Practicas De Laboratorio Fisica

PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 1

MOMENTOS DE TORSIÓN Y PARES DE FUERZAS

Duración de la Práctica: 1 hr.

I.-RESULTADOS DE APRENDIZAJE.- Describe por escrito la diferencia entre fuerza y momentos de torsión, además de que establece las condiciones para lograr el equilibrio en una barra rígida en equilbrio.

II.- EQUIPO Y MATERIAL EMPLEADOS.

Soporte Universal

Metro de madera

Pesas de diferentes magnitudes

Hilo

III.- ANÁLISIS TEÓRICO.

¿Por qué la cerradura y las bisagras de una puerta se colocan cerca de los extremos opuestos de la misma? Esta pregunta de hecho tiene una respuesta basada en el sentido común. Cuanto más fuerte se empuja la puerta y más lejos se está de las bisagras, será más probable abrir o cerrar la puerta. Cuando se ejerce una fuerza sobre un objeto rígido pivoteado alrededor de un eje, el objeto tiende a girar en torno de ese eje. La tendencia de una fuerza a hacer girar un objeto alrededor de cierto eje se mide por medio de una cantidad llamada momento de torsión τ (tau).

Considere la llave de tuercas de la figura I. La fuerza aplicada F actúa en un ángulo con la horizontal. Se define la magnitud del momento de torsión asociada con la fuerza F mediante la expresión

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donde r es la distancia entre el punto de pivote y el punto de aplicación de F, y d es la distancia perpendicular desde el punto de pivote hasta la línea de acción de F (La línea de acción de una fuerza es una línea imaginaria que se extiende a partir de ambos extremos del vector que representa la fuerza. La línea sombreada que se extiende desde el origen de F en la figura I es parte de la línea de acción de F). De acuerdo con el triángulo rectángulo de la figura I, que tiene la llave de tuercas con su hipotenusa, se ve que . Esta cantidad d recibe el nombre de brazo de momento (o brazo de palanca) de F.

Es muy importante que usted pueda reconocer que el momento de torsión se define sólo cuando se especifica un eje de referencia. El momento de torsión es el producto de una fuerza y el brazo de momento de esa fuerza, y este último se define sólo en función del eje de rotación.

Figura 1.- La fuerza F tiene una mayor tendencia a rotar sobre O conforme se incrementan F y el brazo de momento d. Es la componente la que tiende a rotar la llave en torno a o.

En la figura I la única componente de F que tiende a producir rotación es , la componente perpendicular a r. Debido a que pasa por O, la componente horizontal no tiende a producir rotación. De acuerdo con la definición de momento de torsión, se ve que la tendencia a rotar aumenta a medida que F y d aumentan. Esto explica la observación de que es más fácil cerrar una puerta si se empuja en la perilla en lugar de hacerlo en un punto cercano a la bisagra. También se requiere aplicar el empuje tan perpendicular a la puerta como se pueda. Empujar hacia los lados sobre la manija de la cerradura no causa que la puerta gire.

Si hay dos o más fuerzas actuando sobre un objeto rígido, como en la figura 2, cada una tiende a producir rotación alrededor del pivote en O. En este ejemplo F2 tiende a rotar el objeto en el

Figura 2.- La fuerza F1 tiende a rotar al objeto en sentido contrario al de las manecillas del reloj alrededor de O, y F2 tiende a rotarlo en sentido opuesto.

sentido de las manecillas del reloj, y F1 tiende a rotar en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Se usa la convención de que el signo del momento de torsión resultante de una fuerza es positivo si la tendencia de giro de la fuerza es en dirección contraria a la de las manecillas del reloj, y es negativo si dicha tendencia es en el sentido de las manecillas. Por ejemplo, en la figura 2 el momento de torsión resultante de F1 , que tiene un brazo de momento d1, es positivo e igual a +F1d1; el momento de torsión de F2 es negativo e igual a –F2d2. Por tanto, el momento de torsión neto alrededor de O es

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Por otra parte, el momento de torsión no debe confundirse con la fuerza. Las fuerzas pueden causar un cambio en el movimiento lineal, como describe la segunda ley de Newton. Las fuerzas también pueden provocar un cambio en el movimiento rotacional, pero la efectividad de las fuerzas al causar este cambio depende tanto de las fuerzas como de los brazos de momento de las fuerzas, en la combinación que se llama momento de torsión. El momento de torsión tiene unidades de fuerza por longitud, newton•metros en unidades del SI, y debe reportarse en esas unidades. No confunda momento de torsión y trabajo, que tienen las mismas unidades pero son conceptos muy diferentes.

IV.- PROCEDIMIENTO.

Experimento 1

Sostén el extremo de la regla de 1 metro en tu mano, de modo que tu dedo índice se encuentre en la marca de 5 cm. Con la regla en posición horizontal, coloca el gancho en la marca de 10 cm y cuelga de él la masa de 1 kg. Gira la regla de tal manera que su extremo libre suba y baje. Observa qué tan difícil o fácil es subir y bajar el extremo libre.

Mueve el gancho a la marca de 20 cm. Gira la regla hacia arriba y hacia abajo con respecto al centro de rotación (tu dedo índice) igual que antes. Repite este procedimiento con la masa en las marcas correspondientes a 40 cm, 60 cm, 80 cm y 95 cm.

1.- ¿Es más fácil o más difícil girar la regla a medida que la masa se aleja del centro de rotación?

2.- Aumenta el peso de la masa cuando la alejas del centro de rotación (tu dedo índice).

3.- Si el peso de la masa no aumenta, ¿a que se debe la mayor dificultad para hacer que gire la regla?

Experimento 2

Para evitar que un cuerpo gire bajo la acción de una fuerza, hay que aplicarle otra fuerza que tienda a hacerlo girar en el sentido contrario.

Para poder demostrar lo anterior, vas a construir con el soporte, el metro, hilo y pesas un sistema denominado “Balanza Aritmética”, por lo que debes suspender el metro en posición horizontal y mantenerlo en equilibrio.

Una vez que el metro este en

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