Laboratorio de Física con Ordenadores Experiencia P11: CHOQUE. Impulso y Momento lineal

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Experiencia P11: CHOQUE. Impulso y Momento lineal Sensor de Fuerza, Sensor de movimiento

Tema Leyes de Newton

DataStudio P11 Impulse.DS

Equipo necesario Sensor de fuerza (CI-6746) Sensor de movimiento (CI-6742) Soporte (CI-6545)

ScienceWorkshop (Mac) P14 Collision

Cant. 1 1 1

ScienceWorkshop (Win) P14_COLL.SWS

Equipo necesario Balanza (SE-8707) Carrito de colisión (ME-9454) Carril de 2.2 m (ME-9452)

Qty 1 1 1

IDEAS PREVIAS

¿Cómo varía la fuerza que actúa durante un choque respecto a la duración del mismo? Anote su respuesta en la sección Informe de Laboratorio.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Cuando un cuerpo choca con un obstáculo, la fuerza ejercida por el cuerpo varía mientras tiene lugar el choque. La variación del momento lineal puede calcularse de dos formas: •

Utilizando la velocidad anterior (vi) y posterior (vf) al choque: p = mvf –mvi

•

Utilizando la fuerza neta y la duración del impacto: p   Fdt = Fnet t

Es posible que el cuerpo experimente el mismo cambio en su momento lineal tanto si es una colisión contra un obstáculo duro o una colisión amortiguada. El propósito es determinar la diferencia entre cómo afecta a la fuerza del objeto una colisión dura o una colisión amortiguada. RECUERDE

•

Siga las instrucciones de utilización del equipo.

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PROCEDIMIENTO

Utilice el Sensor de movimiento para medir el movimiento de un carrito cuando choca con un obstáculo. Utilice el Sensor de fuerza montado sobre el carril para medir la fuerza de la colisión durante el mismo intervalo de tiempo. Utilice el DataStudio o el ScienceWorkshop para comparar la variación en el momento lineal del carrito con la integral de la gráfica de fuerza frente al tiempo. PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR

1.

Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y el ordenador.

2.

Conecte las clavijas digitales del Sensor de movimiento a los Canales digitales 1 y 2 del interfaz. Enchufe la clavija de banda amarilla al Canal digital 1 y la segunda clavija al Canal digital 2.

3.

Conecte la clavija DIN del Sensor de fuerza al Canal analógico A.

4.

Abra el archivo titulado: DataStudio P11 Impulse.DS

ScienceWorkshop (Mac) P14 Collision

ScienceWorkshop (Win) P14_COLL.SWS

•

El archivo DataStudio contiene el Workbook. Lea las instrucciones en el Workbook.

•

El archivo ScienceWorkshop contiene una gráfica de la fuerza frente al tiempo y de la

velocidad frente al tiempo. •

La recogida de datos está fijada en 500 tomas por segundo (500 Hz) para el Sensor de fuerza.

5.

Ajuste el pulsador de ritmo del Sensor de movimiento a 50 Hz.

•

En el DataStudio, haga doble clic en el icono del Sensor de movimiento en la ventana “Experiment Setup”. Se abrirá la ventana “Sensor Properties”. Haga clic en el tabulador “Motion Sensor”. Seleccione “50” en el menú del pulsador de ritmo. Haga clic en “OK” para regresar a la ventana “Experiment Setup”.

•

En el ScienceWorkshop, haga doble clic en el icono del Sensor de movimiento en la ventana “Experiment Setup”. Se abrirá la ventana de calibrado del Sensor.

Seleccione“50” en el menú del pulsador de ritmo. Haga clic en “OK” para regresar a la ventana “Experiment Setup”.

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PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO

•

No se necesita calibrar el Sensor de movimiento.

•

Para calibrar el Sensor de fuerza, leer el apartado correspondiente en la introducción del manual.

1.

Sitúe el carril sobre una superficie horizontal.

2.

Monte el Sensor de fuerza sobre el soporte. Monte el soporte en la ranura en forma de T en el lateral del carril.

3.

Utlice un libro o cualquier otro método para elevar el extremo opuesto al Sensor de fuerza 1,5 cm, de manera que el carrito lleve la misma velocidad en cada prueba.

4.

Sitúe el Sensor de movimiento sobre el extremo elevado del carril de modo que capte el movimiento del carrito. Haga una marca a una distancia mínima del Sensor de movimiento, esta marca será el punto de partida para el carrito en cada prueba.

5.

Fije el extremo del Sensor de fuerza con un objeto pesado de manera que el carril no se mueva durante la colisión.

6.

Mida la masa del carrito. Anote el valor de la masa del carrito en la Tabla de Datos de la sección Informe de Laboratorio.

7.

Destornille la fijación que está en el frontal del Sensor de fuerza. En su lugar, fije el parachoques magnético del soporte.

PARTE III: RECOGIDA DE DATOS

1.

Antes de cada serie de datos, presione el botón de tarado en el lateral del Sensor de fuerza para poner a cero el Sensor.

2.

Sitúe el carrito sobre el carril en la marca de comienzo.

3.

Libere el carrito de modo que avance en dirección al Sensor de fuerza. Comience la recogida de datos.

4.

Finalice la recogida de datos después de que el carrito haya rebotado tras su colisión con el parachoques magnético del Sensor de fuerza.

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•

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Los datos aparecerán como Run #1. ANÁLISIS DE DATOS

1.

Haga zoom sobre el pico de la gráfica de fuerza frente a tiempo.

•

En la gráfica, haga clic en el botón “Zoom” ( ). Pinche y arrastre el cursor para dibujar un rectángulo alrededor del pico de la gráfica de fuerza frente a tiempo. Asegúrese de rodear todo el pico. Se marcarán los puntos. Libere el botón del ratón y los ejes de la gráfica se ajustarán sobre la región seleccionada.

2.

Seleccione la zona de la gráfica que corresponda al choque.

•

Pinche y arrastre el cursor sobre la región de la gráfica que corresponde a la colisión para dibujar un rectángulo a su alrededor. Libere el botón del ratón y la zona quedará seleccionada.

3.

Integre para determinar el área bajo la curva.

•

En el DataStudio, haga clic en el botón de menú “Statistics” ( “Area”.

•

En el ScienceWorkshop, haga clic en el botón “Estadísticas” ( ) para abrir el área estadística a la derecha de la gráfica. En el área estadística, haga clic en el botón “Menú de Estadísticas” (

) y seleccione

) y seleccione “Integrar”.

4.

Anote el valor del área bajo la curva en la Tabla de Datos en la sección Informe de Laboratorio.

5.

Determine la velocidad anterior y posterior al choque basándose en la gráfica de velocidad frente a tiempo.

•

En el DataStudio, seleccione la ventana “velocity”. Haga clic en el botón “Smart Tool” ( ) y mueva “Smart Tool” hasta los puntos de datos de la velocidad. Si es necesario, haga zoom sobre la región correspondiente al choque.

•

En el ScienceWorkshop, haga clic en “Cursor Inteligente” ( ) y muévalo hasta los puntos de datos de la velocidad. Si es necesario, haga zoom sobre la zona correspondiente al choque.

6.

Anote los dos valores de la velocidad en la Tabla de Datos de la sección Informe de Laboratorio.

7.

Utilice la masa y la velocidad para determinar los momentos lineales anterior y posterior al choque. Anote sus resultados en la sección Informe de Laboratorio.

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OPCIONAL

1.

Utilice la calculadora para determinar el momento lineal expresándolo en kg m/s.

•

En el DataStudio, haga clic en el botón “Calculate” ( herramientas.

) en la barra de

Se abrirá la ventana de la calculadora. La ventana muestra el cálculo del momento lineal generado como parte de esta experiencia.

Si la masa de su carrito es distinta de 0,502 kg, pinche en la ventana “mass” y escriba la masa de su carrito. Haga clic en “Accept” para grabar su cambio. Cierre la ventana “Experiment Calculator”. Muestre el cálculo del momento lineal arrastrando el icono de la Gráfica hasta la calculadora. •

En el ScienceWorkshop, para generar un cálculo del momento lineal, haga clic en el botón “Calculadora” ( ) en la ventana de configuración del experimento. Se abrirá la ventana de la calculadora. Introduzca el valor de la masa del carrito y “*” para multiplicar. Dentro del menú seleccione Digital 1, Velocidad. Introduzca un nombre para el cálculo, las siglas y las unidades. Haga clic en el botón igual ( teclado.

) o presione o en el

Cierre la ventana de calculadora. Muestre el cálculo del momento lineal en la gráfica seleccionando “Cálculos” en el menú Datos.

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Informe de Laboratorio Experiencia P11: CHOQUE. Impulso y Momento lineal

IDEAS PREVIAS

¿Cómo varía la fuerza que actúa durante un choque respecto a la duración del mismo? Tabla de Datos

Medida

Valor kg

Masa del carrito Impulso (de la integral)

N.s

Velocidad anterior a la colisión

m/s

Velocidad posterior a la colisión

m/s

Momento lineal inicial

kg m/s

Momento lineal final

kg m/s

Cambio en el momento lineal

kg m/s

CONCLUSIONES Y APLICACIONES

1.

¿Por qué es aconsejable tener la misma velocidad inicial en cada serie de datos?

2.

¿Cómo da la elevación del carril la misma aceleración al carrito en cada prueba?

3.

Basándose en sus datos, compare la variación en el momento lineal con el impulso.

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4.

¿Qué razones existen para que la variación en el momento lineal sea diferente del impulso medido?

5.

Compare el impulso y la fuerza de una colisión dura y una colisión suave. Utilice palabras y también la gráfica de fuerza frente a tiempo.

6.

Utilice la comparación anterior para explicar por qué los airbags de los coches previenen lesiones a los ocupantes durante una colisión frontal.

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