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8/19/2019 experiencia_laboratorio_3_10109_2-2015_161115

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[email protected] DEPTO DE FISICA – USACH 1

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE CORDINADORA: CECILIA TOLEDO V

FACULTAD DE CIENCIA SEMESTRE SEGUNDO 2015

DEPARTAMENTO DE FISICA

FISICA II

LABORATORIO Nº3 - Trabajo y EnergíaOBJETIVOS

1.

Identificar aceleraciones por uso de poleas fijas y móviles.2. Determinar el trabajo realizado por diferentes fuerzas

3. Identificar la energía cinética y la potencial gravitatoria.

4. Aplicar teorema del trabajo y la energía.

INTRODUCCIÓN

La transformación de un tipo de energía en otra, es una parte esencial del estudio, no sólo

de la física sino que también de la química y de la biología, como también de la ingeniería, de

la astronomía etc.

Un tipo muy común de problemas en la naturaleza son aquellos en los cuales las fuerzas

dependen de la posición, como la fuerza de gravitación entre los cuerpos, fuerza elástica de

un resorte.

Para determinar el movimiento de una partícula sometida a este tipo de fuerza se usan los

conceptos de Trabajo y Energía.

LEA Y ESTUDIE LOS FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

ACTIVIDAD Nº1

En la sesión anterior de laboratorio, usted trabajo con un par de bloques unidos por una

cuerda que pasa por una polea fija y un sensor de movimiento, como se muestra a

continuación.

En esta sesión se trabajará con un sistema conformado por un par de bloques, una polea fija

de masa despreciable, una móvil de masa NO DESPRECIABLE y una cuerda de masadespreciable que une a ambos cuerpos sistema como se muestra en la figura siguiente

M

m


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ACTIVIDADES

a) Construya el montaje indicado en la figura..

b) Haga un diagrama de cuerpo libre ( identifique bien las fuerzas), para cada uno de los

cuerpos que interviene en el sistema ( dos bloque o cuerpos y dos poleas)

c) Configure los sensores de movimiento para medir las aceleraciones del cuerpo de

masa M y del bloque que cuelga “m”, a partir de gráficos v v/s t.

d) Registre el valor de las masas y repita el procedimiento a lo menos tres veces

para obtener un valor promedio hasta completar la siguiente tabla.

M (kg) m (kg aM ( m/s ) am ( m/s

PROMEDIO

1) Tome las medidas y realice los cálculos que el permitan determinar cada una de las

fuerzas que actúan sobre ambos bloques.


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2) Usando la información obtenido en los puntos anteriores, calcule el trabajo que

realiza cada una de la fuerzas que actúa sobre ambos bloques, cuando el bloque M

recorra 30 cm.

3) Observe que se está usando una polea fija y una móvil. Desarrolle los cálculos en

forma ordenada

4) Determine la energía cinética de ambos bloque a los 2 segundos de ponerse en

movimiento el sistema..

5) Determine la variación de la energía potencial del bloque que cuelga cuando M 1 avanza

40cm.

6) Identifique cuales son las fuerzas conservativas y cuáles son las no conservativas eneste sistema.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Los conceptos de energía y trabajo están ligados. La energía es uno de los conceptos físicos

importante en la ciencia y esta se presenta de diferentes formas.

El sol es una fuente inagotable de energía, sin él, la vida en nuestro planeta no podría existir.

En nuestros alimentos que ingerimos por ejemplo nos

preocupa ver cuanta energía nos aportan cada uno de ellos.

Diversos tipos de energía conocemos, así podemos hablar

de energía química, hidráulica,, energía nuclear, energía

calórica, energía mecánica, energía electromagnética,

energía eólica, energía mecánica, etc.

DEFINICION DE TRABAJO (W)

Analicemos una partícula de masa m que se mueve sobrela trayectoria que muestra la figura. El trabajo (dW)

ejecutado por una de las fuerzas F

que actúa sobre ella en

un desplazamiento infinitesimal dr

se define como:

De acuerdo a este diferencial, el trabajo realizado por la fuerza F

a lo largo de la curva

entre los puntos A y B es una integral curvilínea dada por:

(1) B

c

A

W F dr

si anotamos que el módulo de dr es ds

,

A

B

F

tF

r d

nF

dW F dr ; dW F dr cos


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(2) B

c t

A

W F ds

Las expresiones dadas por las ecuaciones (1) y 2) corresponden a la definición de trabajo

realizado por una fuerza y de acuerdo a la definición que se dio para trabajo se puede deducir

que:

a.- El trabajo es una magnitud escalar

b.-El trabajo que realiza una fuerza puede serpositivo, negativo o nulo,

dependiendo del

valor del ángulo que forma la fuerza que actúa sobre el cuerpo y del desplazamiento.

Se puede observar también que solo la componente tangencial de la fuerza es la quecontribuye a realizar el trabajo físico, la componente normal no realiza trabajo

Si la fuerza que realiza trabajo es constante, la ecuación (1) toma una forma más sencilla:

AB B A ABW F r r o W F r

En la siguiente figura presentada se observa que hay

varias fuerzas que actúan sobre el bloque hacen

trabajo sobre él entre los puntos A y B . Además de la

fuerza F

que es constante, actúa la fuerza peso

(mg

), la fuerza de roce cinético y la fuerza normal, ¿

cual(es) fuerzas no hacen trabajo? ¿ porqué?

TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGIA

Este teorema deriva directamente del segundo principio de Newton y relaciona el trabajo

realizado sobre una partícula debido a la fuerza neta o resultante que actúa sobre ella, con la

rapidez de la partícula en determinadas posiciones.

Además este teorema es el punto de partida de una generalización de gran alcance en Física: El principio de conservación de la energía mecánica.

Si trabajamos con la fuerza neta F

que actúa sobre una partícula de masa m, el trabajo

neto ( netoW ) realizado por ella entre dos puntos A y B de la trayectoria se puede expresar en

función de la energía cinética ( K = ½ m v2).

2 21 1W = m v - m v ; W = ΔK neto netoB A2 2

Esto corresponde al ''Teorema del trabajo y la energía''

ENERGIA POTENCIAL

A Peso B

Normal

Roce

F


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Cuando un cuerpo está en movimiento tiene energía cinética. Los cuerpos también tienen

energía debido a su posición o configuración ( a su forma o estructura).

Este tipo de energía se conoce con el nombre de ENERGIA POTENCIAL .

Hay varias formas de energía potencial como por ejemplo la energía que tiene un resorte que

está comprimido o estirado, la energía potencial que tiene un cuerpo que está a cierta altura

respecto de un nivel de referencia, la energía potencial eléctrica.

El trabajo realizado por la fuerza peso , por ser de tipo conservativa, puede expresarse enfunción de la energía Potencial Gravitatoria ( Ug = mgy ), la expresión correspondiente para

el trabajo es : peso gW U

Del mismo modo el trabajo realizado por una fuerza elástica, por ser de tipo conservativa,

puede expresarse en función la energía potencial elástica Ue = k x21

2 es una cantidad

positiva, donde x es la deformación del resorte medida respecto de su largo eU = k x21

2. La

expresión correspondiente para el trabajo es : elast eW U

En general decimos que, una fuerza es conservativa si su dependencia del vector posición r

estal que el trabajo realizado entre dos puntos puede ser expresado como la diferencia entre

dos valores de una cantidad pU x, y,z evaluado en los puntos inicial y final, siendo pU la

energía potencial o función potencial que es la capacidad que tiene un cuerpo de efectuar

trabajo en función de su posición.

F conservativasW U x, y, z U x, y, z 1 2 ;

U U U2 1

; F conservativasW U

El trabajo que realiza una fuerza conservativa entre dos puntos es independiente de latrayectoria, su trabajo en un ciclo cerrado es nulo

Se puede demostrar que, en un sistema en que actúan sólo fuerzas conservativas laenergía mecánica del sistema se conserva.

Es lo que se llama:

“ Principio de conservación de la energía mecánica “.

De acuerdo al teorema del trabajo y la energía.

netoW K

Separemos el trabajo neto en trabajo de fuerza no conservativas NCW y trabajo de fuerzas

conservativas CW , entonces podemos escribir :

NC CW W K

Como para una fuerza conservativa su trabajo es:


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CW U, entonces, si sobre el sistema sólo actúan fuerzas conservativas se tiene que

CW K ; U K

o bien o o o oK U K U ; K U K U E

siendo E la suma de la energía cinética y potencial del sistema, llamada energía mecánica.

Si sobre el sistema solo actúan fuerzas conservativas se cumple que:

E E cte 0

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