Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Química
Laboratorio de Fundamentos de Espectroscopia
“Ley de Hooke y movimiento armónico simple”
OBJETIVO
Obtener experimentalmente las constantes de fuerza de 3 resortes distintos
mediante dos métodos: Estático y Dinámico, y comparar cual de los dos
métodos es más exacto.
Determinar la relación que existe entre la masa, la elongación y el periodo.
Aplicar experimentalmente los conceptos correspondientes al Movimiento
Armónico Simple para facilitar su comprensión.
HIPÓTESIS
Al aplicar una fuerza (peso) a un resorte consideramos que tiene una constante de
fuerza, ésta actuará en dirección opuesta
MATERIAL
Pinzas de tres dedos con nuez
Soporte universal
Juego de resortes
Juego de pesas
Rondanas
Regla graduada
Balanza
Fotocompuerta
Flexómetro
Características de los instrumentos de medición
Características del
instrumento
Instrumento I
Instrumento II
Instrumento III
Marca
Pasco Scientific
Truper
Ohaus
Modelo
me-8930
s/m
TS4000
Mensurando
Tiempo
Longitud
Peso
Unidades
Segundos
Cm, m
Gramos
Capacidad minima
100μs
1mm
O.1g
Capacidad
máxima
-
5m
4000g
Incertidumbre
±100μs
±0.05cm
±0.50g
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Método Estático: Validez de la Ley de Hooke
Tomamos medidas de elongación con 10 distintas masas para 3 distintos resortes,
para hacer las medidas se debe montar un sistema que consta de un soporte
universal con una pinza de tres dedos en la parte superior, en la pinza se coloca
un resorte y se mide Δx con el flexómetro.
Método Dinámico: Determinación del periodo de oscilación
Se utilizo el mismo sistema y las masas empleadas para medir el tiempo de
oscilación para cada caso. Para hacer esto se utilizara una fotocompuerta y se le
aplicara una amplitud de oscilación. Se realizaron 3 mediciones para cada masa
con 3 resortes diferentes.
RESULTADOS
PARTE 1. Método Estático.
Tabla 1. Resorte 1 medición elongación.
Masa (Kg) Δ x (m) F=W (N) 0.0096 0.037 0.0941 0.0115 0.04 0.1127 0.0166 0.064 0.1627 0.0192 0.074 0.1882 0.022 0.081 0.2156 0.0288 0.108 0.2822 0.0317 0.119 0.3107 0.0367 0.139 0.3597
0.0429 0.161 0.4204
0.0489 0.185 0.4792
Tabla 2. Resorte 2 medición elongación.
Masa (Kg) Δ x (m) F=W (N) 0.0036 0.002 0.03528 0.0091 0.012 0.08918 0.0096 0.022 0.09408 0.0132 0.02 0.12936 0.0186 0.031 0.18228 0.0192 0.032 0.18816 0.0229 0.037 0.22442 0.0235 0.041 0.2303 0.0243 0.043 0.23814 0.0302 0.055 0.29596
Tabla3. Resorte 3 medición elongación.
Masa (kg) Δ x (m) F = W (N) 0.0994 0.043 0.97412 0.1231 0.053 1.20638 0.1484 0.067 1.45432 0.1676 0.078 1.64248 0.1773 0.083 1.73754 0.1988 0.095 1.94824 0.2225 0.11 2.1805 0.2478 0.122 2.42844 0.2671 0.132 2.61758 0.2982 0.149 2.92236 Ecuaciones utilizadas. W = (Ecuación 1) Gravedad= g = 9.8
PARTE 2. Método Dinámico.
Determinación del periodo de oscilación
Tabla 1. Resorte 1 Dinámico
Periodo Masa (Kg) Δx T Τ (periodo) Incertidumbre
1 0.0096 0.9212 0.9217 ±0.0007 0.9225 4 0.9832 2 0.0102 0.9837 0.9839 ±0.0008 0.9848 4 1.121 3 0.0161 1.144 1.1349 ±0.0122 1.1397 3 1.2009 4 0.0192 1.1994 1.2002 ±0.0008 1.2002 3 1.2301 5 0.022 1.2771 1.2798 ±0.0511 1.3323 3 1.4232 6 0.0288 1.4264 1.4234 ±0.0028 1.4207 3 1.4857 7 0.0317 1.4805 1.482 ±0.0032 1.4798 4 1.5808 8 0.0369 1.5936 1.5804 ±0.0134 1.5667 2 1.6536 9 0.0429 1.6376 1.6447 ±0.0008 1.6428 1 1.7959 10 0.0489 1.7776 1.7832 ±0.0111 1.776
Tabla 2. Resorte 2 Dinámico
Pesa Masa (Kg) ∆X (m) Periodos Prom de P. Incertidumbre
0.7099 1 0.0096 0.028 0.7095 0.7101 ±0.00072 0.7109 0.2212 2 0.0192 0.064 0.2274 0.2210 ±0.0065 0.2143 0.2001 3 0.0243 0.086 0.2103 0.2044 ±0.0053 0.2027 0.2362 4 0.0186 0.062 0.2382 0.2380 ±0.0017
0.2395 0.79 5 0.0132 0.035 0.7962 0.7933 ±0.0031 0.7938 0.4949 6 0.0229 0.043 0.4956 0.4946 ±0.0012 0.4933 0.7052 7 0.0091 0.031 0.7082 0.7056 ±0.0024 0.7034 0.6714 8 0.0036 0.015 0.6716 0.6727 ±0.0021 0.6751 0.4988 9 0.0235 0.049 0.4988 0.4988 0 0.4988 0.5464 10 0.0302 0.069 0.5462 0.5465 ±0.0042 0.547
Tabla 3. Resorte 3 Dinámico
Pesa Masa (g) Δx+ (cm) Τ (periodo) T(promedio) Incertidumbre
0.977 1 99.4 4.3 0.9773 0.9776 ±0.0009 0.9786 1.076 2 123.1 3 1.0761 1.0765 ±0.0007 1.0774 1.1747 3 148.4 5 1.1756 1.1765 ±0.0024 1.1792 1.2493 4 167.6 5 1.2471 1.2477 ±0.0014 1.2468 1.2168
y
= 2.5861x
+ 0.0019 R² = 0.9991 0 0.2 0.4 0.6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 F (N ) Δ x (m)Fuerza vs Δx
Resorte 1
5 177.3 3 1.2431 1.2356 ±0.0164 1.2469 1.3463 6 198.8 7.5 1.3488 1.3469 ±0.0017 1.3456 1.4152 7 222.5 3 1.4141 1.415 ±0.0008 1.4157 1.4938 8 247.8 3 1.4976 1.4964 ±0.0023 1.4979 1.5536 9 267.1 3 1.5516 1.5525 ±0.0010 1.5522 1.6388 10 298.2 3 1.6372 1.6383 ±0.0009 1.6388ECUACIONES UTILIZADAS:
̅ ∑
Ecuación 2
√
∑ ̅Ecuación 3
Graficación de los datos obtenidos para cada uno de los resortes. Gráfica 1. Fuerza(N) vs Elongación (m) Resorte1
y =
5.0802
x + 0.0209 R² = 0.968 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 F (N ) Δ x (m)Fuerza vs Δx
Resorte 2
y = 3.9071x0.5 R² = 1 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 0 0.02 0.04 0.06 T (s) Masa (Kg)Periodo Teórico
Resorte 1
Gráfica 2. Fuerza(N) vs Elongación (m) Resorte2
Gráfica 3. Fuerza(N) vs Elongación (m) Resorte3
Gráf icas de Periodo Teórico utilizando las constantes de fuerza obtenidas para cada resorte en el Método Estático.
Gráfica 4. Periodo teórico Resorte 1
Masa (Kg) T teórico (s) 0.0096 0.3828 0.0115 0.4190 0.0166 0.5034 0.0192 0.5414 0.022 0.5795 0.0288 0.6631 0.0317 0.6956 0.0367 0.7485 0.0429 0.8093 0.0489 0.8640 y =
18.043
x + 0.2296 R² = 0.9991 0 1 2 3 4 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 F (N ) Δ x (m)Fuerza vs Δx
Resorte 3
y = 5.6268x0.3867 R² = 0.9958 0.0000 0.5000 1.0000 1.5000 2.0000 0 0.02 0.04 0.06 T ( s) Masa (Kg)
Periodo vs masa
Resorte 1
y = 0.3867x + 0.7503 R² = 0.9958 -0.1000 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 -2.5000 -2.0000 -1.5000 -1.0000 -0.5000 0.0000 lo g T log masalog T vs log masa
Resorte 1
y = 2.7877x0.5 R² = 1 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0 0.01 0.02 0.03 0.04 T ( s) Masa (Kg)Periodo Teórico
Resorte 2
√ k fuerza resote 1= 2.5861Gráfica 5. Periodo vs masa Resorte 1
Gráfica 6. Log Periodo vs log masa Resorte 1
Gráfica 7. Periodo teórico Resorte 2
Resorte 1 Masa (Kg) T promedio (s) 0.0096 0.9217 0.0102 0.9839 0.0161 1.1349 0.0192 1.2002 0.022 1.2798 0.0288 1.4234 0.0317 1.482 0.0369 1.5804 0.0429 1.6447 0.0489 1.7832
log (masa) log (T)
-2.0177 -0.0354 -1.9914 -0.0070 -1.7932 0.0550 -1.7167 0.0792 -1.6576 0.1072 -1.5406 0.1533 -1.4989 0.1708 -1.4330 0.1988 -1.3675 0.2161 -1.3107 0.2512 Masa (Kg) T teórico (s) 0.0036 0.1673 0.0091 0.2659 0.0096 0.2731 0.0132 0.3203 0.0186 0.3802 0.0192 0.3863 0.0229 0.4219 0.0235 0.4273 0.0243 0.4346 0.0302 0.4844
y = 2.7877x0.5 R² = 1 0.0000 0.5000 1.0000 1.5000 2.0000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 T ( s) Masa (Kg)
Periodo Teórico
Resorte 3
y = 1.1784x0.2262 R² = 0.0765 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 A xi s Ti tle Axis TitlePeriodo vs masa
Resorte 2
y = 0.2262x + 0.0713 R² = 0.0765 -0.8000 -0.6000 -0.4000 -0.2000 0.0000 -3.0000 -2.5000 -2.0000 -1.5000 -1.0000 -0.5000 0.0000 lo g T los masalog T vs log masa
Resorte 2
Gráfica 8. Periodo vs masa Resorte 2
Gráfica 9. Log Periodo vs log masa Resorte 2
log (masa) los (T)
-2.4437 -0.1487 -2.0410 -0.6557 -2.0177 -0.6896 -1.8794 -0.6235 -1.7305 -0.1005 -1.7167 -0.3057 -1.6402 -0.1514 -1.6289 -0.1722 -1.6144 -0.3021 -1.5200 -0.2624
Gráfica 10. Periodo teórico Resorte 3
Masa (Kg) T promedio (s) 0.0036 0.7101 0.0091 0.2210 0.0096 0.2044 0.0132 0.2380 0.0186 0.7933 0.0192 0.4946 0.0229 0.7056 0.0235 0.6727 0.0243 0.4988 0.0302 0.5465 Masa (kg) T teórico (s) 0.0994 0.8789 0.1231 0.9781 0.1484 1.0739 0.1676 1.1412 0.1773 1.1738 0.1988 1.2429 0.2225 1.3149 0.2478 1.3877 0.2671 1.4407 0.2982 1.5223
y = 2.8753x0.4702 R² = 0.9953 0.0000 0.5000 1.0000 1.5000 2.0000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 T ( s) Masa (Kg)
Periodo vs masa
Resorte 3
y = 0.4702x + 0.4587 R² = 0.9953 -0.0500 0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 -1.2000 -1.0000 -0.8000 -0.6000 -0.4000 -0.2000 0.0000 lo g T log masalog T vs log masa
Resorte 3
Gráfica 11. Periodo vs masa Resorte 3
Gráfica 12. Log Periodo vs log masa Resorte 3
log (masa) log (T)
-1.0026 -0.0098 -0.9097 0.0320 -0.8286 0.0706 -0.7757 0.0961 -0.7513 0.0919 -0.7016 0.1293 -0.6527 0.1508 -0.6059 0.1751 -0.5733 0.1910 -0.5255 0.2144
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En el método estático el resorte se encuentra originalmente en una condición de
equilibrio al no tener una masa que penda de él, pierde esta posición al momento
que se le coloca la masa que actúa como una fuerza en dirección opuesta a la
restitución del resorte según la Ley de Hooke, fue por esta relación donde la
elongación del resorte es proporcional a la fuerza aplicada que se pudo determinar
experimentalmente la constante de fuerza para cada resorte. Las gráficas de los
datos para los tres resortes presentaron una tendencia lineal, que comprueba la
proporcionalidad entre la masa y la elongación y donde la pendiente de la recta
nos brinda la constante de fuerza del resorte.
Masa (Kg) T promedio (s) 0.0994 0.9776 0.1231 1.0765 0.1484 1.1765 0.1676 1.2477 0.1773 1.2356 0.1988 1.3469 0.2225 1.415 0.2478 1.4964 0.2671 1.5525 0.2982 1.6383