Conservación de la energía mecánica - Carril

Objetivos

  • Estudiar la conservación de la energía mecánica y su transformación para un sistema de dos masas en movimiento.

Motivación

Al diseñar un vehículo, sea éste una bicicleta o una nave espacial, los ingenieros deben ser capaces de analizar y predecir su movimiento. Para diseñar un motor, deben analizar los movimientos de cada una de sus partes móviles. Este análisis se puede realizar teniendo en cuenta que la energía se puede transformar de una forma en otra.

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. El principio de conservación de la energía mecánica se deduce de las leyes de Newton y es una alternativa útil para resolver muchos problemas de mecánica. Este principio 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 ocurre con las fuerzas gravitatorias. 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 estudiará la conservación de la energía durante el movimiento que realiza 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
  • Polea sin fricción
  • Sensor de movimiento
  • Portapesas de 12.5 g
  • Pares de masas de 5, 10, 20, 30, 40 y 50 g
  • Interfaz ScienceWorkshop 750 (USB)
  • Rejilla protectora del sensor de movimiento

Procedimiento

Configuración del equipo

Dinamica1.jpg

La figura 2 muestra la disposición de los elementos requeridos para el montaje de la práctica. Tenga en cuenta las siguientes indicaciones:

1. La longitud de la cuerda debe permitir que el portapesas llegue a una altura de 10 cm por encima de la rejilla protectora cuando el planeador termine el recorrido. Ver figura 3.

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

Dinamica2.jpg

3. El portapesas debe iniciar el movimiento por debajo del tornillo de sujeción de la prensa. Ver figura 4.

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). Anote este dato en un Cuaderno de Prácticas, donde puede guardar esta y otras observaciones importantes de la práctica.

2. Conecte el sensor de movimiento a la interfaz ScienceWorkshop 750.

3. Configure el sensor activando únicamente las medidas de posición y velocidad, así como una velocidad de muestreo de 50 Hz.

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

5. En la ventana de Configuración, seleccione Opciones de muestreo.

6. Defina la Detención automática para una posición menor que 20 cm.

7. Registre el movimiento iniciando la toma de datos cuando el planeador haya recorrido aproximadamente 5 cm.

8. Incremente la masa del planeador colocando pesas iguales a ambos lados, como se muestra en la figura 5.

Dinamica3.jpg

9. Repita los pasos 7 y 8 para dos masas más. 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 solo como puntos aislados)

10. No olvide guardar la actividad.

Análisis

1. Calcule la energía potencial gravitacional de la masa total suspendida en el portapesas para todos los ensayos. Para ello, emplee la herramienta Calcular.

2. Calcule la energía cinética de la masa total suspendida en el portapesas para todos los ensayos.

3. Realice un gráfico energía potencial gravitacional vs. tiempo donde se incluyan las curvas para todos los ensayos. Discuta su comportamiento.

4. Cree un gráfico energía cinética vs. tiempo donde se incluyan las curvas para todos los ensayos. Discuta su comportamiento.

5. Calcule la energía mecánica total de la masa suspendida en el portapesas para todos los ensayos.

6. Para cada ensayo, realice un gráfico energía mecánica vs. tiempo, incluyendo además las curvas de energía cinética y potencial gravitacional. ¿Qué puede concluir? ¿Ha obtenido el comportamiento esperado?

7. Para cada ensayo, calcule la energía cinética del planeador.

8. Calcule la energía mecánica total del sistema (planeador-masa colgante) para todos los ensayos.

9. Para cada ensayo, realice un nuevo gráfico donde muestre las curvas de energía cinética (del planeador y de la masa colgante), potencial gravitacional. y energía mecánica total del sistema.

10. ¿Qué puede concluir a partir del análisis de los gráficos obtenidos? ¿Cuál es la energía mecánica total para cada ensayo?

Bibliografía

F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young, R. A. Freedman. Física Universitaria, volumen 1. Décimo primera edición, Pearson Educación, México, 2004.
Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 1. Quinta edición, Reverté S.A., Barcelona, 2005.
PASCO Online Physics Experiments. Motion Challenge.
http://www.pasco.com/experiments/physics/september_2004/home.html

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