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Producto de fisica 3 experimentos para demostrar torque. 2019...

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DEPARTAMENTO CIENCIAS DE LA VIDA CARRERA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

OCTUBRE 2018- FEBRERO 2019 FÍSICA I UNIDAD III

PRODUCTO INTEGRADOR DE SABERES

FECHA: 22/FEBRERO /2019 TEMA: DINAMICA: TORQUE

OBJETIVO GENERAL 

Realizar experimentos en los cuales podamos demostrar torque.

OBJETIVOS ESPECIFICOS   

Investigar las definiciones de dinámica y torque. Aplicar los conocimientos adquiridos para realizar experimentos. Anotar los resultados obtenidos.

INTRODUCCION En general un cuerpo puede tener tres tipos distintos de movimiento simultáneamente. De traslación a lo largo de una trayectoria, de rotación mientras se está trasladando, en este caso la rotación puede ser sobre un eje que pase por el cuerpo, y si a la vez este eje está girando en torno a un eje vertical, a la rotación del eje del cuerpo rotante se le llama movimiento de precesión (por ejemplo un trompo), y de vibración de cada parte del cuerpo mientras se tras-lada y gira. Por lo tanto el estudio del movimiento puede ser en general muy complejo, por esta razón se estudia cada movimiento en forma independiente. MARCO TEORICO Cuerpo rígido. Se define como un cuerpo ideal cuyas partes (partículas que lo forman) tienen posiciones relativas fijas entre sí cuando se somete a fuerzas externas, es decir es no deformable. Con esta definición se elimina la posibilidad de que el objeto tenga movimiento de vibración. Este modelo de cuerpo rígido es muy útil en muchas situaciones en las cuales la deformación del objeto es despreciable. El movimiento general de un cuerpo rígido es una combinación de movimiento de traslación y de rotación. Para hacer su descripción es conveniente estudiar en forma separada esos dos movimientos. Cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. La propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos torque o momento de la fuerza. Se prefiere usar el nombre torque y no momento, porque este último se emplea para referirnos al momento lineal, al momento angular o al momento de inercia, que son todas magnitudes físicas diferentes para las cuales se usa el mismo término.

DINAMICA La dinámica es la rama de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con los motivos o causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. La dinámica es la parte de la Mecánica que estudia las relaciones entre las causas que originan los movimientos y las propiedades de los movimientos originados. Las Leyes de Newton constituyen los tres principios básicos que explican el movimiento de los cuerpos, según la mecánica clásica. Fueron formuladas por primera vez por Newton en 1687, aunque la primera de ellas ya fue enunciada por Galileo. Tal y como las vamos a ver aquí sólo son válidas para un Sistema de Referencia Inercial. Se define el torque τ de una fuerza F que actúa sobre algún punto del cuerpo rígido, en una posición r respecto de cualquier origen O, por el que puede pasar un eje sobre el cual se produce la rotación del cuerpo rígido, al producto vectorial entre la posición r y la fuerza aplicada F, por la siguiente expresión: τ =r x  F El torque es una magnitud vectorial, si α es el ángulo entre y F, su valor numérico, por definición del producto vectorial, es: τ =r ( F sin α ) Se considera el torque positivo (negativo) si la rotación que produciría la fuerza es en sentido antihorario (horario); La unidad de medida del torque en el SI es el Nm (igual que para trabajo, pero no se llama joule).

Primera Ley de Newton

Todo cuerpo que no está sometido a ninguna interacción (cuerpo libre o aislado) permanece en reposo o se traslada con velocidad constante. Esta ley es conocida como la ley de inercia y explica que para modificar el estado de movimiento de un cuerpo es necesario actuar sobre él. Definimos una nueva magnitud vectorial llamada momento lineal (o cantidad de movimiento) p de una partícula:

Entonces la primera ley es equivalente a decir que un cuerpo libre se mueve con p constante. Como el conjunto de las dos partículas está aislado, su momento lineal total se conserva:

Esta expresión se conoce como principio de conservación del momento lineal y se puede hacer extensivo a un conjunto de N partículas. Operando en la ecuación anterior obtenemos que:

Esto significa que, como el momento lineal del conjunto de las dos partículas se conserva pero el de cada una de ellas por separado no permanece constante, lo que aumenta el momento lineal de una de ellas ha de ser igual a lo que disminuye el momento lineal de la otra Segunda Ley de Newton Se define fuerza F que actúa sobre un cuerpo como la variación instantánea de su momento lineal. Expresado matemáticamente:

La unidad de fuerza en el S.I. es el Newton (N).

Una fuerza representa entonces una interacción. Cuando una partícula no está sometida a ninguna fuerza, se mueve con momento lineal constante (Primera Ley). Sustituyendo la definición de momento lineal y suponiendo que la masa de la partícula es constante, se llega a otra expresión para la Segunda Ley:

Tercera Ley de Newton Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este último ejerce sobre el primero una fuerza igual en módulo y de sentido contrario a la primera. Esta ley es conocida como la Ley de Acción y Reacción. En la siguiente animación puedes cambiar la fuerza con la que empuja el coche y la masa que lleva el camión. Observa cómo varían las normales ejercidas entre el coche y el camión y la aceleración que adquieren: para distintos valores de la masa, el módulo de las normales cambia, pero los módulos son iguales entre sí puesto que constituyen un par acción - reacción.

LEYES DE NEWTON Primera ley (partícula libre) Segunda ley

Tercera ley

El Equilibrio Estático Dos fuerzas de igual magnitud F pero sentido opuesto, actuando sobre un cuerpo.

Equilibrio

El equilibrio refiere a un estado de estabilidad, o de balanceo/compensación entre los atributos o características de dos cuerpos o de dos situaciones. Quizás pueda resultar difícil imaginarse una idea de equilibrio, pero esto puede deberse a que, de acuerdo a la disciplina en el cual se lo nombre, podemos ejemplificarlo como atributo de algo específico. Para aclara la definición, que puede ser un poco compleja, empecemos con los ejemplos. En el caso de la física-química, existe un fenómeno que se denomina “equilibrio termodinámico” y es cuando en un sistema determinado, por ejemplo, nuestro propio cuerpo, los factores externos en conjunto con los factores internos no generan ningún tipo de cambios (como de temperatura o presión). El equilibrio mecánico es un estado estacionario en el que se cumple alguna de estas dos condiciones: Un sistema está en equilibrio mecánico cuando la suma de fuerzas y momentos sobre cada partícula del sistema es cero. Un sistema está en equilibrio mecánico si su posición en el espacio de configuración es un punto en el que el gradiente de energía potencial es cero.

FUERZA En física, la fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de interacción). Según una definición clásica, fuerza es toda causa agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía. ¿Cómo se originan las fuerzas?: Una interacción entre dos objetos produce dos fuerzas iguales y opuestas, aplicadas una en cada objeto. Las interacciones pueden ser como la electromagnética o por contacto, como las originadas en un choque o cuando alguien empuja una caja o tira de una cuerda.

Las interacciones siempre se producen por parejas. Si pasas el puntero del ratón sobre los rectángulos de la figura, podrás ver qué interacciones están implicadas en las diferentes zonas. Características de una fuerza:    

Punto de aplicación Dirección Sentido Intensidad

Tipos de fuerzas Fuerzas fundamentales La gravitatoria es la fuerza de atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito. La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito. Una fuerza nuclear es aquella fuerza que tiene origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción (aparte de la gravitatoria, electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

Presentación de experimentos

Experimento numero 1 El modelo matemático para calcular un torque va a partir

M =F . r

¿Qué fuerza ejerce en la llanta de una bicicleta para que se desplace? Aplicando una fuerza inicial en el pedal de 40N Datos  Fp=Fuerza del pedal 40N  rp =Radio del pedal 20cm  rE =Radio de la estrella grande 18cm  rLl=Radio de la llanta 37.5 cm  Fll=Fuerza de la llanta?  rE =Radio de la estrella pequeña 12cm

Materiales  Una bicicleta  Dinamómetro  Cuerda  Metro

Procedimiento  1.-Se realiza a medir el brazo del pedal, el radio de la estrella grande y la estrella pequeña. Se mide el radio de la llanta  2.-Ubicar el dinamómetro en un extremo del pedal y ejerce sobre el otro extremo una fuerza inicial.  3.-Repetir varias vece este proceso para obtener una estadística de la fuerza inicial que se realiza.

Estadística F1 39.8

Fuerza Newton

F2 40.5

F3 40

F4 40.2

Promedio 40N

Proceso aplicando la fórmula de torques.

M =F . r

M =F r

transformacion

40 N =4.08 Kg 9.8 m /s 2

M =4.08 kg ×20 cm M =81.6 kg .cm

2. Proceso. F= F=

M r

81.6 kg . cm 18 cm

F=4.53 Kg Teniendo en cuenta que la fuerza de la estrella pequeña es igual a la de la Fuerza de la Estrella grande es igual a la de la Fuerza Pequeña Fe=Fp M =4.53 Kg .12 cm

M =54.36 Kg .cm Finalmente sabremos cual es la fuerza que se ejerce en la llanta de la bicicleta teniendo en cuenta que M =54.36 Kg y el radio de llanta es=37.5

F=

54.36 Kg . cm =1.44 Kg / cm 37.5 cm

EXPERIEMENTO 2 SUBE Y BAJA Materiales 

Madera



Cáncamos

Procedimiento 1. Cortamos la madera a las medidas consideradas apropiadas. 2. Para realizar la base formamos dos “A” y colocamos un cilindro de madera sobre la base. 3. Formamos la parte principal del sube y baja.

ANEXOS

EXPERIMENTO NUMERO 3

Materiales:   

Llave francesa Tuerca Terminal de la dirección(auto)

Procedimiento    

A continuación colocaremos la tuerca en el terminal de la dirección. Con la llave francesa procederemos a colocarla abrazando la rodela, y ajustando con la cabeza móvil a la medida exacta Una vez establecido todo, proporcionaremos con la mano derecha en el brazo de la palanca, una fuerza, la cual la denominaremos fuerza F. El punto de giro, se dará en la tuerca, la cual girara en sentido horario en la terminal de la dirección, proporcionando así el ajuste total de dicha tuerca.

EJEMPLO: Calcule el torque o momento de las siguientes fuerzas, cuando la medida del brazo de la palanca equivale a 0.08m, y la fuerza que se aplicara será de 6.5N. Cuando va en sentido horario (-).

J =F .b

J =− 6.5 N ∗0.08 m J =−0.52 Nm

ANEXOS:

CONCLUSIONES   

Pudimos realizar varios experimentos para probar la definición de torque en la vida cotidiana de las personas. Realizamos cálculos y obtuvimos resultados valederos. Aprendimos la definición de dinámica y d torque.

RECOMENDACIONES   

Estudiar más sobre el tema de dinámica: torque. Poner atención en clases y en caso de no entender algo dado en clases pedir tutorías a docente. Realizar mas ejercicios para facilitar y agilitar nuestros conocimientos adquiridos.

BIBLIOGRAFIA

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http://www.astro.puc.cl/~avalcarc/FIS109A/16_Torque.pdf http://www2.udec.cl/~jinzunza/fisica/cap6.pdf...