INTRODUCCIÓN: En el laboratorio N° 6 de física, donde donde comprobaremos comprobaremos y determinaremos el rozamiento. “Fricción en sólidos” sólidos”. Por ello, en el siguiente experimento se realizarán distintas experiencias con diferentes capas de rugosidad del cuerpo y obteniendo así diferentes coeficientes de rozamiento, con la cual al concluir determinaremos si Us > Uk. A continuación, trataremos con más detalle este interesante tema y así poder poder comprender mejor las variables que lo definen definen con ayuda de los montajes y los diagramas de cuerpo libre realizado sobre estos.
OBJETIVOS:
Determinar experimentalmente experimentalmente la relación que existe entre la fuerza de rozamiento y la fuerza normal. Demostrar experimental que el coeficiente de rozamiento estático es mayor que el coeficiente de rozamiento cinético. Calcular el coeficiente de rozamiento estático mediante el ángulo crítico.
FUNDAMENTO TEÓRICO Fuerza de fricción o rozamiento Siempre que un cuerpo se mueve estando en contacto con otro objeto, existen fuerzas de fricción que se oponen al movimiento relativo. Estas fuerzas se debe a que una superficie se adhiere contra la otra y a que encajan entre sí las irregularidades de las superficies de rozamiento (Tippens,2011,p.79).
Fuerza de rozamiento Estático El rozamiento estático es la fuerza de rozamiento que actúa cuando aún no hay deslizamiento entre las dos superficies en contacto; es la fuerza que evita que el bloque se deslice. La fuerza de rozamiento estático, que se opone a la fuerza aplicada sobre el bloque, puede variar desde cero hasta cierto valor máximo (...) dependiendo de la fuerza ejercida. (...) Los experimentos muestran que la fuerza estático máximo es proporcional a la fuerza normal ejercida por una superficie sobre otra (Tipler y Mosca,2010,p.129).
= ×
Dónde: : Fuerza estático máximo : Fuerza normal : Coeficiente de rozamiento estático
Fuerza de rozamiento Cinético El tipo de fricción que actúa cuando un cuerpo se desliza sobre una superficie es la fuerza de fricción cinética (...) La magnitud de esta fuerza suele aumentar al aumentar la fuerza normal. En muchos casos, la magnitud de la fuerza de fricción cinética experimentalmente es aproximadamente proporcional a la magnitud de la fuerza normal. = ×
Dónde: : Fuerza cinético : Fuerza normal : Coeficiente de rozamiento cinético:
Los verdaderos valores de y , dependen de la naturaleza de las dos superficies en contacto.
MATERIALES Y EQUIPOS DE TRABAJO Computadora personal con programa Data Studio instalado sensor de fuerza Cuerpo a estudiar Plano inclinado transportador Lijas de diferentes calibres Cuerda Regla
PROCEDIMIENTO 1. Encendemos la PC e instalamos el sensor de fuerza al interface USB link. 2. Abrimos en software DATA STUDIO y lo configuramos para obtener las gráficas correctas. Donde la coordenada en el eje Y (fuerza – tiro positivo) y en el eje X (tiempo). 3. Luego preparamos el montaje. Caso 1 Determinar el coeficiente de rozamiento estático y cinético de cada cara del cuerpo. Antes de empezar las mediciones con la computadora se toma las medidas del cuerpo como su masa. En primer lugar, se tira de la cuerda con la superficie rugosa (lima) contra la mesa. En segundo lugar, y una vez que la gráfica este arrojada se selecciona una parte de ella donde se note la fuerza máxima, media y mínima. En tercer lugar, se selecciona en el panel de selección punto máximo y punto medio. Por último, una vez obtenido los datos de la gráfica se procede a hallar el coeficiente de rozamiento estático y coeficiente rozamiento cinético. De la misma forma se realiza con las tres caras faltantes del cuerpo. Resultados obtenidos: 1). =
Normal
=
Masa Pto. máx.
=×
Cara 1
Cara 2
Cara 3
Cara 4
1,00
1,10
1,10
1,00
0,69 N
0,07 Kg
Pto. med.
0,5
0,4
0,6
0,3
s
1,44
1,59
1,59
1,44
k
0,72
0,57
0,86
0,43
leyenda
Gráfico de la fuerza de rozamiento estático máximo.
Caso 2 Determinar el coeficiente de rozamiento estático y cinético de cada cara del cuerpo con diferentes masas cada una de ellas. Antes de comenzar con las mediciones con la computadora se toma la masa correspondiente del cuerpo que se va a agregar y a este se le suma la masa del cuerpo que contiene las lijas. Luego se tira de la cuerda el cuerpo con la masa agregado contra la mesa. Posteriormente y una vez mostrada la gráfica de fuerza vs tiempo, se selecciona una parte de ella donde este la fuerza máxima, media y mínima. Siguiendo con la prueba se escoge en el panel de selección con el fin de que arroje el punto máximo y punto medio.
Y para finalizar con una de las caras se procede a encontrar el coeficiente de rozamiento estático y el coeficiente de rozamiento cinético. De la misma forma se realiza con el resto de caras a diferentes masas faltantes.
2). =
=
=×
Cara 1
Cara 2
Cara 3
Cara 4
Masa
0,27 Kg
0,17 Kg
0,37 Kg
0,47 Kg
Normal
2,64 N
1,66 N
3,61 N
4,6 N
Pto. máx.
3,1
2,2
3,8
3,7
Pto. med.
1,8
1,2
2,4
2,5
s
1,17
1,32
1,05
0,8
k
0,68
0,72
0,66
0,54
Caso 3 Determinar el coeficiente de rozamiento estático de cada cara del cuerpo según el ángulo de inclinación. En primer lugar se coloca el plano inclinado sobre la mesa. En segundo lugar se coloca la cara del cuerpo sobre el plano inclinado. En tercer lugar uno va levantando ligeramente el plano inclinado hasta lograr que el cuerpo se deslice a través de ella. Mientras tanto cuando se logra que el objeto se deslice el otro integrante toma el ángulo correspondiente para que suceda dicho deslizamiento. Una vez encontrado el ángulo se procede a encontrar el coeficiente de rozamiento estático. De la misma forma se realiza con el resto de caras faltantes.
3).
Cara 1
Cara 2
Cara 3
Cara 4
α
25 °
34 °
37 °
30 °
s
0,46
0,67
0,75
0,57
Tg (α) = pendiente = s
() =
= × × = × =
=
=
CUESTIONARIO: Según el pro ceso determin ación de án g u lo c rític o res p o nd a:
s mediante la determin ación del
1) Haga el D.C.L. para el montaje. ¿Cuál es el valor teórico de la aceleración en cada caso? ¿Por qué?
mgsenθ
θ
mgcosθ
Ø mg
Se tomó a g sen(θ) como valor teórico de la aceleración para cada caso, porque esta se comporta de una manera distinta respecto al ángulo. 2) ¿Existe alguna evidencia de error experimental? Sugiera las posibles causas.
Si existe ya que el coeficiente de rozamiento depende mucho de la superficie donde se lleve a cabo el trabajo, es decir a más lisa existirá un menor error porcentual. Por ejemplo la rugosidad de la mesa que fue en el primer experimento no es la misma rugosidad que la del plano inclinado del tercer experimento, es decir para que exista meno error tanto el plano inclinado como la mesa deberían ser del mismo material. 3) Si varia las cara del bloque en contacto ¿Varía el coeficiente fricción? Si varia porque cada cara del bloque presenta una diferente rugosidad (más gruesa o con mayor número de dientes), respecto a la del plano inclinado, por lo tanto el coeficiente de fricción también varía respecto a este (rugosidad del material).
Según el proceso determinación de s y responda:
k co n el sensor de fuerza
1. ¿El coeficiente de rozamiento estático es siempre mayor que el cinético? ¿por qué? En nuestro experimento ocurre en todos los casos, y cuando el valor de la fricción estática es máximo, la fricción cinética es menor; ya que la fuerza ejercida sobre un cuerpo en estado de reposo es mayor que la que se aplica sobre el mismo en movimiento.
2. Puedes pensar algunas situaciones en donde la existencia del rozamiento es beneficiosa e incluso necesaria. Hay un sinnúmero de razones por las cuales este fenómeno físico es importante, como por ejemplo: Si no hubiera rozamiento una maquina no podría detenerse, de la misma manera que si no hubiera rozamiento incluso no podríamos ni escribir, otra aplicación se da en las fajas transportadoras de minerales o de los supermercados, si no hubiera rozamiento nuestra vida sería un constante peligro, por ejemplo para las máquinas excavadoras no habría una superficie segura donde asentar su apoyos, etc. 3. Teniendo en cuenta la fuerza de rozamiento ¿es mejor jalar o empujar un cuerpo? Justifique su respuesta.
Es mejor jalar el objeto ya que de esa forma se generan diversos pulsos, por lo tanto nos da una mejor gráfica, estableciéndose claramente el valor de la fuerza de rozamiento estática y el valor de la fuerza de rozamiento cinética
Según el proc eso determ inación de s y k y la masa del móvil responda: 1. ¿Existe dependencia entre la masa del cuerpo y su coeficiente de rozamiento? Justifique su respuesta. Según este procedimiento, el coeficiente de rozamiento no depende de la masa, longitud del objeto o recorrido; no obstante, sí depende de la rugosidad tanto de la superficie como del mismo.
EVALUACIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS Para el primer caso, el error que intervino en los valores experimentales fue la cuerda, ya que no fue jalada paralelamente con la mesa. Sin embargo, ese problema pudimos superarlo lo cual se puede demostrar con los valores de coeficiente de rozamiento estático y cinético calculados 1,44 y 0,72.
En un principio para el desarrollo del tercer caso, no hubo precisión en la medida del ángulo, es por eso que los valores experimentales estaban variando demasiado. Para una mejor visualización o una mayor eficiencia en los datos obtenidos la superficie para todos los experimentos debe de ser la misma ya que el coeficiente de rozamiento depende de la rugosidad del medio y del bloque.
CONCLUSIONES
Se verificó tanto experimental como teóricamente que la relación que existe entre la fuerza de rozamiento y la fuerza normal es directamente proporcional, tanto para la fuerza de fricción estática como para la cinética, de acuerdo a las tres experiencias realizadas. Se comprobó experimentalmente que el coeficiente de rozamiento estático máximo es mayor que el coeficiente de rozamiento cinético y que esta depende de que la fuerza de rozamiento estática máxima sea mayor a la cinética, de acuerdo al primer montaje. Se logró demostrar que el coeficiente de rozamiento estático el cual equivale a la tangente del ángulo crítico, lo cual fue hallado mediante un diagrama de cuerpo libre sobre el tercer montaje realizado en el laboratorio.
BIBLIOGRAFÍA
Tippen .P. (2011). Física conceptos y aplicaciones. Séptima Edición. México: Mc Graw Hill. Tipler P. y Mosca G. (2010).Física para la ciencia y la tecnología. Capítulo 5. Sexta edición. Barcelona: Reverte.
