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Tecsup P.F.R. Laboratorio de Fsica II

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PPRRCCTTIICCAA NN 0011

ESTTICA. PRIMERA CONDICIN DE EQUILIBRIO.

1. OBJETIVO

1) Comprobar experimentalmente la primera condicin de equilibrio, para fuerzas coplanares y concurrentes.

2) Verificar los resultados obtenidos experimentalmente y contrastarlos con los procedimientos tericos dados en clase y establecer las diferencias.

3) Determinar relaciones matemticas entre las variables fsicas que interviene en un experimento.

2. MATERIALES - Computadora personal con programa Data Studio instalado - Interfase Power link - Sensor de fuerza (2) - Pesa de 0,5 N (5) - Varillas (5) - Bases soporte (2) - Nuez doble (4) - Grapas (2) - Cuerda - Transportador - Regla - Calculadora.

3. FUNDAMENTO TERICO

Fuerzas.

El concepto de fuerza se relaciona frecuentemente con esfuerzo muscular, empuje, traccin, etc. Para mover una mesa debemos empujarla haciendo un esfuerzo muscular, aplicado a un punto de la mesa. Adems la mesa la empujamos en determinado sentido. Recordemos que las magnitudes que se definen con mdulo, direccin y sentido se llaman vectoriales y las magnitudes que se definen con su nmero y su unidad se llaman escalares. Otras fuerzas que podemos mencionar son: tensin, fuerza de rozamiento, peso y normal. Las fuerzas que son ejercidas mediante cuerda se les denomina tensiones. A la fuerza que ejerce la tierra sobre los objetos sobre su superficie (por la atraccin gravitacional) se le denomina peso y est verticalmente dirigida hacia abajo y tiene un mdulo W = m g, siendo m la masa de cuerpo y g el mdulo de la aceleracin de la gravedad.

Laboratorio de Fsica II Tecsup P.F.R.

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3.1.1. Medicin de la fuerza.

Qu hara usted si le solicitaran su colaboracin para mover un equipo pesado de un nivel de instalacin industrial a otro? Seguramente iniciara su investigacin preguntndose:Cun pesado es? Adems observar el lugar donde se encuentra el equipo y donde debe quedar instalado. Luego propondr algunas soluciones de cmo y con que hacerlo. Aqu estudiaremos un sistema a escala diseados para los efectos anteriormente indicados con una rampa (plano inclinado) y una cuerda. Para su uso debemos tener claro cul es el ngulo que debemos dar a la rampa, cuanta fuerza deber hacer la cuerda para tirar el equipo y cunto peso soporta la rampa. Resolveremos el problema matemticamente haciendo uso del conocimiento de fuerzas coplanares concurrentes y tomando datos directamente del modelo a escala. Para esto debemos tener claro el concepto de fuerzas, unidades y representacin grfica de un vector. Para lograr el equilibrio de fuerzas de traslacin se debe cumplir la primera condicin de equilibrio, como veremos ms adelante.

3.1.2. Diagrama de Cuerpo Libre D.C.L.

Hacer un D.C.L. de un cuerpo es representar grficamente las

fuerzas que actan sobre l. Procedemos de la siguiente manera:

1. Se asla el cuerpo de todo sistema. 2. Se representa al peso del cuerpo mediante un vector dirigido

siempre hacia el centro de la tierra (w).

3. Si existiese superficies en contacto, se representa la reaccin mediante un vector perpendicular a dichas superficies y empujando siempre al cuerpo (N o R).

4. Si hubiesen cables o cuerdas, se representa la tensin mediante un

vector que est siempre jalando al cuerpo, previo corte imaginario (T).

5. Si existiesen barras comprimidas, se representa a la compresin mediante un vector que est siempre empujando al cuerpo, previo corte imaginario (C).

6. Si hubiese rozamiento se representa a la fuerza de roce mediante un

vector tangente a las superficies en contacto y oponindose al movimiento o posible movimiento.


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Leyes de Newton.

Primera Ley de Newton. Principio de inercia Newton en su primera ley explica que un cuerpo en equilibrio seguir en equilibrio hasta que alguna fuerza intervenga.

Si un cuerpo est en reposo, permanecer en reposo; si est en movimiento

seguir trasladndose en lnea recta y a velocidad constante, salvo si interviene alguna fuerza externa

Tercera Ley de Newton. Principio de accin y reaccin.

Newton dijo: A toda accin se le opone una reaccin de igual

magnitud pero en sentido contrario 3.2.1. Primera condicin de equilibrio.

Diremos que un cuerpo se encuentra en equilibrio de traslacin cuando la resultante de las fuerzas que lo afectan es cero.

0== FR

Cuerpo en equilibrio F2 F3 F1 F4

Polgono vectorial cerrado

3.2.2. Teorema de Lami

Si un cuerpo est en equilibrio debido a la accin de tres fuerzas, stas debern ser: 1. Coplanares y concurrentes 2. Una de ellas ser igual pero opuesta a la resultante de las otras dos. 3. El mdulo de cada fuerza ser directamente proporcional con el seno del ngulo que se opone a su correspondiente direccin.

3Fr

2Fr

1Fr

senF

sen

Fsen

F 321==


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4. PROCEDIMIENTO

Verificacin del dinammetro. Ensamblar todas las piezas como se ve en la figura 1.

Pesas

Varilla

GrapaNuez doble

Base

Figura 1. Primer montaje para la verificacin del dinammetro.

Ingrese al programa Data Studio, al ingresar al sistema lo recibir la ventana de bienvenida siguiente

Figura 2. Ventana de bienvenida del Data Studio.


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Haga clic sobre el cono CREAR EXPERIMENTO y seguidamente reconocer los dinammetros previamente insertados a la interfase Power Link.

Haga clic en el icono CONFIGURACION y seleccione tiro positivo a una frecuencia de 50 Hz. Luego presione el icono del SENSOR DE FUERZA 1 luego seleccione numrico y cambie a 2 cifras despus de la coma decimal. Seguidamente arrastre el icono MEDIDOR DIGITAL sobre cada uno de los dinammetros. Usted vera aparecer una ventana como la siguiente

Figura 3. Ventana de seal digital. Al hacerle doble clic sobre el icono del sensor de fuerza y seleccionar el

icono NUMRICO usted podr agregar la cantidad de cifras despus del punto decimal. Trabaje con 2 cifras. Segn informacin proporcionada por el fabricante la mnima lectura que proporciona el equipo es de 0.03 N y la mxima 50 N. Una vez colocado de esta manera y sin ninguna fuerza adicional apriete el botn Zero colocado sobre el mismo sensor.

Ahora determine el peso de una pesa, luego de dos, tres y cuatro pesas respectivamente. Anotando la lectura del dinammetro en la tabla 1. TABLA 1 Cantidad de pesas 1 2 3 4 5

Peso (N) Lectura P P

Observacin:

Podemos tomar a P como el error instrumental del equipo que es la mnima lectura que efecta entre 2. Segn informacin proporcionada por el fabricante laminita lectura del sensor fuerza es de 0,03 N.

4.1.1. Con sus palabras defina el concepto de fuerza. 4.1.2. Cmo hizo para representar una fuerza?

4.1.3. Es la fuerza un vector? Por qu? Dar ejemplos de otras magnitudes fsicas vectoriales.


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Accin y reaccin.

Haga clic sobre el icono CONFIGURACIN, seleccione la opcin tiro positivo que tiene para el sensor de fuerza 1 y la opcin empuje positivo para el sensor de fuerza 2, ambos a 50 hz. Ambos deben tener 2 dgitos despus de la coma decimal.

Arrastre el icono GRFICO sobre el sensor de fuerza 1. Usted ver

aparecer la ventana de un grfico de fuerza en funcin del tiempo. Luego arrastre el icono GRAFICO 1 sobre el sensor de fuerza 2. As quedar un grfico con dos ejes Y coordenados de fuerza (para cada sensor) que comparten el eje X (tiempo).

Seguidamente mientras usted tira de los dinammetros como se

muestra en la figura 4, otro compaero grabar los datos obtenidos.

Figura 4. Segundo montaje.

Los cuales deben quedar similares a los obtenidos en la figura 5,

observe que se encuentras los datos de ambos dinammetros.

Figura 5. Resultado del segundo montaje.

4.2.1. Cules son los mximos y mnimos valores obtenidos? Utilice el cono

estadsticas.

4.2.2. A qu se debe la forma tan peculiar de la figura? Haga otra grabacin para observar si conserva el contorno cerrado.

4.2.3. Finalmente A qu ley de Newton se ajusta los resultados obtenidos? Por

qu?


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Paralelogramo de fuerzas concurrentes.

Ensamble las piezas como se muestra en la figura 6, de tal manera que obtenga F1 = 0,8 N y F2 = 0,8 N, de las seales digitales de los dinammetros.

Figura 6. Tercer montaje.

Estableciendo una escala a las fuerzas, dibuje un paralelogramo midiendo el valor de la diagonal (FR ). Anote los valores medidos en la tabla 2.

TABLA 2.

F1 (N)

0,8

1,1

1,0

F2 (N)

0,8

1,1

0,5

FR (N)

P (N)

1 ()

2 ()


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DIBUJADO POR: ESCALA

FR =

FECHA


9


FR =

FECHA


10


FR =

FECHA


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Ensamble las piezas tal como se observa en la figura 7, de tal manera que 1 = 2 = 20.

Transportador

0

Figura 7. Cuarto montaje

Estableciendo una escala a las fuerzas, dibuje un paralelogramo midiendo el valor de la diagonal. Anote los valores medidos en la tabla 3.

TABLA 3

1 ()

10

20

40

2 ()

10

20

40

F1 (N)

F2 (N)

FR (N)

P (N)


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FR =

FECHA


13


FR =

FECHA


14


FR =

FECHA


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4.3.1. Compara la fuerza resultante con la fuerza originada por las pesas P. Qu puede concluir?

4.3.2. Una persona desde su casa camina 12 cuadras hacia el Norte y luego camina

otras 16 hacia el Este. Entonces en el regreso ms corto Caminar 28 cuadras? Justifique su respuesta usando vectores.

4.3.3. Es el peso una fuerza? Explique. 4.3.4. Qu significa equilibrio? 4.3.5. Significa entonces que un cuerpo en equilibrio est necesariamente en reposo.

4.4. Aplicacin


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Con el empleo de una cuerda la que ser ubicada segn se muestra en la figura 8, determinaremos el valor de una masa desconocida.

Figura 8. Quinto montaje

Emplee el transportador para medir los ngulos necesarios formados por la cuerda y determine Mx. Repita la operacin dos veces ms, desplazando uno de los ganchos o ambos. Con estos resultados, halle un promedio para Mx

TABLA 4

F1

1

F2

2

P(N)

Mx (kg)

MPROMEDIO =

Kg


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4.4.1. Por qu es importante hallar una fuerza resultante? 4.4.2. Cul es la diferencia entre fuerza y fuerza resultante? 4.4.3. Generalmente se considera que al existir una fuerza resultante un cuerpo se

mueve. Por qu no se mueven las pesas?

5. OBSERVACIONES

5.1. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.2. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.3. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________


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6. CONCLUSIONES

6.1 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.2 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.3 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

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