1.2: Fuerza y aceleración

1. primera configuración.

1. La pista de aire tendrá una polea conectada a un extremo. Ate la cuerda a un extremo de la vela y pase a través de la polea, donde se conectará el peso colgante.
2. Coloque la vela en la marca de 190 cm en la pista de aire. Coloque el temporizador fotopuerta en la marca de 100 cm. La vela tiene una masa de 200 g. sostener la vela para que no se mueva y añadir peso al final colgando para que la masa total del peso es igual a 10 g.
3. Una vez que las pesas estén en su lugar, soltar el planeador del resto y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
4. Calcular el valor teórico para la aceleración usando la ecuación 2 y el valor experimental de la ecuación 3. Por ejemplo, si el planeador tiene masa de 200 g y los pesos de suspensión tienen una masa de 10 g, entonces la aceleración teórica, de la ecuación 2, es si la velocidad medida es 0.95 m/s, entonces, usando la ecuación 3, el valor experimental de la aceleración es

2. aumento de la masa de la vela.

1. Añadir cuatro de los pesos a la vela, que será el doble de su masa.
2. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.

3. aumento de la fuerza sobre la vela.

1. Añadir más masa el peso colgante por que tiene una masa total de 20 g.
2. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
3. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.
4. Añadir más masa el peso colgante por que tiene una masa total de 50 g.
5. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
6. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.

La segunda ley de Newton describe la relación entre la fuerza y la aceleración, y esta relación es uno de los conceptos más fundamentales que se aplican a muchas áreas de la física y la ingeniería.

F igual a ma es la expresión matemática de la segunda ley de Newton. Esto ilustra que se requiere una mayor fuerza para mover un objeto de una masa mayor. También demuestra que, para una fuerza dada, la aceleración es inversamente proporcional a la masa. Es decir, con la misma fuerza aplicada, las masas más pequeñas aceleran más que las masas más grandes

Aquí demostraremos un experimento que valida la segunda ley de Newton aplicando fuerzas de diferentes magnitudes a un planeador en una pista de aire casi sin fricción

. Antes de entrar en los detalles de cómo realizar el experimento, estudiemos los conceptos y leyes que contribuyen al análisis e interpretación de los datos.

La configuración consiste en una pista de aire, un planeador, un temporizador de fotopuerta a una distancia conocida d del punto de partida, una polea y una cuerda que va desde el planeador sobre la polea.

Si uno coloca un peso en el otro extremo de la cuerda y lo suelta, el peso aplicará una fuerza sobre el parapente que acelere. Esta fuerza viene dada por la segunda ley de Newton. Al mismo tiempo, la fuerza sobre el peso se deberá a la aceleración gravitacional menos la fuerza de tensión en la cuerda que conecta el peso que cae con el planeador. Esta fuerza de tensión es la masa del peso multiplicada por la aceleración del planeador.

Al igualar la fuerza sobre el planeador con la fuerza sobre el peso, se puede derivar la fórmula para calcular teóricamente la aceleración del planeador.

La forma experimental de calcular la aceleración del planeador es con la ayuda del temporizador photogate. Esto nos da el tiempo que tarda el parapente en recorrer la distancia d desde el punto de partida. Con esta información, se puede calcular la velocidad del planeador y luego, con la ayuda de esta fórmula cinemática, se puede calcular la magnitud de la aceleración experimental.

Ahora que entendemos los principios, veamos cómo llevar a cabo este experimento en un laboratorio de física

. Como se mencionó anteriormente, este experimento utiliza un planeador conectado por una línea que pasa sobre una polea a un peso. El parapente se desliza a lo largo de una pista de aire, lo que crea un colchón de aire para reducir la fricción a niveles insignificantes.

A medida que el peso cae, la polea redirige la tensión en la línea para tirar del parapente, que tiene una bandera de 10 cm de largo en la parte superior. Un photogate a una distancia conocida del punto de partida registra la cantidad de tiempo que tarda la bandera en pasar a través de él

. La velocidad final del planeador es la longitud de la bandera dividida por el tiempo que tarda en pasar por el photogate. Con la velocidad final del parapente y la distancia recorrida, es posible calcular la aceleración.

Configure el experimento colocando el temporizador photogate en la marca de 100 cm en la pista aérea y el planeador en la marca de 190 cm. El parapente tiene una masa de 200 gramos. Sujete el parapente para que no se mueva y agregue pesos al final de la cuerda para que la masa total para colgar también sea de 10 gramos

. Una vez que los pesos estén en su lugar, suelte el parapente, registre su velocidad durante cinco carreras y calcule el promedio. Utilice la masa del parapente y el peso en suspensión para calcular las aceleraciones experimentales y teóricas, y luego registre los resultados.

Ahora añade cuatro pesos más a la vela, duplicando su masa a 400 gramos. Coloca el parapente a la marca de 190 cm para repetir el experimento. Suelta el planeador y registra su velocidad durante cinco carreras. De nuevo, calcule y registre la velocidad media y las aceleraciones experimentales y teóricas.

Para la última serie de pruebas, retire los pesos del parapente para que tenga su masa original de 200 gramos. A continuación, añade pesos a la masa colgante hasta que tenga una nueva masa de 20 gramos. Repite el experimento durante otras cinco carreras.

Por último, añade más pesos a la masa colgante hasta que sea de 50 gramos y repite el experimento durante cinco tiradas más.

Recordemos que la aceleración teórica del planeador es igual a la aceleración debida a la gravedad g multiplicada por la relación entre la masa del peso que cae y la masa del peso y el planeador juntos. Como muestran los valores teóricos de esta tabla, la aceleración disminuye a medida que aumenta la masa del planeador.

Por el contrario, la aceleración aumenta a medida que aumenta la masa del peso que cae, debido a la mayor fuerza. Tenga en cuenta que las aceleraciones predichas por esta ecuación pueden tener un valor máximo de g, que es 9,8 metros por segundo al cuadrado.

A continuación, veamos cómo calcular la aceleración experimental. Por ejemplo, en la primera prueba se utilizó un planeador de 200 gramos y un peso de 10 gramos. La velocidad media después de recorrer 100 centímetros fue de 0,93 metros por segundo. Usando la ecuación cinemática discutida anteriormente, la aceleración experimental resulta ser 0,43 metros por segundo al cuadrado. Este mismo cálculo, aplicado a las otras pruebas, produce los resultados que se muestran en esta tabla.

Las diferencias entre las aceleraciones experimentales y teóricas pueden tener varias causas, incluidas las limitaciones en la precisión de la medición, la fricción muy pequeña pero no completamente despreciable en la pista de aire y la bolsa de aire debajo del planeador, que puede aumentar o restar la fuerza de tensión a lo largo de la cuerda.

Las fuerzas están presentes en casi todos los fenómenos del universo. Bajadas a la Tierra, las fuerzas afectan a todos los aspectos de la vida cotidiana.

Golpear la cabeza puede causar traumatismo y afectar las funciones cognitivas. Un estudio de las conmociones cerebrales relacionadas con el deporte utilizó cascos especiales de hockey equipados con acelerómetros de tres ejes para medir la aceleración durante el impacto.

Los datos se enviaron por telemetría a computadoras portátiles, que registraron las mediciones para su posterior análisis. Conociendo las aceleraciones y la masa de la cabeza, fue posible utilizar la segunda ley de Newton, F = ma, para calcular las fuerzas de impacto en el cerebro.

Los ingenieros civiles que construyen pasarelas están interesados en estudiar el efecto de la fuerza inducida por la carga del pie en estas estructuras. En este estudio, los investigadores colocaron sensores en una pasarela que medían las vibraciones inducidas por los peatones. A continuación, se midió la respuesta estructural en términos de aceleración vertical, que es un parámetro importante en el estudio de la estabilidad de estas estructuras

. Ahora deberías entender los principios y el protocolo detrás del experimento de laboratorio que valida la segunda ley del movimiento de Newton. Como siempre, ¡gracias por mirar!