General Objective:
Desarrollar y mejorar la comprensión de los principios fundamentales de la física, incluyendo la Ley de Hooke, el Principio de la Dinámica, la máquina de Atwood, así como los conceptos relacionados con masa y peso, a través de la utilización de simuladores virtuales en un laboratorio educativo. A través de la experimentación virtual y el análisis de datos simulados, los estudiantes desarrollarán habilidades experimentales, mejorarán su comprensión de los principios físicos y fortalecerán su capacidad para resolver problemas en contextos del mundo real relacionados con la física.
Specific Objectives:
- Analizar los datos recopilados para determinar si se cumple la Ley de Hooke y calcular la constante de elasticidad (constante del muelle).
- Estudiar como varia la aceleración de un cuerpo con la masa de este.
- Aplicar el 2º Principio de la Dinámica de Newton.
- Diferenciar entre masa y peso
Suggested Materials:
- Simulador Ley de Hooke
- Simulador Principio de la dinámica
Taco de rozamiento, acelerómetro, superficie sin rozamiento,
portapesas, juego de pesas.
- Simulador Máquina de Atwood
Máquina de Atwood, pesas, portapesas, cuerda, acelerómetro
- Simulador Masa y Peso
Dinamómetros (5), portapesas (5), pesas de 100g, material adecuado para viajes
espaciales: nave, traje de astronauta.
Approach and procedure:
Un grupo de estudiantes practicamos con los distintos simuladores de leyes de
newton, donde allí pudimos observar y detallar su funcion y como se aplica cada
ley para asi obtener conocimiento teórico y práctico. Gracias a esto pudimos tener
un aprendizaje más desarrollado y destacar la importancia de estos simuladores y
de estas leyes en el mundo de la física.
Introduction
En este informe de laboratorio, abordaremos de manera íntegra los temas fundamentales de la Ley de Hooke, el Principio de la Dinámica, la Máquina de Atwood y la Masa y el Peso.
Comenzando con la Ley de Hooke, se explorará cómo esta ley establece la relación lineal entre la fuerza aplicada a un resorte y su elongación, una relación fundamental en la comprensión de la elasticidad de los materiales.
Seguidamente, se examinará el Principio de la Dinámica, que nos brinda un marco teórico para entender cómo los objetos cambian su movimiento en respuesta a las fuerzas que actúan sobre ellos, permitiéndonos analizar con precisión el comportamiento de sistemas en movimiento. Además, se profundizará en la Máquina de Atwood, un dispositivo que ilustra claramente los conceptos de aceleración y equilibrio de fuerzas en sistemas con poleas y masas, lo que nos permitirá aplicar la teoría a situaciones prácticas.
Por último, se estudiará la relación entre la Masa y el Peso, una distinción crucial en
la física que nos permitirá comprender cómo la gravedad afecta a los objetos y cómo
se relacionan estos conceptos en el contexto de la mecánica clásica. A través de este
informe, se pretende consolidar los conocimientos teóricos adquiridos en el laboratorio y su aplicabilidad en situaciones del mundo real.
Theoretical framework (books, internet, databases, among others):
Ley de Hooke
La ley de Hooke describe un fenómeno físico que establece que la cantidad de
fuerza necesaria para extender un resorte una distancia determinada depende
linealmente de esta. Lo cual se puede expresar como: Fs = k⋅x. Donde:
- Fs es la fuerza aplicada en [N]
- k es la constante del resorte o muelle en [N/mm]
- x es la deformación en [mm]
Principio de la dinámica
El principio fundamental de la Dinámica o segunda ley de Newton afirma que la
fuerza neta que sufre un cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración del cuerpo.
La unidad de fuerza es el newton (N) - Un newton es la fuerza neta que produce una
aceleración de 1 m/s2 sobre un cuerpo de 1 kg de masa.
Máquina de Atwood
Es una máquina inventada en 1784 por George Atwood como un experimento de
laboratorio para verificar las leyes mecánicas del movimiento uniformemente
acelerado. La máquina de Atwood es una demostración común en las aulas usada
para ilustrar los principios de la Física, específicamente en Mecánica.
La máquina de Atwood consiste en dos masas, m1 y m2, conectadas por una
cuerda inelástica de masa despreciable con una polea ideal de masa despreciable.
- Cuando m1 = m2, la máquina está en equilibrio neutral sin importar la posición de los pesos.
- Cuando m2 > m1 ambas masas experimentan una aceleración uniforme.
Masa y Peso
La masa es una porción de materia y se mide en kilogramos (kg). El peso es la
fuerza con que la gravedad atrae a la materia y se mide en newtons (N). El peso es
variable. En la Tierra, es mayor en los polos que en el ecuador y a nivel del mar que en la cima de una montaña.
Los cuerpos pesan menos en Marte o en la Luna que en la Tierra, porque su fuerza
de la gravedad es menor que la de nuestro planeta y de Hooke.
La ley de Hooke describe un fenómeno físico que establece que la cantidad de fuerza
necesaria para extender un resorte una distancia determinada depende linealmente de esta. Lo cual se puede expresar como: Fs = k⋅x. Donde:
- Fs es la fuerza aplicada en [N]
- k es la constante del resorte o muelle en [N/mm]
- x es la deformación en [mm]
Description
En base al conocimiento obtenido en el aula de clase con cada simulador, el
presente trabajo de laboratorio tiene como objetivo darnos a conocer de manera más fácil y rápida como se ve cada ley.
Es fundamental conocer y aprender cómo podemos usarlos y de ello saber la
importancia en el mundo de la física. Con esta información adquirida se realizó el
siguiente trabajo.
Scheme of experiment 1 (draw it)
Ley de Hooke:
Este experimento consta de 3 resortes cada uno con fuerzas distintas, a medida
que se le iba aumentando un bloque de masa de 20kg empezaba a estirarse el resorte en cm.
Determina la constante elástica de cada muelle a partir de la pendiente de cada una de las rectas.
Muelle 1: 1 cm
Muelle 2: 1,5 cm
Muelle 3: 0,5 cm
Observación:
• La fuerza aplicada al resorte se traduce en una deformación proporcional, lo que
demuestra la relación lineal entre la fuerza y la elongación.
• El simulador permite experimentar con diferentes fuerzas y constantes de
resorte, lo que facilita la comprensión de cómo estas variables afectan la
respuesta del resorte.
• Es posible notar cómo la constante del resorte afecta la rigidez del resorte, ya
que un valor más alto conduce a un comportamiento más rígido, mientras que un
valor más bajo resulta en un resorte más flexible.
Scheme of experiment 2 (draw it)
Principio de la dinámica:
En este experimento se empleó la segunda ley de Newton (dinámica), al dejar el
taco constante e ir aumentando el portapesas va aumentando la aceleración, sin
embargo, si se realiza inversamente, el portapesas queda constante y se le va
aumentando el taco, la aceleración disminuye.
- En este entorno virtual, podemos observar cómo los objetos interactúan bajo la influencia de las fuerzas y cómo estas fuerzas afectan el movimiento de los objetos.
- Un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo a menos que una fuerza externa actúe sobre él, y que un objeto en movimiento tiende a mantener su velocidad y dirección a menos que una fuerza externa lo modifique.
- Podemos apreciar cómo la magnitud de la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa, como lo establece la famosa segunda ley de Newton.
Scheme of experiment 3 (draw it)
Máquina de Atwood:
En este experimento nos encontramos con dos masas (A y B) en equilibrio como
una balanza y nos muestra la aceleración de las dos, si las dos masas son iguales la
aceleración es 0. Al aumentar de masa A su aceleración es negativa, la masa B es
positiva y viceversa.
Observación:
- Al observar detenidamente el simulador, podemos notar cómo las masas en los extremos de la cuerda interactúan entre sí, generando una aceleración que depende de la diferencia de masas. Además, es evidente cómo la dirección de la aceleración cambia según la relación entre las masas.
- Observar las variaciones en la velocidad y la posición de las masas a lo largo del tiempo también nos permite apreciar la conservación de la energía y la tensión en la cuerda.
Scheme of experiment 4 (draw it)
Masa y Peso:
En este experimento nos encontramos con un medidor de peso para cada astro que,
al aumentar de masa, el peso aumenta de manera distinta para cada astro, ya que no todos tienen la misma gravedad.
Observación:
- Es impresionante cómo podemos ajustar la masa de los objetos y ver cómo esto afecta su peso en la Tierra. Esta interacción directa nos ayuda a apreciar la relación entre estos dos conceptos y cómo la gravedad juega un papel crucial en ello.
- El simulador nos permite experimentar con diferentes planetas, lo que amplía nuestra comprensión más allá de la Tierra. Podemos observar cómo la masa de un objeto es constante en todo el universo, pero su peso varía dependiendo de la gravedad del planeta en el que se encuentre. Esto nos lleva a apreciar la diversidad y complejidad del cosmos.
Write your own conclusions (minimum 3):
En resumen, este informe de laboratorio abordó de manera integral conceptos
fundamentales como la Ley de Hooke, el Principio de la Dinámica, la Máquina de
Atwood y la relación entre la Masa y el Peso. A través de la exploración de estos temas, hemos adquirido una comprensión más profunda de los principios fundamentales de la física y cómo se aplican en situaciones prácticas. Este informe nos ha permitido consolidar nuestros conocimientos teóricos y apreciar su relevancia en el mundo real. A través de la experiencia práctica, hemos obtenido las siguientes conclusiones importantes:
1. Se logró apreciar que la Ley de Hooke es un principio fundamental en la física
que establece una relación lineal entre la fuerza aplicada a un resorte. Esta ley
nos proporciona una comprensión esencial de la elasticidad de los materiales y
se aplica en una amplia variedad de situaciones, desde la ingeniería civil hasta la
fabricación de productos. Además, la Ley de Hooke sirve como base para
comprender el comportamiento de los materiales elásticos.
2. Se logró apreciar que el principio de la dinámica es fundamental, ya que nos
brinda un marco teórico sólido para comprender cómo los objetos cambian su
movimiento en respuesta a las fuerzas que actúan sobre ellos. A través de esto,
hemos adquirido la capacidad de analizar y predecir el comportamiento de
sistemas en movimiento.
3. A través del estudio de la máquina de Atwood, hemos profundizado en la
comprensión de cómo las fuerzas gravitatorias actúan sobre objetos conectados
por una cuerda o cable a través de una polea. Esta máquina no solo es un
ejemplo práctico de física, sino que también nos proporciona una herramienta
valiosa para aplicar los conceptos teóricos a situaciones reales.
4. En resumen, la distinción entre masa y peso es esencial en la física y nos
permite comprender cómo la gravedad afecta a los objetos. La masa es una
medida de la cantidad de materia en un objeto y es una propiedad que no
cambia, independientemente de su ubicación en el universo. El peso, por otro
lado, es la fuerza ejercida sobre un objeto debido a la gravedad y depende de la
masa y la aceleración debida a la gravedad en un lugar particular.
Bibliography:
- Gomez, P. (2011). [Mecánica Clásica I] Principio fundamental de la dinámica. El Tamiz.
- Fisicalab. (2017). Ley de Hooke. Fisicalab.
- Correa, S. (2020). Máquina de Atwood. santiagocorreagomez.
- Casalderrey, M. (2019). MASA Y PESO. La vos de Galicia
