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LABORATORIO FISICA GENERAL UNAD

SIRLEY PERDOMO GUZMAN INGENIERIA INDUSTRIAL Identificación: 39463471 Grupo 53

DIRECTOR DE CURSO Edson Daniel Benítez Rodríguez

FISICA GENERAL

VALLEDUPAR CESAR 01/08/2020

UNIDAD 1: MEDICIÓN Y CINEMÁTICA. TEMÁTICA: MOVIMIENTO EN DOS DIMENSIONES

Tiro parabólico

Se realiza en el simulador disparo de cañón para demostrar las componentes de un tiro parabólico. El ensayo se realiza aplicando una Vo=18m y un Angulo de inclinación de 30º 

Desplazamiento horizontal máximo alcanzado 28,60 metros

x Máx =0+ 

( 18 )2 sin 2(30) =28,60m 9.81

Tiempo de vuelo

t v=

2(18)sin (30) =1.83seg 9.81



Altura máxima alcanzada por el proyectil

y Máx=0+

●

( 18 )2 ( sin 30 )2 =4,13 m 2(9,81)

Posición del proyectil en cualquier instante de tiempo t

x ( t )=x 0 +V 0 x t

1 y ( t ) = y 0+ V 0 y t − g t 2 2

Para cuando t=0,5seg

Cuando t= 0.92seg

Para t=1,5seg

Modelo grafico en Excel.

UNIDAD 2: DINÁMICA Y ENERGÍA. TEMÁTICA: LAS LEYES DE MOVIMIENTO Y SUS APLICACIONES

∑ ⃗F =m∗⃗a Segunda ley de Newton. Cuando se encierra entre corchetes rectos las expression de una ley física, se indica que se realizará el análisis dimensional de la expresión, con la cual se busca verificar y en algunos determinar las unidades de medida de alguna cantidad física. Para el caso de la segunda ley de Newton se tiene que:

[ ⃗F ]= [ m. ⃗a ]

[ ⃗F ]=M . L2 T

Donde M (Masa), L(Longitud) y T (Tiempo) en el sistema internacional de medidas (S.I.) representan el kilogramo, el metro y el segundo respectivamente, por lo tanto, se tiene que las unidades de medida de la fuerza en el S.I. están determinadas por:

[ ⃗F ]=k g . m2 =N (Newton) s

Se tiene entonces que el Newton (N), es la unidad de la fuerza en el sistema internacional, en honor a Isaac Newton1 (1642-1727)

1. Identifique las fuerzas que actúan sobre el sistema y realice el diagrama de cuerpo libre (D.C.L.) para cada una de las masas que conforman el sistema físico, esto significa que se debe realizar un D.C.L. por cada 1

masa del sistema. Sugerencia: se recomienda que uno de los ejes del sistema de referencia (Plano cartesiano), sea paralelo a la dirección del desplazamiento del objeto, con el fin de disminuir la extensión en los cálculos. 2. Plantear la segunda ley de Newton para cada una de las masas. NOTA: Se debe plantear la segunda ley de Newton a cada masa de manera independiente para cada eje, esto significa que, si sobre una masa actúan fuerzas sobre dos ejes diferentes, entonces, para cada eje se debe plantear la segunda ley de Newton y, por lo tanto, para esa masa se tendría dos ecuaciones de movimiento, una por cada eje. ¿Qué sucede con el tiempo si se aumenta la masa colgante y se deja fijo el valor de la masa del carro?

Coloque el máximo valor de la masa en el carro y el mínimo en la masa colgante; si la diferencia de masas es de 1(masa colgante) a 10 (masa del carro), ¿Por qué es posible que el carro se mueva?

ACTIVIDAD 1: método experimental para determinar la aceleración (m1=m2) A. Modifique los valores de la masa del carro y en la masa colgante, de tal manera que estas sean iguales (m1=m2) según la siguiente clasificación:

B. Teniendo el valor del coeficiente de fricción y de las masas identificadas, escríbalas en el respectivo espacio de la tabla 4. Realice el primer lanzamiento para una distancia de 0.1 m (10 cm) y registre el tiempo que el carro utiliza para recorrer esa distancia en la tabla 4, repita este proceso para todas las distancias que el simulador permite modificar. C. ; masa del carro; masa colgante 1. m1=10__kg (carro)

Coeficiente de fricción 0,001

m2=10_kg (colgante)

Tiempo(s)

Distancia

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

(m)

Tabla 4. Datos del tiempo y distancia para el caso en que m 1=m2.

D. Realice la gráfica de Posición (x) Vs tiempo (t), para las 10 parejas ordenadas (t, x) de la Tabla 4 y determine la ecuación de movimiento por medio de una regresión parabólica (registre los datos en una hoja de cálculo Excel, selecciónelos, haga clic en insertar gráfica XY Dispersión – puntos-, posteriormente, haga clic secundario del mouse sobre los puntos de la gráfica y del menú que aparece, seleccione “polinómica” de las opciones de la línea de tendencia de la gráfica y “Presentar ecuación en el gráfico”) E. Con base en la ecuación arrojada por la hoja de cálculo en el literal anterior (C) y teniendo en cuenta que la ecuación de movimiento de un cuerpo que describe un M.U.A está determinada por la expresión

1 x f =xi +ϑ xi ∙ t+ a ∙ t 2, donde x i , ϑ xi , a x son la posición inicial, la velocidad 2 x

inicial y la aceleración del carrito, respectivamente, determine por inspección los valores numéricos de estas cantidades. ACTIVIDAD 2: método experimental para determinar la aceleración (m1≠m2) En la actividad 2, cada estudiante trabaja con el valor de la masa asignada para m1, según la tabla 3 y de manera libre selecciona algún valor para m 2 diferente a m1 (m1≠m2), registra los valores de las masas en la tabla 5 y repite los procesos descritos en los literales B al D de la actividad 1. m1=_____kg (carro)

Coeficiente de fricción ___ Tiempo(s)

Distancia (m)

0,2 0,1

0,28 0,2

0,35 0,3

0,4

0,5

0,6

m2=_____kg (colgante) 0,7

0,8

0,9

1,0

Analice los resultados obtenidos en las actividades 1 y 2, y a partir de este análisis, presente las respectivas conclusiones con respecto a los valores de las aceleraciones obtenidas. ACTIVIDAD 3: método teórico para determinar la aceleración. A. Realice en la tabla 6 el diagrama de cuerpo libre (D.C.L.) para las masas m1 y m2 (Recuerde que el D.C.L, consiste en un diagrama vectorial en el que se representan todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo u objeto) DCL para m1: FUERZAS ACTÚAN SOBRE m1.

QUE DCL para m2: FUERZAS ACTÚAN SOBRE m2.

QUE

B. Utilizando los D.C.L. de la tabla 6 y aplicando el método newtoniano presentado en la fundamentación teórica, presente el proceso para demostrar que para el sistema masa carro (m 1)- masa colgante (m2), se cumple que

W 2−f =a( Ecu. 1) m1 +m2 donde es el peso de la masa colgante y f es la fuerza de fricción entre el carro y la superficie. C. A partir de la ecuación 1 del literal anterior, determine los valores de la aceleración y la tensión de las actividades 1 y 2. Compare los resultados obtenidos y presente las respectivas conclusiones a partir de estos.

Nota :señor profesor . Yo estaba realizando este punto cuando cerraron la entrega y por motivos personales lo termine aun así lo adjunte aquí

Ejercicios 3 energías Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica: 1. Haga clic en el botón para avanzar/detener. Arrastre el patinador con el ratón para colocarlo en su punto de referencia superpuesto a la pista cerca al extremo izquierdo de ésta. El patinador adaptará su orientación a la de la pista y quedará en estado de reposo. Haga clic de nuevo en el botón para avanzar/detener y de esta forma iniciar el movimiento; el patinador quedará deslizándose de ida y vuelta a lo largo de la pista. Observe cualitativamente las variaciones en su rapidez, tanto observando directamente al patinador, como relacionando esa observación con el movimiento de la aguja del velocímetro. Explique el comportamiento del móvil con base a la energía, ayudándose del gráfico de barras.

en el punto de reposo del patinador la energía potencial es máxima debido a la altura y la cinetica es 0 Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa: 2. Mediante el selector de tipo de pista, seleccione la pista montaña rusa. Efectúe el mismo procedimiento que se realizó para la pista parabólica en el ítem 1.

En la pendiente tipo ruso se da una variación de las pendientes ocasionando una alternancia en las energías potencial y cinética en los diferentes puntos de inflexión ACTIVIDADES TEÓRICAS Y PRÁCTICAS. ACTIVIDAD 1. Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa: 3. Punto de retorno: Las líneas de división horizontales de la cuadrícula marcan altura sobre el terreno. Coloque el punto de referencia del patinador (Punto de color rojo que se encuentra en la patineta, justo en medio de los pies del patinador) en el punto donde la línea de altura 1.0 m intercepta la pista. Inicie el movimiento a partir de esa posición (y 0). Observe el punto de máximo desplazamiento en el extremo derecho del recorrido (punto de retorno). Registre su altura en la tabla 2. Repita el anterior procedimiento para alturas iniciales de otros valores y complete la tabla 2 con los valores medidos: y0 (m) yretorno(m) 1.0 3.0 4.0 5.0

1.0 3.0 4.0 3.0

Tabla 2. Alturas iniciales y alturas de retorno

4. Explique los resultados obtenidos en términos de conservación de la energía mecánica.

UNIDAD 3: TEOREMAS DE CONSERVACIÓN. TEMÁTICA: TEOREMA DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA Y SUS APLICACIONES. ACTIVIDAD 1. Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa: Práctica de la sesión 3 “Conservación de la energía mecánica”

Según la figura 7, en el selector de tipo de pista hay tres íconos que funcionan como botones para elegir la forma de pista: ● Pista parabólica. ● Pista para descenso. ● Pista montaña rusa. Según la figura 7, en el cuadro para activar medidores usaremos los siguientes controles (de arriba hacia abajo): ● Interruptor para mostrar gráfico de barras. ● Interruptor para mostrar cuadrícula. ● Interruptor para mostrar velocímetro. ● Control deslizante para ajustar la masa del patinador. PROCEDIMIENTO 5. La ventana del simulador tiene tres sub-ventanas, cuyas pestañas en la parte superior izquierda están marcadas: “Introducción”, “Fricción” y “Patio”. Solo usaremos la primera para nuestro laboratorio. En esta subventana, “Introducción”, realice todo tipo de ensayos para familiarizarse con el funcionamiento del simulador. Finalmente haga clic en el botón para reinicializar simulador y nos queda listo para comenzar el laboratorio. Activación de medidores: 6. Maximice la ventana del simulador. En el cuadro para activar medidores, haga clic en el cuadrito correspondiente a los siguientes interruptores: interruptor para gráfico de barras, interruptor para cuadrícula, interruptor para velocímetro, como se ilustra en la figura 8. Nota: La simulación no indica el valor de gravedad que usa. Además, el velocímetro no tiene rótulos de números o unidades. Sin embargo, algunos ensayos sencillos relacionados con energía muestran que la gravedad se ha tomado como 10 m/s2 y que cada división (Rayita) del velocímetro corresponde a 1 m/s (la escala va entonces de 0 a 20 m/s). Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica: 7. Haga clic en el botón para avanzar/detener. Arrastre el patinador con el ratón para colocarlo en su punto de referencia superpuesto a la pista cerca al extremo izquierdo de ésta. El patinador adaptará su orientación a la de la pista y quedará en estado de reposo. Haga clic de nuevo en el botón para avanzar/detener y de esta forma iniciar el movimiento; el patinador quedará deslizándose de ida y vuelta a lo largo de la pista. Observe cualitativamente las variaciones en su rapidez, tanto observando directamente al patinador, como relacionando esa observación con el movimiento de la aguja del velocímetro. Explique el comportamiento del móvil con base a la energía, ayudándose del gráfico de barras.

en el punto de reposo del patinador la energía potencial es máxima debido a la altura y la cinética es 0

Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa: 8. Mediante el selector de tipo de pista, seleccione la pista montaña rusa. Efectúe el mismo procedimiento que se realizó para la pista parabólica en el ítem 1.

En la pendiente de tipo Ruso se da una variación de las pendientes ocasionando una alternancia en las energías potencial y cinética en los diferentes puntos de inflexión. ACTIVIDADES TEÓRICAS Y PRÁCTICAS. ACTIVIDAD 1. Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa:

y0 (m) 1.0 3.0 4.0 5.0

yretorno(m) 1.0 3.0 4.0 3.0

9. Explique los resultados obtenidos en términos de conservación de la energía mecánica. Cuando los valores están en 3 la altura máxima es 3 pero cuando está en 5 su valor cambia a tres 3 y van disminuyendo su velocidad a medida que disminuye la altura también cambia el desplazamiento ACTIVIDAD 2. Puntos de extremos locales: Esta actividad solamente debe ser desarrollada por los estudiantes cuyo último dígito de la cedula es 0, 1, 2, 3 o 4. 10.

Use el conmutador de cámara normal/lenta para seleccionar cámara lenta. Coloque el punto de referencia del patinador en el punto donde la línea de altura 5 m intercepta la pista. Ese lo llamaremos el Punto A. Inicie el movimiento a partir de esa posición. Los Puntos B, C y D serán los otros tres puntos donde la pista tiene extremos locales, como lo muestra la figura 9.

Desarrollo de ejercicio en simulador

11.

Procederemos a medir la rapidez del móvil en el punto B. Para ello, haga clic en el botón para avanzar/detener un poco antes de que el móvil llegue a B, luego haga clic en el botón para paso varias veces hasta que el punto de referencia del patinador quede ubicado en la posición del punto B. En ese momento puede usted tomar la lectura de rapidez en el velocímetro. Haga algo semejante para medir la rapidez con que el móvil pasa por los puntos C y D. Registre sus valores en la tabla 3. Desarrolle el modelo teórico2 que permite predecir las velocidades de los puntos B, C y D a partir de la posición del punto A. Agregue columnas a la tabla para que quede de esta manera: Análisis de puntos extremos para el caso y0 = 5.0 m

Punto B C 2

Rapidez experimental (m/s) 5.5 4.0

Altura (m) 0m 2m

Rapidez teórica (m/s) 5.3 3.81

Error Porcentual 0.2 0.19

D

4.2

1m

4.02

0.18

El punto A tiene una altura de 5 m y el punto final tiene una altura de 3.57 m

del movimiento en la pista para descenso. Esta actividad solamente debe ser desarrollada por los estudiantes cuyo último dígito de la cedula es 5, 6, 7, 8 o 9. 12. Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el mínimo valor de masa. Mediante el selector para tipo de pista active la pista para descenso (la del centro). Ahora examinaremos el movimiento que toma lugar si liberamos el móvil desde el punto de altura y 0 = 7.0 m. Con los valores observados complete la tabla 4.

y (m) 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

Vexp (m/s) 0.0 4 6 8 9 10 11 12

vexp2 (m2/s2) 0.0 16 36 64 81 100 121 144

Tabla 4. Rapidez experimental para diferentes alturas con el mínimo valor de la masa.

13.

Las lecturas de velocidad para cada altura se pueden tomar aplicando el método usado en el ítem 8 (pausa y pasos en cámara lenta hasta llegar al punto preciso). Independiente de estos datos, desarrolle el modelo puramente teórico para obtener una ecuación que exprese la velocidad en función de la altura de cualquier punto de la pista, es decir,

v=f ( y). NOTA: este paso consiste en resolver el siguiente problema simbólico: “Una pista curva sin rozamiento está ubicada dentro del campo gravitatorio g de modo que su plano es vertical. Un pequeño cuerpo es apoyado sobre ella en un punto de altura y0 y liberado desde el reposo. Determine la rapidez del cuerpo en el instante que pasa por un punto de altura y en la pista3.” La función v=f ( y) resulta ser no lineal. Para transformarla en una función lineal, elévela al cuadrado. El resultado será de la forma v 2=q( y), donde q es una función lineal, o sea de primer grado en la variable y.

Ef =Ei ( K +U )f =(K + U)i 1 1 m v 2f +mg h f = m v 2i+ mgh i 2 2 1 m v 2f =mgh i 2 v 2f =

mg hi 1 m 2

v 2f =

g hi 1 2

v 2f =2 g hi 14.

3

Ahora vamos a confrontar los resultados experimentales contra el modelo teórico. Aplicaremos el método profesional para análisis de datos experimentales, que consiste en determinar una fórmula matemática empírica que represente fielmente esos datos. Se busca en lo posible que sea una función lineal, lo cual con frecuencia es fácil de lograr mediante cambios apropiados de variable. Los análisis teóricos nos llevan a ensayar, para este experimento, un ajuste de datos experimentales de la siguiente forma: en una hoja de cálculo como por ejemplo Excel, registre las parejas ordenadas de la tabla 4, como puntos en un plano cartesiano, donde el eje “x” represente la altura y en metros y el eje “y” represente la rapidez al cuadrado 𝑣2 en m2/s2; consigne estos valores en la tabla 4 (Columna con las velocidades experimentales al cuadrado). Luego superponga en la misma gráfica la recta de regresión lineal, es decir, la recta que mejor se aproxime a esos puntos según el criterio de los mínimos cuadrados. Solicite a la hoja de cálculo (Excel)

que exhiba la ecuación de la recta obtenida. Entonces, en lugar de comparar cada velocidad experimental contra la correspondiente teórica, se hace una única comparación global entre la pendiente experimental de la relación 𝑣exp2 Vs y (altura) y la pendiente de la misma relación proveniente del análisis teórico4. Consigne los resultados en la tabla 5:

Análisis de la relación vexp2 Vs y Pendiente Pendiente Error experimental teórica porcentual 21,07 20 5,3 Tabla 5. Pendiente experimental y teórica.

E R=

|20−21,07| 20

100=5,3

ALTURA VS VELOCIDAD

Tabla 4

4

y (m)

vexp2

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0

0.0 16 36 64 81 100 121 144

Altura vs velocidad 160 140

f(x) = 21.07 x − 4

120 100 80 60 40 20 0

0

1

2

3

4

5

6

7

APLICACIÓN TEOREMA ENERGIA

Aplicación teorema energia

y (m)

vexp2

6 5 4 3 2 1

10,9544512 10 8,94427191 7,74596669 6,32455532 4,47213595

4 6 8 9 10 11

8

f(x) = 0

Aplicación teorema energia Linear ()

Linear ()

Linear ()

Linear ()

12 10 8 6 4 2 0

0

2

4

6

8

10

12

Efecto de la masa en el movimiento Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el máximo valor de masa. Con la misma pista, la de solo descenso, repita el procedimiento completo de los ítems 10, 11 y 12, para el mismo valor de la posición inicial: y0 = 7.0 m. Explicar resultados en base a la teoría.

1 1 m v 2f +mg h f = m v 2i+ mg 2 2

Nota : profesor cualdo cambio la masa me dan los mismos resultados ya que la masa se elimina en las ecuaciones no es relevante no altera el resultado .