Análisis de Trabajo Y Energía Cinética en un Movimiento Rectilíneo

Objetivos

  • Analizar un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado desde el punto de vista energético y su relación con los análisis cinemático y dinámico (segunda ley de Newton).

Motivación

Como se vio en las prácticas anteriores, el concepto de fuerza es fundamental en el estudio de la Física. Igualmente importante es la idea de que las fuerzas pueden realizar trabajo sobre un cuerpo y cambiar así la magnitud de su velocidad. Esta relación se condensa en el teorema del trabajo y la energía cinética.

Los métodos energéticos se usan en casi todas las áreas de la ciencia y de la ingeniería. En el diseño de cualquier dispositivo móvil debe considerarse la forma en que se transforma la energía durante su funcionamiento. Esto puede simplificar considerablemente el análisis de muchos sistemas, especialmente de aquellos en los que intervienen fuerzas que dependen de la posición de un cuerpo, como las fuerzas gravitatorias o las fuerzas ejercidas por resortes. En estos casos el teorema del trabajo y la energía adquiere la categoría de una ley de conservación.

Al ver la aplicación de este principio se espera que desarrolle su intuición respecto a la energía y sus transformaciones, y obtenga una mejor visión de la aplicación de esas ideas a otros campos.

En esta práctica se analizará el movimiento que describe un planeador sobre un carril de aire sujeto por una cuerda a una masa suspendida de una polea.

Equipo requerido

  • Carril de aire
  • Planeador
  • Compresor
  • Balanza
  • Sensor “polea inteligente”
  • Portapesas
  • Masas de diferentes valores
  • Interfaz ScienceWorkshop 750 (USB)

Procedimiento

Configuración del equipo

Carril.jpg

Figura 1. Montaje requerido para la práctica.

Tenga en cuenta las siguientes indicaciones:

1. La longitud de la cuerda debe permitir solamente un ligero contacto del portapesas con el suelo cuando el planeador termine el recorrido.

2. Disponga la polea inteligente de forma que el hilo quede horizontal y no haga contacto con las paredes del soporte de detención del planeador.

Polea.jpg

Figura 2. Montaje de la polea inteligente

3. Ubique la polea para que el portapesas no roce la mesa al iniciar el recorrido. Si no es posible lograrlo, el portapesas debe iniciar el movimiento por debajo del nivel de la mesa.

4. No desplace el planeador sobre el carril sin encender el compresor de aire.

Procedimiento de recoleccion de datos

1. Mida la masa total del planeador (Mp).

2. Conecte la polea inteligente a la interfaz ScienceWorkshop 750.

3. Configure el sensor activando únicamente las medidas de posición y velocidad.

4. Abra un gráfico de posición vs. tiempo y otro de velocidad vs. tiempo.

5. Suspenda de la cuerda una masa total de 5 g.

6. Registre el movimiento iniciando la toma de datos cuando el planeador haya recorrido aproximadamente 10 cm y finalice su registro cuando se encuentre a cerca de 10 cm del soporte de detención.

7. Repita los pasos 5 y 6 para tres masas diferentes. Las curvas de posición vs. tiempo para cada masa deben quedar sobre el mismo gráfico. Lo mismo se aplica para las curvas de velocidad vs. tiempo. (Sugerencia: Presente los datos sin la línea que conecta los puntos experimentales)

8. No olvide guardar la actividad y exportar los datos y las imágenes de los gráficos de posición vs. tiempo y velocidad vs. tiempo.

Análisis

1. Parta de las gráficas de velocidad vs. tiempo tomadas en la práctica.

2. Calcule la energía cinética del planeador para todos los ensayos. Para ello, emplee la herramienta Calcular (se da un ejemplo de su uso en el Anexo).

3. Cree un gráfico energía cinética vs. posición para todos los ensayos. Limitaremos el análisis a la región donde el comportamiento de esta gráfica es lineal.

4. De acuerdo con el análisis dinámico hecho en el preinforme, ¿cómo podría encontrar la tensión de la cuerda a partir de esta gráfica?

5. Obtenga la tensión de la cuerda (T) y su incertidumbre relativa (∆T/T). Registre sus resultados en la Tabla No. 1.

6. Halle los valores de tensión a partir de la expresión encontrada en la primera pregunta del informe (Tdin). Registre los datos en la Tabla No. 2.

7. Compare los valores de tensión obtenidos por ambos métodos. Encuentre el error relativo y escriba sus resultados en la Tabla No. 3.

8. Analice cómo la variación de la tensión en la cuerda influye sobre el movimiento del sistema planeador-masa colgante.

Bibliografía

F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young, R. A. Freedman. Física Universitaria, volumen 1. Décimo primera edición, Pearson Educación, México, 2004.
PASCO Online Physics Experiments. Motion Challenge.
http://www.pasco.com/experiments/physics/september_2004/home.html

Tabla de Datos

Tabla 1

Masa planeador Mp ( ):__

Ensayo No. m ( ) T ( ) ∆T/T (%)

Tabla 2

Ensayo No. m ( ) Tdin ( )

Tabla 3

Ensayo No. m ( ) T ( ) Tdin( ) E(%)
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