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Mecánica Laboratorio de Física I Práctica 3. Caída libre de un cuerpo.
Responda estas preguntas, antes de comenzar su
práctica, para tener derecho a acceder al
laboratorio.
• Cronómetro digital
• Cinta métrica
Diseño del experimento
¿Cuándo se puede considerar que un cuerpo cae
libremente?, ¿cuáles son las fuerzas que actúan
sobre un cuerpo que cae libremente?, ¿influye la
latitud sobre el movimiento de un cuerpo que cae?,
¿influye la atmósfera terrestre?, ¿cuál es la fuerza
que ejerce la tierra sobre un cuerpo cuando está
cayendo; cuando está subiendo; cuando está en
reposo?
Encuentre, a partir de la expresión r = r0 + v0(t – t0)
+ ½a(t - t0)2, las expresiones correspondientes a
posición, velocidad y aceleración de un cuerpo de
masa m que cae libremente sobre la superficie de la
tierra. Grafique la velocidad, en función del tiempo,
del paracaidista de la fotografía. ¿Qué es la
velocidad terminal de un cuerpo? ¿Cuál es el valor
de la gravedad que espera obtener y por qué?
Objetivo del experimento
Obtener, en forma experimental, la relación del
desplazamiento, en función del tiempo, de un
cuerpo que se mueve en caída libre; obtener,
además, el valor de la aceleración de la gravedad.
Equipo y materiales utilizados
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Pinza de mesa
Electroimán para caída libre
Nueces de sujeción (2) con tornillos opresores
Interruptor electrónico
Balín de acero
Soporte de acero inoxidable
Puesto que uno de los objetivos del experimento es
hallar la relación entre el desplazamiento y el
tiempo de un cuerpo que se mueve en caída libre,
deberá considerar lo siguiente: Que el movimiento
del cuerpo se aproxime lo más posible a una caída
libre. Para lograrlo, se recomienda utilizar un
cuerpo denso de forma esférica con el fin de que la
fuerza gravitacional que actúa sobre él sea mucho
mayor que las fuerzas resultantes de la interacción
con el aire.
La altura, desde donde se suelta el cuerpo, debe
seleccionarse de tal manera que no alcance su
velocidad terminal. Para reducir las fuentes de error
en el experimento, es conveniente minimizar los
errores ambientales, los de observación y los
aleatorios. Para manejar adecuadamente estos
últimos, se recomienda recurrir a los métodos
estadísticos.
Una vez seleccionada la distancia total que recorrerá
el cuerpo en su caída elija, dentro de este rango,
varias alturas desde donde se dejará caer libremente
el cuerpo, y mida, en cada una de ellas, su
respectivo tiempo de caída. Con los datos de la
altura, h, y tiempo, t, construya una gráfica de h vs.
t. Para encontrar la ecuación que relaciona estas dos
variables, puede utilizar el método gráfico; o bien,
utilizar los métodos descritos en la Práctica 1.
Compare los resultados obtenidos en el experimento
con el modelo matemático teórico del movimiento
de caída libre. Determine el valor de la aceleración
de la gravedad.
Procedimiento
Para realizar este experimento ejecute los siguientes
pasos:
1. Revise su equipo y verifique que estén bien
instalados el electroimán y el interruptor
electrónico, cuidando que el primero se
encuentre colocado en la parte superior del
soporte de acero inoxidable, y el segundo en la
parte inferior, Figura 1.
Mecánica Laboratorio de Física I Figura 1. Sistema de caída libre.
2. Conecte el electroimán de sujeción y el
interruptor electrónico al cronómetro digital para
que éste funcione en modo 4.
3. Mida con cuidado el diámetro, d, del balín.
Verifique que el electroimán esté fijo en la parte
superior del soporte de acero inoxidable,
apretando los tornillos opresores de la nuez de
sujeción. Tenga cuidado de no ejercer demasiada
presión, porque puede dañar la rosca de la nuez.
4. Fije el interruptor electrónico en la primera
distancia seleccionada apretando el tornillo de la
nuez con la mano. Asegúrese que la tapa de
acero inoxidable quede hacia arriba y que el
interruptor quede horizontal. Recuerde que la
distancia entre las tapas interiores deberá tomar
en cuenta el diámetro del balín.
5. Encienda el cronómetro digital. Elija, en su
selector de rango de tiempo, la escala que
corresponde a milésimas de segundo. Encienda
la fuente del electroimán de sujeción oprimiendo
la tecla Iniciar del cronómetro. Sin dejar de
oprimirla, ponga en contacto el balín con el
círculo de papel del electroimán.
6. Retire la mano del balín; éste deberá quedar
sujeto al electroimán mientras se mantenga
oprimida la tecla. Suelte la tecla; esta acción
liberará de la fuerza magnética al balín,
iniciando instantáneamente su movimiento de
caída; también, en ese instante, el cronómetro
iniciará su lectura. Al chocar el balín con el
interruptor electrónico el cronómetro detendrá su
lectura. Precaución: La acción de oprimir la
tecla Iniciar deberá ser lo más breve posible, con
el objeto de evitar que se magnetice el balín y
retarde su caída.
7. Obtenga el valor medio de las lecturas de
tiempo. También registre la altura, h. Repita
estos pasos, varias veces, para minimizar el error
en la medición
8. Ahora, mueva el interruptor electrónico a una
nueva distancia y repita los pasos anteriores.
Registre el tiempo promedio correspondiente a
esta altura.
9. Cambie sucesivamente la altura, entre la parte
inferior del balín y la superficie del interruptor
electrónico, disminuyéndola en cada evento.
Registre, para cada altura, el tiempo promedio
correspondiente después de repetir la medición
varias veces.
10. Con los datos obtenidos, haga una gráfica de h
vs. t en papel milimétrico o usando un programa
para graficar. Utilice el eje de las ordenadas para
la variable h y el eje de las abscisas para la
variable t. Si el experimento estuvo bien
realizado, la gráfica no corresponderá a una línea
recta y, por lo tanto, su ecuación deberá ser del
tipo h = ktm. Utilice el método descrito en la
Práctica I para determinar los valores de las
constantes k y m, desconocidos hasta ahora.
11. Compare el modelo matemático experimental,
que obtuvo, con el modelo matemático teórico
del movimiento de un cuerpo en caída libre y
determine el valor de la aceleración de la
gravedad, g.
Discusión y conclusiones
Discuta con sus compañeros la validez del modelo.
Escriba sus conclusiones en el reporte. Si existe
discrepancia entre el modelo teórico y el resultado
obtenido experimentalmente, detecte y analice las
posibles fuentes de error.