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PRIMERA CONDICION DE EQUILIBRIO: EXPERIMENTANDO Y DESCUBRIENDO MOTIVOS DEL EQUILIBRIO EN UNA LATA DE GASEOSA (1) Luis Condori T., (2) Lesly Valladolid R., (3) Pablo Vargas G. (4) (1)

Jeanpier Sinti R.

Universidad Tecnológica del Perú – Sede: San Juan de Lurigancho. Código: (1)

U18216742, (2) U19213868, (3) U19302675, (4) U19300717

1. RESUMEN En el presente trabajo se analiza la primera condición de equilibrio mediante un experimento realizado con una lata de aluminio como instrumento principal de trabajo. En la cual se llena la tercera parte con agua la lata, se pone como base la parte inferior de esta y se coloca de forma diagonal con respecto a la superficie plana. También evaluaremos qué ocurre con otros líquidos de diferente densidad, qué sucede si reemplazamos un líquido con un sólido, cómo influye la forma de la lata, etc. De igual manera analizaremos las similitudes de este experimento con los principios de equilibrio que usa la Torre de Pisa para mantenerse en pie. Palabras Claves: superficie plana, primera condición de equilibrio, densidad.

2. INTRODUCCIÓN

La primera ley de Newton, también llamada primera condición de equilibrio afirma que todo cuerpo que mantenga un estado de reposo conserve su movimiento rectilíneo uniforme y no esté influenciado por una fuerza externa, conserva su estado de equilibrio. Pero si la condición de este varía, entonces su estabilidad es interrumpida.

Uno de los modelos más representativos de la primera ley de Newton, fue el de la torre de Pisa que tuvo una variedad de complicaciones al ser construida. La infraestructura de esta torre fue iniciada por el arquitecto Bonanno Pisano quien comenzó su edificación en el año 1173. Durante su construcción, se presentaron diversos problemas, como el suelo lodoso y el peso de la torre, que fueron los factores por el cual se fue inclinando poco a poco. Hubo varios intentos por estabilizar la torre como: aplicarle contrapeso, se inyectó nitrógeno líquido, hasta se extrajo una parte del subsuelo, la cual era la porción más lodosa, con el fin de arreglar dicha desviación. Lamentablemente estos métodos fracasaron y nadie sabía porque esta estructura no cedía. Existe una ley de la Estática que dice que habrá equilibrio siempre que la vertical que pasa por el centro de gravedad del cuerpo, caiga dentro del polígono de apoyo o base de sustentación, que en este caso sería la base de la torre. El objetivo de este trabajo es demostrar la primera condición de equilibrio, mediante un experimento en el cual se toma como instrumento de trabajo una lata de aluminio. Así mismo, demostrar algunas variaciones con respecto a los líquidos y recipientes utilizados con los que se cumpla o no esta condición. La principal limitación encontrada es la existencia de diversos factores que pueden influir en el equilibro de este experimento, como la presión, la dureza de la lata, la densidad de los líquidos, entre otras. Por tal motivo, se pueden ver anomalías en las medidas y datos obtenido al hacer mediciones más exactas.

3. MARCO TEÓRICO

La Estática es la parte de la mecánica que estudia el equilibrio de fuerzas. Estática es la rama de la mecánica que analiza las cargas (fuerza, par / momento) en los sistemas físicos en equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas de los subsistemas no varían con el tiempo. La primera ley de Newton implica que la red de la fuerza y el par neto, también conocido como momento de la fuerza, de cada organismo en el sistema es igual a cero. De esta limitación, las cantidades como la carga o la presión pueden ser derivadas. La red de fuerzas de igual a cero se conoce como la primera condición de equilibrio. Para que un cuerpo se encuentre en equilibrio, la fuerza neta o la suma de todas las fuerzas es igual a cero. Es decir, que la suma de los vectores en el eje “x”, como en el eje “y” deben ser igual a 0.

Se representa matemáticamente como:

TEORÍA DEL CENTRO DE GRAVEDAD El centro de gravedad es un punto imaginario donde actúa el peso total de un cuerpo de masa, siendo equivalente a la resultante de los pesos individuales que actúan en los n elementos de más del cuerpo, (ver figura 2)

Figura 1. El punto donde actúa el peso total se llama centro de gravedad [1]. Este equilibrio se puede clasificar en tres tipos: A. Equilibrio estable: Un cuerpo está en equilibrio estable cuando, una vez que cesa la fuerza que lo sacó de su estado de equilibrio, vuelve a su posición original. (ver figura 2)

Figura 2. Un cuerpo totalmente en equilibrio [2].

B. Equilibrio inestable: Un cuerpo está en equilibrio inestable cuando una vez que cesa la fuerza que le produjo un movimiento, no puede retornar a su posición de equilibrio. (ver figura 3)

Figura 3. Una masa situada en lo alto de una cima o del péndulo invertido. en este caso una partícula en el interior de un tubo en rotación cuando se separa del centro [3]. C. Equilibrio indiferente: Un cuerpo está en equilibrio indiferente cuando cada vez que pierde su posición de equilibrio, encuentra otra nueva posición de equilibrio. (ver Figura 4)

Figura 4. La partícula no tiende a retornar a la posición de equilibrio, pero tampoco a alejarse de ella [4]

TEOREMA DE LAMY En estática, el teorema de Lamy es una ecuación que relaciona las magnitudes de tres fuerzas coplanares, concurrentes y no colineales, que mantienen un objeto en equilibrio, con los ángulos directamente opuestos a las fuerzas correspondientes. De acuerdo con el teorema.

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donde A, B y C son los valores numéricos de tres fuerzas coplanarias, concurrentes y no colineales, que mantienen el objeto en equilibrio estático, y α, β e γ son los ángulos directamente opuestos a las fuerzas A, B y C, respectivamente.

Figura 5. Representación gráfica del teorema de Lamy [5] 4. DESCRIPCIÓN DE LA ESTABILIDAD EN UNA LATA DE ALUMINIO PARA

DETERMINAR SU EQUILIBRIO Como podemos observar en la imagen (Figura 6), el centro de gravedad de la lata baja y con la ayuda de la zona inclinada que hay en la zona inferior conseguimos que se quede en equilibrio.

Figura 6. Lata equilibrista [6] Se buscará el límite mínimo y máximo de las latas con distintos líquidos y disoluciones:

• Se prepara el líquido. • Se inserta una cantidad baja (inferior a 10 ml) y se prueba equilibrando la lata. Si no se equilibra, se aumenta la cantidad por un intervalo determinado (2ml- 5ml) y se prueba. Si se equilibra, medir precisamente este límite con disminuciones de 0.5ml y una vez encontrado con precisión, seguir al paso siguiente. • Se inserta una cantidad alta (superior a 100 ml) y se prueba equilibrando la lata. Si no se equilibra, se reduce la cantidad con intervalos (como el paso 2ª) de 5ml-10ml. Si se equilibra, se mide precisamente este límite aumentando la cantidad de líquido por intervalos de 0.5ml. • Este proceso se repite dos veces más por líquido experimentado en cada lata.

MEDIDAS DE LAS LATAS Tabla 1. La variación que hay entre los diferentes objetos utilizados para este experimento [1]

RESULTADOS N°1

Tabla 2. Esta lata mantiene un rango casi constante, y muy amplio. Como podemos observar, tanto el agua como el alcohol son inferiores que las disoluciones en amplitud. [2]

RESULTADOS N°2

Tabla 3. En la siguiente, nos muestra que la amplitud de los rangos ha disminuido comparada con (Tabla 2). Podemos ver que en algunas disoluciones al 5% disminuye el rango. [3]

RESULTADOS N°3

Tabla 4. En esta lata se ve que su límite mínimo para equilibrar ha subido significativamente y que su límite máximo ha bajado. Esta mantiene unos rangos constantes excepto en el Sulfato de Cobre al 5%. [4]

RESULTADOS N°4

Tabla 5. Esta lata tiene un rango muy disminuido, posiblemente debido a su proporción de altura/base, en la cual predomina la altura. Vemos que las disoluciones al 10% tiene un rango más amplio. [5]

4. CONCLUSIONES

○ Las latas que mejor se equilibran son la N°1 y N°2 debido a su baja altura. ○ Las que peor se equilibran son N°3 y N°4 por su altura. ○ Podemos concluir en que influye la forma geométrica de las latas, que si la sección aumenta, el equilibrio se ampliará y si la altura aumenta, el equilibrio disminuye, y es más fácil equilibrar la lata, si tenemos una disolución más concentrada. ○ Algunas de las latas han sufrido deformaciones y oxidación, cambiando las propiedades del medio esto es causado por otro factor que también influye, que es el líquido que se acumula en los bordes. ○ Ver si la temperatura de los líquidos también influye, ya que

todas las

mediciones realizadas se han hecho con líquidos y disoluciones a temperatura ambiente. 6. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Bayra, k. (2016), Transposición Didáctica en el Aprendizaje del Contenido Estática Mediante la Elaboración de Prototipos, Nicaragua, Universidad de Carabobo Elvira, P, Equilibrios sorprendentes, España, Fany, Z. Bedford, 2000. A. Mecánica para Ingeniería: Estática. Addison Wesley. wikipedia. Estática (mecánica). Recuperado de: es.wikipedia.org.

7. ANEXOS

Microsoft Word - TRANSP. DIDACTICA ESTÁTICA 2.docx http://mriuc.bc.uc.edu.ve/bitstream/handle/123456789/3119/kbayka.pdf?sequence=3 EQUILIBRIOS SORPRENDENTES https://www.cac.es/cursomotivar/resources/document/2013/equilibriossorp rendentes.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Teorema_de_Lami Latas equilibristas https://es.slideshare.net/gontol/latas-equilibristas?next_slideshow=1 Primera condición de equilibrio: explicación, ejemplos, ejercicios - Lifeder

https://www.lifeder.com/primera-condicion-equilibrio/ Estudio de equilibrio de la Torre de Pisa | SEAS | Blog SEAS https://www.seas.es/blog/varios/estudio-de-equilibrio-de-la-torre-de-pisa/ PRINCIPIOS FÍSICOS DEL EQUILIBRIO https://www.ergofisa.com/docencia/Reed%20del%20Equilibrio.cap %209.%202008.pdf ¿Por qué no se cae la Torre de Pisa? https://blogs.20minutos.es/ciencia/2008/08/06/aapor-quao-se-cae-torrepisa/...