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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE FORMACIÓN BÁSICA PERIODO 22/ 1 (AGOSTO ‐ DICIEMBRE 2021)

ASIGNATURA: LABORATORIO DE MECÁNICA CLÁSICA

PRÁCTICA No. 7 “Coeficiente de fricción”

ALUMNO: MARTÍNEZ CADENA ANDRÉS

GRUPO: 1IM3

TURNO: MATUTINO

FECHA DE ENTREGA: 21/10/2021

PROFESORA: RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ IRMA

ÍN ÍNDICE DICE 1.0

OBJETIVOS .......................................................................................................... 2

1.1 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................... 2 1.2 OBJETIVO (COMPETENCIA).............................................................................. 2 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................ 2 2.0 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 3 3.0 DIAGRAMAS DE BLOQUES ................................................................................... 9 4.0 DESARROLLO EXPERIMENTAL ......................................................................... 10 4.1 Experiencia 7.1. Determinación del coeficiente de fricción cinético ............... 10 4.2 Experiencia 7.2. Determinación del coeficiente de fricción estático del sistema madera – madera. ....................................................................................... 11 4.3 Experiencia 7.3. Determinación del coeficiente de fricción estático del sistema madera – lija ................................................................................................ 12 5.0 CUESTIONARIO ..................................................................................................... 14 6.0 OBSERVACIONES................................................................................................. 15 7.0 CONCLUSIONES ................................................................................................... 15 REFERENCIAS ............................................................................................................. 16

1

1.0 OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL Determinar los coeficientes de fricción aplicando las Leyes de Newton, así como conceptos del movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado.

1.2 OBJETIVO (COMPETENCIA) Esta competencia pretende desarrollar el pensamiento científico a través de la observación, la experimentación, el análisis y la argumentación, promoviendo el uso de las habilidades necesarias para llevar acabo la aplicación de los conocimientos, adquiridos teórica y experimentalmente.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Aplicar conceptos teóricos previos sobre las cantidades físicas que intervienen en un sistema dinámico y estático. 2. Plantear el diagrama de cuerpo libre para un sistema de polea con dos masas. 3. Plantear el diagrama de cuerpo libre para un sistema estático. 4. Obtener las ecuaciones de los sistemas experimentales mediante la aplicación de las leyes de Newton. 5. Calcular el coeficiente de fricción cinético (𝜇k) y el coeficiente de fricción estático (𝜇e) en un sistema madera-madera. 6. Calcular el coeficiente de fricción estático (𝜇e) en un sistema madera-lija. 7. Desarrollar habilidades para la manipulación de materiales y equipo experimental.

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2.0 INTRODUCCIÓN Dinámica es una rama de la física que estudia la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los efectos que se producirán sobre el movimiento de los cuerpos. Masa: Es una porción de materia y se mide en kilogramos (kg). Peso: Es la fuerza con que la gravedad atrae a la materia y se mide en newtons (N). El peso es variable. En la Tierra, es mayor en los polos que en el ecuador y a nivel del mar que en la cima de una montaña. La dinámica en el ámbito de la física está regulada por las Leyes de Newton lo cual obedece a 3 leyes: Primera Ley: Una partícula que se encuentra originalmente en reposo, o moviéndose en línea recta con velocidad constante, permanecerá en este estado siempre y cuando una fuerza desbalanceada no actúe sobre ésta.

Segunda Ley: Una partícula sobre la cual actúa una fuerza desbalanceada F experimenta una aceleración a que posee la misma dirección que la fuerza y una magnitud que es directamente proporcional a la misma. Si F se aplica a una partícula de masa m, esta ley puede expresarse matemáticamente como F = ma

Tercera Ley: Las fuerzas de acción y repulsión entre dos partículas son iguales en intensidad, opuestas en sentido y colineales.

3

La fricción es una fuerza que existe entre dos superficies en contacto y que se opone al movimiento. Cuando un objeto se desplaza sobre una superficie, debe vencer una fuerza que se opone a este desplazamiento. Si el objeto se empuja por ejemplo y luego se lo deja libre, esta fuerza, también llamada de rozamiento, será responsable de que su rapidez disminuya o incluso de que se frene.

El físico Arthur-Jules Morin estudió este concepto, y acuñó el de coeficiente de fricción. Este coeficiente es característico de cada par de materiales en contacto y se define como la razón entre la fuerza de rozamiento y la fuerza normal a la superficie de desplazamiento y por lo tanto es adimensional. Aunque algunos cuerpos pueden parecer lisos, si se los observa en forma microscópica tienen imperfecciones o rugosidades en las superficies de contacto. Son estas imperfecciones las responsables de la fricción.

Fricción estática. Cuando las dos superficies están en reposo, la fuerza que se opone al inicio de movimiento se denomina fricción estática. Como impide el movimiento, se puede decir que es igual a la fuerza neta aplicada sobre el cuerpo, solo que en sentido opuesto.

4

Fricción dinámica. Es la que existe en un cuerpo que ya está en movimiento, y tiene una magnitud constante. La diferencia con la fricción estática se puede ver en el hecho de que los cuerpos en reposo son muy difíciles de mover (fricción estática), pero cuando ya se ha vencido esa fuerza resulta bastante más fácil (fricción dinámica). El coeficiente de rozamiento dinámico es menor al estático.

Fuerza de fricción.

La fuerza de rozamiento o de fricción ( FR→) es una fuerza que surge por el contacto de dos cuerpos y se opone al movimiento. El rozamiento se debe a las imperfecciones y rugosidades, principalmente microscópicas, que existen en las superficies de los cuerpos. Al ponerse en contacto, estas rugosidades se enganchan unas con otras dificultando el movimiento. Para minimizar el efecto del rozamiento o bien se pulen las superficies o bien, se lubrican, ya que el aceite rellena las imperfecciones, evitando que estas se enganchen

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Características: A grandes rasgos, las características de la fuerza de rozamiento se pueden resumir en los siguientes puntos: •

Se opone al movimiento de un cuerpo que se desliza en contacto con otro.

•

Depende de 2 factores:

•

La naturaleza de los materiales que se encuentran en rozamiento y el tratamiento que han seguido. Este factor queda expresado por un valor numérico llamado coeficiente de rozamiento o de fricción.

•

La fuerza que ejerce un cuerpo sobre el otro, es decir, la fuerza normal.

Diagrama de Cuerpo Libre

Un diagrama de cuerpo libre es un boceto de un objeto de interés despojado de todos los objetos que lo rodean y mostrando todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. El dibujo de un diagrama de cuerpo libre es un paso importante en la resolución de los problemas mecánicos, puesto que ayuda a visualizar todas las fuerzas que actúan sobre un objeto simple. Se debe obtener la fuerza neta externa que actúe sobre el objeto con el propósito de aplicar la segunda ley de Newton al movimiento del objeto. 6

Un diagrama de cuerpo libre o diagrama de cuerpo aislado, es útil en problemas que impliquen equilibrio de fuerzas.

Los diagramas de cuerpo libre son útiles para establecer problemas mecánicos estándares.

Aplicaciones

En la vida cotidiana, el concepto de fricción se relaciona directamente con frotar, restregar o rozar algo: la fuerza de fricción es la que realiza la oposición, y es lo que permite a las personas o a los cuerpos automatizados que el ser humano creó detenerse una vez puesto en marcha.

La fuerza de fricción está presente en la medida que cuando se trata de mover horizontalmente un objeto pesado, al principio la fuerza que se tiene que ejercer para sacarlo del reposo es mucho mayor a la que se debe hacer una vez puesto en marcha, donde es mucho más fácil ponerlo en movimiento. Esto sucede porque una vez vencida la fricción estática, las uniones microscópicas que mantenías soldadas las superficies en contacto se rompen. 7

Es habitual, por último, que las industrias concentradas en la producción de ciertos bienes manipulen la fuerza de fricción, tendiente a optimizarla incrementándola o reduciéndola según el caso: hay veces en las que es necesario que la superficie de contacto con el suelo sea rugosa, de modo tal de aumentar esta fuerza. Otros, por otra parte, se sostienen sobre otra superficie que ve necesaria la reducción de la fricción, para lo que habitualmente se usan herramientas como la grasa o el aceite, como lubricantes para reducir la fricción entre componentes y las pérdidas de energía que llevan.

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3.0 DIAGRAMAS DE BLOQUES Experiencia 1

Experiencia 2 y 3

9

4.0 DESARROLLO EXPERIMENTAL 4.1 Experiencia 7.1. Determinación del coeficiente de fricción cinético 𝒎𝟏 = 149.5𝑔 = 0.1495𝐾𝑔 𝒎𝟐 = 106.9𝑔 = 0.1069𝐾𝑔 1𝑚

𝑋𝑚 = 40𝑐𝑚( 100𝑐𝑚) = 0.4𝑚

Tiempo, s X (m) 0.40

1 0.55

2 0.55

3 0.55 𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =

𝑡𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =

∑ 0.55𝑠+0.55𝑠+0.55𝑠+0.54𝑠+0.53𝑠

𝑎=

2 (0.4𝑚) 𝑚 2𝑥 = = 2.703 𝑠2 𝑡 2 (0.544𝑠)2

2𝑥 𝑡2

𝑇 = 𝑚2 (𝑔 − 𝑎) 𝑚

∑𝑡 5

= 0.544𝑠

5

𝑎=

4 0.54

𝑚

𝑇 = 0.1069𝐾𝑔 (9.81 𝑠2 − 2.703 𝑠2 ) = 0.7597𝑁

10

5 0.53

Promedio 0.544

𝑁 = 𝑊1 = 𝑚1 𝑔 𝑚

𝑁 = 𝑊1 = 0.1495𝐾𝑔 (9.81 2) = 1.4665𝑁 𝑠 𝐹𝑓 = 𝑇 − 𝑚1 𝑎 𝑚

𝐹𝑓 = 0.7597𝑁 − (0.1495𝐾𝑔) (2.703 𝑠2 ) = 0.3556𝑁

𝜇𝑘 = 𝜇𝑘 =

𝐹𝑓 𝑁

0.3556𝑁

1.4665𝑁

= 0.2424

4.2 Experiencia 7.2. Determinación del coeficiente de fricción estático del sistema madera – madera. Fuerza N

Masa Kg 0.1495𝐾𝑔

1

2

3

4

5

1.08

1.07

1.09

1.08

1.08

𝑭𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

∑𝑭

𝑭𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

∑ 1.08𝑁+1.07𝑁+1.09𝑁+1.08𝑁+1.08𝑁

𝟓

5

𝐹 = 𝐹𝑓 𝐹𝑓 = 1.08𝑁

11

= 1.08𝑁

Promedio 1.08

𝒎𝟏 = 149.5𝑔 = 0.1495𝐾𝑔 𝑁 = 𝑊 = 𝑚𝑔 𝑚

𝑁 = 𝑊 = (0.1495𝐾𝑔) (9.81 2) = 1.4665𝑁 𝑠 𝜇𝑒 = 𝜇𝑒 =

𝐹𝑓 𝑁

1.08𝑁

1.4665𝑁

= 0.7364

4.3 Experiencia 7.3. Determinación del coeficiente de fricción estático del sistema madera – lija

Masa Kg 0.1495

Fuerza N 1 1.08

2 1.09

3 1.1

𝑭𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

𝑭𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

∑ 1.08𝑁+1.09𝑁+1.1𝑁+1.09𝑁+1.09𝑁 5

𝐹 = 𝐹𝑓 𝐹𝑓 = 1.09𝑁

𝒎𝟏 = 149.5𝑔 = 0.1495𝐾𝑔

12

4 1.09

∑𝑭 𝟓

= 1.09𝑁

5 1.09

Prom 1.09

𝑁 = 𝑊 = 𝑚𝑔 𝑚

𝑁 = 𝑊 = (0.1495𝐾𝑔) (9.81 2) = 1.4665𝑁 𝑠

𝜇𝑒 = 𝜇𝑒 =

𝐹𝑓 𝑁

1.09𝑁

1.4665𝑁

= 0.7432

Sistema Madera- Madera Coeficiente

Experimental

μk

Teórico (de referencia) 0.3

%E

0.2424

19.18

μe

0.7

0.7364

5.2

Sistema Madera- Lija 0.7

μe

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

0.7432

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑥 100 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

Madera - Madera %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝛍𝐤 =

0.3 −0.2424 0.3

𝑥 100 = 19.18%

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝛍𝐞 =

0.7 −0.7364

𝑥 100 = 5.2%

0.7

Madera – Lija %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝛍𝐞 =

0.7 − 0.7432 𝑥 100 = 6.171% 0.7

13

6.171

5.0 CUESTIONARIO Cuestionario Instrucciones: Subraya completamente la respuesta correcta. 1.

Estudia la relación existente entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los efectos que se producirán sobre el movimiento del mismo: a) Cinemática b) Estática c) Dinámica d) Electrodinámica

2.

Las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos son: a) Leyes de la b) Leyes de c) Leyes de la Termodinámica Newton Estática

d) Leyes de Kepler

3.

Cantidad vectorial dirigida hacia la superficie de la tierra, determinada por la masa del cuerpo y la aceleración de la gravedad: a) Peso b) Fuerza de c) Normal d) Fuerza resultante fricción

4.

Fuerza de contacto que actúa en dirección perpendicular a la superficie en el que está situado el cuerpo: a) Fuerza b) Normal c) Fuerza de d) Fuerza de gravedad resultante Fricción

5.

Su sentido es opuesto al movimiento del cuerpo y actúa de forma paralela a la superficie de contacto: a) Coeficiente de b) Fuerza de c) Fuerza Normal d) Fuerza de fricción fricción gravedad

6.

El coeficiente de fricción estático con respecto al coeficiente de fricción cinético es: a) Mayor b) Igual c) Menor d) Mayor a uno

7.

Tiene lugar entre superficies que se encuentran en estado de reposo relativo entre sí; al aplicar una fuerza, el objeto inicia su movimiento: a) Fuerza Normal b) Fuerza de c) Fuerza de d) Fuerza de gravedad fricción estática fricción cinético

8.

Las unidades de los coeficientes de fricción estático y cinético son: a) N-m b) Kg m/s2 c) m/s2 d) Adimensional

9.

Representación gráfica vectorial para el análisis de las fuerzas que actúan en un sistema: a) Diagrama b) Diagrama de c) Diagrama d) Diagrama cuerpo libre de flujo de fase de bloques 56

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6.0 OBSERVACIONES En esta práctica la experimentación se pudo realizar de manera correcta en todos los sentidos, se contaba con las condiciones y con los materiales necesarios para poder realizar las experimentaciones y las mediciones correspondientes, las cuales no se vieron afectadas en ningún momento durante la experimentación. Se pudo observar que el valor del coeficiente de fricción es característico de acuerdo a los materiales en contacto. Algunas de las ventajas de la fricción, son que ayuda a disminuir las velocidades del viento superficial, haciendo a estas menos volátiles, de igual forma otro ejemplo en la vida cotidiana es la ayuda al caminar por un camino resbaladizo.

7.0 CONCLUSIONES Todos los objetivos de esta práctica se cumplieron, ya que se logró determinar los coeficientes de fricción aplicando las Leyes de Newton, así como conceptos del movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado. Se desarrolló el pensamiento científico, a través de la observación, la experimentación, el análisis y la argumentación, promoviendo el uso de las habilidades necesarias para llevar a cabo la aplicación de los conocimientos, adquiridos teórica y experimentalmente. También se aplicaron los conceptos teóricos previos sobre las cantidades físicas que intervienen en un sistema dinámico y estático y con ello, se utilizó el diagrama de cuerpo libre para un sistema de polea con dos masas. Posteriormente el diagrama de cuerpo libre para un sistema estático. Obteniendo así las ecuaciones de los sistemas experimentales mediante la aplicación de las leyes de Newton.

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Enseguida se calculó el coeficiente de fricción cinético y el coeficiente de fricción estático en un sistema madera-madera. Para finalizar se calculó el coeficiente de fricción estático en un sistema madera-lija, desarrollar habilidades para la manipulación de materiales y equipo experimental .

REFERENCIAS •

Fuerza

de

Rozamiento.

(2021).

Fisicalab.com.

https://www.fisicalab.com/apartado/fuerza-rozamiento

•

Rozamiento

o

Fricción.

(2021).

Fisicalab.com.

https://www.fisicalab.com/apartado/rozamiento

•

Calcular el coeficiente de rozamiento estático y dinámico. (2014). http://elfisicoloco.blogspot.com/2014/05/calcular-el-

Blogspot.com.

coeficiente-de-rozamiento.html

•

Leyes

de

Newton.

(2021).

Cica.es.

https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html

•

Fricción

Estática

y

Dinámica.

(2016).

https://www.ejemplos.co/10-ejemplos-de-friccion-estatica-ydinamica/#ixzz79tulegWN

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Ejemplos.co....