Preview only show first 10 pages with watermark. For full document please download

Guión Práctica Carril De Aire

Descripción: Guión para la realización de la práctica de laboratorio basada en el carril de aire

   EMBED


Share

Transcript

Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada BANCO DE COJÍN NEUMÁTICO OBJETIVO.Vamos a utilizar el banco de cojín neumático (también llamado carril de aire) para analizar y entender diversos tipos de movimientos y le yes de la Mecánica. MATERIAL.- Carril de aire. - Soplador regulable. - Fuente de alimentación. - Electroimán de sujeción. - Patín deslizador (2. - Accesorios del patín. - Pantallas (grande y pequeña) - Interruptor conmutador. - Célula fotoeléctrica (2. - Contador digital (2. - Soportes y barras de sujeción. - Conexiones y cables con banana. INTRODUCCIÓN.El estudio de la Cinemática y la Dinámica es, básicamente, un estudio del movimiento. Cualquier tipo de movimiento puede ser, en este sentido, analizado y relacionado con las diversas fuerzas presentes en el sistema, demostrando la validez de las leyes básicas de la Mecánica Newtoniana. Desde el punto de vista experimental, el banco de cojín neumático constituye un medio revolucionario, por cuanto nos permite, suprimiendo casi totalmente el rozamiento, estudiar con gran precisión y exactitud las leyes básicas de la Mecánica, leyes que en muchos casos tenemos que conformarnos con considerar como axiomas indemostrables. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.El banco de cojín neumático está formado, básicamente, por un perfil de aluminio, de sección cuadrada, de una longitud aproximada de 2 m y apoyado sobre tres patas que  permiten su nivelación (ver fi gura 1). A todo lo largo del banco, el perfil presenta cuatro filas de orificios, uniformemente distribuidos, por los cuales sale el aire a presión (aire suministrado por el soplador, 1) formando un colchón neumático entre el riel y el planeador. El primer paso para poder utilizar adecuadamente el banco, consiste en la nivelación del riel. Para ello se conecta el soplador a una potencia media (3 ó 4). Colocado el planeador ( 2) hacia la mitad del riel, se actúa sobre los tornillos de las patas, de manera que el planeador se quede quieto. A continuación se repite la operación en varios puntos mas del riel,  procurando no desajustar los reglajes previos y no introducir introducir ninguna deriva lateral. Seguidamente se irán situando los diversos elementos necesarios para cada una de las experiencias a realizar, siguiendo cuidadosamente el montaje que se detalla en su explicación. Una vez que se esté seguro del montaje realizado se procederá a realizar la correspondiente experiencia, repitiendo cada medida no menos de 3 veces y tomando al menos 5 distancias, Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada cuando se pretenda realizar una representación gráfica que apoye las conclusiones a obtener. Como última regla a tener en cuenta se recomienda que se mantenga encendido el soplador mientras se realiza el ajuste de los mecanismos de retención y disparo. De no ser así, el planeador podría deslizar sobre el riel sin el necesario colchón de aire, de forma que el rozamiento existente entre ambos dañase la estructura del carril. Respecto al montaje de las fotocélulas ( 3), éste se hará conectando cada una al correspondiente contador ( 4). En todo caso se respetará la polaridad (rojo: alimentación; amarillo: positivo; blanco/azul: tierra). La fotocélula se conectará a la clavija START si se quiere que el contador comience a funcionar al paso por dicha fotocélula, mientas que conectada al STOP, hará que el contador finalice su medición del tiempo. Asimismo se deberá tener en cuenta si queremos que la fotocélula conectada actúe sobre el contador cuando el borde anterior de la pantalla comienza a interrumpir el haz de luz (botón INVERT  pulsado) o cuando es el borde posterior el que termina dicha interrupción (botón INVERT off). Figura 11 REALIZACIÓN DE LAS EXPERIENCIAS.Con este equipo se realizarán 7 experiencias, relacionadas con la cinemática del movimiento rectilíneo, tanto uniforme como uniformemente acelerado. Finalmente dos experiencias mas nos permitirán comprobar la validez de las dos primeras leyes de Newton. A) CINEMÁTICA: A.1 Movimiento rectilíneo y uniforme: Para obtener un movimiento uniforme se utilizará (ver figura 2) como lanzador la horquilla de goma ( 5), la cual, al ser tensada, nos proporciona un impulso constante. Como dispositivo de retención se utilizará el electroimán (6 ) conectado a la fuente a través del conmutador (7 ). Con el soplador en marcha se ajustará la salida de la fuente para que la retención del electroimán sea la mínima posible, evitando efectos perturbadores al finalizar Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada dicha retención (esta precaución se deberá tener en cuenta siempre que se utilice el electroimán). Figura 2 Se utilizarán dos contadores: el primero, conectado a través del START, al disparador (7 ) y a través del STOP a una fotocélula, nos determinará t1, el tiempo total de vuelo. El 2º contador estará conectado dos veces a la fotocélula (START, sin INVERT y STOP, con INVERT) de forma que determina el tiempo (t 2) que la pantalla tarda en atravesar el haz. Se realiza la experiencia variando la posición de la fotocélula en al menos 5 distancias respecto a la posición de disparo, distancias que se determinan sobre la regla graduada existente en el propio carril. A.1.1 Ley espacio-tiempo. Se representará el espacio recorrido (distancia entre el lanzador y la fotocélula) frente al tiempo transcurrido (t1). El resultado será una línea recta cuyo ajuste nos permite determinar la pendiente (m) y la ordenada en el origen (n). Si suponemos como ley de movimiento: s = s0 + v ⋅ t1   con s0 = 0 y v la velocidad constante en todo el recorrido, la pendiente sería v y la ordenada nula. A.1.2 Ley velocidad-tiempo. En este caso se usará el tiempo t2, para obtener las velocidades instantáneas en cada una de las posiciones anteriores. Esta velocidad instantánea se aproxima por la siguiente Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada expresión: v= ∆s t 2 siendo ∆s la anchura de la pantalla (en general se usará la más pequeña para dar mas exactitud a la aproximación de velocidad media por velocidad instantánea). Con estos datos se realizará una representación de v en función de t1, que interpretaremos de acuerdo a la siguiente ley: v = v0 + a ⋅ t1   con v0  = Cte. y a = 0, el resultado será una recta horizontal. Del ajuste de los datos se obtendrá la pendiente (que identificaríamos con la aceleración) y la ordenada en el origen (que será ahora la velocidad media). Asimismo se presentará sobre la misma gráfica una recta horizontal de ordenada: v = v i.e. el valor medio de las diversas velocidades instantáneas medidas. A.2 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado: En las primeras experiencias vamos a utilizar dos contadores del mismo modo especificado en los casos anteriores. Sin embargo, para obtener una aceleración constante sobre el planeador, se eliminará el disparador de horquilla y, manteniendo el dispositivo de retención, se acoplará al patín (mediante el correspondiente gancho de sujeción) un hilo del cual se sujetará, en el soporte adecuado (8 ), un peso conocido (tras pasar el hilo por la polea (9), convenientemente situada en línea con el carril, ver figura 3). A continuación determinaremos el tiempo t1, de duración total del recorrido, así como t 2, tiempo que la  pantalla tarda en atravesar la fotocélula. Figura 33 Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada A.2.1 Ley espacio-tiempo. Determinamos las mismas magnitudes que en la experiencia A.1.1 y nuevamente representamos s frente a t1. Dado que la ley de movimiento será ahora: s = s0 + v0 ⋅ t1 + 1 2 2 ⋅ a ⋅ t1   donde s0 = 0 y v0 = 0, tenemos una relación cuadrática entre espacio y tiempo. Esta relación se puede linealizar en este caso simplificado, representando el espacio frente al cuadrado del tiempo, de donde se puede identificar fácilmente la pendiente: m= 1 a 2 siendo nuevamente nula la ordenada en el origen. A.2.2 Ley velocidad-tiempo. Siguiendo el mismo trabajo experimental que en A.1.2, tenemos datos de la velocidad instantánea (∆s/t2) y del tiempo (t 1). En este caso buscaremos una relación lineal dada, igualmente, por: v = v0 + a ⋅ t1   siendo en este caso la pendiente no nula e igual a la aceleración, mientras que la ordenada en el origen es ahora nula (v 0  = 0). Finalmente en ambos experimentos (A.2.1 y A.2.2) se  pueden comparar los valores obtenidos para la aceleración con el valor teórico que podemos calcular fácilmente resolviendo el problema dinámico, conocidas la masa del patín y el peso colgado al extremo del hilo. A.2.3 Velocidad media - velocidad instantánea (I). En la siguiente experiencia vamos a demostrar una relación entre velocidad media y velocidad instantánea, relación que es sólo válida en el caso de movimiento con aceleración constante. Para ello siguiendo el mismo montaje y utilizando los mismos resultados de las experiencias anteriores (A.2.1 y A.2.2), determinamos nuevamente los valores de t 1 (tiempo total que el patín tarda en recorrer la distancia s) y t 2  (tiempo que tarda la pantalla en atravesar el haz de la fotocélula), ambos para varias distancias recorridas. Con estos datos determinaremos la velocidad media y la velocidad instantánea como sigue: v= s t 1  ; v= ∆s t 2 Ahora bien, la relación entre espacio y tiempo la determinamos previamente en A.2.1, como: Laboratorio de Técnicas Experimentales II s= Dpto. Física Aplicada 1 2 2 a ⋅ t1 = 1 2 ( a ⋅ t1 ) ⋅ t1   teniendo en cuenta ahora A.2.2, se tiene: 1 a ⋅ t1 = v ⇒ s = 2 v ⋅ t1   Por otro lado, la velocidad media en el intervalo s, se define como: s v= = 1 v 2 t 1 relación que, como queda ya dicho, es únicamente válida en el caso de movimiento uniformemente acelerado. Representando los valores de la velocidad media, frente a la velocidad instantánea,  para diversas distancias totales recorridas, se comprueba la ley anterior, mediante el ajuste de dichos datos a una recta, donde la pendiente y ordenada serán: 1 m = 2  ; n  = 0 A.2.4 Ley aceleración-tiempo. Con el mismo montaje y los mismos datos de los apartados anteriores, determinados los tiempos t1 y t2, procedemos a continuación a determinar la velocidad instantánea (v = ∆s/t2), lo cual nos permite obtener la aceleración media en ese intervalo (considerada constante, lo cual nos permite equipararla con la aceleración instantánea): a = v t 1 Los valores de la aceleración, así obtenidos, se representan frente al tiempo, t 1, de forma que se obtenga un buen ajuste a una línea horizontal, lo cual nos demuestra en este caso que la aceleración es realmente constante (m = 0; n = a). Evidentemente este valor de la aceleración se puede cotejar con el valor promedio de todas la aceleraciones medidas (de forma similar a como hicimos para la velocidad en A.1.2) y asimismo se debería comparar con las aceleraciones obtenidas de A.2.1 y A.2.2. A.2.5 Velocidad media - velocidad instantánea (II). En esta experiencia vamos a comprobar como la velocidad media tiende a la velocidad instantánea, cuando se reduce el espacio recorrido. En otras palabras, esta experiencia nos demostrará que el paso de velocidad media a velocidad instantánea no es mas que un paso al límite, haciendo que el espacio recorrido ( s) tienda a cero o, lo que es equivalente, que el tiempo medido ( t) tienda igualmente a cero. Para ello situamos la 2ª  puerta fotoeléctrica (hasta ahora no utilizada) a unos 90 cm. del punto de lanzamiento. La 1ª Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada célula se sitúa delante de ésta y a distancias decrecientes de ella (se recomienda utilizar intervalos de 10 cm). Conectando 1ª y 2ª células al primer contador, determinamos el tiempo t1  de recorrido entre ambas fotocélulas, mientras que conectaremos la 2ª de ellas al 2º contador, para determinar el tiempo de paso por la fotocélula, t 2, de forma que obtengamos la velocidad media como: v= s t 1 con s la distancia entre fotocélulas, siendo asimismo la velocidad instantánea: v= ∆s t 2 Representando velocidad media frente a espacio recorrido, s (se recomienda utilizar en la gráfica una escala decreciente), se observa como los valores de dicha velocidad media van creciendo y acercándose al valor de la velocidad instantánea (que obtendremos como la media de los distintos valores obtenidos y representaremos como el punto de ordenada s = 0). B) DINÁMICA: En este apartado vamos a comprobar de forma experimental, y siempre dentro del margen de error de nuestro equipo e instrumentos de medida, las dos primeras leyes de  Newton, a saber: la ley de la inercia y la ley fundamental de la Dinámica. B.1 Ley de la Inercia: En la experiencia que vamos a comenzar hemos de ser capaces de desconectar el impulso que nos proporciona una aceleración constante en el momento que nos interese. Para ello produciremos un movimiento uniformemente acelerado (con el sistemas de polea y pesas ya descrito en los apartados anteriores). A continuación colocaremos una plataforma (10) por debajo de la polea, de forma que la pesa caiga únicamente durante una altura prefijada (h). Utilizaremos asimismo las dos fotocélulas conectadas a sendos contadores. Con la 1ª fotocélula, ajustada de modo que actúe en el momento que se interrumpe la aceleración (cuando la pesa toca la plataforma), determinamos el tiempo t 1  (que tarda la pantalla en atravesar el haz de dicha fotocélula) y a partir de él la correspondiente velocidad instantánea en ese punto (v1). Seguidamente situamos la 2ª fotocélula a unos 10 cm. de la primera y con ella, conectada de igual manera al otro contador, determinamos el tiempo t 2 (tiempo que tarda la pantalla en atravesar el haz de la segunda fotocélula) de forma que tengamos la nueva velocidad instantánea (v2). Dado que hemos eliminado la aceleración en el momento de comenzar a determinar v1, el movimiento a partir de entonces será uniforme, como se sigue de la ley de inercia. Ello se comprueba viendo que v 1 es, salvo el error experimental, igual a v2. Repetiremos la experiencia variando en cada caso la alturah, de forma que cambie el tiempo en que está actuando la aceleración del peso colgado y, consecuentemente, varíe la velocidad en el momento que desconectamos dicha aceleración. Laboratorio de Técnicas Experimentales II Dpto. Física Aplicada B.1 Ley Fundamental de la Dinámica: Buscamos en esta última experiencia demostrar la 2ª ley de Newton que, como ya sabemos, se puede poner como: F = m⋅ a Realizaremos para ello el montaje necesario para medir aceleraciones (experiencia A.2.4). Con una pesa determinada situada en el portapesas , obtenemos una aceleración constante, que actúe sobre unos 30-40 cm (distancia respecto al punto de disparo donde colocaremos la fotocélula). Seguidamente repetiríamos la experiencia, colocando una serie de pesas en el  portapesas. De esta forma vemos como se mueve el patín con aceleraciones crecientes debido a la aplicación de fuerzas igualmente crecientes. Dado que la fuerza aplicada la conocemos  perfectamente, ya que se trata del peso colgado del extremo del hilo (despreciando el momento de inercia de la polea), podemos relacionar aceleraciones medidas con fuerzas aplicadas al patín. Realizando el balance de fuerzas tanto para el peso como para el patín, y teniendo en cuenta que despreciamos el efecto de la polea y la fuerza de rozamiento del patín, representar m ( g − a )  frente a la aceleración del patín. Mediante un ajuste lineal obtendremos a través de la pendiente la masa del patín M. Notas: - Antes de comenzar a realizar las diversas experiencias, solicite al profesor encargado una breve descripción del funcionamiento y conexiones del equipo, especialmente fotocélulas y contadores. - No deje, en ningún caso, que el patín circule por el carril sin existir el correspondiente colchón de aire. - No olvide regular, en todas las experiencias, la retención del electroimán,  procurando siempre que ésta sea la mínima posible. - Siempre que utilice un contador digital, asegúrese de la posición correcta del botón INVERT tanto para su puesta en marcha (START) como para la detención del cronómetro (STOP). Compruebe asimismo que el contador se está utilizando para medir tiempos y que la escala utilizada es la que le permite la mayor precisión posible. - Finalmente recuerde limitar la salida de la fuente (como se le indicará oportunamente) a una intensidad máxima de 1 A.