Practica Cuatro-leyes de Newton

Laboratorio de Física Práctica CUATRO: Leyes de Newton

Página 18 UPIIG - IPN

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I. OBJETIVO GENERAL:

El alumno comprobará de manera experimental las tres leyes de Newton. II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

• Encontrar las fuerzas que actúan sobre sistemas con rozamiento en donde un peso mueve a otro en un plano horizontal o un plano inclinado. • Analizar mediante las leyes de Newton el modelo de la máquina de Atwood sin fricción. En base a los resultados obtenidos, comparar la validez del modelo. III. INTRODUCCIÓN TEÓRICA:

A partir de nuestras experiencias cotidianas todos comprendemos, así sea de una manera simple, el concepto

de fuerza. Cuando se empuja o jala un objeto se aplica una fuerza sobre él. Se aplica una fuerza cuando se

lanza o patea una pelota. En estos ejemplos la palabra fuerza se asocia con el resultado de actividad

muscular y con cierto cambio en el estado de movimiento de un objeto. Por ejemplo, si está usted sentado

leyendo esta práctica, la fuerza de gravedad actúa sobre su cuerpo, y usted aún sigue estacionario. Como un

segundo ejemplo, usted puede empujar un gran bloque de piedra y no ser capaz de moverlo.

¿Qué fuerza (si hay alguna) hace que una estrella distante viaje libremente por el espacio? Newton respondió

preguntas de este tipo estableciendo que el cambio en la velocidad de un objeto es causado por fuerzas. En la

naturaleza, existen cuatro tipos de fuerzas conocidas como fundamentales: 1) la atracción gravitacional entre

objetos, 2) las fuerzas electromagnéticas entre cargas eléctricas, 3) las intensas fuerzas nucleares entre

partículas subatómicas, y 4)las fuerzas nucleares débiles que surgen en ciertos procesos de decaimiento

radioactivo. En física clásica sólo nos interesan las fuerzas gravitacional y electromagnética y para esta

práctica en particular se estudiarán las fuerzas gravitacionales haciendo uso de las leyes de Newton.

Las leyes de Newton se pueden expresar de la siguiente manera:

• Primera ley de Newton (ley de la inercia). Todo cuerpo con movimiento constante o en reposo conservara ese estado mientras no exista una fuerza externa que lo modifique. • Segunda ley de Newton. Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, la aceleración que el cuerpo obtiene es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa. • Tercera ley de Newton. A toda acción corresponde una reacción de igual magnitud pero en sentido contrario.

Al aplicar las leyes de Newton a un cuerpo, solo estamos interesados en aquellas fuerzas que actúan sobre el

cuerpo. Si se jala un objeto mediante a una cuerda unida a él, esta ejerce una fuerza sobre el objeto. En

general, la tensión es un escalar y se define como la magnitud de la fuerza que la cuerda ejerce sobre

cualquier cosa unida a ella.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería campus Guanajuato.

Práctica CUATRO: Leyes de Newton



Máquina de Atwood.

La máquina de Atwood consta de dos masas desiguales que están colgadas de una polea mediante una

cuerda. La polea se considera sin masa y sin fricción, también que la masa m1 es mayor que m2. Se desea

encontrar la tensión T en la cuerda y la aceleración a de las masas de dicho sistema.

Fig. 1. Máquina de Atwood.

Para hacer esto se considera una aceleración hacia arriba positiva. Si la aceleración de m1 es a, la

aceleración de m2 debe ser a. Las fuerzas que actúan sobre m1 y m2 son las tensiones y pesos.

Las ecuaciones del movimiento para m1 y m2 son:

T− m1

g = m1a

T− m

2 g = m2a

Combinando estas ecuaciones, se obtiene:

a = [(m2 - m1)/(m2+m1)]*g

T = [2m1 m2/(m1+m2)]*g

Nótese que la magnitud de T debe estar siempre intermedia entre el peso de la masa m1 y el peso de la masa m2 .Esto es de esperarse, ya que T debe ser mayor que m2g para dar a m2 una aceleración hacia arriba, y m1 g debe ser mayor que T para dar a m1 una aceleración hacia abajo. En el caso especial en que m1 = m2, se obtiene a=0 y T= mg, que es el resultado estático que era de esperarse.

En una máquina de Atwood, dos masas m1 y m2 están conectadas por una cuerda sin masa que pasa por

una polea ligera, sin masa y sin fricción. Este dispositivo se puede utilizar para medir la aceleración de la

gravedad; si ( m1m2 )/( m1 + m2 )<<1,la aceleración del sistema es mucho menor que g.

W y T son las fuerzas que obran en la polea sin masa, si se considera la polea como una partícula, todas las

fuerzas se pueden considerar como pasando por su centro. W es la fuerza hacia arriba que ejerce el soporte

en la polea y T es la tensión hacia debajo de cada pedazo de cuerda que tiende de la polea.



Ya que la polea no tiene movimiento de traslación:

W=T+T=2T

Si se abandona la hipótesis de una polea sin masa, y se le asignara una masa m, entonces se tendría que

incluir una fuerza hacia abajo mg en el apoyo. También, el movimiento de rotación de la polea da lugar a

tensiones diferentes en cada parte de la cuerda. La fricción en los apoyos afecta también el movimiento de

rotación de la polea y la tensión en las cuerdas.

Material Equipo

1 pista 1 Cronómetro

1 pie estativo

1 Varilla 250

1 Varilla 600

1 Nuez

1 Polea 4cm con mango

1 Bloque de madera

1 Pesa con gancho 10g

5 Pesas 10g

Material que deben traer los estudiantes

Pantalla de cartulina graduada, de longitud de 40 o 50 cm (con 10 divisiones), ancho de 10cm

Cuerda 70 cm

Flexómetro

IV Procedimiento:

Experimento 1. Realizar el arreglo mostrado en la fig. 2, y después hacer el análisis teórico.

Fig. 2 a) experimento con plano horizontal, b) diagrama de cuerpo libre para la masa 1, y c) diagrama de cuerpo libre para la

masa 2.



Fig. 3 Montaje de experimento 1

1. Utilizar la pista, el bloque de madera, la polea y el gancho con pesas para realizar el montaje de la

fig. 3.

2. Insertar en el gancho el peso adecuado para que el bloque de madera se deslice sobre la pista. Se monta una pantalla graduada con diez escalas de longitud, para realizar las mediciones de distancia. Usar el cronómetro para realizar mediciones de tiempo.

3. Realizar los cálculos teóricos correspondientes para los casos con fricción y sin fricción. Compare los resultados obtenidos en el experimento.


Fig. 4. a) experimento con plano inclinado, b) diagrama de cuerpo libre para la masa 1, y c) diagrama de cuerpo libre para la

masa 2.



Fig. 5 Montaje de experimento 2

1. Realizar el montaje del experimento de acuerdo a las figuras 4 y 5. Usar trigonometría para fijar el

plano al ángulo indicado.

2. Insertar en el gancho el peso adecuado para que el bloque de madera se deslice sobre la pista. Se monta una pantalla graduada con diez escalas de longitud, para realizar las mediciones de distancia. Usar el cronómetro para realizar mediciones de tiempo.

3. Realizar los cálculos teóricos correspondientes para los casos con fricción y sin fricción y compare con los obtenidos en el experimento.


Fig. 6 Montaje experimento 3



1. Fijar el soporte, colocando la polea como en la fig. 6., pasando la cuerda por estas se amarran las

pesas y el bloque.

2. Se coloca el sistema en equilibrio, no importa que se le aplique una fuerza externa.

3. Se monta una pantalla graduada con diez escalas, para realizar las respectivas mediciones de mediciones.

4. Mediante la liberación del sistema se realizan las mediciones de tiempo.

5. Realizar los cálculos teóricos correspondientes y compare con los datos experimentales obtenidos. Experimento 4 Repetir los experimentos 1 y 2 usando los foto-sensores y la interface.

Fig. 7 Montaje experimento 4

1. Usar los fotosensores y la interface para realizar las mediciones de tiempo para los experimentos 1 y

2. Comparar con los resultados obtenidos anteriormente.

V Cuestionario: 1. En base a sus predicciones y observaciones en experimentos con la Maquina de Atwood, ¿Cómo es la relación de la aceleración del sistema y las masas colgadas en la polea? 2. Determine cuál es el porcentaje de variación de la aceleración teórica con la experimental obtenida en cada caso. 3. Discuta las razones que influyeron en el porcentaje de variación entre la aceleración teórica y la experimental. 4. Utilizando la aceleración experimental, calcule el valor de la aceleración gravitacional g en cada caso.

5. ¿Porque la aceleración gravitacional difiere del valor convencional de 9.81 m/s2

?

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