Fuerza Centrípeta: Laboratorio Teoría:

Fuerza Centrípeta: Laboratorio
Física de PSI
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Teoría:
Si ninguna fuerza neta actúa sobre un objeto, éste viajará en una línea recta sin cambio
en la rapidez. Para provocar que un objeto se mueva en trayectoria circular, una fuerza
constantemente perpendicular a la dirección del movimiento debe actuar sobre el objeto. Esta
fuerza, llamada fuerza centrípeta, estará por lo tanto siempre dirigida hacia el centro del círculo.
En esta investigación, vas a determinar la relación entre la fuerza centrípeta que actúa
sobre el objeto y la rapidez del objeto mientras viaja por una trayectoria circular cuando el radio
de la trayectoria circular que sigue el objeto se mantiene siempre constante.
Materiales:
Un tubo plástico de 10 a 20 cm de largo, y de aproximadamente 1 cm de diámetro (el tubo debe
estar pulido en sus dos extremos), cordón de nylon (más o menos 1 a 1,5 metros), un tapón de
goma, 25 arandelas de metal, cronómetro, clips para papel, gafas protectoras.
Soporte
Tapón de goma
Clip
Pesos
Procedimiento:
1. Atar el tapón de goma a un extremo del cordón. Sosteniendo el cordón con la mano a
unos 50 cm del tapón, tratar de hacer girar el cordón por encima de la cabeza en una
trayectoria circular horizontal. Comprobarás que cuando haces girar el tapón más
rápidamente, necesitarás sostener el cordón con más fuerza. En consecuencia, la
fuerza (tensión) en el cordón debe incrementar junto con la rapidez del tapón.
2. Pasar el extremo libre del cordón por el tubo plástico y sujetar el tubo con clips. Doblar
el clip de manera que sujete las arandelas. Colocar cinco arandelas en el extremo del
cordón. Ajustar el cordón de forma que el radio de la trayectoria circular del tapón sea
entre 75 y 100 cm. Marcar esto con un clip como se muestra en el diagrama.
3. Practicar hacer girar el tapón en una trayectoria circular horizontal sobre tu cabeza. El
tapón está viajando con la rapidez deseada cuando el peso de las arandelas sólo
provee la fuerza centrípeta necesaria para que el tapón mantenga su trayectoria circular
de radio R. Esto está indicado por el clip que usas como marcador. El clip debe quedar
sólo un poco por debajo del tubo plástico. Si el clip se mueve hacia arriba, contra el
4.
5.
6.
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9.
tubo, es porque estás haciendo girar el tapón demasiado rápido. Si el clip se baja, estás
haciendo girar el tapón muy lentamente.
Cuando el tapón se mueve con la rapidez de rotación deseada, pídele a un compañero
use el cronómetro para medir el tiempo que toma el tapón para completar 20 vueltas.
Calcular el tiempo de una vuelta del tapón.
Calcular la circunferencia de la trayectoria circular del tapón L = 2πR
A partir de esta información, determinar la rapidez del tapón en metros por segundo.
Registrar todos los números en la Tabla 1.
Agregar cinco arandelas más y repetir los pasos 4 a 7.
Repetir el procedimiento tres veces más, cada vez agregando 5 arandelas hasta que el
peso total es el de 25 arandelas. La fuerza centrípeta ejercida por las arandelas sobre el
tapón es proporcional al número de arandelas usadas porque todas las arandelas pesan
más o menos lo mismo. En consecuencia, podemos usar el número de arandelas para
representar la unidad de fuerza centrípeta.
Pruebas
Fuerza
(número de
arandelas)
Tiempo
para 20
vueltas (s)
Tiempo
para una
vuelta (s)
Circunferencia Rapidez
(m)
(m/s)
(Rapidez)2
1
2
3
4
5
Cálculos:
1.
2.
3.
4.
5.
Calcular el tiempo para una revolución t = ttotal/Número de revoluciones
Calcular la circunferencia L = 2πR. (π=3,14)
Calcular la rapidez del tapón v = L/t
Calcular la rapidez 2.
Graficar la fuerza centrípeta versus la rapidez (trazar la fuerza en el eje vertical y la
rapidez en el eje horizontal).
6. Graficar la fuerza centrípeta versus la rapidez 2
Conclusión:
1. Explicar el significado del gráfico de la fuerza versus la rapidez.
2. Explicar el significado del gráfico de la fuerza versus la rapidez 2
3. Derivar la ecuación para la fuerza centrípeta en este problema. Los resultados de tu
investigación, ¿corroboran esta ecuación? Explica.
4. Si el tiempo lo permite, repetir la investigación; pero esta vez, mantener la fuerza
constante y variar el radio de la trayectoria circular del tapón. Graficar los resultados
(fuerza versus radio) y describir la forma del gráfico (usar diferentes hojas). Los
resultados de tu investigación, ¿corroboran la ecuación para la fuerza centrípeta?
Explica.