TECNICAS EXPERIMENTALES II CATALOGO DE PROYECTOS

TECNICAS EXPERIMENTALES II
CATALOGO DE PROYECTOS
BLOQUE 3
CONSIDERACIONES GENERALES
El objetivo de este apartado es que los alumnos, agrupados en parejas (el “grupo
de investigación”), se planteen la comprobación experimental de una ley física.
Para dicha comprobación planearán y ejecutarán una serie de experimentos
utilizando el material del laboratorio TEII. Los experimentos se interpretarán en
función de la ley física a estudiar. Asimismo en el caso de encontrar
discrepancias entre teoría y experimento se deberán proponer explicaciones.
Dichas explicaciones no deben ser nunca “caidas del cielo”, sino que deben
fundamentarse
en
resultados
físicos
conocidos
y
comprobarse
experimentalmente.
El conjunto de los bloque previos del laboratorio les ha familiarizado con las
técnicas y instrumental disponible. Por ello, en este apartado no se incluyen
descripciones detalladas del modo de realizar el experimento, ni los desarrollos
teóricos que prueban la ley que se pretende estudiar. Todo ello deberá ser
realizado por los integrantes de cada grupo de investigación. Se sugiere acceder
a los recursos disponibles en la biblioteca de Ciencias y en internet para
completar el apartado de teoría.
EQUIPO DISPONIBLE
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13x osciloscopios analógicos+generador de funciones
1x osciloscopio digital
9x bases de montaje para circuitos
Circuito generador de armónicos para síntesis de Fourier
4x puentes de Wheatstone con amperímetro y fuente de alimentación
4x sistemas de trazadora analógica
3x balanzas para medir la fuerza de Lorentz
Balanza de torsión
4x peonzas con bases de aire comprimido y estroboscopio
3x osciladores rotativos con motor para forzar las oscilaciones
3x y 4x carriles de aire en el laboratorio de electricidad y de mecánica
respectivamente
3x ordenadores con cámara web y tarjeta de adquisición de datos
(1xcontador+2xsalidas analógicas+8xentradas analógicas).
4x estaciones de medida del momento de inercia por aceleración
2x estaciones de medida del momento de inercia por torsión
Barreras de luz con medida de sucesos o de tiempos
Fuentes de alimentación varias
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Voltímetros digitales
Sonda Hall para medida de campos magnéticos
Bobinas de diversos tamaños
Muelles
Bolas de diversos pesos
PROYECTOS PROPUESTOS
Esta lista no es excluyente. Se valorarán propuestas adicionales de acuerdo con
el material disponible en el laboratorio.
Colisiones elástica e inelásticas
Este proyecto consituye una extensión de la práctica del mismo nombre del
bloque 2 del laboratorio. Consiste en un estudio completo de colisiones en una
dimensión, utilizando un carril de aire. Por ello, a diferencia de dicha práctica,
debe incluir una caracterización detallada para numerosos casos experimentales
con especial cuidado en determinar las posibles discrepancias con la teoría.
Se sugiere también la posibilidad de estudiar choques entre objetos compuestos
formados por carritos conectados por muelles, que presentan por tanto la
posibilidad adicional de almacenar energía en forma de oscilaciones entre los
carritos conectados.
Desintegraciones en una dimensión
En un sistema que se desintegra, como en cualquier sistema aislado, se cumple
la ley de la conservación del momento lineal. En una dimensión ello quiere decir
que si se conocen las masas de los fragmentos resultantes, se pueden predecir
sus velocidades. En este proyecto se propone el uso del carril de aire para el
estudio de desintegraciones en una dimensión. Se sugiere el uso de imanes o
muelles comprimidos como método de separar carritos inicialmente unidos. Un
posible método de producir la desintegración es quemar una cuerda que los
mantenga unidos.
Se propone estudiar la dependencia con la masa de los fragmentos, así como la
conservación de la energía teniendo en cuenta la energía interna del sistema
antes de la desintegración.
Osciladores acoplados
El estudio de osciladores acoplados entre sí desvela que el movimiento
aparentemente muy complejo de cada oscilador se puede escribir en función de
los llamados modos normales del sistema. Un modo normal es un movimiento en
el que todos los osciladores se mueven con la misma frecuencia (pero
amplitudes diferentes). Un movimiento arbitrario de los osciladores siempre se
puede descomponer en suma de movimientos correspondientes a los modos
normales del sistema.
Se proponen dos montajes experimentales para medir las frecuencias y
amplitudes de las oscilaciones de los modos normales de un sistema formado
por un mínimo de dos masas acopladas entre sí:
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Mediante el uso de carritos sobre un carril de aire. Se pueden montar varios
carritos conectados entre sí por muelles y conectados a los puntos fijos en el
carril.
Mediante el acoplo de dos péndulos mediante un muelle (queda a la
imaginación de los experimentadores como realizar el montaje mecánico).
En ambos casos se pueden usar barreras de luz para la medida de los periodos
de los movimientos.
Se propone caracterizar los modos normales, aprendiendo a excitar sólo uno de
ellos, y probar que el movimiento con otras condiciones iniciales es una
combinación de los modos normales.
Interacción magnética entre imanes
Hay muchas maneras de medir una fuerza entre dos objetos. Una de ellas
consiste en inclinar en mayor o meno grado un carril de aire, mientras uno de los
objetos se mantiene fijo al carril, y el otro se dispone sobre uno de los carritos
que desliza sobre el carril. La mayor o menor inclinación del carril hace que una
componente mayor o menor del peso del carrito se aplique en la dirección del
carril, fuerza que se puede emplear para contrarrestar la fuerza de interacción
entre los dos objetos. Conociendo la componente del peso se conoce la fuerza de
interacción, y midiendo la distancia de equilibrio en cada caso se obtiene la
fuerza de interacción en función de la distancia.
Un segundo método muy relacionado con el anterior consiste en permitir que el
carrito realize pequeñas oscilaciones alrededor de la posición de equilibrio
encontrada anteriormente. Es fácil deducir que el periodo de las oscilaciones
está relacionado en la segunda derivada de la energía potencial de interacción
entre los dos objetos.
Se propone medir la dependencia de fuerza entre dos imanes con la distancia,
de ambas maneras. Y explicar el acuerdo o desacuerdo entre ambos métodos y
las razones físicas del resultado obtenido.
Campo magnético de la Tierra
Las bobinas de Helmholtz son un montaje en el que se disponen dos bobinas
alienadas entre sí separadas por una distancia igual a su radio. Permiten obtener
campos magnéticos muy uniformes en su región central.
Se propone mediante un juego de bobinas de Helmholtz caracterizar la
orientación y la magnitud del campo mangético terrestre. Como sensor se
dispone de una brújula. Compensando el efecto del campo magnético terrestre
sobre la brújula mediante el campo creado con las bobinas se determina el
campo magnético terrestre.
La peonza: rotación, precesión y nutación
Una peonza consituye un ejempo de sólido rígido girando sobre un eje, con un
par aplicado por el campo gravitatorio aplicado que le lleva a realizar
movimiento de precesión. En el caso más general, la peonza describe un
movimiento de giro alrededor de uno de sus ejes principales de inercia, a la vez
de movimientos de precesión y nutación como se muestra en la figura:
Se propone la caracterización
detallada del movimiento de
nutación y precesión en función
de la posición del centro de
masas en un objeto sencillo. La
determinación de las frecuencias
de los distintos movimientos se
hace mediante un cronómetro
(en el caso de frecuencias muy
bajas)
o
mediante
el
estroboscopio, tal y como se
realizó en la practica de
introducción del
bloque 2.
Inicialmente se propone el
empleo del mismo objeto (una
esfera con un cilindro roscado),
añadiendole un disco situado en
distintas posiciones para modificar la posición del centro de masas.
Se sugiere la posibilidad de usar otros sólidos más complicados, como la
tradicional peonza.
Resonancia en un sistema mecánico: muelle de torsión
La resonancia constituye un concepto fundamental en física, que permite
entender el comportamiento de sistemas aparentemente muy dispares. Consiste
en la fuerte aumento de la amplitud de un oscilador amortiguado cuando se
somete dicho oscilador a una fuerza externa periódica con un frecuencia cercana
a la del sistema.
El muelle de torsión empleado para el estudio de las oscilaciones amortiguadas
en la práctica correspondiente del bloque 2 tiene montado un motor de
frecuencia variable conectado al eje del oscilador. Ello permite aplicar una fuerza
armónica al sistema del oscilardor amortiguado. Hay que destacar que el
fenómeno de la resonancia de observa en estado estacionario: cuando los
movimientos transitorios en el sistema han desaparecido. Por ello si la
amortiguación es pequeña hay que esperar bastante más tiempo antes de
obtener medidas precisas.
Se propone estudiar las características del fenómeno en el sistema mecánico
formado por el muelle de torsión amortiguado conectado al motor. Se debe
medir la curva de resonancia (amplitud del movimiento en función de la
frecuencia del motor) para encontrar la frecuencia de resonancia del sistema
(definiendo ésta como la frecuencia donde la amplitud del movimiento es
máxima) en función de la amortiguación empleada, que al igual que en la
práctica de introducción se modifica cambiado la corriente que circula por el
solenoide. En el caso de no haber realizado la práctica del bloque 2, se deberá
caracterizar la constante de amortiguamiento del sistema para cada corriente.
Asimismo de sugiere medir el desfase entre el movimiento del motor y el del
oscilador.
Resonancia
en
un
circuito
electromagnética y recepción
eléctrico:
emisión
El fenómeno de la resonancia se puede estudiar en un circuito eléctrico.
La corriente que circula por el circuito mostrado en la figura a responde a la
misma ecuación que la resonancia mecánica. Por ello presenta las mismas
características: hay un valor de frecuencia del oscilador aplicado que provoca
una amplitud máxima en estado estacionario en las oscilaciones de corriente. Se
puede medir con el osciloscopio la amplitud de las oscilaciones de voltaje entre
las terminales del condensador.
En este proyecto se propone estudiar el fenómeno de resonancia en el circuito
RLC. Mediante el uso de núcleo de hierro en la inductancia se puede variar el
valor de la frecuencia de resonancia en el circuito. El generador de señal permite
variar la frecuencia del oscilador forzado aplicado al oscilador amortiguado
formado por el circuito RLC.
Dado que la respuesta del circuito es muy grande en la resonancia, se puede
emplear dicho circuito para la recepción de ondas emitidas por una antena
conectada a un generador de señal (receptor de radio). Por ello se propone de
forma adicional estudiar el uso del circuito resonante para la detección de
radiación electromagnetica, siguiendo el esquema de la figura b. Se recomienda
emplear las frecuencias más altas proporcionadas por el generador de señal
(Mhz) dado que la emisión electromagnética es más eficiente a
dichas
frecuencias.
Ondas sonoras en un tubo
Cuando la membrana de un altavoz vibra, se produce una onda de sonido que se
propaga por el aire. Consiste en pequeños movimientos de las moléculas del aire
moviéndose y alejándose del altavoz. Este movimiento es análogo a las ondas
propagándose en una cuerda. Una diferencia importante es que en este caso la
dirección en la que se mueve el aire es la misma que en la que se propaga la
onda, mientras que en la cuerda ambas direcciones son perpendiculares. Por
ello, a las ondas de sonido se les llama longitudinales.
Otra manera de visualizar una onda de sonido es como una serie de
compresiones y expansiones en el aire. Cuando la membrana del altavoz se
mueve hacia afuera, comprime el aire en la cercanías. Este, a su vez, comprime
el cercano a el, y así sucesivamente, de forma que el aumento de presión se
propaga alejándose del altavoz. Cuando la membrana del altavoz se mueve
hacia adentro, se produce una expansión en el aire, que a su vez empieza a
alejarse también del altavoz.
En general una onda de sonido se propaga en todas direcciones desde la fuente,
pero se puede simplificar su estudio restringiendo su movimiento de propagación
a una dimensión, con un tubo.
Se propone investigar
la
propagación
de
ondas de sonido en un
tubo
mediante
un
altavoz y un micrófono
con un montaje similar
al mostrado en la
figura, y observar la
generación de ondas
estacionarias con un
tubo abierto o cerrado.
Adicionalmente
se
sugiere
medir
la
velocidad del sonido tanto de dos maneras:
1- De forma directa a partir del tiempo de propagación de pulsos de sonido
(usando un osciloscopio para detectar el tiempo transcurrido entre la emisión del
sonido y su recepción)
2- A partir de la relación entre frecuencia y longitud de onda para las ondas
estacionarias.
Ondas transversales
Esta proyecto es similar al anterior pero empleando un sistema físico diferente.
En vez de un tubo donde se investiga la propagación de ondas longitudinales de
presión se emplea una denominada máquina de ondas, formada por discos
sujetos a un cable tenso de acero. Este sistema de osciladores acoplados es el
prototipo de un medio en el cuál se pueden propagar ondas transversales.
En esta máquina de ondas se puede estudiar la propagación de ondas
tranversales, y la generación de ondas estacionarias.
Se sugiere primero comenzar estudiado la propagación de ondas, así como su
reflexión, caracterizando la relación entre el periodo de las ondas y su longitud
de onda y obteniendo la relación de dispersión correspondiente.
En la primera parte de la práctica se estudiará su propagación, mientras que en
el segundo se buscarán las condiciones para las cuales se obtienen ondas
estacionarias.
Para generar las ondas se puede utilizar un motor de velocidad regulable, que
genera una movimiento armónico en el primer oscilador (y opcionalmente en el
último). Para detectar el movimiento se pueden emplear barreras de luz o
cámaras web.