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Fluidos y TermodinámicaEQUILIBRIO ROTACIONALA. COMPETENCIA ESPECÍFICAAplica el concepto de momento de una fuerza en el estudio del equilibrio rotacional de una barra rígida para demostrar las condiciones de equilibrio e identificar en situaciones de la vida diaria.B. INFORMACIÓN TEÓRICAUn cuerpo lib...

Description

Laboratorio de Física Básica Fluidos y Termodinámica EQUILIBRIO ROTACIONAL

A.

COMPETENCIA ESPECÍFICA

Aplica el concepto de momento de una fuerza en el estudio del equilibrio rotacional de una barra rígida para demostrar las condiciones de equilibrio e identificar en situaciones de la vida diaria. B.

INFORMACIÓN TEÓRICA

Un cuerpo libre sometido a fuerzas externas no concurrentes tiende a desarrollar un movimiento de rotación, por lo que se dice que el cuerpo no tiene equilibrio rotacional. Una condición necesaria para lograr el equilibrio rotacional es que los momentos de fuerza (o torques) sobre el cuerpo se anulen. El momento de fuerza mide el efecto de rotación de una fuerza sobre un objeto. En la figura 1 se muestra una fuerza que actúa sobre un cuerpo, el cual puede rotar alrededor de un eje O. Nuestra experiencia diaria nos sugiere que el efecto en la rotación debido a aumenta con la distancia perpendicular desde O a la línea de acción de la fuerza, b, denominado brazo de fuerza. Por ejemplo, cuando abrimos una puerta, siempre empujamos o jalamos lo más lejos de las bisagras e intentamos conservar la dirección de nuestra fuerza perpendicular a la puerta. Esta experiencia nos sugiere definir una cantidad física, τ, conocida como momento de torsión de una fuerza, su unidad en el sistema internacional es N.m y se le expresa por: (1) En la Figura 1 se observa que manera vectorial:

, se puede escribir entonces

, o de

(2) La dirección se obtiene usando la regla de la mano derecha (Figura 2).

Figura 2

Figura 1

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C.

Materiales y Figura.

● ●

Uso de PC o Laptop Acceso con conexión a internet

Figura 3: Representación esquemática del experimento

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Laboratorio de Física Básica Fluidos y Termodinámica

APELLIDOS Y NOMBRES: Taco Chambi, Mario Miguel-Vilca Apaza, Edith

CUI:

Marleny-Ruelas Caira, Jorge Leonardo-Usca Bravo, Yessica Fanny ESCUELA PROFESIONAL: Ingeniería Industrial

FECHA:15/05/21

HORARIO: Viernes 10:30-12:15

FIRMA:

PROFESOR (A): CHAMBI LAURA, VIRGINIA NELLY

NOTA:

EQUILIBRIO ROTACIONAL D.

CUESTIONARIO PREVIO

1. ¿En qué circunstancias fuerzas paralelas producen traslación de un objeto? ¿En qué circunstancias producen rotación de un objeto? Para que un objeto tenga como consecuencia la traslación, las fuerzas paralelas deben ser o estar presentes en la misma intensidad. En otras palabras, para que ocurra el movimiento, la fuerza debe tener la misma dirección y sentido, si este no es el caso, significa que el objeto no se moverá. Para que el movimiento gire por completo (rotación), las fuerzas deben ser paralelas, opuestas y del mismo módulo. 2.

¿Cuál o cuáles son las condiciones para que un cuerpo esté en equilibrio rotacional?

Cuando la suma algebraica de todos los momentos con respecto a cualquier punto es igual a cero, el objeto está en equilibrio rotacional. Es decir que la fuerza externa neta sobre el objeto debe ser igual a cero y que el momento de torsión externo neto alrededor de cualquier eje debe ser cero.

3.

¿Cómo se determina la dirección del momento de fuerza? Cite un ejemplo.

La dirección de un momento es paralela al eje del momento, que es perpendicular al plano que contiene la fuerza F y pasa a través del brazo de momento d. Para establecer el sentido, se usa la regla de la mano derecha.

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El sistema de la figura está compuesto por una barra rígida en equilibrio sometida a las

4. fuerzas

y

. Encontrar una expresión para determinar

. (O es el eje de giro de la barra). Considerar

E.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1.

Ingrese al siguiente link:

en función de

,

y

τF = τP.

https://po4h36.wixsite.com/laboratoriovirtual/momento-de-la-fuerza Incertidumbre en la medida de la fuerza F (dinamómetro) : ∆F = ±0.1 (N) Incertidumbre en la medida de la distancia al eje de giro (regla graduada) : ∆x= ±0.2(cm) 2. Según le indique su profesor agregue una masa de 100 g al portamasas. Desplace el portamasas cada 1 cm, y con el dinamómetro registre la fuerza F. Realice lo anterior para cada Lectura de la Tabla 1. Nota: ●

El simulador no toma en cuenta la masa de la regla graduada, por tanto, en los cálculos no considerar el momento del peso de la regla graduada.

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Tabla 1: Lecturas de F respecto a x y m Lectura

x (cm)

m (g)

P = m g (N)

F (N )

1

2.8 3.8

0.98 1.96

0.3

2

100 200

3 4

4.8 5.8

300

2.94

400

3.92

1.4 2.3

5

6.8

500

4.90

3.4

0.8

ANÁLISIS DE DATOS

F.

1. Calcule para cada caso, en unidades del sistema internacional el momento de fuerza P y F relativos al extremo izquierdo de la regla y complete la Tabla 2.

Tabla 2: Momento de F y P respecto al extremo izquierdo de la regla Lectura

τF (N.m)

τP (N.m)

F (N)

1 2 3

0.0084

0.02744 0.07448 0.14112

0,3 0,8 1,4

0.22736 0.3332

2,3 3,4

4 5

0.0304 0.0672 0.1334 0.2312

2. Con los datos obtenidos de la Tabla 2, grafique F en función de τP para obtener la gráfica 1. ¿Qué tipo de gráfica se obtiene?

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Laboratorio de Física Básica Fluidos y Termodinámica G.

COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN

1. De la gráfica 1 determine la pendiente. ¿Qué unidades tiene según el sistema internacional y cuál es su significado físico? Ecuación de la recta es : y= 10.093x+0.0179 , el que acompaña al x es la pendiente, es decir 10.903. Esta pendiente tendrá las unidades Newton/metro debido a la división entre y/x . Y tiene el significado físico de la relación entre el eje y x . 2. Calcule la inversa de la pendiente de la gráfica 1 y compárela con la longitud máxima de medida, de la regla graduada utilizada en el simulador. La inversa de la pendiente es igual a 0.099 y la longitud máxima de la regla graduada en el simulador es de 0.1 metros. Comparando ambos valores:

H.

CONCLUSIONES En el laboratorio, se aplicó el concepto de momento de una fuerza. Se verificó experimentalmente las condiciones de equilibrio rotacional. Se identificó el momento de las fuerzas P y F respecto a diferentes distancias. Se usó y demostró el principio del torque. Asimismo, la pendiente de la recta que se halló en la gráfica, representa al valor del torque. También aplicamos lo aprendido en el laboratorio previo identificando la incertidumbre y comparando, obteniendo un error porcentual aceptable del 1%.

I.

CUESTIONARIO FINAL

1. ¿Se puede calcularse la reacción del eje de giro (extremo izquierdo) sobre la barra? Justifique su respuesta. Se puede calcular porque al descomponer la reacción en sus componentes debe contrarrestar a las demás fuerzas y si al sumar las fuerzas respectos a los ejes sale con

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Laboratorio de Física Básica Fluidos y Termodinámica signo negativo entonces a una de los componentes de la reacción se debe cambiar el sentido, en cambio, si sale el signo positivo indica que se tomó el sentido correcto por lo que si la fuerza es positiva el sentido es correcto.

2. En este experimento ¿Qué tipo de función obtiene al graficar la fuerza F en función de P?. Justifique su respuesta. Se obtiene una función de tipo lineal ya que se observa en la siguiente figura.

3.

¿Podría realizarse el experimento con el dinamómetro dirigido hacia abajo? Explique. Cuando dirigimos el dinamómetro hacia abajo se puede medir de igual forma, que cuando está hacia arriba ya que su posición no altera la medición de la fuerza ni de la masa por ello si se podría realizar el experimento.

4.

Señale 03 aplicaciones del equilibrio rotacional en la vida diaria. Un primer escenario en el que podemos ver el equilibrio rotacional es al ajustar una tuerca con una llave. La tuerca se engancha en la cabeza de la llave y gira debido a la fuerza que aplicamos en la herramienta. Una segunda aplicación se evidencia en el funcionamiento de una bicicleta, donde aplicar fuerza sobre los pedales resulta en la rotación de las ruedas. La tercera aplicación es un poco más compleja y se puede ver en el volante de un auto. Al girarlo, la dirección del auto cambia.

J.

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL Autor

Título

Edición

Año

Serway - Jewett

Física para ciencias e ingeniería

Sétima

2009

Alvarenga, B., & Maximo, A.

Física General

Cuarta

1998

Forsythe, W.

Manual de Laboratorio

Cuarta

1975

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K.

BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA

1. 2016. 2.

Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año Salvador Hurtado, Laboratorio virtual, 2014, http://labovirtual.blogspot.com/

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