del sistema Se hizo una evaluación costo-tiempo para la fabricación del medidor de coeficientes. Esta debía ser lo más económica posible en costo y tiempo, considerando que:

66



El accionamiento será por parte del usuario



El sistema de medición será a partir de sensores infrarrojos



Análisis dinámico En el caso particular de un objeto en reposo sobre un plano inclinado, como se muestra a continuación. De acuerdo al diagrama de fuerzas, sobre este cuerpo actúan tres fuerzas: La normal , el peso y la fuerza de fricción estática  , figura 4.





Dado que el objeto está en reposo, a partir del diagrama de fuerzas se encuentran las ecuaciones:



∑ =  −  −  = 0 ∑ =  − ∑ −  = 0 Si se incrementa el ángulo de inclinación gradualmente, hasta que el valor ángulo al cual el objeto está a punto de iniciar su movimiento, la fuerza de fricción estática alcanza su valor máximo dado por la ecuación.



Figura 4.

Plano inclinado.

Despejando la fricción y la normal, se tiene:

 max=  =cos

Diagrama de cuerpo libre, figura 5.

Sustituyendo en la primera ecuación se obtiene:

 =    Esta ecuación, permite determinar el coeficiente de fricción estática entre dos materiales en contacto. Figura 5.

Cuerpo libre.

67



Con la formula deducida para obtener el coeficiente de fricción, se analiza el sistema en desarrollo, figura 6.

Figura 6.

En la figura 7, se muestran cada una de las partes del sistema de medición, incluyendo la parte del censado que se explicara más adelante.

Sistema propuesto.

Cabe mencionar que el sistema fue adaptado para medir 2 materiales distintos en contacto y que puedan ser intercambiables Figura 7.

68

Sistema de medición.



Tomando como base el siguiente sistema, figura 8.

Figura 8.

Incorporando al sistema las fuerzas actuantes, figura 9.

Contrapesos.

  

Donde  está en contacto con la superficie empotrada y unida a  ,  puede hacer mover a  en dirección de la flecha, se deduce que la fuerza de fricción estática fue superada y que la fuerza de fricción dinámica inició con un valor desconocido .



Figura 9.



Fuerzas actuantes.

Dónde:

F = µN = Fuerza Fuerza de fricci friccion on dinamic dinamicaa P = mg = Peso Peso del del blo bloqu quee 1 P = mg = Peso Peso del del bloq bloque ue 2 F = Fuerz Fuerzaa ejerci ejercitata a = aceleración eración adqu adquiriiridada d=distancia recorrida

Esta fuerza de fricción puede ser conocida y ser encontrado el coeficiente de fricción  para el par de materiales en contacto en  .





69



 −  =  ;  =  El movimiento que se ejerce es uniformemente acelerado, ya que parte desde el reposo.

Entonces

 −  = ………. ………. 3

 = 12 

Sustituyendo (2) en (3)

 −  +   = ……….4

Despejando la aceleración

 = 2 ……….1

 de (4)  +  ……….5  =  − 

Despejando

Aplica segunda ley de Newton al movimiento del bloque 1

 −  =  =  =

;

Sustituyendo (1) en (5)

El sistema de fuerzas quedaría

   −  +      =  

 =  +  ……….2 Aplicando la segunda ley de Newton al bloque 2

70



Con la formula deducida para obtener el coeficiente de fricción dinámico, se aplica el sis tema al aparato, como se muestra, figura10:

Figura 10.

Distancia requerida.

Figura 11.

Sistema de medición .

Como el sistema fue adaptado para medir 2 materiales distintos en contacto y que puedan ser intercambiables.

Cabe destacar, que los dos sistemas ocupan, en esencia, el mismo lugar y por lo tanto son desmontables.

En la figura 11, se muestran cada una de las partes del sistema de medición, incluyendo la parte del censado que se explicara más adelante.

71



Diseño en CAD El software utilizado para el dibujo del prototipo fue Autocad en su versión 2014. A continuación se muestran imágenes del diseño.

Medidor en modo fricción cinética, figura 13

Medidor en modo fricción estática, figura 12

Figura 12.

Frontal e isométrico para prueba estática .

Figura 13.

72

Frontal e isométrico para prueba cinetica.



Diseño en CAM

Cabe destacar que todas las piezas se colocaron en formato de mastercam, para poder convertirlas en lenguaje de control numérico y maquinarlas, figura15.

EL diseño en CAD, Se hizo en lámina para poder manufacturar en CNC, el software que se utilizó es Mastercam X7, a continuación se muestra una imagen de las piezas sin dobles, figura 14.

Figura 15. Figura 14.

Diseño CAM.

73

Trabajo en mastercam, para el proceso de fresado CNC.



Instrumentación Electrónica Para el diseño electrónico del sistema se utilizaron los siguientes componentes electrónicos, tabla 2.

Diseño Electrónico del sistema

Material requerido

Con el fin de disminuir el error de datos por medición, se empleó un circuito electrónico que realice esta función, con la siguiente organización representada en en diagramas a bloques.

Teclado

 Envió a

Sensor de

Muestra

programa en

Salida

de datos

computadora

Cantidad

Sensor QRD1114

2

Microcontrolador PIC16f648a

1

Teclado matricial de 4x3

1

Display de 16x2

1

Servomotor

1

Imagen

en Display

Sensor de Llegada

Tabla 2.

Diagrama 1.

Diagrama de bloques

74

Componentes Electrónicos



Segunda secuencia

A continuación se muestran las vistas para la implementación de la práctica, figura 16 y 17.


“DISEÑADO


Figura 16.

Figura 17.


75




Desarrollo

Una vez diseñado y fabricado el equipo didáctico para la medición de fricción estática y dinámica se llevará a cabo la siguiente metodología. Figura 18.

Muestras elaboradas.

Elaboración de muestras Para la experimentación con el medidor se prepararon las muestras con los siguientes materiales, figura 18.

A continuación se indica el procedimiento para realizar el experimento:

1. Foamy (Etilvinilacetato)

Montaje

2. Hoja de Papel

Como se explicó en la sección de diseño teórico, el aparato se fabricó para medir coeficientes de parejas de materiales que puedan intercambiarse.

3. Acetato 4. Tela Manta 5. Bolsa de plástico (Polietileno) 6. Lija de grano 50

1. Seleccionar el par de materiales a evaluar, o en su caso sería un material evaluado con el aluminio de la cubierta. Para este experimento se utilizará la muestra de hoja de papel con papel.

7. Lija de grano 180 8. Aluminio

76



2. Se ajusta la muestra en parte fija. Es necesario un desarmador plano para apretar los tornillos de las grapas para que la muestra quede inmóvil, figura 19.

4. Se debe tener cuidado en que la muestra no quede floja, ya que afectaría en la medición, figura 21.


5. Se amarra la masa al hilo que conectara con el otro bloque, figura 22.

Ajuste de la muestra.

3. Se efectúa lo mismo con la segunda muestra, sujetándola a la masa, figura 20.


Comprobación de sujeción.

Sujeción del material en la base.

77

Colocación al contrapeso.



6. Se elige el bloque que efectuara efectuara el movimiento, su su elección es por tanteo dependiendo que tan rugoso se sienta el material al tacto. Se tienen 4 masas de 50 g, 1 de 25 g y 1 de 12.5 para poder hacer combinaciones. En este caso se eligió la de 50 g, figura 23.

8. Situar el aparato de medición en la esquina de la mesa de trabajo, ya que el bloque no debe rozar con la pared de la mesa, figura 25.


Posicionamiento.

Selección del contrapeso.

7. Al igual que el otro bloque, se amarra en el otro otro extremo, figura 24.

9. Efectuar las mediciones, se recomiendan realizar 5 mediciones, eliminando la más alta y la más baja para luego promediar las otras 3. 10. Con los datos obtenidos, se concentra todo en una tabla Muestra(s), distancia, peso del bloque 2 y el promedio de los 3 tiempos.

Figura 24.

Amarre en el contrapeso.

11. Estos datos se vacían en la fórmula antes deducida en unidades del Sistema Internacional.

78



A continuación se muestra la tabla donde se resumen los experimentos realizados combinados de forma aleatoria, tabal 3.

    −  +       = 

 =

.   . .(. / ) − . +.    . .  0.150 Kg Kg 9.81 

 =. 12. El resultado para este experimento fue de 0.23 y es adimensional.

Distancia (m)

Lija de grano 50-Aluminio

0.0608

FoamyAluminio

0.098

AluminioAluminio

0.098

AcetatoAcetato

0.098

0.0625

Hoja de papel-Hoja de papel

0.098

0.0375

Lija de grano 280-Hoja de papel

0.0608

0.200

Tabla 3.

Análisis de datos y resultados

79

Peso de



Pareja de materiales



0.1645

0.1

0.05

Tiempo



0.78 0.75 0.71 P=0.746 1.77 1.91 1.75 P=1.81 1.62 1.73 1.78 P=1.71 1.26 1.38 1.23 P=1.29 1.26 1.19 1.20 P=1.21 0.89 0.80 0.76 1.02 P=0.867

 1.05

0.65

0.32

0.399

0.23

1.294

Parámetros obtenidos para su corroboración.





Al final de la práctica, se anexa la memoria de cálculo para los coeficientes de fricción e n cada par de materiales.

Con base en los objetivos planteados en la práctica, escriba las conclusiones correspondientes.

Cuestionario 1. Explique cómo varía el coeficiente de fricción con respecto a la masa de carro. 2. Indique si existe una variación del coeficiente de fricción respecto al tipo de material del carro y de la superficie de la plataforma. 3. Diga 3 posibles fuentes de error al comparar valores teórico-prácticos. 4. En relación con la dirección del movimiento en qué dirección actúa la fuerza de fricción cinética. 5. Matemáticamente que es el coeficiente de fricción

Bibliografía [1] D. Wilson, J., & J. Buffa, A. “Física”, México: Pearson Educación (2003). [2] Resnick, Robert, “Física”, CECSA, 6ª edición, México, 1999. [3] Giancoli, Douglas, “Física, principios con aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición, México (2006). [4] Burbano S., Burbano E., Gracia C. “Física General”. Editorial Tebar (2004) [5] Tipler P. A. Física. Editorial Reverté (1994). [6] Serway, “Física”, Editorial McGraw-Hill (1992).




Con base en la experimentación efectuada comparar las secuencias generadas para su verificación. Analice e Interprete como podemos mediante el modelo utilizado determinar el coeficiente de fricción dinámica.

Conclusiones

80



ANEXO Acetato-Acetato

. .   .    . . . − .+. .+.    .    = =. 0.1509.81

Memoria de cálculos

    −  +       = 

Hoja de papel-Hoja de papel

. .   .    . . . − .+. .+.    .    = =. 0.1509.81

Lija de grano 50-Aluminio

. .   .    . . . − .+. .+.   .    = =. 0.1509.81

Lija de grano 280-Hoja de papel

. − .+. . . .+.   = . 0.1509.81

Foamy-Aluminio

. .   .     . .  . − .+. .+.    .    = =. 0.1509.81 Aluminio-Aluminio

. .   .    . . . − .+. .+.    .    = =. 0.1509.81

81

. .  .  =.



82



RUGOSÍMETRO

Codificación

CMJJG-007

Centro Tecnológico Aragón Autor



Aprobado


Revisado


Fecha Emisión

01/08/2015

Páginas

14


PRÁCTICA No. 7


PROYECTO PAPIME PE100614, UNAM RUGOSÍMETRO

Objetivo general

respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico, el aprendizaje y disciplina.

Comprender el procedimiento para medir la rugosidad de diferentes materiales con distintos acabados superficiales.













Reconocer, los principales instrumentos para medir rugosidad.



Reconocer, el por qué un material se puede desgastar fácilmente debido a la rugosidad.



Realizar mediciones de rugosidad, calculando los principales parámetros, como Ra, Ry en diferentes materiales con distintos acabados superficiales.

Criterios de Evaluación

Competencias a desarrollar: 

Diseñar metodologías para identificar los parámetros, Ra y Ry, sobre diferentes materiales



Construir y desarrollar tablas y gráficas válidas, para cada material evaluado.



Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas del trabajo colaborativo, el saber escuchar y el saber expresarse en un entorno de participación,

84



Trabajo colaborativo.



Registro de observaciones.



Modelos de calidad.



Tablas y graficas de resultados. resultados.



Conclusiones del alumnado.

PRÁCTICA No. 7




Marco teórico

A continuación se enlista el equipo y material requerido para la elaboración y la implementación de la práctica, tabla 1.

Debido a que, un sinnúmero de componentes mecánicos en la industria transfieren carga por medio del contacto a altas velocidades. Con esto se infiere que las características superficiales de los elementos mecánicos son de amplia aplicación e importancia en los problemas de contacto mecánico.

Equipo Requerido

Cantidad

Rugosímetro SRT-5000

Tabla 1.

1

Material

Cantidad

Buril Rectificado

1

Aluminio 6261

1

Acero D2

1

Acero 1010

1

Acrílico

1

Por ello, los estudios de fricción, desgaste de superficies y la topografía superficial juegan un papel muy importante. Ya que el tamaño y la cantidad de las asperezas representan el aspecto externo de una pieza o material, por lo que la rugosidad, que compone las superficies de contacto es un factor importante a considerar. Cabe destacar que las irregularidades en un material se dividen en dos grupos importantes: a) Macro geométricas Son las mayores irregularidades que se encuentran en los procesos de fabricación, siendo los más característicos: 

Material y equipo.

85

Se originan en las imperfecciones de los mecanismos entre las máquinas y las herramientas.

PRÁCTICA No. 7



b.2) Rugosidad:   

Vibraciones del sistema pieza – herramienta. 

Depende el elemento utilizado para el maquinado.



Debido al material usado para el corte.



Por el tratamiento tratamiento de rectificado.

Desgaste de las herramientas. Debido al proceso de fabricación (fundición, forja, laminación).

Cabe mencionar que estos errores se pueden medir con instrumentos convencionales.

Debido a ello la rugosidad se define como el conjunto de irregularidades que posee una superficie, por lo tanto, la mayor o menor rugosidad de una superficie depende del acabado superficial.

b) Micro geométricos Son las irregularidades menores que provocan la ondulación de las piezas durante su fabricación y la rugosidad. Las principales causas de las irregularidades en ambos casos son por:

El método más usado en la industria para cuantificar la rugosidad se basa en el registro de perfiles de alturas mediante un rugosímetro o perfilómetro. El tratamiento estadístico de los datos permite determinar l os principales parámetros para la rugosidad que se mencionan a continuación.

b.1) Ondulación: 

Flexión de la pieza durante el maquinado.



Falta de la homogeneidad del material.



Deformaciones por tratamiento térmico.

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PRÁCTICA No. 7


Primero definiremos los característicos de la rugosidad.

conceptos


básicos,

A

→l

Longitud básica : Es la longitud, de la línea de referencia utilizada para separar las irregularidades que forman la rugosidad superficial, figura 1. 

→ln

Longitud de evaluación : Es la longitud, utilizada para determinar los valores de los parámetros de rugosidad superficial, figura 1. 

Figura 1 Indicadores sobre la longitud.

Línea media aritmética: Línea media de de mínimos mínimos cuadrados Es la línea de referencia, cuya forma es la del perfil geométrico. Divide el perfil de modo que, en el interior de la longitud básica, la suma de los cuadrados de las desviaciones sea mínima, figura 1 

Esta referencia, es utilizada por la mayoría de las normas, utilizan el concepto de línea med ia, y a partir de esta línea es que se mide la rugosidad (Jiménez. J., 2013). Esta es la línea paralela a la dirección general del perfil, de forma que la suma de las áreas superiores, comprendidas entre la línea media y la línea del perfil, son iguales a la suma de las áreas inferiores, figura 2.

87

B

PRÁCTICA No. 7



Rugosidad Total o Máxima

→ 

Es igual a la distancia entre el pico más alto y el valle más profundo, figura 3. Rugosidad Media

→ 

Es el promedio de la rugosidad máxima de cinco tramos de medición consecutivos, figura 3. Figura 2 Línea media aritmética.

Rt

También mencionaremos los datos más característicos de la rugosidad Desviación media del perfil

→ :

Es la media aritmética de la suma de los valores absolutos de las áreas encerradas entre el perfil de rugosidad y la línea media, y se divide entre la longitud de medición, (Jiménez. J., 2013), figura 3.

Ra

Rz Figura 3 Ra, Rz y Rt.

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PRÁCTICA No. 7



También la calidad superficial, hace referencia al grado de rugosidad de una superficie. Las superficies obtenidas según los procesos de fabricación, se caracterizan porque la forma de la rugosidad abarca los siguientes aspectos. - Se percibe que las estrías de la superficie tienen una direccionalidad según haya sido el proceso de fabricación o tratamiento. - El perfil real es el obtenido al cortar la superficie por un plano perpendicular a dicha superficie. - Perfil de ondulación W. En forma de onda, debido a desajustes y vibraciones de las máquinas. - Perfil de rugosidad R. Que es más sinuoso, sobre la forma ondulada, debido básicamente a las herramientas de corte.

Figura 4.

Norma DIN 140.

Es importante destacar que existen instrumentos de medida diseñados específicamente para calcular y medir la rugosidad en concordancia con los conceptos mencionados, como es el rugosímetro SRT-5000, el cual se describirá a continuación.

Para ello, existe una tabla bajo la noma DIN 140 que permite clasificar, la clase de rugosidad con respecto a su aplicación, figura 4.

89

PRÁCTICA No. 7



Rugosímetro SRT-5000

La aplicación y la selección de este equipo se realizaron, debido a la cantidad de características que contiene y su fácil aplicación, que se muestran en la figura 6.

Es un instrumento con exterior de resistente aluminio moldeado con una significativa resistencia a la interferencia del electromagnetismo, figura 5. El probador es ampliamente utilizado en la medición de la rugosidad de la superficie de diversos metales y no metales. Su estructura integrada de sensor, diseño portátil y cuerpo principal lo hacen adecuado para ser utilizado en plantas de producción. Utiliza procesadores DSP de alta velocidad para el proceso y cálculo de datos, que le permite incrementar con eficacia la velocidad de mediciones y cálculos. Su pantalla de LCD adopta el popular formato OLED de alto brillo, no requiere perspectiva y alta temperatura. Es conveniente para varias aplicaciones.

Figura 6.

Figura 5.

Rugosímetro Srt-5000.

90

Características rugosímetro SRT-5000.

PRÁCTICA No. 7



Procedimiento Experimental Con base en el objetivo general de la práctica, que el alumnado comprenda y argumente el comportamiento del rugosímetro, rugosímetro, para medir la rugosidad de diferentes materiales con distintos acabados superficiales superficiales.. Se plantea para la parte experimental la medición de los datos (Ra y Ry), con el rugosímetro en los materiales propuestos, con la finalidad de obtener un gráfico característico del acabado superficial de cada una de las probetas.

Figura 7.

Tipos de Buril.

2) Aluminio 6261.

Por lo cual es necesario definir las caracte rísticas de cada una de las probetas, que se van a analizar.

El aluminio es un metal plateado plat eado con una densidad de 2.70 g/cm3 a 20ºC (1.56 oz/in3 a 68ºF).

1) Buril.

El aluminio cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras. El aluminio se conoce por su alta conductividad eléctrica y térmica, lo mismo que por su gran reflectividad, figura 8.

Son las herramientas o cuchillas de acero rápido (HSS) o insertos de tungsteno (wolframio) que cortan, desbastan el material en forma de viruta metálica desprendida del material en bruto. Es una herramienta manual de corte o cuchilla formada por una barra prismática con geometría volumétrica (paralelepípedo base cuadrada, base rectangular o cilindro) de acero templado, templado, y afilada en el esmeril en uno de sus extremos o punta que se utiliza fundamentalmente para, cortar, marcar o desbastar material, figura 7.

Figura 8.

91

Aluminio .

PRÁCTICA No. 7



3) Acero D2 4) Acero 1010. Es un Acero especial de alta aleación de Cromo con adición de Molibdeno y Tungsteno, de máxima resis tencia a la deformación y buena resistencia al desgaste bajo mayores exigencias de tenacidad y resistencia a la compresión. Temple al aire o al aceite.

El Acero 1010 es muy tenaz, para piezas de pequeño tamaño y forma sencilla, en las cuales no sean necesarios altos valores de resistencia mecánica (bujes, pasadores, etc.). Se usa con temple directo en agua. En estado normalizado o como laminado sirve para piezas embutidas o estampadas en frío, figura 10.

Se aplica en Troqueles de alto rendimiento usados en industrias que utilizan Chapas finas y Flejes de hierro o acero en espesores de hasta 1.57 mm; para herramientas de gran rendimiento en Laminados de rosca, Matrices para la fabricación de Tuercas en frío, Brochas y Matrices para Sierras alternativas y circulares, Cuchillas de cizallas para chapas finas, Herramientas de embutidos, Mordazas, Estampas para la fabricación de Clavos, Puntas y Tachuelas y para todas las Herramientas de corte, figura 9.


Acero D2.

92

Acero 1010.

PRÁCTICA No. 7



5) Acrílico.

Desarrollo

Es una clase de polímero, llamado acrílico, muy usado en las construcciones, por dejar pasar la luz, ser más liviano y menos peligroso que el vidrio, reciclable, y muy resistente a la acción del sol. Se usa también para embazar productos alimenticios pues ayuda a conservarlos, en los faros de los automóviles, mamparas, en óptica y en odontología, donde se usa el acrílico desde 1937 para hacer prótesis removibles, suplantando al caucho vulcanizado, figura 11.

1. Con el rugosímetro SRT-5000 ya mencionado anteriormente se realizarán para cada probeta 5 mediciones diferentes, en µm de Ra y Rt, con una longitud de muestreo de .80 mm.

Figura 10.

2. Se procede a: 

Calibrar el rugosímetro como lo indica manual de usuario.



Configurar el rugosímetro con la longitud de muestreo deseada.



Limpiar y colocar sobre un base base apropiada, cada una de las probetas.

3. Se coloca sobre la pieza el sensor (palpador tipo aguja) con el cual se mide los valores de rugosidad.

Hojas de Acrílico .

4. Se mide la rugosidad del material utilizando los parámetros de Ra y Rt. 5. Se realizan al menos 5 mediciones diferentes a cada probeta repitiendo los paso mencionados para cada prueba.

93

PRÁCTICA No. 7



6. Cada uno de los datos obtenidos se presentaran por medio de las siguientes tablas. Los datos obtenidos para cada probeta son:

1

Probeta 1 (Buril) 2 3 4

5

Ra Rt

Probeta 4 (Acero 1010) 1

2

3

4

5

Ra Probeta 2 (Aluminio 6261) 1

2

3

4

Rt 5

Ra Rt Probeta 5 (Acrílico) 1

Probeta 3 (Acero D2) 1

2

3

4

Ra Rt

5

Ra Rt

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2

3

4

5

PRÁCTICA No. 7



Análisis de datos experimentales Cuestionario Con base en los Datos obtenidos calcular:

   

8. ¿Con base en los gráficos obtenidos que acabado superficial es el mejor?

La gráfica de los los valores Ra y Ry para cada probeta analizada con respecto al número de mediciones. La media de Ra y Ry La deviación con respeto a la media La grafica de la desviación con respecto respecto a la media, sobre el número de muestras.

9. ¿Bajo qué otras normas se clasifican los acabados superficiales de los diferentes materiales?

→ 

10. Indica las ventajas respecto a la Norma DIN? 11. Investiga qué otros tipos de rugosímetro existen y cuáles son sus principales características

Finalmente identificar la relación que existe entre los valores obtenidos respecto a la Norma DIN y su estado superficial correspondiente.

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PRÁCTICA No. 7



Bibliografía [1] Jiménez, J., (2013). “Rugosidad”. Tribología. Facultad de Estudios Superiores Aragón. UNAM. [2] Rodríguez, O., (2000). ”Máquinas, Métodos y Control Dimensional del Procesamiento”. Obtenida el 30 de Noviembre de 2014, de http://mmcdp.webcindario.com/capitulos/08rugosidad.pdf. [3] http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/disenomecanico-1/material_clase/ocw_rugosidades [4] http://www.monografias.com/trabajos70/acabadossuperficiales-normas-simbologia/acabadossuperficiales-normassimbologia2.shtml#ixzz3jnRwGElE [5] http://tallermecanicaiti.blogspot.mx/2013/02/buriles fundamentacion-teorica-y-afilado.html [6] http://www.acerosymetalescuautitlan.com.mx/catal ogo/grado-herramienta/104-acero-paraherramienta-d2-.html [7] http://www.acerospramsi.com/aceroscomerciales.html [8] http://deconceptos.com/ciencias-naturales/acrilico [9] http://www.definicionabc.com/tecnologia/normasdin.php

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Prácticas de tribología

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