Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en un plano

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
•
Interfase ScienceWorkshop™ Pasco
•
Sensor de Movimiento Pasco
OBJETIVO
El objetivo de este experimento es calcular la aceleración de un carro dinámico que se mueve hacia arriba y
hacia abajo en un plano inclinado. La determinación de la posición, velocidad y aceleración en función del
tiempo se determina por medio de un sistema de captura de datos en tiempo real, que en esta experiencia se
realiza mediante un sensor de posición o sensor de movimiento, el cual utiliza de pulsos de ultrasonido para
detectar la posición. Por medio de un software ScienceWorkshop™ o Data Studio Pasco esos datos se pueden
almacenar y presentar como Tabla de Datos, Gráficos de posición, velocidad o aceleración en función del
tiempo u otras formas de visualizar las mediciones y datos calculados.
IDEAS PREVIAS
Un carro dinámico que se encuentra en reposo sobre una superficie
horizontal perfectamente nivelada es empujado hacia abajo por la
fuerza de gravedad (peso). La fuerza de gravedad es contrarrestada por
la fuerza (reacción) que la superficie de apoyo ejerce sobre las ruedas.
Por lo tanto, como no hay fuerza neta hacia arriba o hacia abajo
actuando sobre el carro (fuerza resultante nula), el carro no se mueve.
LA FUERZA DE GRAVEDAD (PESO)
ATRAE EL CARRO HACIA ABAJO
Si el carro se deja caer verticalmente también es atraído hacia abajo por la
fuerza de gravedad. Si ignoramos la resistencia del aire sobre el carro, la
única fuerza que actúa sobre el carro es la fuerza de gravedad. Debido a
esta atracción el carro no solamente cae sino que su velocidad aumenta en la
caída. Podemos decir que gana velocidad a un ritmo constante de 9.8
metros por segundo cada segundo. Este cambio de velocidad está definido
por la aceleración de la gravedad, magnitud que se representa por la letra g
= 9.8 m/s2 (valor aproximado de g terrestre).
Si el carro se coloca sobre un plano inclinado, también se mueve hacia abajo
debido a la fuerza de gravedad. La diferencia es que una componente del
peso empuja el carro a lo largo del plano provocando su caída. Otra
componente del peso empuja el carro contra el plano.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
1
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
Matemáticamente, la componente de la fuerza de gravedad que empuja el carro a lo largo del plano inclinado
es mg sen θ, donde m es la masa del carro, g es la aceleración debido a la gravedad y θ es el ángulo de
inclinación del plano con respecto a la horizontal. Por otra parte, la componente de la fuerza de gravedad que
empuja el carro contra el plano inclinado es mg cos θ.
Si colocamos el carro en la parte baja del plano y lo impulsamos hacia arriba por medio de una fuerza
instantánea (un golpe), el carro irá perdiendo velocidad a medida que sube por el plano, tendrá una velocidad
cero en el punto más alto de su recorrido y su velocidad irá aumentando cuando empieza a descender.
PROCEDIMIENTO
MEDIDAS DE SEGURIDAD
Usted va a utilizar equipo sofisticado y delicado. Siga todas las instrucciones para el uso
correcto del equipo en este experimento.
UTILIZACIÓN DEL SISTEMA PASCO
UTILIZACIÓN DE LA INTERFASE 750
ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la
realización del práctico. No los ejecute a menos que se lo indiquen.
1.
2.
3.
Antes de prender la computadora, prender la Interfase Pasco (el interruptor se encuentra en la
parte posterior derecha), verificar que se enciende el LED verde en el frente de la interfase.
Prender la computadora. Cuando termine de abrir.
Seleccionar el ícono del programa de DataStudio (pulsándolo dos veces)
•
Aparecerá una pantalla de presentación
similar a la que se muestra a la derecha.
4.
Doble clic en Create Experiment.
•
Se abre una nueva pantalla con
una ventana Experiment
Setup, o ventana de
preparación del experimento,
allí se muestra una imagen de
la interfase Science Workshop
750 en la que aparecen
destacadas (dentro de un
círculo amarillo) las bases en
donde se pueden conectar los
sensores.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
2
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
Las interfases Science Workshop aceptan dos tipos de sensores: analógicos y digitales. Para evitar
equivocaciones a la hora de realizar las conexiones, cada tipo de sensor tiene un conector diferente.
Los sensores analógicos disponen de conectores DIN 8
Los sensores digitales (como el sensor de posición) disponen de conectores tipo plug estéreo
de 6 ½ mm.
• Si usted abre un archivo preconfigurado, conecte los sensores a la interfase de manera que estén
de acuerdo con lo que se indica en el diagrama mímico.
5. Clic en la base 1 de la imagen de la interfase resaltada.
• Se abre una ventana para seleccionar el sensor a utilizar.
6. Seleccionar el Sensor de movimientos (Motion Sensor).
(doble clic o seleccionar y OK)
7. La ventana anterior se modifica mostrando
el ícono del sensor de movimiento.
(En esta ventana ser pueden hacer ajustes
del modo de funcionamiento del sensor)
El Sensor de Movimiento o de Posición
El sensor de movimiento envía pulsos de ultrasonido y recibe el eco del ultrasonido que rebota del objeto
colocado al frente de él.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
3
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
En este experimento, el Sensor de Movimiento mide el movimiento de un carro que es empujado en un plano
inclinado. El programa DataStudio registra el movimiento y calcula los valores instantáneos de posición,
velocidad y aceleración del carro a medida que se mueve hacia arriba y hacia abajo sobre el plano inclinado.
8. El sensor de movimiento tiene
dos conectores digitales, inserte
en la interfase el plug amarillo en
el canal 1 y el plug negro en el
canal 2. Si estos canales
estuvieran ocupados con otro
sensor, conecte los dos plugs en
canales contiguos y siempre el
plug amarillo en el canal de la
izquierda.
9. Al seleccionar el sensor de movimiento (pasos 6 y 7) aparece en el
cuadro superior (Data) de la izquierda la indicación de los datos
experimentales que el sensor está en condiciones de determinar. Se
indica la variable (posición, velocidad o aceleración), los canales de la
interfase en los que está conectado el sensor y las unidades de la
variable medida.
10. A continuación se deben elegir las formas en que se desean visualizar
los datos (tabla, gráfico, medidor analógico, medidor digital, etc.). Las
alternativas se presentan en el cuadro inferior de la izquierda de la
pantalla (Displays).
11. Para este trabajo práctico se empleará la representación gráfica, para
esto se hace clic sobre el ícono del gráfico (Graph) en la ventana
Displays y sin soltarlo se lo arrastra hasta colocarlo sobre la variable
que se quiere graficar (por ejemplo posición - position). Al soltarlo
aparece en una ventana un gráfico con la posición en el eje y, mientras
que el tiempo (por defecto) se representa en el eje x.
De la misma manera se pueden presentar los gráficos de velocidad-tiempo o aceleración-tiempo.
En todos los casos para cada determinación el programa DataStudio determina o calcula todas las
variables aunque solamente presenta las seleccionadas.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
4
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE MOVIMIENTO
ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la
realización del práctico, No los ejecute a menos que se lo indiquen.
Como el sensor de movimiento funciona mediante ultrasonido, la distancia medida esta determinada
por el tiempo de ida del pulso de ultrasonido al objeto y el tiempo de vuelta del rebote hacia el
detector. Como la velocidad del sonido depende de las propiedades del aire (temperatura, presión
atmosférica) se debe realizar una calibración al comenzar la tanda de experimentos. La velocidad del
sonido de la calibración original es (344,00 m/s). Después de la calibración del Sensor de
Movimiento, el valor de la velocidad del sonido será el valor actual de la velocidad del sonido
calculado en este experimento
1.
En la Ventana de Preparación del
Experimento (Experiment setup),
doble click en la solapa Motion
Sensor, la ventana ahora muestra
un cuadro Preset Sensor Distance
donde figura la distancia actual que
el sensor de movimiento “ve” en
este momento (la distancia desde el
sensor hasta el frente del carrito).
Al lado aparece una ventana
Standard Distance en la que figura
(por defecto) 1,000 m.
2.
El Sensor de Movimiento hará un sonido tenue aproximadamente cada segundo. Esto es parte de
la calibración. Cuando el sensor “ve” la superficie que provoca el rebote, se enciende un led
verde que parpadea con la misma frecuencia que el pulso de sonido.
3.
Coloque a una distancia de un metro del Sensor de Movimiento, medido con una regla, una
superficie plana (carpeta, libro) para que refleje los pulsos emitidos por el Sensor. Clic en el
botón Set Sensor Distance = Standard distance
4.
Del lado derecho de la ventana se muestra el cuadro Sample Rate en donde se puede ajustar la
frecuencia del muestreo (cantidad de pulsos por segundo), por defecto es 10 Hz.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
5
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
MONTAJE EXPERIMENTAL
ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la
realización del práctico, No los ejecute a menos que se lo indiquen.
1.
Coloque el plano inclinado. Use la barra ajustable en un extremo de la pista para levantar ese extremo
del plano o elévelo colocando un taco debajo de las patas.
2.
Coloque el Sensor de Movimiento en el extremo alto del plano. El carro empezará el movimiento en la
parte baja del plano. Empuje el carro hacia el Sensor de Movimiento mediante el Impulsor.
Práctica para el registro de información
•
Antes de empezar a registrar datos, practique el movimiento y asegúrese que el sensor esté
alineado con el carro. Siga los pasos 1 a 4 del procedimiento de REGISTRO DE DATOS (ver
más adelante)
ADVERTENCIA! No empuje el carro muy fuerte, debe llegar a 40 cm del sensor.
REGISTRO DE DATOS
1.
Prepárese para medir el movimiento del carro a medida que éste se mueve hacia el sensor y regresa a su
posición inicial. Coloque el carro en la parte baja del plano.
2.
Click el botón Start
para empezar el registro de datos.
En el gráfico se empieza a dibujar una línea que representa las lecturas del Sensor de Movimiento,
como el carro no se mueve los puntos se encuentran sobre una línea paralela al eje x (Tiempo)
(distancia al sensor constante)
3.
4.
Empuje el carro hacia el Sensor por medio del
Impulsor. Continúe registrando datos hasta que el
carro se detenga después de varios rebotes sobre
el impulsor.
Click el botón Stop
registro de datos.
para terminar el
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
6
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
5.
Cuaderno del alumno
Ahora aparece en el gráfico el registro del movimiento. Como en este montaje el carro de acerca al sensor
la coordenada de posición toma valores menores que cuando está en reposo (El cero del sistema de
referencia está en el Sensor de movimiento).
En el cuadro de datos (Data) aparece Corrida #1 (Run #1) además del símbolo y color de los puntos de esta
corrida. Note que aunque solamente se ha graficado la posición, también aparecen en el cuadro de datos
(Data) la indicación de la velocidad y la aceleración para la corrida 1.
(Si la gráfica no es continua controle el alineamiento del Sensor y repita el
experimento).
6.
…
Si el gráfico es satisfactorio ajuste la escala pulsando el boton…
(autoescala) en el extremo izquierdo de la barra de herramientas superior de la ventana del gráfico. Ahora
la curva que representa al movimiento aparece desplegada.
Puede hacer visible el cuadro de velocidad en
función del tiempo haciendo clic sobre el ícono del
gráfico (Graph) en la ventana Displays y sin
soltarlo se lo arrastra hasta colocarlo sobre la
variable que se quiere graficar (en este caso
velocidad). Al soltarlo aparece en una ventana el
gráfico con la velocidad en el eje y, mientras que el
tiempo (por defecto) se representa en el eje x.
El gráfico anterior permanece en segundo plano.
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
7
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
Si realiza una segunda determinación los nuevos valores aparecen destacados con otro color
Si desea ver los valores de cada punto en forma de tabla, en la ventana
Displays seleccione Table y arrastre con el Mouse hasta colocarlo sobre
Position en la ventana superior Data
La pantalla muestra la Tabla de la posición en función del tiempo. Si se
seleccionan valores sobre la tabla (resaltados) tambiés se muestran resaltados los puntos correspondientes de
la curva
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
8
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Rosario
Depto. CIENCIAS BÁSICAS - UDB Física Cátedra FÍSICA I Laboratorio de Física
Cuaderno del alumno
Informe de Laboratorio
Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en plano inclinado
Apellido y nombre
Especialidad
División
Comisión
TABLA DE DATOS
Parámetro
Determinación 1
Determinación 2
Determinación 3
Desplazamiento (medido)
Desplazamiento (de la gráfica)
Velocidad inicial
Velocidad final
Aceleración (pendiente)
m/s2
Aceleración (promedio calculado)
m/s2
PREGUNTAS
1.
Describa la gráfica de posición en función del tiempo. ¿Porqué la distancia disminuye a medida que el
tiempo transcurre o a medida que el carro sube el plano inclinado?
2.
Describa la gráfica de velocidad en función del tiempo.
3.
Describa la gráfica de aceleración en función del tiempo.
1.
¿Es igual la aceleración para ambos movimientos? (de subida y de bajada) ¿Porqué sí o porqué no?
Revisado
Aprobado
Rehacer
Fecha
Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado
9