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FACULTAD DE QUIMICA, INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA AGROINDUSTRIAL CURSO: LAB.FÍSICA II

2020

GUIA PRÁCTICA DEL EXPERIMENTO VIRTUAL SOBRE LA LEY DE HOOKE EXPERIMENTO No 01 Lic. JORGE E. HUAYNA D. / 2020 – 1 Descripción del Experimento. El primer experimento virtual es sobre la Ley de Hooke, este experimento se realizó en el simulador PhET que consta de tres secciones las cuales son: introducción, sistema y energía. Se trabajó con uno o dos resortes que podían estar ya sea en serie o paralelo, sujetados a un muelle mientras se aplicaba una fuerza deformadora que podía ser constante o variar. Así mismo se podía experimentar con el comportamiento de los resortes, si mantenía el valor de la fuerza deformadora, pero variaba la constante de resorte finalmente probamos la relación entre la energía potencial del resorte y su deformación. La función del simulador es permitirnos conocer que ocurre con el sistema cuando realizamos estas variantes. Para un resorte

Figura 1. Resorte con una constante elástica fija. Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke”

Por ejemplo, el estudiante encontrara en la figura que la constante elástica 1 es de 500 N/m y la aplicación de una fuerza 1 (100) N. Colocar los datos en la Tabla 1, Tabla 1. Fuerza variable aplicada a un resorte con constante elástica fijo.

Constante elástica (N/m) 500

Fuerza aplicada (N) -100

Fuerza restauradora (N) 100

Desplazamient o (m) -0.200

500

-86

86

-0.172

500

-54

54

-0.108

500

-20

20

-0.040

500

-8

8

-0.016

500

31

-31

0.062

500

63

-63

0.126

500

88

-88

0.176

500

100

-100

0.200

Conclusiones de la tabla 1:  La fuerza aplicada y la fuerza restauradora poseen el mismo módulo, pero van en dirección contrario.  Se observa que el desplazamiento es directamente proporcional a la fuerza aplicada del resorte.

 Se concluye también que la fuerza aplicada y el desplazamiento tienen la misma dirección.

Qué ocurre si en el segundo resorte se varía la constante elástica para una fuerza aplicada constante de 100 N (fig. 2), vea su desplazamiento.

Figura 2. Resorte con una fuerza aplicada constante. Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke” Tabla 2. Fuerza aplicada fija y constante elástica variable.

Constante elástica (N/m) 100

Fuerza aplicada (N) 100

Fuerza restauradora (N) -100

Desplazamient o (m) 1.000

130

100

-100

0.769

220

100

-100

0.455

300

100

-100

0.333

420

100

-100

0.238

500

100

-100

0.200

700

100

-100

0.143

820

100

-100

0.122

1000

100

-100

0.100

Conclusiones de la tabla 2:  Se mantiene una fuerza aplicada constante de 100 N variando la constante elástica, y observa un desplazamiento en la misma dirección que la fuerza.  Se observa que la fuerza aplicada y la fuerza restauradora poseen el mismo módulo, pero con direcciones opuestas.  En la tabla se puede apreciar que el desplazamiento es inversamente proporcional a la constante elástica.

Para dos resortes, mantener fijos las constantes de elasticidad para los dos resortes (paralelo), variando la fuerza aplicada. ¿Cómo se comporta este sistema? Explique. Si varía la fuerza aplicada, que se puede decir de la fuerza de reposición.

Figura 3. Resorte en paralelo con constante de elasticidad fijo e igual. Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke”

Tabla 3. Resultados obtenidos del sistema variando la fuerza.

Constant e elasticida d (N/m) 400

Fuerza restaurador a resorte azul (N) 50

Fuerza restaurador a resorte amarillo (N) 50

Fuerza restaurador a total (N)

Desplazamient o (m)

Fuerza aplicad a (N)

100

-0.125

-100

400

36

36

72

-0.090

-72

400

25

25

50

-0.063

-50

400

12.5

12.5

25

-0.031

-25

400

-18

-18

-36

0.045

36

400

-38.5

-38.5

-77

0.096

77

400

-50

-50

-100

0.125

100

Conclusiones de la tabla 3:  Se puede apreciar que el desplazamiento es directamente proporcional a la fuerza aplicada.  Se observa que la fuerza restauradora total es repartida entre la fuerza restauradora del resorte azul y la fuerza restauradora del resorte amarillo siendo cada una la mitad de la fuerza restauradora total.  La fuerza restauradora y la fuerza aplicada tienen el mismo módulo, pero en direcciones distintas.

Con los mismos resortes en paralelo experimentar la variación de la constante de elasticidad del resorte azul, manteniendo fija la del resorte amarillo, aplicando una fuerza fija de 100 N. Colocar los resultados en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados obtenidos, variando el resorte azul y manteniendo fijo el resorte amarillo. Constant Constant Fuerza Fuerza Fuerza Desplazamient Fuerza e e restaurador restauradora restauradora o aplicad

elástica del resorte azul (N/m) 200

elástica del resorte amarillo (N/m) 200

a resorte amarillo (N)

resorte azul (N)

total (N)

(m)

a (N)

-50

-50

-100

0.250

100

300

200

-40

-60

-100

0.200

100

400

200

-33.3

-66.7

-100

0.167

100

500

200

-28.6

-71.4

-100

0.143

100

600

200

-25

-75

-100

0.125

100

Conclusiones de la tabla 4:  Con una fuerza aplicada constante de 100 N y una constante elástica del resorte amarrillo de 200 N/m, al ser estos dos valores fijos, se observa que la constante elástica del resorte azul es la que varía el desplazamiento.  Se puede ver que el desplazamiento es inversamente proporcional a la constante elástica.  La fuerza restauradora total es repartida entre la fuerza restauradora del resorte amarillo y la fuerza restauradora del resorte amarillo en paralelo.  La fuerza aplicada y la fuerza restauradora total tienen el mismo módulo, pero con direcciones distintas.  Podemos concluir que la fuerza restauradora total es igual a la suma de la fuerza restauradora del resorte azul más la fuerza restauradora del resorte amarillo. Para los dos resortes en serie (fig. 4), se realiza el experimento manteniendo las constantes de los dos resortes (400 N/m) y variando la fuerza aplicada. Mostrar los resultados en la tabla 5.

Figura 4. Sistema de resortes en serie. Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke” Tabla 5. Sistema resortes en serie variando fuerza aplicada. Constante elasticida d (N/m)

Fuerza Fuerza restauradora restauradora resorte azul total (N) (N)

Fuerza aplicad a (N)

Desplazamient o (m)

400

Fuerza restaurador a resorte amarillo (N) -100

100

100

-100

-0.500

400

-60

60

60

-60

-0.300

400

-30

30

30

-30

-0.150

400

-10

10

10

-10

-0.050

400

30

-30

-30

30

0.150

400

70

-70

-70

70

0.350

400

100

-100

-100

100

0.500

Conclusiones de la tabla 5:  Se concluye que el desplazamiento es directamente proporcional a la fuerza aplicada.

 La fuerza restauradora total y la fuerza restauradora del resorte azul llevan el mismo módulo y dirección, mientras que la fuerza restauradora del resorte amarillo es diferente por su dirección, pero igual en módulo.  La fuerza aplicada y la fuerza restauradora tienen el mismo módulo, pero diferente dirección. Por último, se realizará el experimento de variar una de las constantes elásticas, manteniendo la otra constante con valor fijo. Mostrar resultados en la Tabla 6. Constant e elástica del resorte azul (N/m) 200

Constant e elástica del resorte amarillo (N/m) 400

Fuerza restaurador a resorte amarillo (N)

Fuerza Fuerza restauradora restauradora total (N) resorte azul (N)

Fuerza aplicad a (N)

Desplazamient o (m)

100

-100

-100

100

0.750

300

400

100

-100

-100

100

0.583

400

400

100

-100

-100

100

0.500

500

400

100

-100

-100

100

0.450

600

400

100

-100

-100

100

0.417

Conclusiones de la tabla 6:  Con una constante elástica del resorte amarillo de 400 N/m y una fuerza aplicada constante de 100 N, al ser ambas fijas, el factor que hace variar el desplazamiento es la constante elástica del resorte azul.  Se observa que el desplazamiento es inversamente proporcional constante elástica.  La fuerza restauradora total y la fuerza restauradora del resorte azul llevan el mismo módulo y dirección, mientras que la fuerza restauradora del resorte amarillo es diferente por su dirección, pero igual en módulo.  La fuerza aplicada y la fuerza restauradora total comparten módulo, pero su dirección es contraria.

Para el experimento de energía potencial, se varia la constante elástica (figuras 5 y 6), en la cual se debe encontrar la relación de energía potencial y el desplazamiento si su comportamiento es una función cuadrática. ¿Qué conclusiones obtiene de las gráficas que se presentan a continuación?

Figura 5. Energía potencial para una constante elástica de 100 N/m Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke”.

Figura 6. Energía potencial para una constante de 400 N/m. Fuente: Simulador PhET “Ley de Hooke”. Conclusiones de las gráficas:

 Se observa que la fuerza aplicada y el desplazamiento son directamente proporcionales.  Se concluye que cuando aumenta la constante del resorte, también aumenta la fuerza aplicada y la energía potencial.  Se observa que la grafica de energía versus desplazamiento forma una parábola. Conclusiones Generales:  Se concluye que la constante elástica es inversamente proporcional al desplazamiento.  Se infiere también que la fuerza aplicada y la fuerza restauradora tiene el mismo módulo, pero dirección contraria.  Se concluye que al estar dos resortes en paralelo la suma de la fuerza restauradora del resorte amarillo y la fuerza restauradora del resorte azul es igual a la fuerza restauradora total.  Se concluye que la energía potencial es directamente proporcional a la fuerza aplicada, el desplazamiento y la constante elástica.  Se infiere que si tenemos dos resortes en serie la fuerza restauradora de cada uno de ellos será igual en modulo a la fuerza restauradora total.  Se concluye que, si la constante de un resorte aumenta, la fuerza aplicada debe aumentar también para poder deformar a dicho resorte.

Dificultad:  Manejar el simulador en un comienzo puede ser complicado al ser un método nuevo para nosotros, pero con la práctica se vuelve más sencillo.  Tenemos que acoplarnos a los valores numéricos que presenta el simulador y su rango de acción.  Saber interpretar las direcciones, al tener muchas fuerzas y mientras más complejo sea el sistema puede ser dificultoso.

Aplicaciones:

 La ley de Hooke es utilizada en la construcción para calcular la elasticidad de distintos materiales y en ingeniería para el diseño de elementos mecánicos.  Es común su uso en los dinamómetros, que es un aparato de medición, así la calibración del objeto depende de la Ley de Hooke.  Los resortes son usados tanto en elementos muy cotidianos como en estructuras más complejas. Ejemplo: bolígrafos, tapas de olla a presión, motores de autos de carrera.  En la industria se usa los resortes de tracción o extensión en los limpiaparabrisas, en las puertas de los pasajeros y de los compartimientos de los motores.  En la industria textil, armas, muebles de acero, artículos eléctricos, se usan los resortes de torsión. Mientras que los resortes de plásticos son usados más en el área médica.  La ley de Hooke también tiene su uso en el mecanismo de enfoque de los microscopios.

BIBLIOGRAFIA

Carl Wieman (2002). PhET Simuladores interactivos. Recuperado el 6 de julio del 2020 de https://phet.colorado.edu/es_PE/simulation/hookes-law Club Ensayos (2016). Usos de los resortes en la vida cotidiana. Recuperado el 7 de julio del 2020 de https://www.clubensayos.com/Ciencia/USO-DE-LOS-RESORTES-EN-LAVIDA-COTIDI ANA/3136539.html Course Hero (2014). Aplicaciones de las leyes de Hooke. Recuperado el 6 de julio del 2020 de https://www.coursehero.com/file/35553083/LEY-DE-HOOKRdocx/ SINC, (s, f) ¿Qué es la ley de Hooke? Fórmula, elasticidad y aplicaciones. Recuperado el 7 de julio del 2020 de https://plataformasinc.es/ley-de-hooke/...