Laboratorio de Física Universidad de las Américas Puebla Puebla
Reporte
Coef Coef i cie ci en tes tes de f r i cc ccii ón Roxana Herrán Cuspinera, Itzel Hernández
143678, 143684 Laboratorio de Mecánica Experimental email: {
[email protected],
[email protected]} do s superficies diferentes a partir del análisis de Resumen: Se busca calcular el coeficiente de fricción de dos fuerzas de un objeto que se desliza por un riel con aceleración constante. Se varía el área de las superficies y la fuerza que se le aplica al objeto que se desliza por el riel de aluminio. Palabras clave: Coeficiente de fricción, carrito, fricción, fuerza, aceleración, velocidad, masa, polea.
1. Objetivo
El objetivo del experimento fue la determinación del coeficiente de fricción cinética entre dos superficies. Para ello se utilizó un dispositivo que constaba de un riel de aluminio, sobre el cual se hizo deslizar un bloque de dos superficies diferentes (fieltro y madera) y de dos áreas diferentes. A partir de las relaciones de las ecuaciones de Newton y los datos obtenidos empíricamente, por medio de un sensor de movimiento y de DataStudio, se pudo establecer el coeficiente de fricción cinética para cada par de superficies (madera / aluminio y fieltro / aluminio).
no se desliza. Al aumentar la fuerza que se le aplica, la fuerza de fricción estática va aumentando en forma continua, hasta alcanzar su máximo. A partir de ahí, las superficies deslizan una respecto de la otra y la fuerza de fricción (en este caso cinética), baja a un valor constante. En este experimento se estudió la fuerza de fricción cinética. Para ello se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos de la misma:
2. Fundamento teórico
La fuerza de fricción se origina cuando entran en contacto dos cuerpos, dado que a escala microscópica, las superficies de los cuerpos no son perfectamente lisas, sino que presentan irregularidades. Éstas son las que producen la fricción entre los cuerpos. Se define fuerza de fricción estática a la fuerza que actúa entre dos superficies de contacto cuando la velocidad relativa entre ambas es nula. La fuerza de fricción cinética es la fuerza que actúa entre dos superficies, cuando hay desplazamiento entre éstas. Si se le aplica una fuerza mínima a un cuerpo en reposo sobre una superficie con rozamiento, se observa que éste
La fuerza de fricción se opone al movimiento que realiza un cuerpo sobre un plano. Una vez empezado el movimiento, la fuerza es independiente de la velocidad del cuerpo. Es proporcional a la fuerza Normal y la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción cinético:
(1) Donde Fr es la fuerza de fricción, N es la fuerza Normal y µ es el coeficiente de fricción cinético. A partir de un análisis de fuerzas determinamos que el coeficiente de fricción es igual a : (2)
µk =
-m2a+m2g-m1a m1g
Practica No 1
Tiempo de reacción
Roxana Herrán Cuspinera, Itzel Hernández Armenta
Donde: m1=masa del objeto, m2= masa para acelerar el objeto, a = aceleración, g = gravedad.
Masas (41.3 ± 0.01) gramos, (13.7 ± 0.01) gramos y (49.6 ± 0.01) gramos Burbuja
4. Datos experimentales 3. Procedimiento experimental
Las tablas que se muestran a continuación fueron obtenidas con DataStudio y reflejan las aceleraciones de los objetos. La variable “a” (ax 2 + bx + c de la función de la posición con respecto al tiempo de cada una de las superficies fue multiplicada por 2 para obtener las aceleraciones.
Para realizar este experimento se utilizó un dispositivo formado por un riel de aluminio fijo sobre una mesa, el cual tenia montada a uno de sus extremos, una polea de baja fricción. Sobre el riel se colocó un bloque de madera de masa (200 ± 0.01)gramos, que tenía puesto a su parte de atrás un sensor de movimiento, previamente calibrado. El bloque estaba unido por un hilo inextensible y de masa despreciable (que pasaba por la polea, a una pesa de masa variable suspendida a una altura h del piso, como se muestra en la Figura 1.
Fieltro (grande) Masa 1 Masa 2 Masa 3
Figura 1. Esquema del dispositivo: A,Sensor de
movimiento; M, bloque; T, hilo; H, altura; C, contrapeso; R, riel; P, Polea ; B, base.
3.1. Equipos, instrumentos y materiales
1.408
0.1368
0.592
1.45
0.1448
0.59
1.474
0.143
0.582
1.48
0.1286
0.606
1.48
0.155
0.608
1.452
0.1554
0.592
1.462
0.1628
0.57
1.48
0.1706
0.542
1.388
0.1668
0.538
1.486
0.1556
0.556
1.32
0.1664
0.6
1.366
0.1636
0.604
1.482
0.1508
0.608
1.488
0.1682
0.626
1.474
Fieltro (chico) Masa 1 Masa 2 Masa 3
El sensor de movimiento estaba conectado a la Interfaz de adquisición de datos y a DataStudio. Se repitió el procedimiento con contrapesos de (41.3 ± 0.01) gramos, (13.7 ± 0.01) gramos y (49.6 ± 0.01) gramos, respectivamente.
0.57
Tabla 1. Aceleración del fieltro grande.
Se trabó el dispositivo de modo tal que, en el instante inicial, el sistema se hallara en reposo. En un momento dado, se destrabó el dispositivo dejando que el contrapeso (pesa unido por medio del hilo, al bloque de madera) cayera libremente de forma tal que éste comenzara a deslizar. Se realizaron 15 series de mediciones.
0.1338
Riel de aluminio Bloque con superficie de madera/fieltro Hilo Sensor de Movimiento (±0.01cm) DataStudio Báscula (±0.01gr)
0.1508
0.616
1.484
0.1764
0.65
1.452
0.1798
0.62
1.47
0.1852
0.642
1.476
0.1838
0.636
1.476
0.1984
0.61
1.466
0.1826
0.628
1.494
0.1946
0.656
1.534
0.1964
0.63
1.434
0.1974
0.676
1.448
0.1906
0.656
1.482
0.1972
0.664
1.482
0.1938
0.662
1.478
0.1898
0.66
1.468
0.218
0.65
1.458
Tabla 2. Coeficiente “a” de la función de p osición con
respecto al tiempo del fieltro chico.
2
Madera (grande) Masa 1 Masa 2 Masa 3
Masa 3
1.446
1.473
1.1506
1.2844
0.0669
0.0669
0.704
0.0684
0.0684
0.725
0.0724
0.0724
0.737
0.0715
0.0715
0.74
0.0643
0.0643
0.74
0.0775
0.0775
0.726
0.0777
0.0777
0.731
0.0814
0.0814
0.74
0.0853
0.0853
0.694
0.0834
0.0834
0.743
0.0778
0.0778
0.66
0.0832
0.0832
0.683
0.0818
0.0818
0.741
Tabla 6. Coeficientes de fricción de cada
0.0754
0.0754
0.744
superficie. Promedio de las tres masas.
0.0841
0.0841
0.737
Tabla 5. Promedio aceleraciones en m/s
2
.
Para terminar, calculamos con ayuda de la ecuación (2) los coeficientes de fricción de cada una de las masas y para cada superficie. Coeficiente
Superficie
0.130185178 0.127246458 0.152460232 0.143842358
Fieltro grande Fieltro chico Madera grande Madera chica
6. Observaciones
Tabla 3. Coeficiente “a” de la función de pos ición con
respecto al tiempo de la madera grande.
Las precauciones que se tomaron para garantizar un buen desarrollo experimental, fueron tres principalmente. Por una parte se procuró que el bloque se mantuviera acelerado durante la duración del experimento, es decir, que las mediciones fueran tomadas mientras el contrapeso estaba cayendo. Por otro lado se tuvo especial cuidado en la nivelación del riel, para que no existiera ninguna inclinación del mismo que afectara las mediciones.
Madera (chico) Masa 1 Masa 2 Masa 3 0.0669
0.0669
0.704
0.0684
0.0684
0.725
0.0724
0.0724
0.737
0.0715
0.0715
0.74
0.0643
0.0643
0.74
0.0775
0.0775
0.726
0.0777
0.0777
0.731
0.0814
0.0814
0.74
0.0853
0.0853
0.694
0.0834
0.0834
0.743
0.0778
0.0778
0.66
0.0832
0.0832
0.683
0.0818
0.0818
0.741
0.0754
0.0754
0.744
0.0841
0.0841
0.737
Por último, como se sabe que las superficies de apoyo de cualquier cuerpo no son perfectamente lisas, en particular las del riel y el bloque de este experimento, se consideró que para cada serie de mediciones, el bloque se hallara en la misma posición y se lo soltara en la misma dirección para cada una, y así evitar que las irregularidades actuantes variasen en cada tirada. 7. Conclusiones
Tabla 4. Coeficiente “a” de la función de pos ición con
Al analizar los resultados observamos que el área es un factor importante en la fuerza fricción que ejerce un objeto. Aunque el material sea el mismo al aumentar el área de contacto la fuerza de fricción aumenta.
respecto al tiempo de la madera chica. 5. Análisis de datos y/o modelos físicos
Obtuvimos un promedio de las aceleraciones para cada una de las masas y cada superficie. Fieltro grande
Fieltro chico
Madera grande
Madera chica
Masa1
0.154
0.188
0.0185
0.0729
Masa 2
0.585
0.643
0.4155
0.4208
A partir de estos valores se concluye que los coeficientes de fricción cinética dependen de la naturaleza de las superficies que interactúan y no de las masas que aceleran los cuerpos.
3
Roxana Herrán Cuspinera, Itzel Hernández Armenta
8. Bibliografía
1 – Física General, F. W. Sears y M. W. Zemansky. Aguilar, 1960 2 – Experimentación, D. C. Baird. Prentice Hall, Mexico, 1991 3 – Mecánica Elemental, J. G. Roederer. Eudeba, Buenos Aires, 1963 Evaluación: Aspect o
Observaciones
Calif
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