4to informe de laboratorio de Física I, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física

¡Descarga 4to informe de laboratorio de Física I y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Física solo en Docsity!

Cambios de

energía potencial

DOCENTE: ALBERTO CONZA ANCAYPURO

CURSO: LABORATORIO FÍSICA I

ALUMNA: MARIA ESPERANZA HUAMANI GARCIA

CÓDIGO: 250893

GRUPO: G-112-A-LI

HORARIO: 9:00-11:00 am LUNES

1. Objetivo

En la quinta práctica de laboratorio de física, titulada "Cambios de energìa potencial", el objetivo principal de esta práctica es analizar y comparar cuantitativamente el cambio de energía potencial gravitatoria que pierde el cuerpo estudiado al descender desde cierta altura, con el incremento de energía potencial elástica que experimenta un resorte al ser comprimido (también podría ser estirado) por dicho cuerpo. Esta comparación permite verificar la conservación de la energía mecánica en unsistema ideal, en ausencia de pérdidas significativas por fricción o deformaciones no elásticas. A través de esta experiencia consolidaremos la comprensión del principio de conservación de la energía en el contexto de interacción gravitacional y fuerzas restauradoras (o recuperadoras) elásticas , dos pilares fundamentales de la física clásica, reforzando así las competencias experimentales necesarias en mi formación orientada a la ingeniería electrónica con base en las ciencias físicas, considerando un marco teórico y experimental.

2. Fundamento teórico

El concepto de energía (definido como la capacidad de realizar trabajo ) está estrechamente vinculado al propio concepto de trabajo. Cuando un sistema ejerce trabajo sobre otro, se produce una transferencia de energía entre ambos. Dicha interacción está regida por uno de los principios fundamentales de la física: el principio de conservación de la energía , el cual establece que la energía total de un sistema y su entorno permanece constante. En otras palabras, si la energía de un sistema disminuye, necesariamente se produce un aumento equivalente de energía en su entorno o en otro sistema con el que interactúa. Este principio de conservación es fundamental para comprender la dinámica de los procesos físicos tanto en sistemas simples como complejos.

La energía mecánica total de un sistema está dada por la suma de la energía cinética y la energía potencial del mismo:

𝐸𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝑀𝐸𝐶^ = 𝑈 + 𝐾

La energía cinética está asociada al movimiento del cuerpo, y mediante integrales y ecuaciones se estableció que está definida por:

En este 5to laboratorio utilizamos 1 soporte universal 1 varilla metálica. 1 Portamasas 1 resorte 1 juego de pesas 2 regla métrica 1 balanza

4. Diagrama de instalación
5. Procedimiento

6. Toma de datos

resorte con su peso. Luego en la posición de equilibrio (posición 2 en la imagen), la fuerza elástica del resorte igual a al peso de la masa y en ese punto, la masa no se detiene , sino que continúa descendiendo por inercia porque ya ha transformado parte de su energía potencial gravitatoria en energía cinética. o el resorte está estirado justo lo suficiente para equilibrar el peso, pero la masa tiene velocidad hacia abajo , por lo tanto sigue moviéndose y cada vez que sube y baja reduce dicha longitud y llega a detenerse. i no habría perdida de energía lo ideal sería que la masa entre a un movimiento armónico simple (MAS) porque la masa no se queda estática en la posición de equilibrio; la atraviesa con velocidad, la fuerza del resorte supera al peso, y la masa comienza a desacelerar hasta detenerse en el punto más bajo. Finalmente sube de nuevo, repitiendo este comportamiento de forma oscilatoria.

En la parte B del experimento ¿cómo varia la velocidad de la masa,

mientras ésta cae libremente?

La velocidad de la masa aumenta; Mientras cae, actúa la gravedad entonces la masa es acelerada hacia abajo por la gravedad. La fuerza del resorte también aparece , pero inicialmente es pequeña , el resorte apenas se ha estirado, por lo que la fuerza elástica es pequeña. Luego a medida que la masa baja, el resorte se estira más y empieza a oponerse al movimiento. Finalmente la masa siga acelerando (aunque la aceleración disminuye gradualmente) y la velocidad de la masa sigue aumentando mientras desciende hasta la posición de equilibrio.

La velocidad aumenta , pero no de forma constante, porque la fuerza del resorte se incrementa progresivamente. En la posición de equilibrio , la velocidad es máxima , ya que es el punto donde el peso y la fuerza del resorte se equilibran, pero la masa ya tiene inercia. Mientras la masa cae libremente hacia la posición de equilibrio en la parte B, su velocidad AUMENTA progresivamente , debido a la aceleración causada por la gravedad, que supera (en ese tramo) a la resistencia del resorte.

8. Analisis de datos experimentales

Informe de laboratorio

Parte A: Determinación del coeficiente de elasticidad del resorte utilizado

1.- Con los datos de la tabla 1, grafique F = f( ∆𝑦); escriba la ecuación tipo correspondiente a dicha curva.

𝐹 = 𝑚∆𝑦 + 𝐹 0 ← ECUACIÓN TIPO

2.- Del gráfico anterior, y haciendo uso del método de mínimos cuadrados, determine el parámetro de la ecuación con su respectiva incertidumbre y escriba su ecuación empírica.

Usaremos mínimos cuadrados para determinar la ecuación de la función.

Paso 2: Calcular la incertidumbre (desviación estándar de la media)

𝑒𝑝𝑟𝑜𝑏 = ;

σ𝑥 𝑛

σ𝑥 = 𝑖=

𝑛 ∑ δ𝑖^2

𝑛−

δ 1

2 = |0. 04 − 0. 0578 |

2 = 3. 1684* 10

−

δ 2

2 = |0. 054 − 0. 0578 |

2 = 1. 444* 10

−

δ 3

2 = |0. 056 − 0. 0578 |

2 = 3. 24* 10

−

δ 4

2 = |0. 068 − 0. 0578 |

2 = 1. 0404 * 10

−

δ 5

2 = |0. 071 − 0. 0578 |

2 = 1. 7424 * 10

−

Entonces 𝑖=

𝑛 ∑ δ𝑖

2 = 0. 0006128

→ σ𝑥 = 𝑖=

𝑛 ∑ δ𝑖^2 𝑛−1 =^

4 = 0. 0123774

→ 𝑒𝑝𝑟𝑜𝑏 =

σ𝑥 𝑛

=

5

= 0. 00553534

Resultado final

𝐷 = 𝐷𝑃𝑅𝑂𝑀𝐸𝐷𝐼𝑂 ± 𝑒𝑝𝑟𝑜𝑏𝑎𝑏𝑙𝑒

𝐷 = 0. 0578 ± 0. 00553534

5.-Utilizando el principio de conservación de la energía mecánica, halle un valor teórico para D (utilice el valor de K obtenido en la parte A), y compárelo con el valor promedio D.

𝑃𝐴𝑅𝐴 𝐿𝐴 𝑆𝐼𝑇𝑈𝐴𝐶𝐼Ó𝑁 2

𝐸𝑀 = 𝐾 + 𝑈 → 𝐸𝑀 𝐵

= 0 + 12 𝑚𝑔ℎ + 12 𝑘∆𝑦

2

Para facilitar este proceso utilicé una tabla de excel

Podemos comparar la parte B con la C considerando el principio

de conservación de la energía mecánica

𝐸𝑀 𝐵

= 𝑚𝑔ℎ + 12 𝑘∆𝑦

2 = 𝐸𝑀 𝐶

= 12 𝑘𝐷

2

1

2 (2𝑚𝑔ℎ^ + 𝑘∆𝑦

2

2

2

2

(2𝑚𝑔ℎ +𝑘∆𝑦^2 )

𝑘 = 𝐷

⇒ 𝐷 =

(2𝑚𝑔ℎ +𝑘∆𝑦^2 )

𝑘 =

𝐵

𝐷 =

𝐵

𝐷 = 0,8693107740.47056 = 0. 146561

𝐷 = 1,1484940940.47056 = 0. 168459

𝐷 = 1,1863974540.47056 = 0. 171216

𝐷 = 1,3754380340.47056 = 0. 1843533

energía como el efecto Joule cobran sentido como vemos en la diferencia de aproximadamente medio joule.

9. Conclusiones

Verifiqué experimentalmente que la energía potencial gravitatoria que pierde una masa al caer se transforma, en gran medida, en energía potencial elástica del resorte, confirmando el principio de conservación de la energía mecánica en un sistema casi ideal.

Determiné el valor de la constante elástica del resorte como k≈50.93 N/m a partir de la pendiente de la gráfica F vs. Δy, lo cual es coherente con la Ley de Hooke.

El valor promedio experimental de la elongación fue D=0.0578±0.0055 m, mientras que el valor teórico calculado fue Dteórico = 0.1685 m. La diferencia significativa entre ambos valores nos indica la presencia de factores no ideales como pérdida de energía por fricción, oscilaciones no amortiguadas o errores en la medición.

Observé también que la masa, al ser liberada, ejecuta un movimiento armónico simple (MAS) alrededor de la posición de equilibrio, lo cual concuerda con el comportamiento teórico de un sistema masa-resorte.

La discrepancia energética observada entre las posiciones 2 y 3 sugiere que, en condiciones reales, la energía mecánica no se conserva completamente , probablemente debido a fricción interna del resorte, pérdida de calor (efecto Joule), o errores de medición.

10. Sugerencias

Desde mi punto de vista sería muy bueno utilizar sensores digitales o fotómetros para medir mejor las elongaciones y tiempos de oscilación, minimizando el error por paralaje.

Asegurar que el resorte no esté deformado previamente y que se utilice siempre en su régimen elástico lineal, para garantizar que se aplica correctamente la ley de Hooke.

Reducir a lo máximo las fuentes de pérdida de energía (como la fricción con el aire o el soporte) para aproximarse más a un sistema conservativo ideal.

Complementar el análisis con una animación o simulación digital (por ejemplo, usando el simulador de PhET que se ha mencionado en la guía) para reforzar visualmente la comprensión del sistema masa-resorte.