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FUERZA
RESULTANTE Y TIPO DE MOVIMIENTO |
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Experimentos
realizados por alumnos de Bachillerato en la Ikastola "Pasaia-Lezo",
en Guipúzcua. |
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PROPÓSITO DEL
EXPERIMENTO Y DISEÑO EXPERIMENTAL |
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RESULTADOS OBTENIDOS USANDO EL VENTILADOR |
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RESULTADOS OBTENIDOS USANDO EL PORTA-PESOS |
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ARCHIVOS DE
DATASTUDIO |
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PROPÓSITO DEL
EXPERIMENTO Y DISEÑO
EXPERIMENTAL |
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Se quiere comprobar el cumplimiento de la relación que
establecen los principios de la Dinámica de Newton
entre la fuerza resultante y el tipo de movimiento. De forma más
precisa, se tratará de poner en evidencia el concepto
fundamental de la inercia (introducido antes por Galileo), según
el cual mientras sobre un cuerpo no se ejerza ninguna fuerza o la suma de fuerzas ejercidas
sea cero, éste permanecerá en
reposo o mantendrá un movimiento rectilíneo y uniforme. En cambio,
si
la fuerza resultante no es nula, el cuerpo tendrá un movimiento
acelerado y, si esa fuerza resultante es constante, el movimiento
será uniformemente acelerado.
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El montaje experimental
utiliza un carro rodante sobre un carril de
rozamiento despreciable. Se dispone también de
un ventilador que se puede acoplar al carro como
se observa en la foto
adjunta. Cuando el ventilador está funcionando a
un ritmo constante, el aire que levanta impulsa
al carro con una fuerza prácticamente constante,
mientras que si el ventilador está apagado, la
fuerza resultante sobre el carro es
prácticamente nula (a una velocidad típica, el
rozamiento con el carril y con la atmósfera se
puede considerar despreciable) También se
dispone de porta-pesas, hilo y polea, y se
piensa realizar con ellos otro montaje adecuado
para impulsar al carro con una fuerza constante
y dejar de impulsarlo en un momento determinado.
En ambos casos, el
experimento consistirá en impulsar al carro y
dejar de hacerlo a voluntad, estudiando el tipo
de movimiento en cada situación. Para verificar
el tipo de movimiento usaremos un sensor de posición. |
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RESULTADOS OBTENIDOS USANDO EL VENTILADOR |
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El ventilador está provisto de un
temporizador que lo enciende 2 segundos después
de ser pulsado, y durante un tiempo variable,
que se puede ajustar a voluntad. Después de
pulsar el temporizador, se estudió el movimiento
del carro mientras está funcionando el
ventilador (mientras eso ocurre el carro debería
arrancar con movimiento uniformemente acelerado)
y después de que dicho ventilador deje de
funcionar (entonces, la fuerza resultante sobre
el carro ha de ser cero y, por tanto, éste debería
mantener un movimiento uniforme)
Para comprobar estas
predicciones, se analizó la gráfica experimental
tiempo-posición del movimiento del carro,
obtenida utilizando un sensor de movimiento que
se colocó tal como se observa en la imagen
adjunta. |
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Las gráfica de la derecha
corresponde a un tiempo de funcionamiento del
temporizador de 2,3s. Se observa con
total claridad que desde el momento que el
ventilador se apaga el movimiento es uniforme,
como se ve en la recta ajustada a la segunda
parte del movimiento, con un valor del error
cuadrático medio muy bajo.
También se confirma que el
movimiento es uniformemente acelerado durante el
intervalo de tiempo inicial, cuando funciona el ventilador.
Lógicamente, el tiempo de funcionamiento del
ventilador no influye en el valor de la
aceleración. En el ejemplo mostrado se obtiene,
después de realizar a ese tramo de gráfica un
ajuste definido por el usuario, una aceleración de
0,328 m/s2,
el doble de la constante de la ecuación del
movimiento. El experimento se repitió tres veces
probando periodos de tiempo de funcionamiento
del ventilador diferentes. En todas se obtuvo
prácticamente el mismo resultado. |
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Conviene hacer notar a los alumnos
que la velocidad final
observada en la pendiente de la recta ajustada
(es decir, cuando el ventilador está parado y el
movimiento es uniforme) concuerda con gran
exactitud con el valor que se puede obtener multiplicando
para ese tramo la aceleración por el intervalo
de tiempo. En el caso que se muestra, esta operación es 0,328m/s2
• 2.3s = 0,754m/s , y, como se
observa, el valor
experimental de la pendiente es 0,758. |
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RESULTADOS
OBTENIDOS CON EL PORTA-PESOS. |
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La figura de la izquierda muestra la
forma de montar el porta-pesos que cuelga del extremo de
un hilo que recorre una polea.
El otro extremo de la cuerda es el que tira del carro. Así, mientras se produce la caída del
porta-pesos, la fuerza aplicada sobre el carro ha de permanecer
constante y, lógicamente se espera que la gráfica tiempo-posición
corresponda a la de un movimiento uniformemente
acelerado. Pero desde el momento en que el porta-pesos
toque el suelo, el hilo dejará de tirar del carro y el
movimiento de éste debería ser uniforme (la fuerza
resultante sobre él será cero dado que, tal como
acabamos de comprobar en el experimento realizado con el
ventilador, es aceptable considerar despreciable el
rozamiento por rodadura del carro).
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Obsérvese a la derecha la gráfica obtenida del
movimiento del carro tirado por el porta-pesos.
Es evidente el paralelismo entre esta gráfica y
la obtenida cuando utilizamos el ventilador,
aunque la naturaleza de las fuerzas que en cada
caso impulsan al carro sea diferente.
En este experimento que usa el porta-pesos, la
gráfica también se ajusta perfectamente a la de
un movimiento uniformemente acelerado en el
primer tramo que aquí se corresponde con la
caída del porta-pesos hasta el suelo. Una vez
que el porta-pesos llega al suelo el carro
continua libremente y la gráfica se ajusta a la
de un movimiento uniforme. |
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ARCHIVOS DE
DATASTUDIO: Puedes descargar los
resultados originales de los
experimentos descritos en esta página. Comparando los resultados
de 19 ensayos se constata un excelente grado de cumplimiento de la
segunda ley de Newton.
Para abrir los archivos has de usar el programa DataStudio, del que tienen
licencia bastantes departamentos de física y química de
institutos de enseñanza secundaria. |
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