FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA (SISTEMA DE FOTOCOMPUERTA Y POLEAS)

Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 21. Teacher’s Guide Volumen 1. Pág.199. Student Workbook Volumen 1. Pág. 145. EQUIPOS REQUERIDOS. Sistema de Fotocompuerta y Poleas (ME-6838) Balanza (SE-8723) Bloque de Fricción con su gancho (003-04708)

Set de Masas y sostenedor (ME-8967) Cuerda (SE-8050). 2 m Tabla Universal (ME-9376)

OBJETIVOS. Al finalizar la práctica, el estudiante debe estar en la capacidad de: * Utilizar el Sistema de Fotocompuerta y Poleas para medir la velocidad de un bloque que experimenta un movimiento rectilíneo acelerado. * Determinar gráficamente la aceleración del bloque. * Calcular el valor teórico del coeficiente de fricción cinética. * Determinar cómo el área de contacto entre las superficies, los tipos de material que hacen contacto, la velocidad relativa de las superficies y la fuerza normal varían el coeficiente de fricción cinética.

UN POCO DE TEORÍA. Un bloque de masa M se coloca en una tabla nivelada, conectado por una cuerda a una masa (m) que cuelga de una polea. Suponga que a medida que la masa m se suelta, ésta empieza a caer y el bloque M se desliza sobre la superficie de la tabla. Si se considera a ambas masas como un sistema, el diagrama de cuerpo libre incluye dos fuerzas: la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa m y la fricción cinética que actúa sobre la masa M. De acuerdo a la segunda ley de Newton, el vector suma de las fuerzas es igual al total de las masas del sistema por la aceleración del sistema. Σ F = mg - Fk = (M + m) a donde Fk es la fuerza de fricción cinétrica que viene dada por: Fk = µk N donde µk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal actuando sobre el bloque: N=Mg Resolviendo y despejando el coeficiente de fricción cinética, queda que: µk = ( mg - (M + m) a ) / M g En general, el coeficiente de fricción cinética para el bloque depende solo de los tipos de materiales que se frotan conjuntamente.

Fuerza de Fricción Cinética PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL COMPUTADOR. 1. Conecte la interface del Scienceworkshop al computador, encienda la interface y encienda el computador. 2. Conecte el plug de la Fotocompuerta al canal digital 1 de la interface. 3. En la pantalla principal, haga un click en Data Studio para abrir el archivo, a continuación aparecen cuatro opciones, escoja “Crear Experimento” y realice un doble click.

Puede visualizarse en la pantalla del computador una fotografía del Scienceworkshop. Haga un click en la línea de los canales para añadir el sensor.

Línea de canales digitales

En la pantalla se despliega una ventana para escoger el Sensor Digital.

Para esta práctica, seleccione la opción “Polea Inteligente” y dele un click a aceptar.

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Fuerza de Fricción Cinética • Nota: La longitud de arco para el Sistema de Fotocompuerta y poleas se fija en 0.015 m. Si está utilizando una polea diferente, cambie la longitud de arco en la ventana del sensor, haciendo un doble click en el icono de la polea inteligente en la ventana de configuración del experimento.

PARTE II: CALIBRACION DEL SENSOR Y CONFIGURACION DEL EQUIPO. • No es necesario calibrar el sistema de Fotocompuerta y Poleas. 1. Usar la Polea de Montaje para adjuntar la polea a la lengüeta de la Fotocompuerta. 2. Utilice la tabla universal para montar la varilla vertical de la polea en el borde de una superficie horizontal, como una mesa. 3. Determine previamente en la balanza la masa del bloque de fricción. Registre la masa en la tabla de datos del post-laboratorio. 4. Use un pedazo de cuerda alrededor de unos 10 centímetros más largo que la distancia desde la parte superior de la superficie horizontal hasta el suelo. Conecte un extremo de la cuerda al bloque. 5. Ponga la cuerda en la ranura de la polea. Conecte el sostenedor de masa al otro extremo de la cuerda. Colocar el bloque y el Sistema Fotocompuerta y polea como se muestra en la figura. Si está utilizando un sostenedor PASCO, puede adjuntar la cuerda al sostenedor, dando vueltas a la cuerda a través de la muesca de tres a cuatro veces.

Nota: El sistema está listo para la toma de datos, el bloque que descansa sobre la superficie horizontal como es evidente, tiene 6 caras; de las cuales 4 van a ser utilizadas para el registro de datos. Se denominarán caras lisas, las 2 caras donde existe menor fricción, en este caso las que son de color negro, para diferenciarlas se llamarán: cara lisa de mayor área y cara lisa de menor área. Las otras dos caras, opuestas a las negras se denominarán: cara rugosa de mayor área y cara rugosa de menor área, respectivamente.

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Fuerza de Fricción Cinética PARTE III: TOMA DE DATOS Caso 1. Cara lisa más grande del bloque descansa sobre la superficie. 1. Coloque el bloque de tal manera que su cara lisa más grande descanse sobre la superficie. 2. Ponga suficiente masa sobre el sostenedor, de tal manera que el bloque se deslice sobre la superficie sin necesidad de un impulso inicial. Anote en la tabla de datos el valor de la masa colgante TOTAL (recuerde incluir la masa del sostenedor). 3. Verifique que la fotocompuerta no esté bloqueada, gire la polea y observe que el diodo emisor de luz no esté encendido. Verifique además que la cuerda esté paralela a la superficie, en caso de no estarlo, ajuste la polea, para evitar la creación de dos componente de la aceleración. 4. Coloque el bloque lo más alejado posible de la polea hasta que la masa colgante casi llegue a la polea, ya el sistema está listo para comenzar el registro de datos. Usted puede desplegar en la pantalla los gráficos o las tablas, para visualizar el registro de datos en el computador en el mismo momento en que son tomados. Para ello, en la parte inferior, observe el menú “Pantallas”. Al hacer click en “Gráfico”, el programa le permite escoger el tipo de gráfico que usted desea visualizar. Incluso puede nuevamente hacer click en gráfico y escoger otro de su interés. Los gráficos se superponen, ruede con el mouse. La opción tabla del mismo menú, le permite ir viendo los datos en el computador de forma tabulada, en el mismo momento en que son tomados.

INICIO

GRAFICO

TABLA

5. Suelte el bloque e inicie el registro de datos dándole un click al botón de “Inicio” que está en la parte superior de la pantalla. 23

Fuerza de Fricción Cinética 6. Detenga el registro de datos justo antes que el bloque golpee la polea, haciendo un click en el botón “Detener” (que está en el mismo lugar donde antes decía Inicio). No permita que el bloque golpee la polea. De esta manera se ha tomado el registro de un tramo del movimiento. • El computador conserva los datos como Experimento Nro. 1. Para observar mejor la gráfica, seleccione el ícono “Optimizar Escala” (en la parte superior del gráfico) y automáticamente el programa adecúa los ejes a los datos del experimento. 7. Determine la aceleración experimental. En el gráfico de Velocidad vs. Tiempo, seleccione con el mouse un recuadro con la parte más recta de los datos. Puede hacer un click en el ícono “Herramienta de pendiente” (en la parte superior del gráfico) y automáticamente el programa muestra la pendiente entre dos puntos sucesivos. Haga un click en la opción “Ajustar” y seleccione ajuste lineal para observar la recta de regresión y el cálculo de la pendiente, la cual representa la aceleración experimental del ensayo. Anote este valor en la tabla de datos. .

Optimizar escala

Herramienta de Pendiente

Caso 2. Duplicación de la masa del bloque y de la masa colgante. Pulse la opción archivo y luego “Nueva Actividad” para hacer este nuevo registro de datos. 1. Duplique la masa del bloque, colocando una masa aproximadamente igual a la masa del bloque en la parte superior del bloque. 2. Duplique la masa colgante. Registre los nuevos valores de la masa del bloque y de la masa colgante en la tabla de datos, previa determinación en la balanza. 3. Haga una corrida de datos (como lo hizo en el Caso 1) para ver cómo las diferentes masas afectan el coeficiente de fricción cinética. Recuerde calcular la aceleración experimental y anotarla en la tabla de datos. Caso 3. Cara lisa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. 1. Retire la masa adicional del bloque y la masa adicional del sostenedor, para que queden solo las masas originales. 2. Oriente el bloque para que su lado liso más pequeño sea ahora el que descanse sobre la superficie horizontal. 3. Tome los datos, haga una corrida y compárela con los datos del caso 1. Recuerde calcular la aceleración experimental y anotarla en la tabla de datos. Caso 4. Cara rugosa más grande del bloque descansa sobre la superficie. 1. Oriente el bloque para que su lado rugoso más grande descanse sobre la superficie horizontal. 24

Fuerza de Fricción Cinética

2. Coloque suficiente masa sobre el sostenedor para que el bloque deslice sobre la superficie sin necesidad de un impulso inicial. Mida y registre el valor total de la masa colgante en la tabla de datos. Recuerde incluir la masa del sostenedor. 3. Tome un registro de datos para ver cómo los diferentes materiales afectan el coeficiente de fricción cinética. Recuerde calcular la aceleración experimental y anotarla en la tabla de datos.

Caso 5. Cara rugosa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. 1. Oriente el bloque para que su lado rugoso más pequeño descanse sobre la superficie horizontal. 2. Tome un registro de datos utilizando la misma masa colgante que empleó en el caso 1 y compárela con la corrida de los datos para el lado rugoso más grande. Recuerde calcular la aceleración experimental y anotarla en la tabla de datos. Caso 6. Incremento de la masa colgante. 1. Regrese el bloque a la orientación original, como en el Caso 1. (la cara suave más grande hacia abajo). 2. Coloque una cantidad de masa en el sostenedor que sea mayor a la colocada en el Caso 1. Mida y registre la masa total del sostenedor en la tabla de datos. 3. Tome un registro de datos. 4. Repita el proceso anterior, utilizando masas colgantes superiores, haga 2 mediciones. Asegúrese de medir y registrar la masa total colgante para los tres ensayos. Recuerde calcular para estos tres ensayos la aceleración experimental y anotarla en la tabla de datos. Estos serían los casos 6, 7 y 8. Resumen de datos tomados Nro. de Corrida 1 2 3 4 5 6 7 8

Descripción Cara lisa más grande del bloque descansa sobre la superficie. Duplicación de la masa del bloque y duplicación de la masa colgante. Cara lisa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. Cara rugosa más grande del bloque descansa sobre la superficie. Cara rugosa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. Incremento de la masa colgante (m1) Incremento de la masa colgante (m2 tal que m2 > m1) Incremento de la masa colgante (m3 tal que m3 > m2)

Analizando los Datos. 1. Verifique que para todos los casos estudiados determinó y registró en la tabla, la pendiente de la velocidad vs. tiempo, que representa la aceleración promedio del bloque

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Fuerza de Fricción Cinética 2. Usando los valores de las masas y el valor de la aceleración, calcule y registre el coeficiente de fricción cinética de cada uno de los datos de la tabla.

POST-LABORATORIO En relación con la dirección del movimiento, ¿en cuál dirección actúa la fuerza de fricción cinética?

Tabla de Datos Corrida

M Masa total del bloque (Kg)

M Masa total colgante (Kg)

a exp aceleración experimental (m / s2)

µk coeficiente de fricción

1 2 3 4 5 6 7 8 Resumen Corrida 1 2 3 4 5 6 7 8

Parte y Descripción Cara lisa más grande del bloque descansa sobre la superficie. Duplicación de la masa del bloque y duplicación de la masa colgante. Cara lisa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. Cara rugosa más grande del bloque descansa sobre la superficie. Cara rugosa más pequeña del bloque descansa sobre la superficie. Incremento de la masa colgante (m1) Incremento de la masa colgante (m2 tal que m2 > m1) Incremento de la masa colgante (m3 tal que m3 > m2)

µk

Preguntas: 1. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con la masa del bloque? 2. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el área de contacto entre el bloque y la superficie horizontal? 3. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el tipo de material entre el bloque y la superficie horizontal?

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Fuerza de Fricción Cinética 4. Cuando se utilizan diferentes tipos de materiales ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el área de contacto entre el bloque y la superficie horizontal? 5. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética a medida que varía la velocidad, debido a las diferentes masas colgantes? 6. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de fricción cinética y la masa, área de contacto, o velocidad del objeto? 7. Si la masa del bloque aumenta, ¿aumenta la fuerza de fricción cinética?. ¿Por qué?

Anexe al informe o reporte de laboratorio un gráfico de Velocidad versus Tiempo, en el que se observe el valor de la pendiente, la cual representa la aceleración del sistema.

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