Download Prac Lab TSF I #4 Movimiento Rotacional 2015-2016

INSTITUTO ORIENTE DE PUEBLA, A.C.
LABORATORIO DE TEMAS SELECTOS DE FÍSICA I
SEXTO DE BACHILLERATO
CICLO ESCOLAR 2015-2016
PRÁCTICA # 4: MOVIMIENTO ROTACIONAL
Objetivo:
 Demostrar que la cantidad de movimiento también se conserva en la rotación.
 Encontrar un patrón en la dirección de la suma de fuerzas ejercidas por otros objetos y que actúan
sobre un objeto que se mueve describiendo un circulo y a velocidad constante.
Contexto:
Sabemos que en un movimiento lineal, el vector velocidad, asociado con la cantidad de movimiento,
momento lineal o ímpetu, se mantiene constante si no hay una fuerza externa que actúe sobre el cuerpo.
Del mismo modo la velocidad angular también es un vector (asociada con la cantidad de movimiento
angular) y se mantiene constante. Cuando hacemos girar la rueda, la velocidad angular tiene igual
dirección que el eje de la misma, y al dejar de sostenerlo, intenta mantener dicha dirección.
La tendencia de los objetos que se mueven en trayectorias redondas a apartarse de su centro de
movimiento es llamada fuerza centrifuga; aunque este concepto es empleado de manera errónea, hay
quienes si consideran su existencia, como la fuerza que se opone a la fuerza centrípeta en concordancia
con la tercera ley de Newton que nos dice que a toda acción corresponde una reacción.
Material:
 1 mesa giratoria
 1 aro de pvc
 1 goma rectangular mediana perforada (1
agujero en medio) *
 1 pija larga (tornillo de 10 cm de largo, con
punta y delgado) *
 1 Gancho de ropa metálico *
 Pinzas para cortar alambre *
 1 tapón de plástico horadado (tapón de
matraz o similar)
 2 tuercas grandes y pesadas *
 Hilaza o hilo resistente * (no estambre, no
mecahilo) *
 1 vaso de vidrio o de plástico (normal a
chaparro) *
 1 vela (altura menor a la del vaso) (no velita
de cumpleaños) *
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1 globo *
Diurex o masking tape o cinta canela *
1 tubo de cobre de 15 cm de largo con
bordes lijados *(o tubo de plástico o popote
rígido) *
1 pedacito de lija de agua (si es que no
lijaste el tubo de cobre) *
2 soportes universales
1 barra para soporte universal
2 pinzas para soporte universal
2 canicones *
1 lata de atún vacía y sin tapas *
1 cronómetro (celular) *
Cerillos o encendedor *
Tijeras *
1 Gis *
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LABORATORIO DE FÍSICA BÁSICA
SEXTO DE BACHILLERATO
CICLO ESCOLAR 2014-2015
Parte #1: La vela y el globo giratorios
1. Coloca una vela dentro de un vaso, de tal forma que quede bien fija a éste. Verifica que la vela tenga
una altura más pequeña que el vaso, para que este funcione como escudo protector.
2. Prende la vela y coloca el vaso sobre una mesa giratoria. Fija el vaso a la mesa de una forma segura
para evitar que salga volando.
3. Da vueltas a la mesa giratoria, la frecuencia de rotación de aprox. 1 Hz (1 rev/seg).
4. Observa el movimiento de la flama. ¿Hacia dónde se dirige?
5. Repite el experimento colocando el vaso a diferentes distancias del punto central.
6. Observa el movimiento de la flama en cada radio utilizado. ¿Es el mismo movimiento? ¿Varía la
intensidad? Explica.
7. Fija en el centro de la mesa giratoria un globo inflado. ¿Hacia dónde se mueve el globo a medida que la
mesa va girando?
8. En seguida, retira el globo y fija una varilla metálica en el centro de la mesa giratoria. En dicha varilla
cuelga (amarra) o une con masking tape un alambre en forma de doble U.
9. Ata dos pesos de diferente tamaño: un tapón de plástico y una tuerca mediana, a los extremos de un
pequeño cordón.
10. Coloca el cordón de tal forma que pase por las dos U del alambre, de tal forma que el tapón quede muy
cerca de la u, y la pesa quede colgando verticalmente.
11. Comienza a dar de vueltas a la mesa giratoria. Observa qué es lo que ocurre. ¿Por qué pasa esto?
Parte #2: La canica restringida
1. Dibuja sobre el piso una trayectoria en línea recta, usando para esto un gis. La trayectoria debe tener
mínimo 1 m de largo.
2. Coloca un aro de PVC o la lata de atún sin tapas, sobre una superficie plana.
3. Coloca en su interior una canica (canicón) y mueve el aro de tal forma que la canica comience a describir
círculos.
4. Cuando la canica lleve unas cuantas revoluciones, remueve el aro de tal forma que logres que la canica siga
la trayectoria que dibujaste con el gis. ¿Lo conseguiste?
5. Mide el radio de la circunferencia que describió la canica, cuenta el número de vueltas que dio y el tiempo
que tardó en dar dichas vueltas. Calcula el periodo, la frecuencia, la velocidad angular, la velocidad
tangencial y la fuerza centrípeta, que describen el movimiento circular de la canica.
Parte #3: Fuerza Centrípeta (Movimiento en un círculo horizontal).
1. Toma el tubo de cobre o de plástico o el popote rígido.
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2. Si los extremos no están lijados, líjalos con la lija de agua o cubre los extremos del tubo con masking
tape o cinta.
3. Corta un pedazo de hilo de nylon de aproximadamente 1.5 m y hazlo pasar por el tubo de cobre o de
plástico.
4. Amarra un extremo del cordón al tapón de hule, evitando que éste se mueva.
5. En el otro extremo de la cuerda, amarra un contrapeso (50 a 100 g), (puedes usar la tuerca, una pieza
metálica pesada, rondanas, etc.), que sirva para mantener un radio constante y para proveer de la
fuerza centrípeta que se requiere para mantener al tapón rotando en círculo.
6. Toma la cuerda con una mano y permite que quede un extremo de cuerda de 60 cm entre el tubo de
cobre o de plástico y el tapón de hule.
7. Comienza a mover la cuerda con un movimiento circular descrito por encima de tu cabeza. Usa un
cronómetro para hacer girar al tapón a un ritmo constante.
8. ¿Qué sucede con el contrapeso? ¿Qué sucede con el radio de la trayectoria circular que describe el
tapón?
9. Registra el radio de la circunferencia, la fuerza que actúa como contrapeso y el tiempo que tarda en
dar una revolución. Con esos datos calcula la fuerza centrípeta que mantiene girando al tapón y la
velocidad. La velocidad “v” puede calcularse dividiendo el perímetro de la circunferencia entre el
periodo de rotación: v = (2¶r/T), donde r es el radio y t es el tiempo requerido para hacer la rotación.
10. Calcula la aceleración centrípeta que actúa sobre el tapón de hule.
11. Ahora, manteniendo el mismo radio, haz que el tapón gire a mayor velocidad. ¿Qué sientes?
12. Usa un cronómetro para determinar el nuevo periodo de rotación del tapón, y determina también la
velocidad alcanzada.
13. Repite el mismo proceso, pero ahora usa fuerzas diferentes, radios diferentes y diferentes velocidades.
14. Escribe tus resultados en la siguiente tabla.
Fuerza (F)
(contrapeso) (N)
Periodo (T)
Radio (r)
Velocidad
(v=2¶r/T)
aR=v2/r
Cuestionario
1. ¿Por qué debe existir una fuerza neta, para que el objeto describa un círculo?
2. ¿Por qué la flama de la vela se mueve hacia la dirección observada? Explica.
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3. Si estas sentado en el asiento trasero de un coche ¿Quién cae en el regazo de quien cuando el coche da
vuelta, la persona más cercana la curva, o la que está del lado más alejado de la curva?
4. Si un coche toma una curva a altas velocidades, ¿Qué llantas se despegan primero del pavimento? ¿las
internas a la curva o las externas a la curva? ¿Por qué?
5. ¿Por qué puede salir volando una llanta de un coche si ésta se hace girar a altísimas velocidades?
6. ¿Por qué la tierra es achatada en los polos y ensanchada en el ecuador?
7. ¿Qué crees que pasaría con una semilla que se pone a germinar sobre una mesa giratoria durante una
semana? ¿La plántula crecería hacia fuera, hacia adentro o completamente vertical?
8. Si colocas una caja petri y la pones a girar sobre la mesa giratoria a cierta velocidad y después
introduces una goma de tal modo que toque la pared de la caja petri pero no el fondo, la goma
permanece pegada a la pared. ¿Por qué ocurre esto?
9. Mientras haces que el tapón de hule describa una trayectoria circula, ¿tu mano experimenta alguna
sensación de fuerza? ¿Por qué?
10. Cuando incrementas la velocidad con la cual el tapón esta describiendo círculos. ¿la sensación de
fuerza sobre tu mano es mayor o menor?
11. ¿Cómo varia la fuerza centrípeta de acuerdo con la velocidad?
12. Si la masa del tapón de hule fuera mayor. ¿Cómo variaría la fuerza?
13. ¿De qué forma podemos incrementar la fuerza sin incrementar ni la velocidad ni la masa del objeto?
14. Haz una grafica de la fuerza vs aceleración centrípeta, usando papel milimétrico. ¿Cuál es la forma de la
curva obtenida?
15. ¿Cuál es la expresión matemática que relaciona la fuerza con la aceleración centrípeta?
16. ¿Cambia la velocidad del tapón a medida que el radio del círculo descrito cambia?
17. ¿Por qué se requiere una fuerza desbalanceada para producir un movimiento circular?
18. En la actividad realizada la relación entre el cuadrado de velocidad y el radio se mantuvo constante. En
otras palabras, la aceleración centrípeta no cambia a medida que el radio cambia. Explica.
19. Un tapón de hule de 0.014 kg de masa está atado a una cuerda de 0.85 m de largo. Se pone a girar
dicho tapón y describe círculos con un periodo de 0.75 s. Calcula la fuerza centrípeta ejercida sobre el
tapón de hule.
20. La luna gira alrededor de la tierra en una trayectoria que es prácticamente circular y con un radio r=
384,401 km y requiere 27.3 días (23.4 x 105 s) para describir una revolución completa. ¿Cuál es la
aceleración de la luna alrededor de la tierra?
21. En una de las atracciones de un parque de diversiones, las personas se colocan dentro de un tambor
rotante, de tal forma que sus espaldas queden contra las paredes internas del tambor. El tambor
comienza a rotar y después de que alcanza cierta velocidad de rotación, el piso se baja, pero las
personas permanecen en su posición y no caen. El diámetro de la cámara es de 4.3 m y el periodo de
rotación es de 1.7 s. ¿Cuál es la aceleración centrípeta que sufren las personas? Aproximadamente
¿Cuántas “g” (fuerza de gravedad) experimentan?
22. La gravedad afecta el movimiento de un objeto que se mueve en un círculo vertical pero no afecta la
velocidad tangencial de un objeto moviéndose en un círculo horizontal. Explica.
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23. Una cuerda se amarra a una cubeta de agua y ésta se pone a girar de tal forma que describa un circulo
vertical de 1.3 m de radio. ¿Cuál debe ser la velocidad mínima de giro en la parte más alta de dicha
trayectoria para evitar que el agua salpique y salga de la cubeta?
24. Explica cómo puede usarse la velocidad crítica para proyectar atracciones de un parque de diversiones
como Six Flags.
25. En una especie de montaña rusa llamada Revolución, los cochecitos parten de un punto alto y
empiezan su recorrido descendiendo hasta el fondo y luego vuelven a subir pero siguiendo una
trayectoria circular, y en el punto más alto de esta vuelta, los pasajeros se encuentran de cabeza. Si la
altura del punto más alto de la circunferencia es de 16.2 m, ¿Cuál será la velocidad que necesite el
cochecito para mantenerse a sí mismo y para mantener a los pasajeros en posición? (asumiendo que el
coche no tenga ningún tipo de mecanismos que lo mantengan en posición y que tampoco haya
aditamentos que permitan que los pasajeros permanezcan dentro del coche).
Conclusión
Bibliografía
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