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Fuerza y aceleración

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

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

Aquí le mostraremos un experimento que valida la segunda ley de Newton, aplicando fuerzas de diferente magnitud en un planeador en una pista de aire casi sin fricción

Antes de entrar en los detalles de cómo ejecutar el experimento, vamos a estudiar los conceptos y leyes que contribuyen al análisis de datos y la interpretación.

La instalación consta de una pista de aire, un planeador, un temporizador fotopuerta a una distancia conocida d desde el punto de partida, una polea y una cadena de funcionamiento de la vela sobre la polea.

Si uno fija un peso al otro extremo de la cuerda y lo lanza, el peso aplicará una fuerza sobre la vela haciéndolo acelerar. Esta fuerza está dada por la segunda ley de Newton. Al mismo tiempo, será la fuerza del peso debido a la aceleración de la gravedad menos la fuerza de tensión en la cadena de conexión el peso cae a la vela. Esta fuerza de tensión es la masa del peso veces la aceleración de la vela.

Al equiparar la fuerza sobre la vela con la fuerza del peso, uno puede derivar la fórmula para calcular teóricamente la aceleración de la vela.

La forma experimental para calcular la aceleración de la vela es con la ayuda del temporizador fotopuerta. Esto nos da el tiempo necesario por el planeador para viajar la distancia d desde el punto de partida. Con esta información, se puede calcular la velocidad de la vela y luego, con la ayuda esta fórmula cinemática, se puede calcular la magnitud de la aceleración experimental.

Ahora que entendemos los principios, vamos a ver cómo realmente realizar este experimento en un laboratorio de física

Como se mencionó antes, este experimento utiliza un planeador conectado por una línea que pasa sobre una polea a un peso. Pista de los deslizadores de vela a lo largo de un aire, que crea un cojín de aire para reducir la fricción a niveles insignificantes.

Como el peso cae, la polea redirige la tensión en la línea para tirar de la vela, que tiene una bandera larga de 10 cm en la parte superior. Una fotopuerta a una distancia conocida desde el punto de partida registra la cantidad de tiempo que tarda la bandera al pasar a través de él

Velocidad final de la vela es la longitud de la bandera dividida por el tiempo que pase por la fotopuerta. Con la velocidad final de la vela y la distancia recorrida, es posible calcular la aceleración.

Configurar el experimento colocando el temporizador fotopuerta en la marca de 100 cm en la pista de aire y el planeador en la marca de 190 cm. El deslizador tiene una masa de 200 gramos. Sostenga la vela para que no se mueva y añadir pesos al final de la cadena para colgar la masa total es también 10 gramos

Una vez que las pesas estén en su lugar, soltar el planeador registrar su velocidad para cinco carreras y calcular el promedio. Use la masa de la vela y el peso colgante para calcular las aceleraciones experimentales y teóricas y registre los resultados.

Ahora añadir cuatro pesos más a la vela, duplica su masa a 400 gramos. Lugar el planeador en la marca de 190 cm para repetir el experimento. Soltar el planeador y registrar su velocidad para cinco carreras. Otra vez, calcular y registrar el promedio de la velocidad y las aceleraciones experimentales y teóricas.

Para el último conjunto de pruebas, retire los pesos de la vela por lo que tiene su masa original de 200 gramos. Luego, añadir pesos a la masa que cuelga hasta que tenga una nueva masa de 20 gramos. Repita el experimento para otro cinco carreras.

Por último, añadir más peso a la masa colgante hasta 50 gramos y repita que el experimento para cinco funcionamientos más.

Recordemos que la aceleración teórica de la vela es igual a la aceleración debido a la gravedad g multiplicado por el cociente de la masa del peso descendente y la masa el peso y el planeador juntos. Como los valores teóricos en este espectáculo de mesa, aceleración disminuye a medida que la masa de los aumentos del planeador.

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

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

Las diferencias entre aceleraciones experimentales y teóricas pueden tener varias causas, incluidas las limitaciones en la precisión de la medición, la fricción muy pequeña pero no totalmente insignificante en la pista de aire y el bolsillo de aire debajo de la vela, que puede añadir a o restar de la fuerza de tensión a lo largo de la cadena.

Las fuerzas están presentes en casi todos los fenómenos en el universo. Trajo a la tierra, las fuerzas afectan todos los aspectos de la vida cotidiana.

La cabeza puede causar traumas y deteriorar las funciones cognitivas. Un estudio de conmociones cerebrales relacionados con deportes utiliza cascos de hockey especial equipados con acelerómetros de tres ejes para medir aceleración durante el impacto.

Los datos fueron enviados por telemetría a ordenadores portátiles, que registró las medidas para su posterior análisis. Conocer las aceleraciones y la masa de la cabeza, era posible utilizar la segunda ley de Newton, F = ma, para calcular el impacto de las fuerzas en el cerebro.

Ingenieros de caminos, construcción de pasarelas están interesados en estudiar el efecto de la fuerza inducida por carga de pie en estas estructuras. En este estudio, los investigadores colocaron sensores en una pasarela que mide las vibraciones inducidas por los peatones. La respuesta estructural se mide en términos de aceleración vertical, que es un parámetro importante en el estudio de la estabilidad de estas estructuras

Sólo ha visto aceleración e introducción de Zeus a fuerza. Ahora debe entender los principios y protocolo detrás del experimento de laboratorio que valida la segunda ley de Newton del movimiento. ¡Como siempre, gracias por ver!

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