|
|
|
ROZAMIENTO AL DESLIZAMIENTO DE
UN BLOQUE DE MADERA |
|
|
Experimentos
realizados por alumnos de Secundaria y de Bachillerato en el IES "Leonardo Da Vinci" de Alicante
|
|
|
|
|
|
PLANTEAMIENTO |
|
ENSAYOS
PREVIOS CON DINAMÓMETROS |
|
DISEÑO
EXPERIMENTAL CON SENSORES |
|
RESULTADOS |
|
OBTENCIÓN DE LA
FUERZA DE ROZAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO |
|
ARCHIVOS DE
DATASTUDIO |
|
|
|
|
|
|
PLANTEAMIENTO |
|
|
Una forma de iniciar el estudio del rozamiento
es
plantear la cuestión de qué cabe esperar que suceda cuando a un cuerpo
apoyado encima de una mesa o sobre el suelo se le ejercen
fuerzas, de empuje o de tracción, cada vez mayores. Es lógico
pensar que mientras las fuerza aplicada sea pequeña, el
objeto no se moverá. Para poner en movimiento el objeto hay
que ejercer una fuerza mínima que supere la
oposición del rozamiento. Después de conseguirlo, el deslizamiento podría ser
uniforme (si se aplica una fuerza igual a la fuerza de
rozamiento) o acelerado (si la fuerza aplicada supera a la
fuerza de rozamiento)
|
|
Solicitamos a los alumnos que no se limiten a la especulación teórica y empujen un objeto
relativamente
pesado, como, por ejemplo, una mesa del aula. Al hacerlo tienen sensaciones que indican que para poner en movimiento la mesa
se necesita
ejercer una
fuerza mayor que la necesaria luego para mantener el
movimiento. Finalmente, se resume este conjunto de hipótesis mediante la
elaboración de gráficas cualitativas sobre la previsible
evolución de la fuerza aplicada y de la posición del objeto. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ENSAYOS PREVIOS CON DINAMÓMETROS |
|
|
Interesa realizar unas experiencias
exploratorias, consistentes en tirar con un dinamómetro de un bloque colocado
encima de una mesa. Para
aumentar el rozamiento y apreciar mejor el pico de fuerza antes
del deslizamiento se puede colocar una base de
corcho blanco. La observación visual del experimento
permite constatar muy claramente que
para poner en movimiento el objeto se precisa una fuerza mayor que la
necesaria después para mantener el deslizamiento.
Distinguimos, en consecuencia, entre una fuerza de rozamiento estático
(una fuerza creciente que iguala a la fuerza aplicada mientras el objeto permanece en
reposo) y una fuerza de rozamiento dinámico, ya con el
objeto deslizando (inferior al pico máximo de la fuerza aplicada
antes del deslizamiento)
|
|
|
|
|
|
En las experiencias
realizadas, anotamos que, usando la base de corcho y un bloque de madera de los
disponibles en nuestro laboratorio, el pico que representa la
fuerza mínima necesaria para poner en movimiento al objeto
(rozamiento estático) está en el entorno de 2-3N, mientras que
la fuerza aplicada cuando desplazamos el objeto resulta del
orden de
1-2N. |
|
|
|
|
|
|
|
|
DISEÑO EXPERIMENTAL
CON SENSORES |
|
|
Con el sensor de fuerza
se puede empujar objetos o tirar de ellos.
Pondremos un tirador y tiraremos con suavidad de un
bloque de madera (colocado encima
de la
mesa del laboratorio) hasta conseguir que deslice. Mientras el
objeto desliza, intentaremos ejercer una fuerza
constante y lo más pequeña posible, con objeto de mantener un
movimiento uniforme. Para comprobar si es así se usará un sensor de movimiento
que registre la evolución de la posición del bloque. Si todo sale
según las previsiones, en el momento en que comience a deslizar
el objeto la lectura del valor que proporciona el sensor de fuerza
ha de aportar el valor límite de la fuerza de rozamiento
estático. Si el sensor de movimiento registra después algún
tramo de
movimiento uniforme, la fuerza aplicada al bloque en ese tramo
es la fuerza
de rozamiento dinámico. |
|
|
|
|
|
Respecto a los
detalles técnicos del diseño, tenemos en cuenta que con
los dos sensores conectados al ordenador, el programa
enseña simultáneamente en la pantalla las gráficas de la
evolución de la fuerza y de la posición.
Por tanto, conviene configurar ambos sensores con la misma
frecuencia (se obtienen buenos resultados con
50Hz)
Por otro lado, se ha de configurar el
sensor de fuerza para que determine fuerzas de tiro positivas. |
|
|
|
|
|
|
|
|
RESULTADOS |
|
|
|
|
Debajo, a la derecha, se muestran las gráficas de la fuerza
aplicada y de la posición obtenidas por uno de los equipos. En
este caso, se añadieron al bloque
de madera pesas que aportaron un sobre-peso de 600g y uno
de los alumnos tiró
suavemente del objeto con el sensor de fuerza, haciéndolo
deslizar encima de
la de la mesa del laboratorio, que se puede considerar una superficie lisa y bien pulida. |
|
|
|
|
|
Como se aprecia, en las gráficas
quedan perfectamente delimitadas tres zonas:
Una zona inicial
(hasta t=0.3s) en dónde se ha aplicado una fuerza creciente y el
objeto permanece en reposo hasta que se consigue ponerlo en
movimiento
(pico de la gráfica)
La zona inmediatamente posterior (desde t=0.3s hasta t=1s) en la que,
primero cae la fuerza aplicada (en el momento del arranque) y
tiende a estabilizarse. Corresponde al inicio del movimiento del
cuerpo, donde la gráfica de la evolución de la posición delata
un movimiento acelerado.
Una zona de deslizamiento casi uniforme final (desde
t=1s en adelante) donde dejamos de tirar del objeto. La fuerza
aplicada resulta bastante constante y la gráfica de la posición
se aproxima a una recta, es decir, tiene pendiente casi
constante o, lo que es igual, el movimiento parece próximo a un
movimiento uniforme. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OBTENCIÓN DE LA FUERZA DE ROZAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO |
|
|
|
|
A la izquierda se muestra el análisis
realizado sobre la gráfica de la fuerza aplicada. Usando
la llamada "Herramienta inteligente" del programa, se
obtiene el pico de fuerza que se ha necesitado para
poner en movimiento al bloque (5,3 N).
Por otra parte, se ha realizado un
ajuste lineal de la fuerza aplicada en la zona de
deslizamiento, que confirma que dicha fuerza ha sido
casi constante y aporta un valor de 4,3N.
Utilizando las funciones estadísticas que aporta el
programa, también se han obtenido los valores máximo (4,5N),mínimo
(4,0N) y medio (4,3N) de dicha fuerza, los
cuales corroboran claramente su constancia y confirman
su valor de 4.30N. |
|
|
|
|
|
|
En las gráficas adjuntas (debajo a la izquierda) se ha
seleccionado la zona que corresponde al inicio del movimiento
del bloque. Como se observa, el arranque el acelerado. La fuerza
varía muy poco y el mejor ajuste realizable sobre la gráfica de
la posición es un ajuste cuadrático, del que se puede obtener
con buena precisión la aceleración al arrancar |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.
En las otras gráficas (situadas más a la derecha) en cambio, se ha
seleccionado la zona posterior de deslizamiento .
El ajuste más adecuado para la gráfica de la posición es
ahora un ajuste lineal, lo que nos indica que el
movimiento casi es uniforme. En estas condiciones,
la fuerza aplicada al bloque es casi constante e igual a
la fuerza de rozamiento al deslizamiento, lo que da por
este procedimiento un valor de 4,28N.
|
|
|
|
|
|
|
Así pues, se obtiene en este caso una fuerza
de rozamiento de 4,28 - 4,30 N. Como la masa del bloque
es de 200g y se le añadió un sobrepeso de 600g, el
coeficiente de rozamiento resulta
μ = 0,55 (μ = fr/P = 4,28/7,84 = 0,55).
Para completar el estudio, interesa realizar
otro experimento donde se modifique la masa del bloque (añadiendo y restando
pesas), con objeto de obtener con mayor precisión el
coeficiente de rozamiento, confirmando si, como prevé la teoría, se
obtiene una relación lineal entre la fuerza de rozamiento y la
fuerza normal, para diferentes valores de ellas.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ARCHIVOS DE
DATASTUDIO: Te puedes descargar los
resultados
originales del experimento descritos
en esta página.
Para abrir el archivo se necesita el programa DataStudio, del que tienen
licencia bastantes Departamentos de Física y Química de
institutos de Enseñanza Secundaria. |
|