UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE HONDURAS
FACULTAD DE INGENIERIA
MANUAL DE LABORATORIO FISICA I
PhD. Walther Francisco Santos
Manual de Laboratorio de Física I
PRESENTACIÓN En vista de la necesidad de completar el fundamento teórico impartido en la clase de Física I, es necesario incorporar prácticas de laboratorio que ayuden a los estudiantes a analizar y comprender los fenómenos físicos. Si bien el laboratorio tiene por objeto demostrar los fenómenos físicos, su fin no es entretenerle con el desarrollo de experimentos sino el de fomentar el pensamiento crítico-deductivo al analizar estos fenómenos. Durante más de 13 años hemos seleccionado las prácticas de laboratorios de mayor importancia para formar este manual y asegurar que sea el complemento adecuado para la clase. El presente manual de laboratorio debe ser una herramienta de apoyo para el estudiante al momento de realizar los experimentos
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 1 SUMATORIA DE VECTORES OBJETIVOS: 1. Comprender la descomposición de un vector en sus componentes ortogonales. 2. Realizar la suma de dos o más vectores mediante el método analítico.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/vector-addition/latest/vector-addition_es.html
Imagen 1. Simulador de adición de vectores. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Ir al simulador 2. Ingresar a la opción de “Explorador 2D” 3. Tomar el vector “a” y colocarlo sobre sobre el plano cartesiano. 4. Jala el extremo final (punta de flecha) del vector para colocar la magnitud y la dirección. 5. Tomar el vector “b” y colocarlo sobre el plano cartesiano, de manera que su extremo inicial que en el punto final de vector “a”. 6. De necesitar más vectores, siga el procedimiento del inciso 5. 7. Activar las casillas, suma, valores y ángulo que se encuentran en la esquina superior derecha del simulador. 8. Compruebe el valor del vector resultante “s” dando clic sobre el y compárelo con los resultados de sus cálculos. Sx representa la sumatoria en “x” y Sy representa la sumatoria en “y”.
Imagen 2. Resultados de la suma de vectores. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
EXPERIMENTOS 1. Experimento 1: Suma de dos vectores Dado el vector “a” con un ángulo de 65.6° y una magnitud de 12.1 y el vector “b” con un ángulo -21.8° y una magnitud de 10.8, determine:
a) Las componentes horizontales y verticales de los vectores b) La magnitud de la fuerza resultante mediante el método analítico. c) La dirección de la fuerza resultante d) Compruebe sus resultados en el simulador. 2. Experimento 2: Suma de tres vectores Dado el vector “a” con un ángulo de 50.7° y una magnitud de 14.2, el vector “b” con un ángulo -28.6° y una magnitud de 12.5, y el vector “c” con un ángulo de -114.0° y una magnitud de 9.8, determine:
a) Las componentes horizontales y verticales de los vectores. b) La magnitud de la fuerza resultante mediante el método analítico. c) La dirección de la fuerza resultante d) Compruebe sus resultados en el simulador. EVALUACION 1. ¿Qué es un vector? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. Mencione ejemplo de magnitudes vectoriales _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ Facultad de Ingeniería UTH
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Manual de Laboratorio de Física I 3. ¿Mencione los métodos utilizados para la suma de vectores? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿En qué consiste el método analítico de suma de vectores? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿Cómo se obtienen las componentes de los vectores verticales y horizontales? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 6. Bajo su punto de vista, ¿Cuál método de suma de vectores es más práctico? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 2 MOVIMIENTO RECTILINEO UNIFORMEMENTE ACELARADO OBJETIVOS: 1. Comprender comportamiento de un cuerpo que se desplaza con movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. 2. Aplicar los cálculos relacionados con el MRUA.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/moving-man/latest/movingman.html?simulation=moving-man&locale=es
Imagen 3. Simulador EL hombre móvil. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO 1. Ir al simulador por medio del enlace. 2. Ingresar a la pestaña de gráficas. 3. Deshabilitar el sonido del simulador en la casilla sonido que se encuentra en la parte inferior derecha del simulador. 4. Escribir la posición inicial del hombre en la casilla correspondiente a posición. 5. Escribir la velocidad inicial del hombre en la casilla correspondiente a velocidad. 6. Escribir la aceleración inicial del hombre en la casilla correspondiente a aceleración. 7. Dar clic sobre el botón ejecutar. 8. Una vez finalizado el movimiento del hombre, detener el simulador dando clic nuevamente en el botón de ejecutar. 9. Para borrar los resultados y repetir el experimento, dar clic en el botón borrar. 10. Para reiniciar el simulador dar clic el botón Reiniciar todo. 11. Comprobar los resultados del simulador moviendo las flechas a la izquierda de los gráficos y alinearlos en el punto de la gráfica correspondiente al tiempo indicado. 12. Ampliar el gráfico dando clic en la lupa con el signo más que se encuentra abajo a la izquierda de la gráfica de la aceleración.
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Imagen 4: Resultados del simulador Hombre Móvil. (University of Colorado Boulder, 2020)
EXPERIMENTOS 1. Experimento 1 Un hombre parte del reposo en la posición inicial 0 m y recorre 10 metros, tomando en cuenta que acelera a razón de 2.5 m/s2. a) Determine la velocidad final del hombre. b) ¿Qué tiempo le toma al hombre hacer el recorrido? c) Compruebe sus resultados en el simulador. 2. Experimento 2 Un hombre parte de la posición x = - 5 a la posición x = 10, con una velocidad inicial de 4 m/s, tomando en cuenta que acelera a razón de 3.5 m/s2. a) Determine la velocidad y el tiempo del recorrido del hombre cuando x = 4. b) Determine la velocidad y el tiempo del recorrido del hombre cuando x = 8. c) Compruebe sus resultados en el simulador.
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Manual de Laboratorio de Física I 3. Experimento 3 Un hombre parte de la posición x = 0, con una velocidad inicial de 6 m/s, tomando en cuenta que acelera a razón de -3 m/s2. a) Determine la posición del hombre en t=1.6 s, t= 3.2 s y t=4.8 s. Compruebe sus resultados en el simulador.
EVALUACION 1. ¿Qué entiende por movimiento rectilíneo uniformemente acelerado? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. ¿Qué efecto tiene la aceleración en la velocidad? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 3. ¿Qué sucede si tenemos una aceleración negativa? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿Qué forma tiene la gráfica de la posición en función del tiempo? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿Qué forma tiene la gráfica de la velocidad en función del tiempo? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 6. ¿Qué forma tiene la gráfica de la aceleración en función del tiempo? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ Página | 8
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 3 MOVIMIENTO DE PROYECTILES OBJETIVOS: 1. Comprender el comportamiento de un cuerpo con movimiento parabólico. 2. Aplicar los cálculos relacionados con el movimiento parabólico.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/projectile-motion/latest/projectilemotion_es.html
Imagen 5. Simulador movimiento de proyectiles. (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO 1. Ir al simulador de movimiento de proyectiles por medio del enlace. 2. Ingresar a la opción de laboratorio. 3. Configurar la inclinación del cañón. 4. No cambiar la altura del cañón, debe estar en cero. 5. Ingresar la velocidad inicial del proyectil. 6. Configurar la masa de la bola, su diámetro y la aceleración de la gravedad por medio del control deslizante y los botones respectivos. Usar los botones para ajustar la lectura exacta. 7. Disparar el proyectil dando clic en el botón rojo a la par del botón de ejecutar. 8. Comprobar los resultados utilizando la herramienta de medición dado por el simulador.
9. Colocar la cruz de la lupa de la herramienta de medición en el punto de la trayectoria del proyecto del proyectil que se desea comprobar. 10. Puede ampliar o reducir la imagen del simulador dando clic en los botones que se encuentran en la parte superior izquierda.
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Imagen 6. Resultados del simulador movimiento de proyectiles. (University of Colorado Boulder, 2020)
EXPERIMENTOS 1. Experimento 1: •
Velocidad inicial: 25 m/s.
•
Ángulo de inclinación del cañón: 30º
•
Masa de la bala: 25 kg.
•
Diámetro de la bala: 0.5 m
•
Gravedad 9.81 m/s2.
a) Determine la distancia horizontal que recorrió el proyectil mediante la herramienta de medición. Compruebe el resultado mediante las ecuaciones de movimiento. b) Calcule la altura máxima del proyectil y compruébelo con la herramienta de medición. c) Obtenga el tiempo total del recorrido mediante las ecuaciones de movimiento. Compruebe los resultados mediante la medición del tiempo con un cronometro, haciendo 5 mediciones y encontrando el valor promedio. Al final, verifique sus resultados con la herramienta de medición del simulador.
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Manual de Laboratorio de Física I 2. Experimento 2: •
Velocidad inicial: 35 m/s.
•
Ángulo de inclinación del cañón: 60º
•
Masa de la bala: 25 kg.
•
Diámetro de la bala: 0.5 m
•
Gravedad 9.81 m/s2.
a) Determine la distancia horizontal que recorrió el proyectil mediante la herramienta de medición. Compruebe el resultado mediante las ecuaciones de movimiento. b) Calcule la altura máxima del proyectil y compruébelo con la herramienta de medición. c) Obtenga el tiempo total del recorrido mediante las ecuaciones de movimiento. Compruebe los resultados mediante la medición del tiempo con un cronometro, haciendo 5 mediciones y encontrando el valor promedio. Al final, verifique sus resultados con la herramienta de medición del simulador.
EVALUACION 1. ¿Por qué el movimiento de un proyectil se le llama movimiento parabólico? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. ¿Cómo afecta la velocidad inicial en el alcance máximo (distancia horizontal) del proyectil? (Haga varios disparos con distintos valores de velocidad para tener una mejor apreciación) _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I 3. ¿Cómo afecta la velocidad inicial en la altura alcanzada por el proyectil? (Haga varios disparos con distintos valores de velocidad para tener una mejor apreciación) _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿Cómo afecta el ángulo de disparo del proyectil en el alcance máximo del proyectil? (Haga varios disparos con distintos valores de ángulos de disparo para tener una mejor apreciación) _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿Cómo afecta el ángulo de disparo del proyectil en la altura alcanzada por el proyectil? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 4 MOVIMIENTO DE PROYECTILES 2 OBJETIVOS: 1. Comprender el comportamiento de un cuerpo con movimiento parabólico. 2. Aplicar los cálculos relacionados con el movimiento parabólico.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/projectile-motion/latest/projectilemotion_es.html
Imagen 7. Simulador de movimiento de proyectiles. (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
PROCEDIMIENTO 1. Ir al simulador de movimiento de proyectiles por medio del enlace. 2. Ingresar a la opción de laboratorio. 3. Configurar la inclinación del cañón. 4. Ajustar la altura del cañón arrastrando desde su base a la altura deseada. 5. Ingresar la velocidad inicial del proyectil. 6. Configurar la masa de la bola, su diámetro y la aceleración de la gravedad por medio del control deslizante y los botones respectivos. Usar los botones para ajustar la lectura exacta. 7. Disparar el proyectil dando clic en el botón rojo a la par del botón de ejecutar. 8. Comprobar los resultados utilizando la herramienta de medición dado por el simulador.
9. Colocar la cruz de la lupa de la herramienta de medición en el punto de la trayectoria del proyecto del proyectil que se desea comprobar. 10. Puede ampliar o reducir la imagen del simulador dando clic en los botones que se encuentran en la parte superior izquierda.
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Manual de Laboratorio de Física I
Imagen 8. Resultados del simulador de movimiento de proyectiles. (University of Colorado Boulder, 2020)
EXPERIMENTOS 1. Experimento 1: •
Altura 8 m
•
Velocidad inicial: 25 m/s.
•
Ángulo de inclinación del cañón: 30º
•
Masa de la bala: 30 kg.
•
Diámetro de la bala: 0.5 m
•
Gravedad 9.81 m/s2.
a) Obtenga el tiempo total del recorrido mediante las ecuaciones de movimiento. Al final, verifique sus resultados con la herramienta de medición del simulador. b) Determine la velocidad del proyectil al final del recorrido. c) Determine la distancia horizontal que recorrió el proyectil mediante las ecuaciones de movimiento. Compruebe el resultado mediante la herramienta de medición.
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Manual de Laboratorio de Física I 2. Experimento 2: •
Altura 8 m
•
Velocidad inicial: 25 m/s.
•
Ángulo de inclinación del cañón: 0º
•
Masa de la bala: 30 kg.
•
Diámetro de la bala: 0.5 m
•
Gravedad 9.81 m/s2.
a) Obtenga el tiempo total del recorrido mediante las ecuaciones de movimiento. Al final, verifique sus resultados con la herramienta de medición del simulador. b) Determine la velocidad del proyectil al final del recorrido. c) Determine la distancia horizontal que recorrió el proyectil mediante las ecuaciones de movimiento. Compruebe el resultado mediante la herramienta de medición. 3. Experimento 3: •
Altura 8 m
•
Velocidad inicial: 25 m/s.
•
Ángulo de inclinación del cañón: -20º
•
Masa de la bala: 30 kg.
•
Diámetro de la bala: 0.5 m
•
Gravedad 9.81 m/s2.
a) Obtenga el tiempo total del recorrido mediante las ecuaciones de movimiento. Al final, verifique sus resultados con la herramienta de medición del simulador. b) Determine la velocidad del proyectil al final del recorrido. c) Determine la distancia horizontal que recorrió el proyectil mediante las ecuaciones de movimiento. Compruebe el resultado mediante la herramienta de medición.
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EVALUACION 1. ¿Qué efecto tiene variar la altura del cañón en el alcance del proyectil? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. ¿Cómo afecta en el alcance del proyectil el tener un ángulo de disparo por sobre la horizontal? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 3. ¿Cómo influye en la velocidad vertical del proyectil el lanzarlo horizontalmente? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el efecto en el alcance del proyectil cuando es lanzado horizontalmente? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿Cómo influye en el alcance del proyectil el lanzarlo con un ángulo por debajo de la horizontal? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 5 SUMATORIA DE FUERZAS OBJETIVOS: 1. Analizar las fuerzas como un vector mediante la realización de operaciones de suma de fuerzas.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/vector-addition/latest/vector-addition_es.html
Imagen 9. Simulador de adición de vectores opción de ecuaciones. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 1. Ir al simulador 2. Ingresar a la opción de ecuaciones. 3. Seleccionar el botón de vectores con ángulo que encuentra en la parte inferior derecha del simulador. (El botón de la flecha rosada). 4. Activar las casillas valores y ángulo que se encuentran en la esquina superior derecha del simulador. 5. Colocar el extremo inicial del vector “d” en el extremo inicial del vector “e”. 6. Dar clic en el botón verde donde dice Vector base. 7. Variar los valores de las casillas. La casilla de la izquierda indica la magnitud del vector y la derecha indica la dirección. 8. Compruebe el valor del vector resultante “f” y compárelo con los resultados de sus cálculos.
Imagen 10. Resultados de la suma de vectores en la opción de ecuaciones. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EXPERIMENTOS 2 Y 3 1. Ir al simulador 2. Ingresar a la opción de explorar 2D 3. Tomar el vector “a” y colocarlo sobre sobre el plano cartesiano. 4. Jala el extremo final (punta de flecha) del vector para colocar la magnitud y la dirección. 5. Tomar el vector “b” y colocarlo sobre el plano cartesiano, de manera que su extremo inicial que en el punto final de vector “a”. 6. De necesitar más vectores, siga el procedimiento del inciso 5. 7. Activar las casillas, suma, valores y ángulo que se encuentran en la esquina superior derecha del simulador. 8. Compruebe el valor del vector resultante “s” y compárelo con los resultados de sus cálculos.
Imagen 11. Resultados de la suma de vectores. Fuente: (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
EXPERIMENTOS 1. Experimento 1: Suma de dos fuerzas (Ecuaciones) Dado el vector “d” con un ángulo de 65 grados y una magnitud de 10 N y el vector “e” con un ángulo -35 grados y una magnitud de 6 N, determine la magnitud y dirección de la fuerza resultante mediante el método analítico. Compruebe sus resultados en el simulador de ecuaciones. 2. Experimento 2: Suma de tres fuerzas (Laboratorio) Dado el vector “a” con un ángulo de 156 grados y una magnitud de 9.8 N, el vector “b” con un ángulo 39.3 grados y una magnitud de 14.2 N, y el vector “c” con un ángulo de -38.7 grados y una magnitud de 12.8 N, determine la magnitud y dirección de la fuerza resultante mediante el método analítico. Compruebe sus resultados en el simulador de laboratorio. 3. Experimento 3: Suma de 4 fuerzas Dado el vector “a” con un ángulo de 143.1 grados y una magnitud de 10 N, el vector “b” con un ángulo 70 grados y una magnitud de 11.7 N, el vector “c” con un ángulo de -18.4 grados y una magnitud de 9.5 N y el vector “d” con ángulo de -56.3 grados y una magnitud de 14.4 N, determine la magnitud y dirección de la fuerza resultante mediante el método analítico. Compruebe sus resultados en el simulador de laboratorio.
EVALUACION 1. ¿Qué es una fuerza? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I 2. ¿Por qué las fuerzas se consideran vectores? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 3. ¿A qué se le llama fuerza total o fuerza resultante? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. ¿Qué métodos conoce para realizar la suma de fuerzas? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 5. ¿En qué consiste el método analítico de suma de fuerzas? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 6 FUERZA Y ACELERACION OBJETIVOS: 1. Comprender las leyes de Newton mediante la realización de un experimento donde se varíe la fuerza aplicada en un cuerpo con masa constante. 2. Conocer la relación que existe entre fuerza y aceleración.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/forces-1d/latest/forces1d.html?simulation=forces-1d&locale=es
Imagen 12. Simulador fuerza en una dimensión. (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
PROCEDIMIENTO 1. Ir al simulador por medio del enlace. 2. Habilitar el gráfico de fuerza y el gráfico de aceleración. 3. Seleccionar la casilla de barrera 4. Elegir el cajón como objeto. 5. Ingrese la posición inicial del objeto 6. Bajar la barra de navegación de la derecha y dar clic en el botón Más controles. 7. Ingrese la masa del objeto. 8. Ingrese los coeficientes de fricción estático y cinético, respectivamente. 9. Ingrese el valor de la fuerza aplicada. 10. Presione el botón de adelante y espere a ver el movimiento del objeto. 11. De clic en botón pausa y escriba los resultados. 12. De clic en botón borrar para iniciar el simulador y repita el experimento para los demás valores de fuerza.
Imagen 13. Resultados simulador Fuerza en un una dimensión. (University of Colorado Boulder, 2020)
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Manual de Laboratorio de Física I
EXPERIMENTOS 1. Experimento: Aceleración en función de la fuerza Datos iniciales del experimento: • Posición inicial: 0 m •
Gravedad: 9.8 m/s2 (N/kg)
•
Masa: 100 kg
•
Coef. de fricción estática: 0.3
•
Coef. de fricción cinética: 0.3
•
Seleccionar gráfico de fuerzas N° 1
Fuerza aplicada 300
2
400
3
500
4
600
5
700
6
800
Fuerza total
Aceleración
1. Incremente la fuerza aplicada de acuerdo con los datos presentados en la tabla anterior y mida obtenga la fuerza total aplicada a la caja y anótelos en la tabla. 2. Calcule la aceleración de la caja para los datos de la fuerza total encontrados y la masa del cajón. 3. Compruebe sus resultados de la aceleración en el simulador. 4. Haga un gráfico de la aceleración en función de la fuerza con los datos obtenidos. (Puede hacerlo en Excel y pegar la imagen)
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Manual de Laboratorio de Física I
EVALUACION 1. Expresa qué relación existe entre la fuerza aplicada y la aceleración. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2. Calcule la pendiente de la recta obtenida en la gráfica. K = ∆a/∆F = (a6–a1)/(F6–F1) y el inverso de k (1/k). ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 3. Compare el valor obtenido del inverso de k. ¿Qué representa este valor? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 4. ¿Qué es necesario para que se cumpla lo expuesto en el punto a? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 5. Explica qué relación existe entre la masa de la caja, la fuerza de aceleración y la aceleración de la caja. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I
LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 7 MASA Y ACELERACION OBJETIVOS: 1. Comprender las leyes de Newton mediante la realización de un experimento donde se varíe la masa de un cuerpo aplicando una fuerza constante. 2. Conocer la relación que existe entre masa y aceleración.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/forces-1d/latest/forces1d.html?simulation=forces-1d&locale=es
Imagen 14. Simulador fuerza en una dimensión. (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO 1. Ir al simulador por medio del enlace. 2. Habilitar el gráfico de fuerza y el gráfico de aceleración. 3. Seleccionar la casilla de barrera 4. Elegir el cajón como objeto 5. Ingrese la posición inicial del objeto 6. Bajar la barra de navegación de la derecha y dar clic en el botón Más controles. 7. Ingrese la masa del objeto. 8. Ingrese los coeficientes de fricción estático y cinético, respectivamente. 9. Ingrese el valor de la fuerza aplicada. 10. Presione el botón de adelante y espere a ver el movimiento del objeto. 11. De clic en botón pausa y escriba los resultados. 12. De clic en botón borrar para iniciar el simulador y repita el experimento para los demás valores de masa indicados.
Imagen 15. Resultados del simulador fuerza en una dimensión. (University of Colorado Boulder, 2020)
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EXPERIMENTO 1. Experimento: Aceleración en función de la masa • Posición inicial: 0 m •
Gravedad: 9.8 m/s2 (N/kg)
•
Coef. de fricción estática: 0.3
•
Coef. de fricción cinética: 0.3
•
Seleccionar gráfico de fuerzas
•
Fuerza aplicada: 1500 N N° 1
Masa del cajón 100
2
200
3
300
4
400
5
500
6
600
Fuerza total
Aceleración
1. Incremente la masa del cajón de acuerdo con los datos presentados en la tabla anterior y mida obtenga la fuerza resultante total aplicada a la caja y anótelos en la tabla. 2. Calcule la aceleración de la caja para los datos de la fuerza total encontrados. 3. Compruebe sus resultados de la aceleración en el simulador. 4. Haga un gráfico de la aceleración en función de la masa con los datos obtenidos. (Puede hacerlo en Excel y pegar la imagen)
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EVALUACION 1. Exponga la segunda ley de Newton _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. Expresa qué relación existe entre la masa de un cuerpo y la aceleración. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 3. De acuerdo con el experimento que se necesita para que se cumpla lo expuesto en el inciso anterior. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. Explica qué relación existe entre la masa de la caja, la fuerza de aceleración y la aceleración de la caja. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 8 FRICCION Y FUERZA DE FRICCION OBJETIVOS: 1. Conocer el efecto de la fricción en el movimiento de los cuerpos mediante un experimento con cuerpos de distintas masas.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/motion-series/latest/motionseries.html?simulation=forces-and-motion&locale=es
Imagen 16. Simulador fuerza y movimiento. (University of Colorado Boulder, 2020)
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTO 1 1. Ir al simulador fuerza y movimiento. 2. Ir a la pestaña introducción. 3. Seleccionar el cajón pequeño para el experimento 4. Dar clic sobre el cajón y jalarlo lentamente hasta que se mueva. 5. Una vez determinada la fuerza en que se mueve el cajón, ingrese el valor en la casilla de fuerza aplicada y compruebe el resultado. 6. Repita el experimento cambiando el cajón por el libro.
Imagen 17. Resultados Simulador de Fuerza y movimiento, Introducción. (University of Colorado Boulder, 2020)
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTO 2 1. Cambiar a la pestaña fricción 2. Configure la masa del objeto, los coeficientes de fricción estático y cinético, respectivamente. 3. Configure la aceleración de la gravedad. 4. Dar clic sobre el cajón y jalarlo lentamente hasta que se mueva. Página | 36
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Manual de Laboratorio de Física I 5. Una vez determinada la fuerza en que se mueve el cajón, ingrese el valor en la casilla de fuerza aplicada y compruebe el resultado. 6. Inicie el movimiento del objeto e ingrese el valor de fuerza de fricción cinética obtenida en los cálculos.
Imagen 18. Resultados simulador fuerza y movimiento, Fricción. (University of Colorado Boulder, 2020)
EXPERIMENTOS Experimento 1: Introducción 1. Determinar la fuerza máxima aplicada con la que se pude tener el archivador en reposo. 2. Calcule el coeficiente de fricción estático entre el archivador y el piso, y compárelo con el valor dado por el simulador. 3. Determinar la fuerza máxima aplicada con la que se puede tener el cajón en reposo. 4. Calcule el coeficiente de fricción estático entre el frigorífico y el piso, y compárelo con el valor dado por el simulador. Facultad de Ingeniería UTH
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Experimento 2: Fricción 1. Obtenga la fuerza máxima aplicada con la que se pude tener en reposo un objeto de 200 kg, suponiendo un coeficiente de fricción estático es de 0.6 y una aceleración de la gravedad como la de Neptuno que es de aproximadamente 9.8 m/s2. Compruebe su resultado con el simulador. 2. Calcule la fuerza necesaria, una vez iniciado el movimiento, mantener el objeto a una velocidad constante. Asuma un coeficiente de fricción cinético de 0.3. Compruebe ese dato con el simulador. 3. Repita los pasos de los dos incisos anteriores asumiendo una aceleración de la gravedad 14.7 m/s2.
EVALUACION 1. ¿Cuál es el efecto de la fricción sobre el movimiento de los objetos? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 2. ¿Cómo afecta la masa de los objetos a la fuerza de fricción? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 3. ¿Qué influencia tiene la gravedad en la fuerza de fricción? _____________________________________________________________ _____________________________________________________________
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LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 9 CONSERVACION DE LA ENERGIA OBJETIVOS: 1. Comprender la ley de conservación de la energía mediante un experimento en una pista.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park/latest/energy-skatepark_es.html
Imagen 19. Simulador Pista de patinar “Energia”. (University of Colorado Boulder, 2020)
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Imagen 20. Configuración de la pista para el experimento. (University of Colorado Boulder, 2020)
EXPERIMENTOS Experimento 1 1. Colocar la pista de igual forma como se presenta en la imagen 20. Para ello seleccione la pista 2 de las cuatro opciones que muestra el simulador. 2. Active las casillas rapidez, mantener en la pista y cuadricula. 3. Mantenga la configuración de la fricción por defecto, la cual está en el mínimo. 4. Poner en pausa el simulador. Colocar el patinador a una altura de 5 m sobre la pista y darle ejecutar al experimento. 5. Con el medidor de energía mida la energía al inicio de la pista. 6. Calcule la energía potencial del patinador al inicio de la pista y compárelo con el resultado del medidor de energía. 7. Reinicie el patinador y ejecute el simulador.
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Manual de Laboratorio de Física I 8. Mida la energía cinética en un punto posterior al final de la pista. 9. Con la velocidad mostrada por el medidor de rapidez, calcule la energía cinética del patinador al final de la pista y compárelo con el resultado del medidor de energía. 10. Coloque la cinta métrica al final de la pista de tal manera de medir 9 m después del final de la pista. 11. Configure la casilla lento, y repita el experimento 5 veces, ahora midiendo el tiempo que le toma al patinador recorrer los 9 m desde la salida de la pista. Obtenga el promedio de las 5 mediciones. 12. Con el tiempo promedio y los 9 m del inciso 11, calcule la velocidad de la bola al final de pista. 13. Con la velocidad obtenida en el inciso anterior, calcule la energía cinética de la bola al final de la pista. 14. Utilizando la ley de conservación de la energía, calcule la energía cinética y la velocidad de la bola al final de la pista. Tome como punto cero el final de la pista.
Experimento 2 1. Modificar el coeficiente de fricción del simulador al máximo. 2. Reinicie el patinador y ejecute el simulador. 3. Mida la energía cinética en un punto final de la pista. 4. Con la velocidad mostrada por el medidor de rapidez, calcule la energía cinética del patinador al final de la pista y compárelo con el resultado del medidor de energía. 5. Compare los resultados de la energía cinética con el valor obtenido en los incisos 8 y 13 del experimento 1
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EVALUACIÓN 1. Al comparar el valor de la energía cinética obtenida en el inciso 9 y 13 del experimento 1 ¿Qué puede observar? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2. Compare la energía cinética y la energía potencial calculadas en el experimento 1. ¿Qué puede deducir? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3. ¿Por qué en el experimento 2 la energía cinética difiere a los resultados obtenidos en el experimento 1? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4. ¿Qué pasa con la energía faltante en el experimento 2? ¿Qué relación tiene con la fricción? ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________
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LABORATORIO FISICA I PRACTICA VIRTUAL 10 LEY DE HOOKE OBJETIVOS: 1. Comprender la relación entre la fuerza aplicada a un cuerpo elástico y su alargamiento. 2. Comprender la relación entre el alargamiento de un cuerpo elástico y la energía potencial elástica.
SIMULADOR https://phet.colorado.edu/sims/html/hookes-law/latest/hookes-law_es.html
MARCO TEÓRICO El análisis del comportamiento de un resorte al someterlo a una fuerza de valor conocido establece que dicho estiramiento (elongación) es tanto mayor cuanto mayor es la fuerza. A finales del siglo XVII el astrónomo Robert Hooke estudió las propiedades de los resortes y encontró que: 𝐹 = 𝑘𝑥 donde F es la fuerza aplicada, k es la constante elástica del resorte (esta constante es una medida de rigidez del resorte) y x es la elongación del resorte (lo que este se estira o se comprime) La constante elástica se obtendría despejándola de la ecuación anterior: 𝑘=
𝐹 𝑥
Energía potencial elástica La energía potencial elástica es energía almacenada que resulta de aplicar una fuerza para deformar un objeto elástico. La energía queda almacenada hasta que Página | 46
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Manual de Laboratorio de Física I se quita la fuerza y el objeto elástico regresa a su forma original, haciendo un trabajo en el proceso. La deformación puede implicar comprimir, estirar o retorcer el objeto. La energía potencial elástica puede obtenerse a partir del trabajo realizado por el cuerpo elástico. La ecuación para obtenerlas es: 1 𝐸𝑃𝑒𝑙. = 𝑘𝑥 2 2 donde k es la constante elástica del resorte y x el alargamiento o acortamiento de este.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Ir al simulador ley de Hooke. 2. Ingresar a la opción introducción. 3. Con el control deslizante ajuste la constante elástica a 130 N/m. 4. Ajuste la fuerza aplicada con el control deslizante de acuerdo con los valores de la tabla y anote el alargamiento del resorte en la tabla 1. 5. Ajuste la constante elástica a 220 N/m. 6. Varíe la fuerza aplicada con el control deslizante de acuerdo con los valores de la tabla y anote el alargamiento del resorte en la tabla 2.
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Tabla 1. Resorte de 130 N/m Fuerza aplicada F (N)
Alargamiento Δl (m)
Tabla 2. Resorte de 220 N/m Fuerza aplicada F (N)
10
20
20
40
30
60
40
80
50
100
Alargamiento Δl (m)
EVALUACIÓN 1. Elabore una gráfica de relación entre la fuerza aplicada contra el alargamiento de las dos tablas. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2. ¿Qué forma tienen las gráficas? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3. ¿Qué se puede deducir al comparar las dos gráficas? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________
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Manual de Laboratorio de Física I 4. ¿Qué relación existe entre el alargamiento y la fuerza aplicada? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5. Calcule la constante elástica de los dos resortes __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 6. Calcule la energía potencial elástica de los dos resortes para cada posición del alargamiento. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 7. ¿Qué relación existe entre la energía potencial elástica y el alargamiento? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 8. ¿Cuál de los dos resortes puede almacenar mayor energía potencial elástica? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 9. ¿Qué relación existe entre la constante elástica del resorte y la energía potencial elástica? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________
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BIBLIOGRAFÍA Raymond A. Serway, J. W. (2008). Física para ciencias e ingeniería. México: Cengage Learning. SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN. (2009). Física Universitaria. México: Pearson. University of Colorado Boulder. (2020). PhET Interactive Simulations. Obtenido de https://phet.colorado.edu/es
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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE HONDURAS
FACULTAD DE INGENIERIA
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