UNIVERSIDADDESANTIAGODECHILE CORDINADORA:CECILIATOLEDO V
FACULTADDECIENCIA SEGUNDO SEMESTRE 2013
DEPARTAMENTO DE FISICA
LABORATORIODEFISICA
II-Experimento Nº2 - Dimámica.-Roce I. Objetivo General
Analizar y evaluar parámetros que afectan los cambios del estado de movimiento de un cuerpo, cuando sobre él actúan fuerzas externas.
INTRODUCCIÓN
En el estudio de la mecánica se puede describir el movimiento de los cuerpos desde un análisis cinemático, es decir, en función de las definiciones de desplazamiento, velocidad, aceleración. También es posible hacerlo desde un análisis dinámico, es decir, estudiando las causas del movimiento, estudiando el porqué algunos cuerpos se mueven con mayor rapidez que otros, como también se pude realizar desde el punto de vista energético.
PRIMERA ACTIVIDAD
I.-Determinar el coeficiente de roce estático entre un par de superficies ( Revisar fundamentos teóricos en páginas posteriores y recordar TEORIA DE ERROR .
Materiales
Bloque de madera 2 Soporte universal 1 Barras
1 Regla
Procedimiento Experimental
1. Realice el montaje que indica la figura.
2.- El diagrama de cuerpo libre del bloque que se encuentra sobre el plano inclinado permite escribir las ecuaciones dinámicas cuando éste se encuentre a punto de iniciar el movimiento.
Nm g cos 0 ; m g s en fs0 fs s m g cos
A través de estas ecuaciones demuestre que para esta configuración el coeficiente de roce
estático s se puede calcular como la tangente del ángulo crítico bajo el cual el cuerpo está a
punto de iniciar el movimiento.
3.- Para la toma de datos comience a levantar el tablón aumentando gradualmente el ángulo hasta lograr que el bloque esté a punto de iniciar el movimiento.
4.- Se le sugiere mantener un tope al pie del plano inclinado y subir lentamente el tablón.
Obtenga el valor promedio de los valores encontrados ( tg = s ) expréselo con su respectivo
error.
COMPARE EL VALOR OBTENIDO CON EL QUE SE DA EN TABLAS.
SEGUNDA ACTIVIDAD
Objetivo:
Determinar, en forma experimental, el valor del coeficiente de roce cinético entre un bloque y una superficie.
Materiales:
1 bloque de madera de aproximadamente de 60 g.
1 plano de deslizamiento horizontal (superficie de la mesa). 1 polea inteligente. ( O bien un par de fotopuertas)
1 caja de masas. 1 balanza digital. 1 prensa.
1 huincha de medir.
Computador con interfaz 500.
Procedimiento experimental Montaje:
1) Arme el montaje de la figura
con m1 y m2
2) Escriba las ecuaciones
dinámicas que le permitan determinar el valor del coeficiente de roce
3) Demuestre que la ecuación de
movimiento del sistema es:
1 2 2 K 1
(m m ) am g m g
4) Suelte el sistema y determine la aceleración con que se mueve éste.( Aunque el programa DS permite determinar directamente la aceleración, se recomienda obtener el gráfico componente de la velocidad en función del tiempo y de allí obtener la pendiente que da el valor de la aceleración.
X(cm) y(cm)
tg = y/x
4) Repita lo anterior unas cuatro veces con las mismas masas del sistema para, a partir de las ecuaciones dinámicas, pueda obtener el coeficiente de roce cinético( si su profesor se lo pide , aplique teoría de error en el cálculo)
m1[ kg] m2kg a [ ms-2]
Fundamentos Teóricos
En la naturaleza observamos que los movimientos de los cuerpos son el resultado directo de sus interacciones con otros cuerpos vecinos. Estas interacciones se manifiestan ya sea por acción a distancia o por contacto directo entre los cuerpos.
La manifestación física de estas interacciones se realiza mediante el concepto de fuerza. La dinámica estudia la relación entre la resultante de las fuerzas que actúa sobre un cuerpo y los efectos que causa en el movimiento de él. Este estudio se fundamenta en principios que a continuación desarrollaremos para el caso más simple: la dinámica de la partícula, es decir, el efecto de una fuerza sobre un cuerpo cuyas dimensiones son muy pequeñas o que pueden despreciarse frente a otras dimensiones del problema.
Principios de Newton:
Galileo Galilei consolida las bases científicas de la cinemática y es Isaac Newton quien establece y formaliza los postulados de la dinámica, que enumeraremos a continuación.
Primer Principio de Newton
Todo cuerpo conserva su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que existan fuerzas aplicadas sobre él.
Debemos señalar que esta ley se cumple solamente en los denominados sistemas inerciales de referencia. Un sistema de referencia se denomina sistema inercial de referencia si respecto a él se cumple el primer principio de Newton y ese es precisamente el criterio que permite reconocer a esos sistemas especiales de referencia.
Segundo Principio de Newton
La aceleración producida por la fuerza neta o fuerza resultante que actúa sobre una partícula, es
proporcional a dicha fuerza e inversamente proporcional a la masa de la partícula.
F a
m
La masa (inercial) m es una propiedad de la materia que refleja la medida de lo que cuesta acelerar un cuerpo con una determinada fuerza.
M1 M2
F12 F21
f
mg
N
v
( NETA
dp F
dt
)
Si la masa es constante la fuerza neta es igual al producto entre la masa y la aceleración (Fnetam a
)
Tercer Principio de Newton: Principio de acción y reacción
Cuando dos cuerpos interactúan uno ejerce una acción sobre el otro, y el segundo ejerce una reacción sobre el primero.
A cada acción se opone siempre una reacción. Estas fuerzas entre dos partículas son siempre iguales en magnitud y dirección, están sobre la línea que une las dos partículas y tienen sentidos opuestos.
Esto es
F
12
F
21
Al estudiar el movimiento de un cuerpo, debemos considerar el conjunto de todas las fuerzas que actúan sobre él. Una fuerza que generalmente actúa sobre los cuerpos es la fuerza de roce.
Fuerza de Roce:
A escala microscópica, la mayoría de las superficies,
considerando las más pulidas son realmente rugosas. Las puntas de las dos superficies al ponerse en contacto determinan el área real de contacto la cual es una pequeña proporción del área aparente de contacto. El área real de contacto aumenta cuando aumenta la fuerza normal, esto es porque las puntas se deforman..
Se sabe de la experiencia que es necesario aplicar una fuerza para mover un cuerpo que está en contacto con otro, ya que una fuerza se opone al movimiento relativo de las superficies en
contacto. A esta fuerza paralela a las superficies en contacto se le llama fuerza de roce f.
k
f
N
Fuerza de roce por deslizamiento, son fuerzas que se originan por resistencia friccional al movimiento en la superficie de separación de dos cuerpos en contacto.
La fuerza de roce depende de varios factores, siendo los más característicos la naturaleza del material de los cuerpos que se rozan, el grado en que los cuerpos están apretados entre sí, la temperatura, la velocidad y otros factores.
Estos tipos de fuerza son las que se conocen como fuerzas de fricción o roce y desde el punto de
vista de sus efectos, la fuerza de roce estático
f
s
resiste cualquier intento de poner un objeto
en movimiento respecto de otro y la fuerza cinético
f
k
tiende a retardar el movimiento con respecto al otro. Una vez que los objetos deslizan, esta fuerza es siempre de sentido opuesto al deslizamiento respecto de la superficie de apoyo.
La naturaleza de las superficies en contacto es tomada en cuenta mediante un número
adimensional llamado coeficiente de roce:
La fuerza de roce puede ejercerse aún cuando no haya movimiento relativo entre las superficies en contacto. A este tipo de fuerzas de roce se les llama fuerzas de roce estático y se designan
por fs.
Si existe movimiento relativo entre las superficies en contacto la fuerza se llama fuerza de roce
cinético o dinámico y se designa por fK.
Experimentalmente, se ha podido establecer que para superficies sólidas no lubricadas:
.- El módulo de la fuerza de roce estático fs es menor o igual al producto SN, donde N es el
módulo de la componente normal de la fuerza ejercida entre las superficies y S es el
coeficiente de roce estático, que es un número adimensional cuyo valor depende de la naturaleza de las superficies en contacto.
S S
f N
.- Si el cuerpo está a punto de iniciar el movimiento, se tiene
S S
f N
.- Si hay movimiento relativo entre las superficies en contacto entonces
K K
f N
donde k es el coeficiente de roce cinético, que depende a su vez de la naturaleza de las
superficies en contacto y es también un número adimensional.
En general, se cumple que s k
III. Bibliografía
M. ALONSO y E. FINN; Física I, Vol. I; sec.7.; 7.6; 7.9; 7.10. HALLIDAY y RESNICK Física, Vol. I; cap.5 y 6.
