LABORATORIO DE FÍSICA I Movimiento oscilatorio

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LABORATORIO DE FÍSICA I

GUÍA N° 6

TEMA:  Movimiento oscilatorio.

Objetivos:

• Estudiar las características cinemáticas del movimiento oscilatorio interpretando el movimiento como armónico simple.
• Estudiar gráficos de posición, velocidad y aceleración para un cuerpo que describe un movimiento armónico simple.
• Aprender a relacionar características de la construcción de un oscilador armónico con sus propiedades cinemáticas.
• Medir cantidades físicas a partir del comportamiento de un péndulo ideal.

Materiales:

• Smart Cart equipados con gancho en el dinamómetro.
• Pista guiada para el Smart Cart.
• Juego de masas grandes.
• Soporte universal con 2 nueces y 2 barras transversales (para inclinar la pista y sujetar el resorte).
• Balanza.
• Péndulo de alrededor de un metro de longitud.
• Cronómetro.
• Pinza en C.
• Computador con software PASCO Capstone (puede utilizar un celular o tableta con el software SPARKVue, pero es preferible el computador por facilidad de uso).

Parte I: Cinemática del movimiento oscilatorio.

1. Coloque la pista inclinada utilizando el soporte y una barra transversal. En esta oportunidad debe tratar de que la pista quede lo más inclinada posible.
2. Coloque la segunda barra transversal por encima de la pista y sujete uno de los resortes. Una el otro extremo del resorte al carro por medio del gancho.
3. En el software configure tres gráficos con el mismo eje de tiempo, implemente gráficos de posición, velocidad y aceleración del carro en función del tiempo. Ajuste una frecuencia de muestreo de al menos 100 Hz.
4. Desplace el carro unos centímetros hacia arriba, comience el registro de los datos y libere el carro para que oscile sobre la pista por algunos segundos (hasta que haya realizado varias oscilaciones.
5. Ensaye el experimento con otras amplitudes iniciales (desplace más o menos el carro inicialmente).

Parte II: Efecto de la masa en un sistema oscilatorio masa – resorte.

1. Repita todo el montaje anterior, inclusive utilice la misma configuración en el software, solo que ahora requerirá únicamente un gráfico, el de posición – tiempo.
2. Haga oscilar el carro y, utilizando la mayor cantidad de oscilaciones posible, determine el período de oscilación con su respectivo error.
3. Añada masa al carro y repita la medida. Recoja datos para al menos 5 masas diferentes.
4. Construya un gráfico de período de oscilación al cuadrado en función de la masa añadida.
5. Realice un ajuste lineal y a partir de éste obtenga la constante de elasticidad del resorte.
6. El profesor le entregará una masa incógnita, sujete esta masa al carro y obtenga su valor utilizando el oscilador.
7. Reporte sus resultados en forma tabulada.

1. Obtención rápida de la constante de elasticidad del resorte (segundo método)

1. Cree una nueva hoja en el Capstone, en ésta cree un gráfico de Fuerza en el eje vertical y posición del carro en el eje horizontal
2. Con el resorte fijado al gancho del carro (sin cambiar el montaje anterior), comience la toma de datos y vaya desplazando el carro hacia abajo por el plano mientras el resorte se va estirando.
3. A partir del gráfico obtenido obtenga la pendiente de la región lineal, esta será la constante de elasticidad del resorte.

Parte III: Efecto de la constante de elasticidad en un sistema oscilatorio masa – resorte.

1. Repita todo el montaje anterior, inclusive utilice la misma configuración en el software, requerirá únicamente un gráfico, el de posición – tiempo.
2. Retire toda masa adicional del carro y sujételo con un segundo resorte de diferente constante de elasticidad. Haga oscilar el carro y, utilizando la mayor cantidad de oscilaciones posible, determine el período de oscilación con su respectivo error.
3. Repita el paso 8 de la parte anterior para obtener la constante de elasticidad del nuevo resorte.

Parte IV: Péndulo

1. Monte el péndulo en el soporte universal utilizando la barra transversal. Es necesario asegurar que el soporte no pueda vibrar, esto lo puede hacer usando la pinza en C (si utiliza un soporte fijo a la mesa esto no es necesario).
2. Coloque el péndulo a la máxima longitud posible, hágalo oscilar con una muy pequeña amplitud y mida el tiempo que le lleva realizar 50 oscilaciones. A partir de este tiempo determine el período de oscilación del péndulo con su respectiva incertidumbre.
3. Realice la medida anterior para 5 longitudes del péndulo, distribuidas uniformemente entre 20 cm y la longitud máxima posible.

1. Con los datos de período y longitud haga un gráfico de período al cuadrado en función de la longitud. Realice un ajuste lineal y a partir de éste determine la aceleración de gravedad en el laboratorio.
2. Después de la práctica de mediciones, esta es la primera oportunidad en la que se toma un conjunto de medidas que no involucra al sistema de recolección de datos. ¿Cómo podría integrar los diferentes dispositivos utilizados a lo largo del curso para realizar estas medidas de forma automatizada? Si se le ocurre alguno, hable con su profesor para implementarlo.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

PARTE I

• ¿El movimiento descrito por el carro es armónico simple? Justifique su respuesta.
• Identifique en los tres gráficos los puntos de retorno, puntos de equilibrio, puntos de rapidez máxima y mínima y puntos de aceleración máxima y mínima. Explique el movimiento del cuerpo a través de las interrelaciones entre estos puntos.
• ¿Cómo afecta a la frecuencia del movimiento la amplitud inicial impartida al carro?

Justifique su respuesta en términos de sus resultados, luego indique si esto coincide con la teoría.

PARTE II

• Según sus resultados, ¿cómo afecta el cambio de masa al período de oscilación del sistema?
• ¿Por qué es útil emplear múltiples oscilaciones para determinar el período de oscilación y no simplemente una sola?
• ¿Corresponde el gráfico obtenido a la teoría? Explique.
• Explique cómo obtuvo la constante de elasticidad del resorte a partir de la pendiente del gráfico período - masa.
• ¿Cómo se compara el valor de la constante de elasticidad obtenida por los dos métodos? Si hay diferencias, ¿a qué se podrían deber?

PARTE III

• A partir de sus resultados, explique cómo afecta la constante de elasticidad del resorte al período de oscilación del sistema. Indique si sus resultados son cónsonos con la teoría.

PARTE IV

• ¿Su gráfico es una recta? ¿Por qué debería serlo?
• ¿Cómo obtiene la aceleración de gravedad a partir del gráfico elaborado? Explique por qué esto es así.
• ¿Cómo se compara el valor que obtuvo para la gravedad con el aceptado? Si hay diferencias,

¿a qué se pudieron deber?

RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES

                Al finalizar esta practica

Recursos

• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2008). Física para ciencias e ingeniería (7 ed. Vol. 1). México, México, D.F.: Cengage Learning.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2009). Física universitaria (12 ed. Vol. 1). México, México D.F.: Pearson Educación.
• https://phet.colorado.edu/es/simulation/pendulum-lab
• https://phet.colorado.edu/es/simulation/masses-and-springs
• https://www.pasco.com/products/software/capstone
• https://www.pasco.com/products/software/sparkvue

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