Laboratorio Ondas y Calor

F.I.M.E. Ciencias Básicas U.A.N.L.

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FUNDAMENTACION DEL LABORATORIO DE

ONDAS Y CALOR La Física es una ciencia experimental. Esto quiere decir que los principales hechos, leyes y teorías Físicas están basadas en experimentos o han sido comprobadas mediante experimentos. Recordemos los famosos experimentos de Galileo con planos inclinados, realizados para estudiar las características del movimiento mecánico. Recordemos el experimento de Michelson y Morley para detectar la existencia del éter, que sirvieron de base para el desarrollo de la Teoría Especial de la Relatividad, por parte del Físico Albert Einstein. Muchos experimentos han sido realizados a lo largo de la historia de la Física y se realizan cada momento, en los laboratorios de todo el mundo. En los salones de clase se estudian las leyes y teorías, pero ¿cómo hacer para comprobar el cumplimiento de estas leyes y teorías en las situaciones reales?. Pues realizando experimentos. Realizar experimentos es la principal tarea que desarrollaremos en el laboratorio. Un gran físico mencionó: “Experimentar es preguntarle a la naturaleza, para que nos permita conocer el mundo en que vivimos”. Pero ¿cómo se realizan estas preguntas?, ¿cómo se debe desarrollar un experimento?. En las Ciencias experimentales existe un método para el desarrollo de las investigaciones. Se conoce como el Método Científico Experimental. En realidad no es un único método, existen muchas variantes, que cada científico adapta a su forma de trabajar y pensar. Sin embargo existen una serie de etapas, que prácticamente podemos reconocer en cualquier investigación científica. Algunas de ellas son: determinar el problema que queremos investigar, pensar, suponer, formular hipótesis acerca de cómo creemos que se resuelve el problema planteado, planificar el experimento a realizar para comprobar la hipótesis planteada, realizar el experimento, elaborar los datos, obtener conclusiones, exponer los resultados, etc. Estas habilidades son importantes para profesionistas de cualquier especialidad en el mundo moderno. Pensemos ¿solamente los científicos analizan información?, ¿solamente los físicos formulan hipótesis sobre la solución de un problema?. Claro que no. Es común en el trabajo de los Ingenieros el tener que realizar tareas como éstas. Por ello en este laboratorio las prácticas están dirigidas a desarrollar habilidades relacionadas con la aplicación del Método Científico Experimental, importantes para el trabajo futuro de cualquier profesionista. Desarrollar la independencia, aprender a obtener conocimientos por sí mismo, colaborar con sus compañeros para llegar a un resultado, exponer y defender su trabajo ante los demás estudiantes del grupo, son algunas de las habilidades que se desarrollarán durante las sesiones de laboratorio. Recordemos que el laboratorio es el lugar de que disponemos para sentirnos Científicos y para trabajar como tales, aunque sea por un día.


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LABORATORIO DE ONDAS Y CALOR

REGLAMENTO PARA EL ESTUDIANTE

1. El estudiante deberá presentarse puntualmente a su práctica de laboratorio. Tendrá un margen de 15 minutos después de la hora para ingresar al laboratorio, esto se considerará como retardo. Dos retardos se contarán como una falta de asistencia.

2. Aquel estudiante que acumule dos faltas de asistencia, causará baja del

laboratorio.

3. El estudiante deberá haber leído el contenido de la práctica antes de realizarla.

4. Cada estudiante deberá entregar un reporte de la práctica desarrollada en la sesión anterior para su revisión. En caso de no entregarlo, su calificación para esa sesión será cero.

5. En la evaluación del reporte se considerarán los siguientes puntos:

• Presentación (Limpieza y Ortografía).

• Validación de su Hipótesis.

• Conclusiones

6. El estudiante deberá realizar su práctica únicamente en la brigada que esté

inscrito.

7. El estudiante tendrá la responsabilidad de cuidar las instalaciones así como del equipo de laboratorio que esté utilizando.

8. Es muy importante la disciplina y los buenos modales dentro del laboratorio, por lo que cualquier indisciplina puede ocasionar la suspensión automática como alumno en el laboratorio.

9. Lo no previsto en este reglamento estará sujeto al reglamento interno de nuestra facultad.


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METODO CIENTIFICO EXPERIMENTAL

Cualquier trabajo que implique cierta complejidad requiere de un método ordenado de proceder para alcanzar un fin determinado. En este marco si se trata de realizar un trabajo científico hace falta tener un método y como estamos hablando de una ciencia experimental, la Física, nos referimos al Método Científico Experimental, que aunque no es exclusivo de esta ciencia, por cuanto es aplicable a todas las ciencias experimentales e incluso en la solución de problemas de otras áreas del conocimiento humano, si tuvo su surgimiento en la Física. Lógicamente no existe un único método científico, pero si un conjunto de pasos que más o menos son comunes a todas las variantes que pueden presentarse en cuanto a tipo de investigación o rama de la ciencia. Así proponemos, para su utilización en las prácticas de laboratorio, el siguiente esquema del método científico experimental.

1. Formular el problema a investigar 2. Plantear una hipótesis de trabajo 3. Realizar el diseño del experimento para comprobar la hipótesis

planteada. 4. Desarrollo del experimento (observación, medición, etc.) 5. Elaboración y análisis de resultados 6. Obtención de conclusiones 7. Informe de lo realizado.

De esta forma el planteamiento del trabajo en el laboratorio de Física debe estar dirigido a desarrollar en los estudiantes la capacidad de aplicar el Método Científico Experimental, en una u otra variante, a situaciones experimentales concretas. El desarrollo de habilidades como plantearse un problema, formular hipótesis, diseñar experimentos para comprobarlas, desarrollar experimentos, analizar los resultados, elaborarlos y formular conclusiones son habilidades que el futuro profesionista necesita en cualquier rama de la ciencia o la técnica en que realice su trabajo y los experimentos de Física presenta un escenario ideal para el desarrollo de estas habilidades, que no se debe desperdiciar. Mario Bunge, señala que el Método Científico es un rasgo característico de la Ciencia; donde no hay método científico no hay ciencia. De la misma forma se señala en la obra sobre Metodología del Conocimiento Científico que no hay ni puede haber Ciencia sin método Científico y que ambos (ciencia y método científico o pensamiento Científico y método científico) van unidos indisolublemente.


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De aquí se puede extraer la conclusión de que los cursos de Ciencia y en particular de Física, deben utilizar cada posibilidad para mostrar a los estudiantes la aplicación de los métodos de trabajo de la ciencia, no podemos decir que tendrá una verdadera cultura científica. En ocasiones el estudiante sale de los cursos de física con la idea de que esto no es mas que una colección de fórmulas que algún “gran genio” obtuvo, quién sabe cómo, y que a él en particular se las brinda “otro genio”, en este caso el profesor. Por otra parte no parece que ese conjunto de fórmulas tenga algo que ver con el mundo real que existe fuera de las aulas, con los procesos productivos con la sociedad, con la contaminación del medio ambiente, con las guerras. Este estudiante es el que a veces pregunta en las aulas “¿y para qué sirve todo eso?”, mostrando con esa pregunta que nunca se le planteó que el inicio del estudio que dio origen a esa fórmula muy probablemente estuvo dado por un problema a resolver de una necesidad productiva, o social, y qué el método que se empleó para resolver el problema fue el Método Científico. Esto es esencial en cada curso de Física. El método Científico no puede ser presentado como aquella “receta ideal” siguiendo la cual se puede resolver cualquier problema, sino como un conjunto de fases de una investigación, fundamentales en la experiencia y que en particular deben ser elegidas de acuerdo al caso que se estudie y que el propio investigador debe saber seleccionar. Los métodos de impartición de las clases deben ser tales que permitan no solo que se le explique al estudiante en qué consiste el Método Científico, sino que se vea en la necesidad de aplicarlo para resolver situaciones que se le presenten. Es muy importante sobre todo que la aplicación, por parte del estudiante de un método de trabajo (en este caso el Método Científico), no sea porque el profesor se lo ordenó, sino porque él vea que el método que se le sugiere puede en realidad serle útil para resolver la situación que tiene ante sí, o sea se vea en la necesidad de aplicarlo y note sus ventajas de trabajar de acuerdo a este método y no sin ninguna estrategia. Aquí ya se ve que los métodos de impartición, que se utilicen en las clases, tienen que ser modificados y permitir un trabajo más independiente a los estudiantes. En particular en las prácticas de laboratorio debe eliminarse la tendencia a darle a los estudiantes una lista de instrucciones con todo lo que debe hacer en la clase: “mida aquí, anote allá, calcule esto, llene esta tabla y utilice esta fórmula”, que lamentablemente es muy utilizada en la mayoría de los centros de enseñanza con relación a las prácticas de laboratorio. ¿De qué método Científico estamos hablando si la persona lo que está haciendo es seguir una “receta de cocina” elaborada por el profesor?. En estas prácticas de laboratorio se pone de manifiesto que el profesor está orientando la actividad fundamentalmente al supuesto desarrollo de la asimilación del contenido y de habilidades relacionadas con la medición de magnitudes o el manejo de determinados equipos e instrumentos. Esto, sin embargo, no es lo esencial ni es efectivo. El profesor debe reorientar su papel en el aula: de “experto” con todas las soluciones a la mano, a facilitador con mayor experiencia, pero dispuesto a discutirlas con todos y aceptar ideas contrarias.


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BIBLIOGRAFIA:

1. J.L. López Cano, “Método e hipótesis científicos”, Ed. Trillas, Nov. 1990, Pags 63-105.

2. H.G. Riveros, L. Rosas, “El Método científico aplicado a las ciencias experimentales”, Ed. Trillas, Ag 1991, pags. 51-81.

3. F. Arana, “El Método experimental para participantes”, Ed Joaquín Mortiz, En. 1990, pags. 13-21.


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INTRODUCCION AL LABORATORIO DE ONDAS Y CALOR En el laboratorio de Mecánica Traslacional y Rotacional se desarrollaron una serie de experimentos dedicados al estudio de fenómenos que tiene que ver con el movimiento mecánico de los cuerpos. Como método para el trabajo en el laboratorio utilizamos el Método Científico Experimental, característico del trabajo de los científicos. En este laboratorio de Ondas y Calor continuaremos aplicando el Método Científico Experimental, pero para el estudio de fenómenos de otro tipo. Como el Método Científico es una estrategia para desarrollar cualquier investigación en cualquier área de la Ciencia y de la Física en particular, su aplicación en la solución de problemas en otros temas de Física es igualmente válida. Los fenómenos que estudiaremos en este laboratorio se relacionan con temas como las oscilaciones de diferentes sistemas mecánicos, la propagación de ondas mecánicas y del sonido, las características de los fluidos en reposo y la Física del calor. Todos estos fenómenos tienen gran aplicación práctica y su estudio nos posibilitará el comprender mejor muchos dispositivos y técnicas utilizados ampliamente en la industria y en nuestra vida diaria. ¿Cómo ocurren las oscilaciones en los péndulos?, ¿a qué velocidad se propagan las ondas?, ¿por qué la velocidad del sonido depende de la temperatura?, ¿por qué flotan los barcos?, ¿cómo ocurre la dilatación de los cuerpos al aumentar la temperatura?, son algunas de las preguntas que podremos discutir durante el desarrollo de las prácticas de laboratorio de Ondas y Calor. Se realizarán las prácticas con el enfoque de que el trabajo independiente de los alumnos es fundamental para que las mismas permitan el desarrollo de habilidades de tipo general como son: el trabajo en equipo, la cooperación entre todos para resolver una tarea común, el formular hipótesis sobre un problema determinado, el observar regularidades de fenómenos, elaborar informes, exponerlos obtener conclusiones, etc. Pero ante todo el éxito del trabajo en el laboratorio depende en gran medida del interés y la dedicación que los estudiantes aporten al mismo. Por ello es importante que todos vayamos al laboratorio pensando que este es el lugar para realizar un trabajo interesante, que en el futuro nos será de gran utilidad.


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PRACTICA # 1

SISTEMAS OSCILANTES

OBJETIVO: Encontrar la dependencia del período con otras variables en un sistema oscilatorio. INTRODUCCIÓN: Uno de los movimientos mas importantes observados en la naturaleza es el movimiento oscilatorio (periódico o vibratorio). Una partícula oscila cuando se mueve periódicamente a la posición de equilibrio, es decir el movimiento ocurre cuando la fuerza sobre el cuerpo es proporcional al desplazamiento del cuerpo a partir del equilibrio, si esta fuerza actúa siempre hacia la posición de equilibrio del cuerpo hay un movimiento repetitivo hacia Adelante y hacia atrás alrededor de esa posición. Todo movimiento simple o complejo, que se repite a intervalos regulares de tiempo recibe el nombre de Movimiento Periódico. El tipo mas sencillo de movimiento oscilatorio es el denominado Movimiento Armónico Simple (MAS), este movimiento nos ayuda a describir movimiento mas complejos que son aproximadamente armónicos simples como el balanceo de un péndulo de reloj o del volante de un reloj de pulsera y la vibración de un diapasón. DESARROLLO: En el laboratorio de Física I, se adquirió la habilidad de análisis y planeación de experimentos antes de dar inicio a un proceso de medición, crear una hipótesis e incluso llegar a comprobar la hipótesis, aplicando el Método Científico Experimental. En este laboratorio de Física II, se hará énfasis en la planeación de experimentos para lograr con esta habilidad para experimentar. A continuación se enfrentará con distintas situaciones donde tendrá que hacerse una simulación del problema, la simulación debe ser sencilla para que esté cerca de ser comprensible preparándonos la práctica a proseguir mas adelante con nuestro trabajo real en sistemas complicados. En ésta práctica se buscará la dependencia del período con otras variables en un sistema oscilatorio. Se estudiarán 2 sistemas: el péndulo simple y el cuerpo-resorte.


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Recordando que para que se cumpla con el MAS el ángulo respecto a la posición de equilibrio debe ser menor de 12. En los siguientes problemas se sugiere al alumno, que planteé una hipótesis, acerca de la dependencia entre el período de oscilación y alguna variable del sistema, para posteriormente realizar la experimentación para llegar a una comprobación, de no ser así, se replantea la hipótesis, evitando así trabajar a prueba y error. Las problemáticas planteadas son las siguientes:

1. Si el reloj del abuelo que es de péndulo, se atrasa, cómo se debe ajustar la longitud del péndulo para corregir la hora.

2. Un automóvil de 1040 kg. se construye con una armazón soportada por

cuatro resortes. Cada resorte presenta la misma constante de fuerza. Si dos personas que viajan en el interior tienen una masa combinada de 160 kg. Cómo es la frecuencia de vibración del automóvil al pasar por un bache, comparada con la que tendría al subir más pasajeros al auto.

CONCLUSIONES: Concluya acerca de la dependencia del período en cada sistema de oscilación. ¿Se cumplió la hipótesis que formuló? ¿si, no porqué? ¿Qué otras aplicaciones tendríamos para estos sistemas de oscilación? ¿En estos sistemas, porqué el movimiento finalmente se interrumpe? ¿De quién depende la energía total del sistema, en cada sistema de oscilación? Explique, cuando el movimiento en estos sistemas deja de ser periódico.


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PRACTICA # 2

EL PENDULO DE TORSION

OBJETIVO: Analizar el comportamiento de una varilla metálica sometida a un esfuerzo de torsión, por el modelo de Movimiento Armónico Simple (MAS). INTRODUCCION: Como se analizó en la práctica anterior el movimiento oscilatorio es muy frecuente en la naturaleza y en la técnica. Anteriormente se habían estudiado dos casos de sistemas con este tipo de movimiento: el péndulo y el sistema cuerpo – resorte. En esta práctica se analizará otro sistema con características diferentes. Se trata del llamado péndulo de torsión, que consiste en una varilla o hilo de cierta longitud, fijo en uno de sus extremos, y que sostiene en el otro extremo un cuerpo en forma de disco, con determinada masa. Si el disco se gira un cierto ángulo, θ, alrededor de su centro, aplicándole una torsión, y se suelta, el sistema completo realizará oscilaciones debido a que la varilla queda deformada y tiende a regresar a su posición sin deformación, moviendo el disco. Este tipo de sistemas puede encontrarse en algunas aplicaciones prácticas como relojes, ejes de maquinarias, instrumentos de medición, como los galvanómetros balísticos, y algunos tipos de juguetes mecánicos. Por ello su estudio tiene importancia desde el punto de vista de su descripción para sistemas reales, aplicando el modelo de Movimiento Armónico Simple ya aplicado a otros sistemas. DESARROLLO: Experimentalmente se demuestra que el torque recuperador τ, que produce la varilla, es directamente proporcional al ángulo de torsión:

θτ k−= (I)

Recordemos, de la práctica anterior, que para que un sistema realice MAS la fuerza debía ser proporcional al desplazamiento y en sentido contrario. En este caso observamos igual regularidad, con la única diferencia que en lugar de desplazamiento lineal X, se tiene un ángulo ya que el movimiento es de rotación alrededor de un eje (centro del disco).


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El signo negativo de la ecuación (I) indica que el torque tiene sentido contrario a la torsión y la constante k depende de las propiedades elásticas del material de la varilla y se llama constante de torsión. Cada material tiene su valor determinado de esta constante de torsión, que puede encontrarse en diferentes tablas de propiedades de materiales. Por analogía con los sistemas estudiados en la práctica anterior el período de oscilación del péndulo de torsión debe depender de esta constante de torsión. Recordemos que en las expresiones obtenidas del período de los sistemas oscilantes siempre está incluida una propiedad elástica del mismo. ¿Qué otra propiedad del sistema debe estar incluida en la expresión del período?. Aplicando el Método Científico Experimental, formule hipótesis al respecto discutiéndola con su grupo de trabajo. ¿Cómo sería la expresión del período del péndulo de torsión?. Por analogía con las expresiones de la practica anterior formule hipótesis acerca de qué expresión debe corresponder al péndulo de torsión. Su tarea consistirá en determinar la constante de torsión de la varilla de su instalación utilizando las oscilaciones del péndulo de torsión. Planifique un experimento, de acuerdo a la expresión propuesta por su equipo de trabajo, para la determinación de la constante de torsión de la varilla de su instalación. Determine qué mediciones debe realizar y cómo las va a realizar. Observe en la instalación que componentes tiene y que otras características tiene cada una de las componentes. Si para la determinación de la constante de torsión necesita alguna otra propiedad del sistema proponga alguna variante para su cálculo y discútalo con su profesor. Realice las mediciones que planificó, junto a su equipo de trabajo. Elabore las mediciones y determine el valor de la constante de torsión de la varilla de su instalación. Busque en la tabla del laboratorio a qué material corresponde la constante determinada. Tenga en cuenta los errores de las mediciones realizadas. Como resultado de su práctica debe proporcionar el valor de la constante de torsión y el material de la varilla que tiene una constante parecida a la determinada.


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CONCLUSIONES: Presente frente al todo el grupo la planificación de su experimento y los resultados del mismo. ¿Qué tipo de movimiento realiza este sistema?. Proponga algunas mejoras al método de medición. ¿Observó algún efecto sobre el período si la amplitud de las oscilaciones cambiaba?. Concluya acerca de la validez de la expresión, propuesta como hipótesis, para el período de oscilación del sistema estudiado. Si el cuerpo sujeto de la varilla fuera otro, ¿cambiaría por ello el valor de la constante de torsión de la varilla?. De todos los valores obtenidos por los diferentes equipos de trabajo, ¿cuál sería el mejor si se quiere que la varilla se tuerza más para un determinado esfuerzo aplicado?. ¿La de mayor valor o la de menor valor?. Explique por qué. Si se desea que el período de oscilación del sistema, que tiene en su instalación, sea de 1 s, ¿qué valor debe tener la constante de torsión?. ¿Qué otro parámetro del sistema podría variar para que el período de oscilación fuera de 1 s?.


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PRACTICA # 3

ONDAS MECANICAS

OBJETIVO: Determinar la velocidad de propagación de las ondas mecánicas en diferentes medios. INTRODUCCION: Una onda mecánica puede definirse como la propagación de una perturbación en un medio mecánico. Recordemos cuando movemos una cuerda estirada, por uno de sus extremos, el movimiento se propaga a lo largo de la cuerda hasta llegar al otro extremo. ¿Qué tiempo demora en llegar la perturbación al otro extremo?. Para responder a esta pregunta debemos conocer la velocidad de propagación de la onda en la cuerda. Es importante conocer los valores de las velocidades de propagación de las ondas mecánicas en diferentes medios ya que este valor depende de las propiedades del medio y en muchos casos se utiliza para determinar propiedades del mismo como la densidad lineal de masa de la cuerda o la tensión a la que está sometida. Imaginemos una barra sólida a la cual se le da un golpe en un extremo. ¿A qué velocidad se propaga esa perturbación por la barra?, ¿qué tiempo demora en llegar al otro extremo?. Para determinar la velocidad de propagación de las ondas mecánicas en diferentes medios utilizaremos la técnica de las ondas estacionarias. Una onda estacionaria se forma en un medio de longitud determinada, cuando por el mismo se propaga una onda viajera y se refleja en un extremo regresando por el mismo medio. De la superposición de la onda incidente y la reflejada se forma la onda estacionaria, que tiene ese nombre porque al observarla, parece que no se desplaza. DESARROLLO: La fórmula fundamental para la determinación de la velocidad de propagación de una onda es:

λ.fV =

donde λ es la longitud de onda y f es la frecuencia de las oscilaciones de la onda. De aquí puede observarse que necesitamos de estos dos parámetros de la onda para determinar su velocidad de propagación.


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La frecuencia de las oscilaciones de la onda se puede determinar a partir del valor mostrado en el generador de frecuencias de la instalación experimental. La unidad de la frecuencia es el Hertz (Hz) o ciclos por segundo (1/s). Para la determinación de la longitud de onda debemos observar la figura que forma la onda estacionaria en su movimiento, para el caso de una cuerda. Esta figura, que se muestra a continuación, tiene la característica de que cada punto del medio oscila con una amplitud diferente de modo que algunos puntos de la onda no oscilan y son llamados NODOS. Los puntos que oscilan con amplitud máxima son llamados ANTINODOS. La distancia entre dos nodos vecinos consecutivos es igual a media longitud de onda (λ/2), por ello midiendo la distancia entre dos nodos vecinos consecutivos se puede determinar la longitud de la onda. Tenga en cuenta que el medio puede oscilar en diferentes modos de oscilación. El mostrado en la figura corresponde al tercer modo normal de oscilación, ya que tiene 3 antinodos. El hecho de que oscile en un modo u otro depende del valor de la frecuencia a la que oscila. Variando la frecuencia con cuidado puede lograr que el medio oscile en un modo u otro. La velocidad de propagación de la onda depende de propiedades del medio, como la tensión y la densidad lineal de masa. Por ello conocida la velocidad de propagación podemos determinar algunas de estas propiedades. Observe la instalación experimental que se le ha asignado. Puede ser de dos tipos: 1) Con una cuerda horizontal. 2) Con un resorte vertical. En cada tipo de instalación se estudiará un tipo de onda diferente. En el caso de la cuerda son ondas transversales y en el caso del resorte ondas longitudinales. Analice que función cumple en la instalación cada una de las componentes. Diseñe el experimento que va a realizar planificando las mediciones que debe hacer para poder calcular la velocidad de propagación de la onda utilizando la fórmula dada anteriormente.

NODO

ANTINODO


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Encienda el generador de funciones y coloque un valor de frecuencia cercano al cero. Observe si el medio (la cuerda o el resorte) oscila y cómo lo hace. Observe las características de las oscilaciones de los puntos del medio, si realizan la oscilación en la dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda o en la misma dirección. A partir de esta observación explique si la onda que está analizando es transversal o longitudinal. Luego vaya aumentando el valor de la frecuencia LENTAMENTE dándole tiempo al medio a que establezca el modo de oscilación. Cuando logre el primer modo normal de oscilación realice las mediciones que haya planificado para poder calcular el valor de la velocidad de propagación de la onda. Así vaya pasando de un modo de oscilación a otro, variando para ello la frecuencia de oscilación. En cada modo trate de establecer el valor de frecuencia necesario para que el medio oscile de la forma más estable posible, variando la frecuencia en el generador de funciones con mucho cuidado. Una vez alcanzado el establecimiento de varios modos de oscilación y calculada la velocidad de propagación en cada caso, debe analizar, en discusión con su equipo de trabajo, si la velocidad de propagación depende o no de la frecuencia de oscilación del medio. Ahora se le planteará un problema a resolver: Se desea variar la velocidad de propagación de la onda en el medio. ¿Cómo propone lograr que la velocidad de propagación sea diferente?. Aplicando el método científico experimental, formule una hipótesis al respecto. Luego de formulada la hipótesis diseñe un experimento para comprobar que es correcta. Planifique las mediciones que debe realizar y cómo va a hacerlo. Desarrolle el experimento y elabore los resultados para mostrar si la hipótesis formulada es o no correcta.


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CONCLUSIONES: En discusión con todo el grupo se expondrán los resultados obtenidos por cada equipo de trabajo. Primeramente exponga las características de la onda estacionaria que estudió en su instalación experimental, cómo oscilan los puntos del medio, le existencia de los nodos, etc. ¿Depende la velocidad de propagación de la frecuencia de oscilaciones del medio?. En cada modo normal de oscilación la velocidad de propagación ¿es la misma o es diferente? (tenga en cuenta los errores que se cometen en las mediciones realizadas). ¿De qué variable demostró su equipo, depende la velocidad de propagación de la onda?. ¿Se comprobó la hipótesis formulada por su equipo?.


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PRACTICA # 4

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS DEL SONIDO

OBJETIVO: Determinar experimentalmente algunas de las características esenciales del sonido, como una onda mecánica. INTRODUCCION: En la práctica anterior se estudiaron las características de las ondas mecánicas en diferentes medios. El sonido constituye una de las ondas mecánicas más importantes, tanto en nuestra vida diaria como por sus aplicaciones en la técnica y en la industria. Una de las características esenciales del sonido es la velocidad de propagación que como en el caso de toda onda mecánica, depende de las propiedades del medio por el cual se propague. En esta práctica se determinará la velocidad de propagación del sonido en el aire y se comprobará como es la relación con la temperatura del aire. Recordemos que la velocidad del sonido en el aire depende de la temperatura T (°C) del aire según la fórmula:

TC

smV sm )/6.0(331

°+=

o sea que a cero grados Celsius la velocidad del sonido debe ser de 331 m/s, pero a otra temperatura del aire el valor es diferente. DESARROLLO: El método que se utilizará para determinar la velocidad del sonido es similar al utilizado en la práctica anterior con las ondas en cuerdas. Observe la instalación experimental disponible e identifique la función de cada una de sus componentes. Identifique la fuente de sonido y el detector del mismo (micrófono). Aplicando el método científico experimental, formule una hipótesis acerca de qué valor cree que tiene la velocidad del sonido en el laboratorio. Considere que la velocidad depende de la temperatura del aire en el mismo.


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Realice un diseño, junto a su equipo de trabajo, del experimento y las mediciones que debe realizar para determinar la velocidad del sonido. SUGERENCIA: Analice las mediciones realizadas en la práctica de ondas en cuerdas y trate de adaptarlas al caso del sonido, mediante la utilización de las ondas estacionarias. Una vez que realice su diseño discútalo con el profesor para que lo apruebe. Encienda el equipo y escuche el sonido de diferentes frecuencias. Determine cuál frecuencia corresponde al sonido más agudo y cuál frecuencia al más grave. ¿Hasta qué frecuencias puede escucharse el sonido?. Luego realice las mediciones que consideró necesarias para determinar la velocidad del sonido en el aire. Realice la determinación para diferentes frecuencias de sonido. Determine la temperatura del aire en el laboratorio y compruebe si el valor de velocidad determinado junto a su equipo coincide con el valor que se calcula por la fórmula empírica de velocidad. CONCLUSIONES: Concluya acerca del cumplimiento de la hipótesis formulada acerca de la velocidad del sonido en el aire. ¿Depende el valor de la velocidad de la frecuencia del sonido?. ¿Cuáles son las frecuencias que más alto se escuchan?. ¿Hasta qué valor de frecuencia logró Ud. Escuchar? ¿Cómo definiría el intervalo de frecuencias del sonido audible?. Compare el valor de la velocidad del sonido determinada experimentalmente y el valor obtenido de la fórmula de cálculo con la temperatura. Explique las posibles causas de la diferencia si la hubo. ¿Se cumplió sus hipótesis acerca del valor de la velocidad del sonido?. ¿Qué frecuencias corresponden al ultrasonido?. Realice una búsqueda en la literatura y explique cual es la base del funcionamiento de los equipos de SONAR, muy utilizados sobre todo en los buques y submarinos. Muestre por qué es importante para este tipo de equipos conocer la velocidad del sonido.


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PRACTICA # 5

ESTUDIO Y CARACTERIZACION DE LOS FLUIDOS EN REPOSO OBJETIVO: Determinar la dependencia de la presión en un fluido en reposo con la profundidad y relacionarlo con la flotación de los cuerpos. INTRODUCCIÓN: Hay una pregunta que hace mucho tiempo ha sido estudiada por los hombres de ciencia debido a su gran importancia práctica: ¿por qué unos cuerpos flotan en el agua y otros se hunden en ella?. Todos hemos visto cómo cuerpos pesados, como lo buques de acero, pueden flotar libremente en el agua e incluso transportar cargas sin hundirse, aun cuando sabemos que una placa de acero, de menor peso, se hunde. Si alguna vez han observado el trabajo de un buzo, habrán visto cómo para poder respirar debajo del agua necesita un tanque de aire con una alta presión. ¿A qué se debe que se necesite esta alta presión para respirar a cierta profundidad en el agua?. Los dos aspectos señalados anteriormente están muy relacionados con las características de los fluidos y los estudiaremos en esta práctica de laboratorio. DESARROLLO: La práctica se desarrollará en dos ejercicios. En el primero se debe resolver el siguiente problema: ¿Cómo varía la presión en el interior de un fluido en reposo, a medida que aumenta la profundidad?. Aplicando el método científico proponga una hipótesis, junto a su equipo de trabajo, acerca de la dependencia entre la presión y la profundidad dentro del fluido. Le sugerimos que proponga una dependencia de forma de una función matemática: disminuye linealmente, aumenta exponencialmente, aumenta con el cuadrado de la profundidad, etc. Observe el equipamiento de que se dispone para estudiar este problema. Identifique cada componente del equipamiento y en qué puede serle útil para demostrar la hipótesis que se propuso anteriormente.


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Planifique las mediciones que debe realizar para demostrar experimentalmente la hipótesis formulada. Desarrolle el plan del experimento donde indique todos los pasos que va a realizar. Desarrolle las mediciones que planificó y elabore las mismas de forma que demuestre si su hipótesis se cumplió o no. Sugerimos la elaboración de un gráfico para la demostración del cumplimiento de la dependencia matemática entre la presión y la profundidad dentro de fluido. En caso de no cumplirse explique por qué. Una vez terminado este ejercicio se pasará al siguiente dedicado al estudio de la flotación de los cuerpos y la fuerza de empuje. Observe la instalación experimental de que se dispone. Se le plantea el siguiente problema:

¿A qué es igual la fuerza de empuje que se ejerce sobre un cuerpo sumergido en un fluido en reposo?. ¿De qué depende la fuerza de empuje sobre un cuerpo?.

Aplicando el método científico formule hipótesis, junto a su equipo de trabajo, acerca de a qué es igual la fuerza de empuje que el fluido ejerce sobre un cuerpo sumergido y de qué depende dicha fuerza. A partir de la instalación experimental de que se dispone proponga cómo puede determinar la fuerza de empuje sobre el cuerpo y proponga un diseño experimental para la demostración de la hipótesis formulada. Planifique qué mediciones va a desarrollar y cómo demostrará el cumplimiento de la hipótesis formulada. Desarrolle el experimento y realice las mediciones necesarias. Elabore los datos para demostrar el cumplimiento de su hipótesis. Concluya si su hipótesis se demostró o no.


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CONCLUSIONES: Concluya acerca de las características de los fluidos estudiados en esta práctica y el cumplimiento de las hipótesis formuladas en los dos ejercicios. En caso de no cumplirse explique las causas y las características encontradas en los experimentos. Pruebe a explicar por qué los buzos necesitan aire a presión para poder respirar cuando están sumergidos en el agua. ¿Qué relación encuentra entre este hecho y la dependencia encontrada en el primer ejercicio?. Describa que relación encuentra entre los dos ejercicios de la práctica. ¿Cuál es la causa de la fuerza de empuje?. ¿Qué podría hacer para aumentar el valor de esta fuerza?. Pruebe a explicar por qué un barco de acero flota en el agua mientras que una placa del mismo material se hunde. ¿Qué propone hacer con la placa para que flote?.


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PRACTICA # 6

DILATACION LINEAL OBJETIVO: El estudiante determinará el coeficiente de dilatación lineal del material de una varilla metálica y en base a ello seleccionará el material necesario para una aplicación tecnológica. INTRODUCCIÓN: Muchas veces en la vida y en la industria surge la necesidad de analizar el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a cambios de temperatura. En particular nos interesa la respuesta a la pregunta: ¿qué le ocurre a las dimensiones de un objeto metálico cuando varía su temperatura?. En aplicaciones de la técnica es necesario conocer exactamente el comportamiento de los materiales durante los cambios de temperatura, puesto que las variaciones de las propiedades del material pueden provocar afectaciones en la aplicación técnica concreta de que se trate. Por ejemplo, un riel de ferrocarril expuesto a los cambios atmosféricos de la temperatura, puede variar considerablemente sus dimensiones y pueden ocurrir deformaciones que no son admisibles para las condiciones de trabajo del riel. Por ello se dejan espacios previamente calculados entre los rieles de la vía. Pueden realizar un experimento sencillo. Un bote de refresco de plástico vacío y tapado, si se coloca en el congelador, puede deformarse ya que el aire en el interior al disminuir la temperatura se contrae, disminuye la presión y deforma el bote. En esta práctica estudiaremos el comportamiento de una varilla metálica en un proceso de calentamiento, determinaremos la magnitud que describe este comportamiento y luego realizaremos cálculos para seleccionar el material adecuado para una aplicación práctica específica. DESARROLLO: El problema planteado es el siguiente: Se tiene una varilla metálica de 4 m de longitud a 20° C. Se colocará en una instalación tecnológica que trabaja normalmente a 200° C. ¿Cuál será la longitud de la varilla a esa temperatura? (VER FIGURA). Se necesita esta información para calcular la separación entre los topes donde será colocada la varilla en la instalación tecnológica, por lo cual la exactitud del cálculo se requiere lo más cuidadoso posible.


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Para la descripción de la variación de las dimensiones de los materiales a diferentes temperaturas se utiliza el coeficiente de dilatación térmica α. Este coeficiente nos indica en cuánto varía la longitud de una varilla del material dado, con respecto a la longitud original, para una variación de temperatura de 1° C y depende del material de la varilla. O sea :

L – Li = α Li (T – Ti)

Donde: L= longitud de la varilla a la temperatura T Li = longitud de la varilla a la temperatura inicial Ti

α= coeficiente de dilatación térmica del material de la varilla O lo que es lo mismo:

ΔL = α Li (T – Ti) dado que ΔL es la variación de la longitud de la varilla. Cada equipo de estudiantes tendrá una varilla de material diferente y cada uno tiene que responder el problema formulado arriba para el material de la varilla que posee. ¿Qué información necesita para ello?. Discuta con su equipo la información que necesita para responder el problema que tiene planteado. Analice qué mediciones debe hacer para determinar la magnitud que necesita para ello. Observa la instalación experimental que tiene y sus características. Analice cada una de las componentes y su función en la instalación experimental. Aplicando el método científico, y teniendo en cuenta las fórmulas dadas arriba, proponga un plan de experimento en la instalación para determinar la magnitud que le permita responder el problema planteado. Muéstrelo al profesor para que lo apruebe.

VARILLA 4m A 20°C

TOPE

LONGITUD DESCONOCIDA A 200 °C


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En la instalación experimental no se puede calentar la varilla hasta los 200° C, pues el líquido que se utiliza es el agua y ésta hierve a 100° C. ¿Cómo puede calcular la longitud de su varilla para los 200° C?. Prepare la instalación para realizar el experimento y realice las mediciones necesarias. Recuerde que se pidió que la exactitud del cálculo de la longitud de la varilla fuera cuidadoso pues de su cálculo depende que la instalación funcione correctamente o no. Por ello sus mediciones deben ser lo más exactas posibles. ¿Cómo puede mejorar la exactitud de sus mediciones?. Elabore las mediciones realizadas. Sugerimos la construcción de un gráfico para el procesamiento. ¿Qué variables va a graficar?. ¿Qué forma debe tener este gráfico?. ¿Dónde puede encontrar en el gráfico la magnitud buscada? (PARA RESPONDER ESTAS PREGUNTAS ANALICE LAS FORMULAS ANTERIORMENTE DADAS). Luego de elaboradas las mediciones y calculada la magnitud que se necesitaba para resolver el problema proceda al cálculo de la longitud de la varilla de 4 m de largo para la temperatura indicada. Haga una valoración de los posibles errores que pueden haberse cometido y cómo influirán en el resultado del cálculo. CONCLUSIONES: Se realizará una discusión colectiva de los resultados obtenidos. Concluya acerca de el comportamiento del los materiales durante un proceso de calentamiento. El plan de experimento elaborado por su equipo debe ser mostrado y explicado a todos en el grupo. ¿Cree que fue un plan adecuado?. ¿Faltó algún aspecto?. ¿Cómo puede mejorarse?. ¿Es importante para las instalaciones tecnológicas tener en cuenta las variaciones de las dimensiones de los materiales a cambios de temperatura?. Concluya acerca de ésto y muestre ejemplos. ¿Los resultados obtenidos por su equipo son confiables y permitirán explotar la instalación tecnológica proyectada sin dificultades?. Explique cuán confiables considera los resultados obtenidos.


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PRACTICA # 7

FLUJO DE CALOR Y CALOR ESPECÍFICO

INTRODUCCION Se determina la explicación física de la transferencia de energía entre dos masas con diferente temperatura, la energía que se transfiere ó fluye del cuerpo más caliente al más frío es la llamada energía calorífica. La energía calorífica esta relacionada con la energía cinética molecular, de esta manera cuando se agrega calor a un cuerpo se agrega energía cinética a sus moléculas y cuando enfría pierde energía cinética molecular. Se concluye que el estudio del flujo de calor en la materia es el estudio de la transformación de energía cinética molecular. Las unidades de patrón de calor son: Caloría: (en el sistema métrico) y es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua (cuando la presión es de una atmósfera) de 14.5 °C a 15.5 °C. B.T.U.: (en el sistema ingles) y es la cantidad de calor para elevar la temperatura de una libra de agua (a la presión de 1 atmósfera) de 63 °F a 64 °F. EQUIPO USADO. Dos calorímetros, termómetro, dos recipientes de vidrio, una balanza, parrilla eléctrica, pedazo de metal, calorímetro eléctrico, amperímetro. DATOS: Calor específico del vaso y agitador Cv = 0.093 cal/gr°C Masa del calorímetro mv = 99gr. Masa del metal mm = 100 gr. Masa del agua mH2O = 100gr.


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PARTE I

ANÁLISIS DE UNA MEZCLA DE DIFERENTE TEMPERATURA OBJETIVO: Determinar la temperatura final entre dos masas conociendo sus temperaturas iniciales. DESARROLLO: Colocar en un recipiente A una masa m1 de agua y en un depósito B una masa m2 de agua.

Calentar el agua del recipiente A hasta cerca del punto de ebullición y mantener el agua del deposito B a la temperatura ambiente.

Medir la temperatura de la masa del agua:

t1 = temperatura del agua del recipiente A t2 = temperatura del agua del recipiente B

Agregar el agua del depósito A y B dentro del calorímetro, luego agite y mida la temperatura más alta que dé el termómetro. Esta temperatura tF es la temperatura final de la mezcla A y B.

m1 t1

m2 t2

a) b)


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Q1 = Cm1Δt Q2= Cm2 Δt Q1 = Calor perdido por A ΔT = (Ti –Tf) C = Calor específico del agua Q2 = Calor ganado por B C = Calor específico del agua Δt = (tf –t2)

Q1 = Q2 Cm1 (ti – tf) = Cm2 (tf – t2)

Si se considera que las partes del calorímetro no absorben calor, entonces el calor perdido por la masa de agua A es ganado por la masa de agua B así despejando de la ecuación anterior la temperatura final tf de la mezcla obtenemos:

Cm1t1 – Cm1tf = Cm2tf - Cm2t2

Cm1t1 + Cm2t2 = Cm2tf + Cm1tf

Cm1t1 + Cm2t2 = (Cm2 + Cm1) tf

Cm1t1 + Cm2t2 = tf Cm2 + Cm1

tf = m1t1 + m2t2

m2 + m1

Temperatura Final de la mezcla.

m1 t1

m2 t2

a) b)

m1 + m2 tf

Calorímetro

+ =


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PARTE II

CALOR ESPECÍFICO OBJETIVO: Obtener el calor específico de varios materiales. DESARROLLO: Poner un metal de masa m en agua hirviendo. Después de un momento medir la temperatura del agua t la cual es la misma que 1 del metal.

Poner una cantidad de agua de masa mo dentro del calorímetro y medir su temperatura to (inicial).

Sacar el metal del agua hirviendo y colocarlo dentro del calorímetro, después agitar y medir la temperatura final.

tf = temperatura final de la mezcla.

m

m0 t0

tf=?

m

t = 100 °C

Por lo tanto tm = 100° C

Calorímetro

mo = 100 gr to = ?

NOTA: esta temperatura to nos dará: to H2O to vaso to agitador

tf

H2O


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El calor perdido por el metal es ganado por el agua, vaso y agitador del calorímetro. Q perdido por el metal = Q ganado por el agua + Q ganado por el vaso + Q ganado por el agitador. Como Q = Cm Δt entonces CmmmΔt = CH2O mH2O Δt + Cvmv Δtv Cm = Calor especifico del agua mm = Masa del metal Δt = ( to - tf ) donde t = temperatura inicial del metal tf = temperatura final. Cmmm ( to - tf ) = CH2O mH2O ( tf - to ) + Cvmv ( tf - to ) CH2O = Calor específico del agua mH2O = Masa del agua tf = temperatura final de la mezcla to = temperatura inicial del agua tf = temperatura final de la mezcla to = temperatura inicial de del agua, vaso, agitador.

Cm = CH2O mH2O ( tf - to ) + Cvmv ( tf - to )

mm ( to - tf ) Despejando Cm la ecuación anterior nos queda:

CH2O = 1 cal gr * °C

Cm =? cal

gr * °C


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Este resultado lo comprobará con una tabla de calor Específico de varios Metales

C.E. C.E. Zinc 0.0925 Hierro 0.113

Aluminio 0.217 Cobre 0.093 Oro 0.0309 Plomo 0.031

CONCLUSIONES: Se realizará una discusión colectiva de los resultados obtenidos. En la primera parte: Compare la temperatura obtenida teóricamente con la medida prácticamente. En la segunda parte: Compare los resultados obtenidos en sus mediciones con los valores dados en la tabla.

Laboratorio Ondas y Calor

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