Potencia: (del latín potentia, capacidad o poder, que traduce el término griego d namis)

REPÚBLICA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA

NÚCLEO ARAGUA – SEDE MARACAY DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS BASICOS

CATEDRA DE FÍSICA

GUÍA PRACTICA DE FÍSICA I

PRÁCTICA No. 5: TRABAJO Y POTENCIA MECANICA.

CHOQUES Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO

OBJETIVOS GENERALES:

Aplicar los conceptos de conservación de la energía para el análisis de la potencia de maquinas simples y la transferencia de energía mecánica.

Demostrar experimentalmente los efectos de los diversos tipos de choques existentes

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

1. Analizar la ventaja mecánica de la polea. 2. Analizar la ventaja mecánica de la palanca.

3. Analizar la transferencia de energía mecánica en un objeto.

Materiales utilizados:

Palancas varias Tres poleas fijas

Dos poleas móviles

Un montaje de dos poleas móviles Un montaje de tres poleas móviles Dos resortes

Dinamómetros

Información fundamental:

Para poder tener claro los aspectos involucrados en esta práctica, es importante la inclusión y repaso de algunos conceptos que nos ayudarán en las tareas que vamos a realizar en adelante:

Energía: (Del griego, enérgeia, eficacia, actividad)

mutuamente transformables y adquieren carácter de aspectos de una misma realidad física.

Potencia: (del latín potentia, capacidad o poder, que traduce el término griego dnamis)

La capacidad o el poder de hacer algo que Aristóteles usa en el sentido peculiar de principio metafísico del ser de las cosas y del cambio. Es el principio correlativo al acto, o enérgeia y de la (entelékheia), en cuanto que ésta es la plenitud del acto. El movimiento es el paso de la potencia al acto, o de la posibilidad a la actualidad, y las cosas mismas no son sino potencias actualizadas; son un compuesto de potencia y acto, de la misma manera que son un compuesto de materia y forma.

Aristóteles distingue varios aspectos distintos de esta noción, y llama potencia: a) Al principio del movimiento o del cambio que se da en otro. Esta es la potencia activa; b) A la capacidad de realizar algo perfectamente según la propia intención; c) A todas aquellas cualidades poseídas por las cosas en virtud de la cual son difícilmente degenerables (y, por tanto, tienden a ser lo que son).

Por otra parte Aristóteles pone en conexión las nociones de potencia e impotencia con las de posible e imposible. Esta caracterización de la potencialidad se presta a una cierta ambigüedad, puesto que se presta a ser entendida tanto como posibilidad, o como preformación. Dicha ambigüedad sigue estando latente en muchos autores posteriores (en Locke, por ejemplo, quien en su Essay sigue la noción aristotélica de potencia).

Trabajo:

cuidadosamente que hay circunstancias peculiares en las que no es lo mismo. Por ejemplo, según la definición física de trabajo, si alguien sujeta por un rato un peso de 100 lb. a cierta altura del suelo, no está haciendo trabajo. Sin embargo, todos saben que empieza a transpirar, temblar y perder el aliento, como si subiera corriendo por una escalera. Sin embargo, correr escaleras arriba se considera trabajar (al correr escalera abajo uno obtiene trabajo del mundo, según la física), pero al sujetar simplemente un objeto en una posición, no se realiza trabajo. Considere que el trabajo que usted está analizando no es trabajo humano ni fisiológico.

Maquinas simples.

En física, se llama máquina al instrumento que sirve para efectuar un trabajo. Hay gran variedad de máquinas, pero, por muy complicadas que sean, todas ellas pueden reducirse a combinaciones de cierto número, muy limitado, de máquinas simples elementales, cada una de las cuales aplica o transforma, a su manera, la energía disponible. En las máquinas hay que considerar, en primer lugar, la fuerza motriz o potencia aplicada, y después, las fuerzas que se oponen a la potencia, las cuales constituyen la llamada resistencia.

Si no se perdiese energía por alguna causa, el rendimiento de una máquina sería perfecto (según la expresión numérica convencional, sería igual a la unidad), pero siempre hay que descontar, además de la resistencia de la propia máquina, una pérdida de energía, a veces muy considerable, causada por los efectos que no se aprovechan. Así pues:

Trabajo motor = trabajo útil + trabajo perdido en vencer resistencias Por otra parte podemos escribir:

Rendimiento = (trabajo aprovechado o útil) / (trabajo aplicado)

PALANCA

La máquina simple mas conocida es la palanca

Fig. 1 P = Potencia.

R = Resistencia.

A = Punto donde actúa la potencia.

B = Punto donde actúa la resistencia. C = Punto de apoyo llamado fulcro.

r = Distancia del fulcro al punto de apoyo B. p = Distancia del fulcro al punto de apoyo A.

Consiste en una barra rígida capaz de girar sobre un punto de apoyo C, llamado también fulcro. Para el equilibrio de la palanca se requiere, como es fácil comprender, que el momento de la potencia respecto al fulcro sea igual al de la resistencia respecto al mismo punto.

En una palanca, la potencia y la resistencia son inversamente proporcionales a la longitud de los brazos respectivos CA y CB de la potencia y la resistencia.

Sólo así son iguales los momentos, pues, como ya sabemos, cada momento es el producto de dos factores: Por una parte, P x CA, y por otra, R x CB. De esta igualdad P x CA = R x CB, representado CA por P, y CB por r, deducimos la siguiente proporción:

P / R = r / p

Esta es la ley de la palanca: en una palanca, supuesta una misma longitud, se podrá disminuir tanto más la potencia para un mismo esfuerzo, cuanto mayor sea el brazo de la potencia y menor el de la resistencia.

PALANCA DE PRIMER GENERO

Fig. 2

La palanca de primer género es aquélla en que el punto de apoyo se encuentra entre la potencia y la resistencia.

Las tenazas son una palanca de primer género de apoyo reside en el punto de encuentro de los brazos; la resistencia, en la parte para cortar, y la potencia, en los brazos.

Fig. 3

PALANCA DE SEGUNDO GENERO

La palanca de segundo género tiene el apoyo en uno de los extremos, y en el otro, la fuerza correspondiente a la potencia (palanca interresistente).

R x r = F x f

Es una palanca de segundo genero la que emplean los obreros para transportar materiales: el punto de apoyo reside en el eje de la rueda; la resistencia, en la carga, y la potencia, en los brazos que sostienen y empujan la carretilla.

Fig. 5

Fig. 6

La palanca de tercer género se diferencia de la anterior en que están permutadas las posiciones de los puntos de aplicación de la potencia y de la resistencia (palanca interpotente)

R x r = F x f

Fig. 7

POLEAS

En la polea fija no hay ganancia de fuerza, sino solo una mayor comodidad para efectuar el trabajo. En efecto, en la polea de la Fig. 8:

Fig. 8 Puesto que CB = CA = r tenemos:

P x r = R x r Es decir ; P = R

Fig. 9

F + F = R -> F = R / 2

Sin embargo, para levantar un peso, por ejemplo, hasta una altura de 0,5 m., es necesario mover la cuerda a lo largo de un trayecto de 1 m.: luego, un punto de la cuerda se traslada a una velocidad que es el doble de la del cuerpo pesado al ascender.

En este caso, se cumple, pues, una ley universal, aplicable a todas las máquinas, llamada regla de oro de la mecánica:

TORNO

Fig. 10

Los tornos suelen utilizarse para levantar pesos desde algún lugar profundo hasta la superficie del suelo. Constan de un cilindro horizontal, al que se arrolla una cuerda a medida que gira la manivela.

Fig. 11

Y comparar los triángulos COC1 y 0M1. Son semejantes, y en ellos se cumple la relación:

(arco CC

) / (arco MM

) = OC / OM = P / R

Por tanto, puesto que los arcos son proporcionales a los radios,

(potencia) / (resistencia) = (radio del cilindro) / (radio del

manubrio)

Aquí rige también la ley de los momentos:

potencia x radio del manubrio = resistencia x radio del

cilindro.

EXPERIENCIA 1

Haga el montaje de una palanca como la de la figura 1, coloque una pesa de 5 Kg. en el extremo B y trate de levantarla con un brazo de 50 cm y un brazo de 1 m. Utilice las pesas de 2, 1 y 0,5 como referencia para la medida de la potencia necesaria para su movimiento. Para ambos casos encuentre el rendimiento de esta máquina.

EXPERIENCIA 2

Con una barra maciza construya el esquema de la figura 4. Coloque el soporte r a 30 cm del suelo, en el punto donde va a estar la resistencia a 40 cm del extremo r coloque una pesa de 2 Kg. y en el otro extremo de la barra coloque un dinamómetro. Hale el dinamómetro hasta que la pesa de 2 Kg. se levante. Con los datos y la lectura, encuentre el rendimiento de esta máquina.

EXPERIENCIA 3

Con una polea fija y una móvil realice el montaje de la figura 9 colocando una pesa de 0,5 Kg. Conecte un dinamómetro en el extremo libre de la cuerda y mantenga una tensión de 5 N mientras la resistencia R recorre 40 cm en 10 seg. Realice los cálculos correspondientes para conocer el rendimiento de esta máquina.

Tres poleas móviles Dos poleas móviles Polea móvil

Fig. 12

EXPERIENCIA 4

Instale una polea grande en el medio de una de las barras y monte el conjunto sobre dos soportes a un metro de altura sobre la superficie de la mesa. Enrolle una cuerda alrededor de la polea ,coloque una pesa de 2 Kg. en el extremo de la cuerda y mantenga el sistema en reposo. Instale un brazo en un extremo de la barra y coloque un dinamómetro en su extremo. Mida la fuerza que necesita para mover la pesa. Varíe la longitud del brazo en 10, 20, 30 y 40 cm. Con la información obtenida calcule el rendimiento de esta máquina.

PREGUNTAS

1. Haga una lista de otras máquinas simples que consiga en sus investigaciones.

CHOQUES Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO

INFORMACIÓN FUNDAMENTAL:

¿QUE ES UN CHOQUE?

Un choque, o colisión sucede cuando dos o más objetos, por ejemplo una pelota de béisbol y una vidriera, que inicialmente se encuentran alejados y que no interactúan, se acercan y ejercen grandes fuerzas entres í, intercambiando energía y momento lineal. Siempre que existan objetos después de la interacción, se alejan y ya no ejercen fuerzas entre sí. En consecuencia, en un choque interviene un conjunto de objetos que llegan, un encuentro y un conjunto de objetos que salen.

La fase de encuentro en un choque sucede, normalmente, con mucha mayor rapidez que la fase de llegada o salida. Implica fuerzas que son muy grandes, pero que sólo actúan durante un tiempo muy breve y de manera tan complicada que no sabríamos como describir total o exactamente al choque. Como resultado, se pueden estudiar los choques desde dos puntos de vista distintos.

Por tradición, se inicia el estudio de los choques preguntando qué se puede aprender de la leyes de la conservación, mientras que se ignora la estructura de las partículas que chocan y su interacción.

Los detalles de la interacción determinan que choques son elásticos. Hay diferencia entre pelotas duras (elásticas) y bolas de masilla (Inelásticas)

Un choque elástico, es aquel que no modifica la energía interna de los objetos que chocan.

La energía total de cada objeto es la suma de su energía interna y de su energía cinética, M v2

, asociada con el movimiento de su centro de masa. Entonces:

En un choque elástico, no se modifica la energía cinética total del sistema de los objetos que chocan, considerados como partículas.

método acostumbrado para los problemas de la ley de conservación. Elegimos al eje x para que este a lo largo del movimiento, de modo que las velocidades sólo tengan componentes x. Emplearemos el símbolo v para los componentes x de las velocidades antes del choque, y u para los correspondientes después.

Antes Después

Componente x de la cantidad

De movimiento Px= m1 v1 + m2v 2 Px = m1 u1 + m2 u2

Energía cinética: K=1/2 m1 v1 2 + m2v 2 2 K=1/2 m1 u1 2 + m2u2 2

Si igualamos las cantidades, y despejamos u2, nos queda expresada en función de v1, v2 y u1. Si analizamos detalladamente esta expresión que resultaría, conseguiremos que:

En el caso especial en el que se encuentre inicialmente el segundo objeto en reposo, v2= 0, vemos que:

U1= v1( m1 – m2) M1 + m2

U2 = 2 m1 v1 M1+ m2

Así, v1 y u1 tienen signos distintos si m1 < m2, y el mismo signo si m1 > m2. . El objeto 1 regresa por su trayectoria original si choca con un objeto de mayor masa, pero sigue en la misma dirección si choca con uno de menor masa. Si m1= m2, entonces u1 = 0 y u2= v1. Los objetos intercambian sus papeles. En todos los casos u2 , tiene el mismo signo que v1 y el segundo objeto sale despedido hacia delante, en dirección de la velocidad original v1.

CHOQUES INELÁSTICOS

En un choque perfectamente inelástico, toda la energía de los objetos que entra en su marco de referencia de centro de masa, se transforma en energía interna dentro de los objetos que salen.

Después de un choque perfectamente inelástico, los objetos que salen, considerados como partículas, no tienen energía cinética en el marco de referencia del centro de masa. Todos permanecen estacionarios respecto a ese marco y además pegados entre si. En el marco de referencia del laboratorio el sistema tiene su momento lineal original, no cero y en consecuencia tiene algo de energía cinética. Los objetos que salen se mueven juntos con su velocidad de centro de masa.

APLICACIONES PRACTICAS

La teoría de los choques tiene aplicación a problemas tan diversos como un juego de billar y un choque entre automóviles. Tiene especial importancia para comprender las propiedades térmicas de los gases o para investigar la estructura e interacciones de las partículas subatómicas. Los choque gravitacionales se usan en las maniobras de las naves espaciales. A escalas atómicas y subatómicas implican, los encuentros frecuentes entre partículas, cambios en la cantidad y el carácter de las partículas, así como los cambios en la energía interna, que pueden ser mucho mayores que la energía cinética que entra. Sin embargo, esos procesos, tecnológicamente importantes, siguen las mismas tres leyes de conservación que se aplican en la vida cotidiana y en los encuentros de las naves con los planetas.

MATERIALES Y EQUIPOS:

1. Una rampa de metal 2. Una hoja de papel carbon 3. Dos hojas de papel bond blanco 4. Una cinta adhesiva

5. Dos masas esféricas iguales

6. Una masa esférica distinta a las anteriores 7. Un cronómetro (debe traerlo el alumno) 8. Una regla graduada

9. Una plomada 10. Balanza

PROCEDIMIENTO:

Figura No. 1

1. CHOQUE FRONTAL DE MASAS IGUALES

Monte el aparato, pero sin la esfera receptora en su lugar. Suelte la esfera incidentemente desde una altura determinada sobre la rampa y deje que siga su trayectoria por el piso. Marque el punto en que la esfera llega al papel. Repita esto diez (10) veces, soltando siempre la esfera desde la misma altura en la rampa. Trace un circulo alrededor de los puntos que marcan los lugares donde ha llegado la esfera en las distintas ocasiones.

Coloque una esfera de la misma masa sobre el tornillo que debe estar en la trayectoria de la esfera incidente. Ajuste la altura del tornillo de proyectada inicialmente en dirección paralela a la superficie del piso. Compruebe el ajuste del tornillo soltando la esfera incidente desde la misma altura como se hizo anteriormente, la esfera incidente. Si no es así, vuelva a ajustar el tornillo hasta obtener el resultado deseado.

Suelte la esfera incidente desde la misma altura que antes y deje que choque con la otra esfera. Repita esto diez (10) veces, e identifique los puntos donde caen las esferas incidente y receptora. Trace un circulo alrededor de cada grupo de puntos.

Repita la parte 1, empleando una esfera de acero como esfera incidente y una esfera más pequeña como esfera receptora. (masas diferentes)

En estos choques, las distancias recorridas siguen representando los vectores velocidad, pero no representan los vectores cantidad de movimiento, ya que las masas no son iguales. La forma más sencilla de hacer que los vectores desplazamiento representen a los vectores cantidad de movimiento es encontrar las masas relativas de las esferas. Por ejemplo, si la masa de la esfera en reposo, es un tercio de la masa de la esfera incidente, se pueden convertir los vectores desplazamientos inicial y final de la esfera incidente. Como la cantidad de movimiento( Ímpetu) es igual a la masa por la velocidad, estos vectores representan ahora los vectores del ímpetu.

En ambas experiencia indique:

- El tipo de choque al cual corresponden.

- Calcule la cantidad de movimiento antes y después del impacto.

- Verifique el cumplimiento del principio de conservación de la cantidad de movimiento.

¿ Qué cantidades se conservan en un choque elástico?

¿ Qué relación existe entre las velocidades antes y después del choque de las masas iguales?¿ y cuándo las masas son desiguales?

Podría usted, conociendo la relación entre las masas de dos cuerpos, indicar que sucedería si ellos impactasen, indique y explique los diferentes casos que pueden presentarse.

BIBLIOGRAFÍA

• FEYNMAN Richard, Leighton Robert. Física Volumen I . Editorial Fondo Addison Wesley Iberoamericana. 1971.

• CATALOGO GENERAL DE FÍSICA. Editorial Leybold Didactic. GMBA. 1978.

• DIAS De Deus Jorge; Pimenta Mario; Noroña Ana; Peña

Teresa; Brogueira Pedro. Introducción a la física. Editorial McGraw Hill. Segunda edición.

• Diccionario de Filosofía Herdel. 1997. Barcelona, España.