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FÍSICA GENERAL

Guía de laboratorio 02: Conservación de la Energía Mecánica

I. LOGROS ESPERADOS

a) Compara la energía potencial elástica, inicialmente almacenada en un resorte, con la máxima energía

potencial gravitacional alcanzada por un móvil.

II. EQUIPOS Y MATERIALES

Nº Cant. Descripción Código

1 1 Laptop (inc. AC Adapter 65 W 20 V ) + Software

Capstone

2 1 Dynamics plunger cart with mass ME-9430

3 1 Motion Sensor PS-2103

4 1 850 Universal Interface UI-5000

5 1 Base and Support rod ME-9355

6 1 Angle indicator ME-9495A

7 1 1,2 m Classic Dynamics System ME-9429A

9 1 Nivel de mesa

10 1 Hilo resistente (30 cm) SE-8050

11 1 Ohaus Scout Pro Balance 6000g SE-8757A

12 1 Assy Dynamics Track End Stop ME-8971

III. INTRODUCCIÓN

3.1. Conservación de la energía mecánica

Una fuerza conservativa es aquella para la cual, el trabajo realizado por la fuerza al mover un objeto de una

posición a otra depende sólo de éstas dos posiciones, y no de la trayectoria seguida. El trabajo efectuado por una

fuerza conservativa es recuperable, lo cual no es cierto para fuerzas no conservativas, como la fricción.

La energía potencial está asociada con fuerzas conservativas que dependen de la posición de objetos. Luego, la

energía potencial gravitacional es dada por:

, (1)

donde la masa m está cerca de la superficie terrestre, a una altura y, respecto de algún punto de referencia. Así, el

cambio de energía potencial gravitacional se puede expresar como:

(2)

Por otro lado, la energía potencial de un resorte puede ser considerada como la energía almacenada en el resorte

debido a la elongación y viene dada por:

2

(3)

donde k es la constante de rigidez del resorte y x la elongación medida desde su posición de equilibrio. Además,

la variación de energía potencial se escribe en la forma:

[

] (4)

Luego, para un sistema aislado, la energía debe permanece constante. Es decir, el cambio en la energía total,

cinética más potencial más todas las otras formas de energía, es igual a cero:

[ ] (5)

En el sistema experimental que estudiaremos, mostrado en la Fig. 01, el émbolo del carrito comprimirá un valor

a un resorte que se encuentra dentro de éste. Así, inicialmente, el sistema solo posee energía potencial

elástica

. Luego, el móvil será liberado desde el reposo, lo que permitirá que el sistema adquiera

energía potencial gravitacional y cinética K.

Para facilitar nuestro análisis, la energía potencial gravitacional que mediremos será la que corresponde a la altura

h, es decir, en el instante en que el móvil se detiene momentáneamente antes de su retorno. Luego, , y

K=0.

Finalmente, usando el principio de conservación de la energía mecánica en el sistema, se obtiene:

(6)

(7)

Así, en esta experiencia se busca comprobar el principio de conservación de energía comparando la energía

potencial elástica con la potencial gravitacional del carrito.

Fig. 01: Modelo del sistema experimental

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IV. PROCESO EXPERIMENTAL

4.1 Disposición del equipo

a) Verifique la disposición del equipo tal como muestra la Fig. 02.

b) Note que el sensor de movimiento nos permitirá medir la posición inicial y final del carrito mientras éste

asciende por el plano inclinado. Y de esta forma visualizarlo en la gráfica posición vs tiempo

4.2 Medida de la Energía potencial elástica ( ): Elongación del resorte

(a) Use la regla milimetrada para medir indirectamente la elongación inicial del resorte, . Note que ésta

coincidirá con la longitud del embolo sin comprimir, como muestra la Fig. 03. Anote su medida en la tabla

01.

4.3 Medida de la energía potencial gravitacional ( ): determinación de la altura.

a) Mida la masa del móvil y las barras de metal. Anote éste resultado y el ángulo de inclinación de la rampa

en la parte superior de la Tabla 02.

Fig. 02: Sistema experimental que será usado.

Fig. 03: Medida de la elongación inicial del resorte.

4

b) Inicie el programa Capstone y elija la opción gráfico , mostrado al lado derecho de la

pantalla (Fig. 05).

Fig. 05: Inicio programa Pasco Capstone y uso de la herramienta gráfico.

c) En la pantalla mostrada en la Fig. 06, proceda a cambiar el nombre de los ejes a fin de que reconozca el

sensor de movimiento. En el eje de las ordenadas elija la opción posición y en el eje de las abscisas elija la

opción tiempo (Fig. 06).

d) Cambie la frecuencia de muestreo en la parte baja de la pantalla de 20,00 Hz a 50,00 Hz (Fig. 06).

Fig. 04: Elongación inicial del émbolo

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Fig. 06: Reconocimiento del sensor de movimiento, asignación de los ejes y configuración de la

frecuencia de muestreo.

e) Presione el émbolo del carrito hasta comprimirlo por completo y ubíquelo en la posición más baja del

carril (ver Fig. 07). Enseguida Inicie la toma de datos del sensor de movimiento presionando la opción

grabar . Inmediatamente después de presionar la opción grabar, suelte el seguro del resorte,

golpeando éste rápidamente con el nivel de mesa, y deje que el sensor mida la máxima altura, es decir la

posición, x2, que alcanza el extremo del carrito antes de descender por la rampa. Cuando el carrito haya

retornado al punto más bajo del carril, finalice la toma de datos con la opción detener .

f) Ud. obtendrá una gráfica como la mostrada en la Fig. 08. Use la herramienta auto escala para

visualizar en mayor tamaño el gráfico (Ver Fig. 08).

Fig. 07: Posición inicial y final de la altura alcanzada por el móvil.

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g) Use la herramienta inteligente para posicionarse en el punto de la gráfica en que la posición

comienza a decrecer, es decir, (punto superior en la Fig. 08). Presione nuevamente esta herramienta y

posiciónese en el punto más bajo de la curva, es decir, (ver Fig. 08). Note que la diferencia entre estos

valores proporcionará la distancia que el móvil sube por la rampa, | | Anote sus resultados en

las Tabla 02.

h) Repita este procedimiento 04 veces más y anote sus medidas en la Tabla 02 para los diferentes ensayos.

i) Use las ecuaciones (2) y (4) para obtener la variación de energía potencial gravitacional y elástica,

respectivamente. Anote sus resultados en la Tabla 03.

j) Determine los errores porcentuales de sus medidas. Anote sus resultados en la Tabla 04.

Fig. 08: Posición inicial y final de la altura alcanzada por el móvil.

1

FISICA GENERAL: REPORTE DE LABORATORIO

Laboratorio 02: Conservación de la Energía Mecánica

A. TOMA DE DATOS

Tabla 01: Medida de la elongación del resorte,

Tabla 02: Medida del desplazamiento del móvil,

: ( kg )

Ángulo de

inclinación

( )

Distancia recorrida por el móvil | | ( m ) Distancia

recorrida

promedio

( m )

( m )

Ensayo Nº

1

Ensayo Nº

2

Ensayo Nº

3

Ensayo Nº

4

Ensayo Nº

5

B. CALCULOS Y RESULTADOS

Tabla 03: Cálculo del cambio de energía potencial gravitatoria y elástica

APELLIDOS y NOMBRES Curso Profesor Fecha/Hora No Reserva Parecer

Constante de rigidez del resorte

( N / m )

( m )

625

| |

(J)

(J)

2

Tabla 04: Cálculo de la diferencia porcentual entre valores experimentales (use medidas de la tabla 02)

( )

| | ( )

Cálculo de diferencia porcentual entre dos valores experimentales (D%)

|| |

(| |

)

|

C. CONCLUSIONES

Resuma brevemente la experiencia enfatizando si en ésta se consiguió comprobar los logros/hipótesis

iniciales. Caso contrario, indique los factores por los cuáles esto no fue posible y proporcione algunas

recomendaciones finales para el correcto desarrollo de la experiencia.

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Physics Open-Lab Ingeniería USIL

Experimento número: __________ Fecha: _________

Código de Reserva: __________

PARECER:

Concluido Satisfatóriamente (CS)

No concluido (NC)

CS ( ) NC ( )

Apellidos y Nombres: _______________________________________ Curso: ______________________

Profesor del Curso: _________________________________________ Bloque: _____________________

Recibido por: __________________________ Firma del estudiante: _____________________

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