Laboratorio de Física para las Ciencias de la Salud.

MECÁNICA

Lizbeth Cueva y Verónica Logaña

Laboratorio de Física para las Ciencias de la Salud

Universidad San Francisco de Quito

26 de septiembre de 2016

Resumen

En esta práctica se llevaron a cabo cuatro experimentos de mecánica; el primero tiene que ver con el principio de la cinemática, ya que, se observó y anotó la trayectoria de un objeto (regla) en función del tiempo transcurrido; el segundo, estuvo relacionado con la dinámica, es decir, que todas las fuerzas implicadas para efectuar o contrarrestar un movimiento son importantes. Los dos últimos experimentos que se realizaron fueron de equilibrio, el primero se utilizó un brazo mecánico para alcanzar el equilibrio entre el pedestal, los ganchos y el peso ejercido sobre la regla de madera; el segundo experimento tuvo que ver con encontrar el equilibrio, para esto se utilizó un péndulo y se anotó las oscilaciones en función del tiempo.

1. Introducción

Lo primero que se debe conocer al introducirnos en esta práctica es la definición de mecánica; por lo que se empezará por mencionar que mecánica es una de las ramas de la física que se dedica al estudio y análisis del movimiento de los cuerpos y el estado de equilibrio que estos alcancen dentro de un conjunto y/o sistema. Tomando en cuenta cada una de las fuerzas que intervengan. La mecánica se divide en tres principios que son la cinemática (estudio de los movimientos de los cuerpos sin tener en cuenta las fuerzas que los provocan), dinámica (estudio del movimiento de los cuerpos y de cada una de las fuerzas que lo producen) y equilibrio (estudio de las condiciones que llevan a que un cuerpo llegue o se mantenga en equilibrio) (Kittel, Knight & Ruderman, 2005).

La mecánica es muy útil en el campo de la medicina, ya sea para inmovilizar un brazo fracturado (utilización de torques) o para medir la reacción de los impulsos nerviosos del cerebro en un determinado tiempo (cinemática). Las aplicaciones de esta rama de la física son muy amplias; para ilustrar mucho mejor estas aplicaciones se detallarán algunas de los experimentos realizados. Al principio se realizó un ejercicio, donde con una regla y dos compañeros de laboratorio se medía la rapidez y/o capacidad de agarre que tenía cada uno, al soltar la regla en caída libre. Con este ejemplo claramente se pudo evaluar no solo la velocidad con que se agarraba la regla, sino que también fue posible observar y/o deducir en el trasfondo la actividad eléctrica que tenía el cerebro al momento de reaccionar y enviar señales a los músculos de la mano para su contracción (acción que permite sostener objetos) (Goicolea, 2007).

El segundo experimento, estuvo relacionado con la determinación y cálculo del coeficiente de fricción estático entre la madera y la superficie de varios materiales como son: plástico, madera, caucho y papel lija. Para entender un poco más sobre el tema, se definirá el coeficiente de fricción como la resistencia al movimiento, es decir, la fuerza que se aplica en dirección contraria al movimiento (Wilson, Buffa & Lou, 2007). Si consideramos este cálculo dentro del campo de la medicina, se puede encontrar que este concepto tiene gran relevancia a considerar para cada intervención que se realiza a nivel de las articulaciones, es decir, que para realizar este procedimiento es realmente necesario estar seguro de que el coeficiente de fricción de la prótesis sea similar al que ejerce la articulación propia sobre la estructura con la que se articula (Moore, Dailey & Agur, 2013). Alejándose de este campo, se pude encontrar que el conocimiento del coeficiente de fricción es necesario y útil en casi todo ámbito.

Para finalizar, se realizaron dos ejercicios de equilibrio; donde el fin era encontrar y/o hallar el equilibrio dentro del sistema, es decir, que en el primer ejercicio había que encontrar el equilibrio entre el brazo mecánico, el peso que suspendía de él y el pedestal que era considerado como pivote o torque; y en el segundo ejercicio el equilibrio a hallar era entre péndulo y el tiempo que tardó en realizar 10 oscilaciones.

Los objetivos de esta práctica son conocer, entender e identificar las diferencias entre cinética, dinámica y equilibrio; teniendo en cuenta que los tres temas parten de uno principal que se denomina mecánica. El objetivo específico de la práctica es aplicar estos conocimientos en una función matemática, para de esta manera ser capaces de interpretar los datos de una forma mucho más exacta (utilización de ecuaciones). Conociendo esto es posible decir que, para el ejercicio uno el objetivo es determinar el tiempo que tarda en reaccionar la persona para sostener la regla que ha sido soltada en caída libre. Para el segundo ejercicio el objetivo es identificar el coeficiente de fricción estático entre la madera y las superficies de diferentes materiales (plástico, madera, caucho, papel de lija). Para el tercero y cuarto el objetivo es encontrar el equilibrio entre el brazo mecánico, el peso que se encuentra suspendido de él y el pedestal (pivote).

2. Metodología y Desarrollo

Antes de iniciar con la descripción de los ejercicios de esta práctica es necesario comprender que cada uno se basará en la mecánica, que es una rama de física que estudia los movimientos y el estado de equilibrio de los mismos dentro de un sistema. Durante toda la práctica se identificarán 3 conceptos que se derivan de la mecánica: cinemática, que es el estudio de los movimientos de los cuerpos, tomando en cuenta como dato principal la distancia en función del tiempo; dinámica, que es el estudio de los movimientos de los cuerpos tomando en cuenta su trayectoria, es decir todas las fuerzas que intervengan en favorecer o limitar el movimiento; y, por último, el equilibrio, que es el punto en que el cuerpo encuentra o permanece estable con su entorno.

Para ejecutar el primer ejercicio de la práctica, lo primero que se necesitó fue: una regla de 30 cm, una cinta métrica y dos compañeros de laboratorio. Una vez listos los materiales se procedió primero a sujetar la regla y luego a soltar la misma en caída libre para que el segundo compañero de laboratorio la sostenga lo más rápido que pueda. Esto con el fin de medir el tiempo de reacción entre el momento que la regla empieza a caer y el instante en que es sujetada por la persona n°2, es decir, medir el tiempo en función de la distancia recorrida. Resumiendo, el ejercicio n°1 de esta práctica se puede decir que, como el objeto se dejó caer partiendo del reposo (caída libre), existe una ecuación de cinemática que permite calcular perfectamente el tiempo de caída, pero cabe recalcar que para poder aplicar esta ecuación es necesario tener como dato la distancia que ha recorrido el cuerpo. A partir de la ecuación principal (ecuación 1), es posible despejar y calcular el tiempo de caída del cuerpo (ecuación 2).

                                (1)[pic 1]

donde h es la altura de donde el cuerpo empieza a caer,  es la velocidad inicial del cuerpo, t es el tiempo que se demoró el cuerpo en llegar al suelo y  es la fuerza de la gravedad.[pic 2][pic 3]

La ecuación para calcular el tiempo se obtiene, partiendo del postulado que dice que, si un cuerpo parte del reposo su velocidad inicial es igual a cero, por lo tanto, el primer término (, se hace cero. Con esto se deduce que la ecuación que deriva de la principal (ecuación 1) para calcular el tiempo es: [pic 4]

                                (1)        [pic 5]

                                [pic 6]

                                (2)[pic 7]

donde t es el tiempo que se demora el cuerpo en caer al suelo, g es la fuerza de la gravedad (constante) y h es la altura desde donde cae el cuerpo (Wilson, Buffa & Lou, 2007).

Para el segundo ejercicio de la práctica se necesitó de una superficie de madera y cuerpos con diferentes bases de contacto (plástico, madera, caucho y papel de lija) para medir el coeficiente de fricción estático que se crea entre ellos. Al momento de calcular esta fuerza se debe tomar en cuenta que para este experimento es relevante anotar el ángulo de inclinación de la superficie en la que el cuerpo va a deslizarse, el cuerpo u objeto y la propiedad de la superficie de contacto con la que cuenta: coeficiente de rozamiento, velocidad con la que se desliza y la fuerza de inercia que se establece como la sumatoria de fuerzas (Fi) en cero; para este fin se puede aplicar la fórmula siguiente:

                                (3)[pic 8]

Donde  es la fuerza de fricción estático,  es la tensión que lo provoca esta fricción y  es la fuerza de fricción. “Si T no vence a la fricción estática: .
Si T> = , es decir, hay una fricción cinética” (Cromer, s/f).[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14]

Por último, para los ejercicios de equilibrio se requirió de un pedestal, 1 regla de madera graduada, masas, 1 pivote, 2 anclajes. En general, estos ejercicios de equilibrio constaban de suspender un cuerpo (brazo mecánico) con un peso colgando de uno de sus extremos. Esto, con el fin de determinar la fuerza y la resistencia que tenía el cuerpo para sostener el peso en un ángulo determinado, en lo posible recto. Ahora bien, cabe recalcar que este cuerpo se encontraba sobre un pivote o torque que era su punto de unión a una base firme, para calcular los momentos en función del pivote se utiliza la siguiente fórmula:

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