Laboratorios 1-6

FACULTAD DE INGENIERIA Asignatura: Laboratorio Física I

Documento: Guía de Laboratorio de Física I – Pág: 1

Experiencia Nº01 VECTORES

Encargado Laboratorio: Paulo Poblete R.

1. Introducción

Si nos dicen que un auto a salido de la UPV de La Serena a una velocidad de 80 km/h, no podemos conocer cual será su posición dentro de 2 horas puesto que no sabemos en que dirección ha salido. Necesitamos por lo tanto, saber su dirección y sentido Existen magnitudes que no quedan perfectamente determinadas al conocer su medida y unidad, es preciso, además, conocer su dirección y sentido. Este es el caso de muchas magnitudes físicas, como la velocidad, la aceleración y la fuerza. 2. Fundamento teórico Las magnitudes vectoriales se representan mediante vectores. Un vector es un segmento rectilíneo orientado. Todo vector esta caracterizado por los siguientes parámetros: Módulo: Es la longitud del vector que indica el valor numérico de la magnitud representada. Dirección: Es la recta que contiene el vector. Sentido: viene dado por la punta de la flecha del vector. Toda dirección tiene dos sentidos. Punto de aplicación: es el origen del vector.

3. Procedimiento Experimental

3.1 Objetivos

Al finalizar la experiencia el alumno deberá ser capaz de:

• Verificar experimentalmente las propiedades de los vectores.

• Realizar operaciones de adición de vectores e interpretarlas como interacciones de magnitudes físicas.

• Determinar la magnitud que anula a otras dos magnitudes mediante los métodos experimentales, por componentes y gráfico para la adición de vectores.

• Comprobar e interpretar sus resultados

3.1 Materiales

• Mesa de Fuerzas ME-9447

• 3 poleas

• 3 masas

• Cuerda



• Regla métrica

• Dibujo protactor1

3.2 Método experimental

Dos fuerzas serán aplicadas en la mesa de fuerzas colgando masas sobre las poleas posicionadas en ciertos ángulos. El ángulo y la masa que cuelga sobre la tercera polea serán ajustadas hasta que anule las otras dos fuerzas. Esta tercera fuerza será llamada “equilibrante” ( EFr

), ya que esta es la fuerza que establece el equilibrio del sistema. La fuerza equilibrante no es

lo mismo que la fuerza resultante ( RFr

), ya que esta última es la adición de las otras dos fuerzas. Mientras la fuerza equilibrante sea igual en magnitud a la resultante, este en la misma dirección, y además apunte en el sentido opuesto a la fuerza resultante, entonces el sistema estará en equilibrio.

Lo anterior lo podemos ver en la figura Nº1:

Figura 1: Equilibrio resultante

Adición de vectores

Método de las componentes

La fuerza resultante saldrá de la adición de las componentes vertical (y) y horizontal (x) obtenidas mediante la descomposición de vectores.

a) Descomposición fuerzas A y B

y

b) La fuerza resultante se obtendrá mediante la siguiente regla :”x con x; y con y”

1 Protactor es la circunferencia que indica los ángulos en la mesa de fuerzas



Figura 3. Método de las componentes

Método Gráfico

La adición se logra transportando uno de los vectores y haciendo la punta de uno con la cola del otro, tal como lo indica la figura 4:

Figura 4: Método Gráfico



3.3 Actividad 1

La presente sesión de laboratorio consistirá en obtener un equilibrio entre tres fuerzas interactuando, para eso, utilizaremos la adición de vectores, para tal efecto, siga la secuencia descrita a continuación:

i. Arme la Mesa de Fuerzas como lo indica las figura 2. Pida instrucciones a su profesor de laboratorio.

Figura 2

ii. Haga coincidir el tornillo centrador con el anillo.

iii. Ate un segmento de cuerda al anillo.

iv. Hágalo coincidir con la polea.

v. Cuelgue las siguientes masas:

1)Fuerza A: 37,68 gr. A º0 Fuerza B: 69,83 gr. A º135

2) Fuerza A: 100 gr. A º0 Fuerza B: 50 gr. A º220

3) Fuerza A: 69,83 gr. A º0 Fuerza B: 50 gr. A º45

Mediante prueba y error, encuentre la masa y la fuerza que logre el equilibrio. Esto se logra cuando el anillo no tiene contacto con el tornillo centrador.

Preguntas

1. Encuentre el equilibrio mediante es método de componentes. Use un dibujo protactor.

2. Encuentre el equilibrio mediante el método gráfico. Use un dibujo protactor

3. Complete la siguiente tabla

Experimental

Gráfico

Fuerza Equilibrante

Magnitud Dirección de la resultanteMétodo θ

=xR

=yR

4. ¿Son coherentes sus resultados?



Protactor Método de las Componentes



Protactor Método Gráfico

FACULTAD DE INGENIERIA Asignatura: Laboratorio I Física


Experiencia Nº 02 LANZAMIENTO DE PROYECTIL

Encargado Laboratorio: Paulo Poblete R.

1. Introducción

Una catapulta es un instrumento militar utilizado en la antigüedad para el lanzamiento a distancia de grandes objetos utilizados como proyectiles. Fue inventada probablemente por los griegos y posteriormente mejorada por cartagineses y romanos y muy utilizada en la Edad Media.

Los principios físicos necesarios para el estudio de este tipo de máquinas están establecidos en “El lanzamiento de proyectiles”, el cual esta caracterizado por ser una magnitud vectorial que representa una composición de movimientos: movimiento rectilíneo uniforme en el eje x y de movimiento uniformemente acelerado en el eje y. Como consecuencia de lo anterior, la trayectoria de cualquier objeto lanzado a un cierto ángulo sobre la horizontal sigue una trayectoria parabólica.

Figura 1: Lanzamiento de proyectil

Un razonamiento en base al movimiento de proyectiles fue el que utilizó Sir Isaac Newton para estudiar las orbitas de los planetas, y es en base a sus conclusiones que el hombre pudo poner objetos en orbita. ¿Puede usted aventurarse a pensar como Newton procedió? Clave: Solo mire la figura 1.

2. Fundamento teórico

Para predecir donde una bola aterrizará en el piso cuando esta es dispara con un cierto ángulo, es necesario primero determinar la velocidad inicial de la bola. Esto puede ser determinado lanzando la bala horizontalmente fuera de la mesa y midiendo las distancias vertical y horizontal de la trayectoria. Calculada la velocidad inicial, esta puede ser usada para calcular donde la bola aterrizará.

Velocidad horizontal inicial

Para una bola lanzada horizontalmente fuera de una mesa con una velocidad inicial v0, la distancia horizontal recorrida por la bola esta dada por X=v0t, donde t es el tiempo que la bola esta en el aire. La fricción que ejerce el aire es despreciable.

La distancia vertical que la bola alcanza esta dada por:



200 2

1)( gttsenvyy −+= θ

La velocidad inicial de la bola puede ser determinada midiendo x e y. el tiempo de vuelo puede ser encontrada usando:

gyot 2

=

Y entonces la velocidad inicial puede ser encontrada usando

txv =0

Velocidad inicial a un ángulo

Para predecir el alcance, x, de una bola lanzada con una velocidad inicial a un ángulo, θ , sobre la horizontal, primero predecimos el tiempo de vuelo usando la ecuación para el movimiento vertical:

200 2

1)( gttsenvyy −+= θ

Donde y0 es la altura inicial de la bola e y es la posición cuando la bola golpea el piso. Entonces usamos tvx ))cos(( 0 θ= para encontrar el alcance. Si la bola es disparada a un ángulo bajo la

horizontal, entonces θ es negativo.


3.1 Objetivo

El propósito de este experimento es predecir y verificar el alcance de una bola disparada a cierto ángulo. La velocidad inicial de la bola es determinada lanzando horizontalmente y midiendo el alcance y la altura desde el lanzador.

3.1 Materiales

• Mini lanzador y bola de acero

• Nivel.

• Vara de medir

• Papel carbón

• Papel blanco


i. Sujete el minilanzador cerca de uno de los bordes de la mesa (figura 2).

ii. Ajuste el ángulo del minilanzador a cero grados para que la bola sea lanzada horizontalmente.



Figura 2

Parte a: Determinando la velocidad inicial de la bola

1. Ponga la bola en el minilanzador e inícielo en el rango de mayor posición. Dispare un primer disparo para localizar donde la bola golpea el piso. en esta posición, tape el sector con papel blanco, y sobre este ponga papel carbón para que cuando la bola aterrice quede una marca.

2. Dispare alrededor de 5 tiros.

3. Mida la distancia vertical desde el borde de la bola cuando deja el cañón al piso. Guarde esta distancia en la tabla 1.

4. Use un nivel de plomo para encontrar el punto en el piso que coincide con el punto en que la bola deja el cañón.

5. Mida desde el punto encontrado anteriormente hasta los puntos marcados (pintitas de papel carbón)

6. Encuentre el promedio de estas distancias.

7. Usando la distancia vertical y el promedio de las distancias horizontales, calcule el tiempo de vuelo y la velocidad inicial de la bola. Anótelos en la tabla 1

8. Calcule la distancia promedio total



Angulo sobre la horizontal

Tiempo de vuelo

Velocidad inicial

Distancia vertical (Yo)

Numero de intento Distancia

1

2

3

4

5

Distancia promedio

Distancia promedio total

Tabla Nº1

Actividad b: Predecir el alcance de la bola disparada con un ángulo.

1. Ajuste el minilanzador para lanzar a un ángulo de 10 grados sobre la horizontal. Grabe este ángulo en la tabla 2.

2. Usando la velocidad inicial y la distancia vertical encontradas en la primera parte de este experimento, calcule el nuevo tiempo de vuelo y el nuevo alcance horizontal para un proyectil lanzado a este nuevo ángulo. Anótelos en la tabla 2.

3. Dibuje una línea a través del medio de una pieza de papel. Cúbrala con papel carbón.

4. Dispare la bola 5 veces.

5. Mida las 5 distancias y tome el promedio. Guárdela en la tabla 2

Análisis

1. Calcule el promedio total. Grábelo en la tabla 2

Distancia promedio total= distancia desde el borde del papel+distancia horizontal desde el borde del papel.

2. Calcule y grabe el porcentaje de diferencia entre el valor predicho y el promedio resultante cuando se dispara a un ángulo.

3. Estime la precisión del rango predicho. ¿Cuántos de los 5 disparos caen en este rango?




Tiempo de vuelo calculado

Distancia al borde del papel

Rango predicho

Numero de intento Distancia desde el borde del papel

1

2

3

4

5

Promedio


Tabla Nº2

Parte c: Predicción del alcance disparado desde un ángulo negativo

1. Ajuste el minilanzador para lanzar a un ángulo de 20 grados bajo la horizontal y grábelo en la tabla 3

2. Usando la velocidad inicial, y vertical encontrado en la primera parte de este experimento, calcule el nuevo tiempo de vuelo y el nuevo rango para un proyectil lanzado a este nuevo ángulo. Guárdelo en la tabla 3

3. Lance la bola 5 veces

4. Mida las 5 distancias y calcule el promedio. Grábelo en la tabla 3

Análisis

1. Calcule la distancia promedio total. Grábela en la tabla 3

2. Calcule y grabe el porcentaje de diferencia entre el ángulo predicho y el valor resultante promedio cuando disparamos a un ángulo.

3. Estime la precisión del alcance predicho. ¿Cuántos de los 5 disparos caen en este alcance?




Tiempo de vuelo

Distancia desde el borde del papel

Alcance predicho

Numero de intento Distancia desde el borde del papel

1

2

3

4

5

Distancia promedio


Tabla Nº3



Experiencia Nº 03 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Encargado de Laboratorio: Paulo Poblete R.

1. Introducción Quizá el concepto más importante de toda la ciencia es la energía. La combinación de energía y materia forma el Universo: la materia es sustancia, en tanto que la energía es lo que mueve la sustancia. Materia es todo lo que podemos ver, oler y sentir. Tiene masa y ocupa espacio. En cambio la energía es abstracta; no la vemos, ni la olemos, ni la sentimos. Las personas, los lugares y las cosas tienen energía, aunque normalmente observamos la energía cuando se transfiere o se transforma. Nos llega en forma de ondas electromagnéticas del Sol, y la sentimos como energía térmica; es captada por las plantas y une las moléculas de la materia ; está en el alimento que comemos y la recibimos a través de la digestión. Incluso la materia misma es energía condensada, como se estableció en la célebre fórmula de Einstein: 2mcE = .


La energía mecánica total de una bola es la suma de la suma de energía potencial (U) y su

energía cinética (K). En ausencia de fricción, la energía total es conservada. Cuando una bola

es lanzada verticalmente hacia arriba, la energía potencial es definida cero y la energía cinética 2

21 mvK = , donde m es la masa de la bola y 0v es la velocidad inicial de la bola. Mire la figura

1. Cuando la bola alcanza su maxima altura, h, la energia cinética es cero y la energía potencial mghU = , donde g es la aceleración debido a la gravedad. La conservación de la

energía da que la energía cinética inicial K es igual a la energía potencial final U.

Para calcular la energía cinética, la velocidad inicial debe ser determinada. Para calcular la velocidad inicial, 0v , para una bola disparada horizontalmente fuera de la mesa, la distancia

horizontal recorrida por la bola esta dada por tvx 0= , donde t es el tiempo en que la bola está

en el aire. La fricción del aire es asumida despreciable. Mire la figura 1.

La distancia vertical para una bola, en cualquier instante t, esta dada por 2

21 gt .

La velocidad inicial de la bola puede ser determinada midiendo x e y. el tiempo de vuelo de la

bola puede ser encontrada usando gyt 2

= y entonces, la velocidad inicial puede ser

encontrada usando txv =0 .




3.1 Objetivo

El propósito de este experimento es mostrar que la energía cinética de una bola lanzada directamente hacia arriba es transformada en energía potencial.

3.1 Materiales

• Minilanzador y bola de acero.

• Papel carbón

• Papel blanco

• Huincha métrica

• Regla métrica

3.2 Montaje del equipo

1. Fije el minilanzador en el borde de la mesa con el lanzador apuntando hacia fuera.

2. ajuste el mini lanzador a cero grados. La bola será lanzada horizontalmente.



3.3 Actividad 1 Parte a: determinando la velocidad inicial de la bola

1. ponga la bola en el minilanzador e inícielo en el rango de mayor posición. Dispare un primer disparo para localizar donde la bola golpea el piso. en esta posición, tape el sector con papel blanco, y sobre este ponga papel carbón para que cuando la bola aterrice quede una marca.

2. Dispare alrededor de 10 tiros.

3. Mida la distancia vertical desde el borde de la bola cuando deja el cañon al piso. Guarde esta distancia en la tabla 1.1.

4. Use un nivel de plomo para encontrar el punto en el piso que coincide con el punto en que la bola deja el cañón.

5. mida desde el punto encontrado anteriormente hasta los puntos marcados (pintitas de papel carbón)

6. encuentre el promedio de estas distancias.

7. Usando la distancia vertical y el promedio de las distancias horizontales, calcule el tiempo de vuelo y la velocidad inicial de la bola. Anótelos en la tabla 1.1

8. calcule la distancia promedio total


Tiempo de vuelo

Distancia desde el borde del papel

Numero de intento distancia

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Distancia promedio




Parte 2: Midiendo la altura

1. Ajuste el ángulo del lanzador a 90 grados (apuntando hacia arriba). 2. Dispare la bola en el rango mínimo (un click) varias veces y mida la máxima altura

alcanzada por la bola. Anótela en la tabla 2. 3. Calcule la energía potencial y anótela en la tabla 3. 4. Calcule el porcentaje de diferencia entre la energía inicial y final y anótela en la tabla.

Disparo Altura [mt]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio Desviación Máxima altura promedio de la bolaMasa de la bola 16,340 gr Energía cinética inicial Energía potencial final Porcentaje de diferencia Preguntas

1. ¿Cómo afecta la fricción a la energía cinética? 2. ¿Cómo afecta la fricción a la energía potencial?



Experiencia Nº 04 ACELERACIÓN BAJO UN PLANO INCLINADO

Encargado Laboratorio:Paulo Poblete R.

1. Introducción


Un carro de masa “ ” sobre un plano inclinado se desplazará hacia abajo así como sea arrastrado por la gravedad.la fuerza de gravedad ( ) esta directo hacia abajo así como se muestra en la figura Nº 1. La componente de esta que es paralela a la superficie inclinada es igual a sin .

Para determinar la aceleración, el carro se soltará desde el reposo y se medirá el tiempo( ) que se demora en recorrer la distancia( ). Ya que , la aceleración puede ser calculada usando

.


3.1 Objetivo

El propósito de este experimento es de investigar como la aceleración de un carro desplazándose en un plano inclinado depende del ángulo de inclinación.

3.1 Materiales

• Riel

• 1 Tope magnético

• 1 Carro

• Cronometro

• Base y Barra de soporte


Actividad 1

i. Instale el riel como se indica en la figura Nº1 con un pivote de sujeción y de apoyo, elevando el final del riel unos 10 cm desde la mesa.

ii. Coloque el tope magnético en la parte final donde llegará el carro

iii. Coloque el carro sobre el riel en la parte final de este y anote la distancia en la Tabla Nº1, desde donde sale el carro hasta donde toca el tope magnético.

iv. Libere el carro del reposo y mida con el cronometro el tiempo que este demora en tocar el tope magnetico, repita esta medición 10 veces y anote los resultados en la Tabla Nº 1.

FACULAsignat

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Anális

1.

2.

3.

4.

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Tabla Nº1

Tabla Nº2

Preguntas

1).Si se aumentara la masa del carro al doble, agregando masa sobre éste, ¿Se modificaría el resultado obtenido?

2) ¿Cuál es el porcentaje de diferencia entre el valor medido para g.

10cm 9cm 8cm 7cm12345678910

Promedio

TIEM

PO

Posicion inicial Posicion finalDistancia recorrida

ALTURA DEL RIEL ALTURA DEL RIEL

Altura Aceleración Angulo g Teorico % Diferencia10cm9cm8cm7cm



Experiencia Nº 05 SEGUNDA LEY DE NEWTON



De acuerdo a la Segunda Ley de Newton, F =ma . F es la fuerza neta actuando sobre el objeto de masa m y a es la aceleración resultante del objeto. Se tiene un sistema formado por un carro de masa m1 sobre una barra horizontal unido por una cuerda, a través de una polea, a una masa m2 (Figura 1). La fuerza neta FNETA que actúa sobre todo el sistema despreciando la fricción, es el peso de la masa colgante, F =m2g . De acuerdo a la Segunda Ley de Newton, esta fuerza neta debería ser igual a ma , donde m es la masa total que está siendo acelerada, la cual en este caso es m1+ m2 . En este experimento se pretende comprobar si m2g es igual a (m1+m2 ) a cuando se ignora la fricción

Para averiguar la aceleración, el carro partirá desde el reposo y se medirá el tiempo t que

tarda en recorrer una distancia d. Teniendo en cuenta que la distancia d la aceleración

puede calcularse a partir de :

a= 2d

t 2 (suponiendo a constante) 2. Procedimiento Experimental

2.1 Objetivo

El propósito de este trabajo es verificar la Segunda Ley de Newton,F = ma .

2.2 Materiales

• Carro • Barra Metálica Milimetrada • Polea • Cronómetro • Balanza • Soporte para Pesas - Pesas




• Controlar la nivelación de la barra, verificando si el carro se mueve cuando se ubica

sobre la misma. Ajustar la nivelación hasta lograr que el carro se mantenga en reposo sobre la barra.

• Hallar la masa del carro y anotarla en la Tabla 1.

• Ubicar la polea en un extremo de la barra como se indica en la Figura 1. Ubicar el

carro sobre la barra y unir un extremo de la tanza al carro y el otro extremo al soporte con las pesas. La tanza debe tener la longitud justa tal que el carro impacte en el bloque de frenado antes que el soporte con las masas choque el piso.

• Mover el carro sobre la barra, separándolo de la polea. Anotar esta posición en la

parte superior de la Tabla 1. Esta será la posición de partida para todas las pruebas. Realizar varias pruebas para determinar la masa necesaria para que el carro realice un recorrido de aproximadamente 2.5 segundos. Debido al tiempo de reacción, un tiempo total pequeño implicaría un error grande. Sin embargo, si el carro se mueve muy lentamente, el efecto de la fricción causará demasiado error. Anotar el valor de las masas que cuelgan en la Tabla 1.

• Separar el carro de la polea, soltarlo y anotar la posición final del carro en la Tabla 1.

• Medir este tiempo al menos 5 veces y anotarlo en la Tabla 1.

• Aumentar la masa del carro y repetir el procedimiento.

Tabla Nº1

Posición Inicial:----------------------------------------------= Posición Final:-----------------------------------------------= Distancia Total Recorrida por el carro ( d ):----------=

Masa del

Carro

Masa

Soporte+Pesas

Prueba 1

(s) Prueba 2

(s) Prueba 3

(s) Prueba 4

(s) Prueba 5

(s)

Tiempo

Promedio (s)



3.Análisis de los datos

• Calcular los respectivos tiempos promedios y anotarlos en la Tabla 1.

• Calcular la distancia total recorrida por el carro a partir de las posiciones final e inicial

registradas.

• Calcular las aceleraciones respectivas y registrarlas en la Tabla 2.

• Para cada caso, calcular el producto de la masa total por la aceleración y registrarla en la tabla Nº2

• Calcular la diferencia porcentual entre la FNETA y (m1 + m2 ) a y registrarla en la Tabla 2.

Tabla Nº2

Masa del Carro

Aceleración (m1 + m2 )a FNETA = m2g

%Dif.

4. Responder:

7.1 ¿Verifican los resultados de este experimento la Segunda Ley de Newton?

7.2 ¿Por qué en F = ma , la masa m no es igual a la masa del carro?

Figura 1



Experiencia Nº 06 CONSERVACION DE LA ENERGIA



La constante del resorte de un resorte es

donde es la fuerza aplicada de el resorte y es la distancia que esta comprimida. La energía potencial almacenada en un resorte es

El cambio en la energía potencial gravitacional de un carro en movimiento sobre un plano inclinado es

∆ ∆

donde m es la masa del carro,g=9.8 m/s2, ∆ es la distancia recorrida a lo largo del riel 2. Procedimiento Experimental

2.1 Objetivo

El propósito de este trabajo es determinar la constante del resorte, comparar la energía potencial almacenada en el resorte con la energía potencial gravitacional máxima por el carro. Materiales

• Carro • Barra Metálica Milimetrada • Polea • Balanza • Soporte para Pesas – Pesas • resortes



3.Análisis de los datos

• Calcular la compresión del resorte • Use , para determinar la energía potencial inicial de el resorte • Calcular el cambio de la energía potencial gravitacional

Laboratorios 1-6

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