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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro
ESTUDIO DE LA RELACIÓN ENTRE LAS ENERGÍAS
CINÉTICA Y POTENCIAL DE UN DESLIZADOR EN
UN RIEL DE AIRE
Miguel Octavio Pallares Pallares – Ingeniería de Sistemas Juan David Restrepo Díaz – Ingeniería Química Kedarnatha Barreto Vélez – Química “Energía equivale a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado” Albert Einstein INTRODUCCIÓN Comúnmente solemos escuchar que la energía no se destruye si no que ésta se transforma, partiendo de éste concepto, hallaremos la energía mecánica presente en un sistema, constamos de un sistema conservativo, veremos que hay dos tipos de energías diferentes en nuestro sistema, y que ambas serán iguales a fin de cuentas gracias al principio de conservación de la energía. OBEJTIVOS Estudiar la ley de la conservación de la energía mecánica. Analizar la variación de la energía cinética, en función de la energía potencial gravitacional de una partícula. Analizar la variación de la energía cinética en función de la energía potencial gravitacional de una partícula. Identificar las variables que intervienen en un evento de conservación de la energía. RESUMEN Un deslizador con masa m que parte del reposo desde una altura h, en cualquier lugar de su trayectoria tiene energía, la cual puede ser cinética y o potencial. La energía cinética se debe a que la masa se mueve con una velocidad. La energía potencial depende de la altura de la masa Reporte de investigación del subgrupo: 4, grupo: L3A, presentado al profesor Elkin Santos, en la asignatura de laboratorio de física 1. Fecha: 23/08/2016.
respecto a una línea horizontal de referencia. Luego de nivelar perfectamente el riel de aire para que el cuerpo (carro) que se deslizara por el sin ninguna fricción, y se tomarán los tiempos respectivos, con diferentes alturas y diferentes masas. ENERGÍA MECÁNICA De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánico de un cuerpo, de modo que éste puede cambiar porque cambie su posición o porque cambie su velocidad. La forma de energía asociada a los cambios en el estado mecánico de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de energía mecánica. ENERGIA POTENCIAL De acuerdo con su definición, la energía mecánica puede presentarse bajo dos formas diferentes según esté asociada a los cambios de posición o a los cambios de velocidad. La forma de energía asociada a los cambios de posición recibe el nombre de energía potencial. La energía potencial es, por tanto, la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o de su configuración (conjunto de posiciones). ENERGIA CINETICA La forma de energía asociada a los cambios de velocidad recibe el nombre de energía cinética. Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento, esto es, de cambiar la velocidad de otros. La energía cinética es, por tanto, la energía mecánica que posee un cuerpo en virtud de su movimiento o velocidad. MARCO TEÓRICO ENERGÍA CINÉTICA La energía es la capacidad de un objeto de transformar el mundo que le rodea. Su unidad es el Joule. Los cuerpos por el hecho de moverse tienen la capacidad de transformar su entorno. Por ejemplo al movernos somos capaces de transformar objetos, de chocar, de romper,… Llamamos energía cinética a la energía que posee un cuerpo por el hecho de moverse. La energía cinética de un cuerpo depende de su masa y de su velocidad según la siguiente relación: 2
transformarse, de unas formas en otras, de manera que la disminución de una supone el aumento de otra u otras. El hombre se las ha ingeniado para aprovechar esta propiedad de la energía. Se han desarrollado formas de transformas unas energías en otras más aprovechables: energía potencial gravitatoria en eléctrica, eléctrica en luminosa, enérgica química en calorífica… En el caso de los fenómenos de caída libre sólo intervienen la energía cinética y la potencial y por tanto lo que aumenta/disminuye una, supone una disminución/aumento de la otra. Las transformaciones de unas energías de unas energías en otras es un fenómeno que se puede producir, en ciertos casos con facilidad. La energía de un tipo que posee un cuerpo se puede transformar en otros tipos y globalmente siempre tendrá el mismo valor. TRABAJO DE UNA FUERZA Para conseguir que una fuerza realice el máximo trabajo es necesario que la dirección de la fuerza se parezca lo más posible a la dirección del movimiento producido. Trabajo es la magnitud física que relaciona una fuerza con el desplazamiento que origina. Cuando una fuerza origina un movimiento sólo realiza trabajo la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Trabajo de la fuerza W = F.dr cuando el cuerpo se desplaza. EQUIPO Sistema carril de aire: riel, bomba, deslizador, 3 parachoques, registradores de tiempo, 2 foto celdas, cables, 4 Masas de 50g, 1 masa de 100g, lanilla, bloque. METODOLOGÍA Como primer paso se niveló el riel de aire hasta lograr que el deslizador quedara en equilibrio. Acto seguido se midió la masa del carro y la masa de las pesas que se le añadían a éste con la balanza, también se midió el grosor de los bloques para lo cual se usó el calibrador. Antes de proceder a tomar los tiempos, se procedió a colocar la foto celda en modo “Gate”. Después se liberó el deslizador, y se registró t1 como el tiempo que tarda en pasar por la primera foto celda y t 2 , tiempo al pasar por la segunda. 4
Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Se repitió las medidas 3 veces y registramos los datos respetivos en las tablas referidas a continuación. El experimento se dividió en tres partes, midiendo los tiempos para dos alturas diferentes pero con el mismo peso y también tomando tiempos para una altura constante pero con la masa del carro variable. Cabe aclarar que para las tres diferentes mediciones se siguió el procedimiento anteriormente mencionado. Factores influyen en los resultados Poner las fotos celdas a determinada distancias, sin cerciorarse de que estuvieran alineadas, para tomar la medición bien. Al soltar la masa con los dedos, se pudo dar un impulso a la masa. Tratamiento de datos Tabla 1- La masa varia. La tabla 1 se construyó tomando los tiempos al pasar por dos fotoceldas puestas a una distancia entre ellas. Se varió la masa, dejando la altura constante. Reporte de investigación del subgrupo: 4, grupo: L3A, presentado al profesor Elkin Santos, en la asignatura de laboratorio de física 1. Fecha: 23/08/2016. d D L Masa del carro (g) Fotocelda 1 Fotocelda 2 h (altura) (cm) L (cm) D (cm ) d (cm ) Tiem po 1 (s) Tiemp o 2 (S) Tiemp o 3 (s) Tiem po 1 (s) Tiemp o 2 (s) Tiemp o 3 (s) 5.065 cm
5 cm 40 cm 100 cm 177.7 g
s
s
s
s
s
s 237.3 g
s
s
s
s
s
s 277.6 g
s
s
s
s
s
s 377.9 g
s
s
s
s
s
s
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Ek =84,83475 [ J ]
Masa 3 Ek =99,242 [ J ] Masa 4
Ek =135,09925 [ J ]
Tabla 2 h (altura) (cm) Fotocelda 1 Fotocelda 2 masa del carro (g) L (cm) D (cm) d (cm) Tiempo 1 (s) Tiempo 2 (s) Tiempo 3 (s) Tiempo 1 (s) Tiempo 2 (s) Tiempo 3 (s) 177.7 g
cm 40 cm 100 cm 2.175 cm 0.228 s 0.229 s 0.229 s 0.185 s 0.185 s 0.186 s 5.065 cm 0.153 s 0.153 s 0.153 s 0.124 s 0.124 s 0.124 s 7.245 cm 0.129 s 0.129 s 0.129 s 0.105 s 0.105 s 0.105 s Tabla 3 Masa del carro (g) Fotocelda 1 Fotocelda 2 h (altura) (cm) L (cm) D (cm) d (cm) Tiempo 1 (s) Tiempo 2 (s) Tiempo 3 (s) Tiempo 1 (s) Tiempo 2 (s) Tiempo 3 (s) 2.175 cm
cm 40 cm 100 cm 177.7 g 0.228 s 0.229 s 0.229 s 0.185 s 0.185 s 0.186 s 237.3 g 0.228 s 0.226 s 0.228 s 0.185 s 0.185 s 0.185 s 277.6 g 0.227 s 0.227 s 0.227 s 0.184 s 0.185 s 0.184 s 377.9 g 0.227 s 0.227 s 0.227 s 0.183 s 0.183 s 0.184 s Realizamos los mismos cálculos de la tabla 1. θ =3.79 X 10 − 4 Velocidad de la fotocelda 1 Reporte de investigación del subgrupo: 4, grupo: L3A, presentado al profesor Elkin Santos, en la asignatura de laboratorio de física 1. Fecha: 23/08/2016.
V =0. 567 [ m / s ] Velocidad de la fotocelda 2 V =0.7 [ m / s ] Energía cinética de las masas Masa 1 Ek =63,52775^ [^ J^ ]
Masa 2 Ek =84,83475^ [^ J^ ]
Masa 3 Ek =99,242^ [^ J^ ]
Masa 4 Ek =135,09925^ [^ J^ ]
CONCLUSIONES
Por medio de este trabajo averiguamos por medio de experimentos que la energía no se crea ni se destruye solo se trasforma. Por medio de la práctica en laboratorio observamos la conservación dela energía en los diferentes experimentos que realizamos ya que la energía pasa de potencial a cinética Averiguamos que la energía potencial en un punto A no es igual a la energía cinética en un punto B y la energía cinética y potencial en un punto C ya que la energía se va pasando, pero en el trayecto del riel se va ganado más energía mientras que la esfera desciende más rápido. 8
