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LABORATORIO DE FISICA Nº 1
MAQUINAS SIMPLES PALANCA-POLEA
OBJETIVOS
I.-
Lograr el equilibrio estático de objetos que pueden rotar en torno a un eje,
por medio de la aplicación de fuerzas y torques.
INTRODUCCIÓN
El uso de máquinas simples en muchas de las actividades que se desarrollan a diario es un
hecho tan común que su aplicación y utilización en el funcionamiento de determinados
dispositivos no nos causa mayor sorpresa. Sin embargo, basta con pensar en la diversidad
de aplicaciones que presenta el funcionamiento de nuestro propio organismo para
descubrir lo importante que es conocer tales principios y ampliar el rol que cumple la
física en este y otros campos de la ciencia y la tecnología.
El estudio del movimiento del cuerpo rígido, es sin duda, de mucho más complejidad que
el de una partícula. Puede abordarse el estudio de un rígido como un caso especial e
importante de sistemas formados por muchas partículas, en el cual las distancias relativas
entre ellas permanece constante.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PRIMERA PARTE
I.-
Para el sistema indicado en la figura Nº1, donde el eje de rotación está ubicado en
el orificio del centro, cuelgue las masas mi y mB como muestra la figura de tal
manera que la barra permanezca en equilibrio estático en la posición horizontal.
1
2
3
4
5
6
7
8
FIGURA Nº1
A
B
9
1.-
Haga un esquema de “todas” las fuerzas que actúan sobre la barra ( diagrama de
cuerpo libre)
2.-
Compruebe que la
r
∑τ
fulcro
r
=0
(respecto del fulcro). Se le propone que
complete la tabla siguiente y realice un análisis de la columnas 4 y 8.
1
2
Masa del
Peso
Bloque A
del
bloque
3
4
5
Distancia Torque
al eje de
rotación respecto
Masa
del
Bloqu
eB
del fulcro
A
6
Peso
del
bloque
7
8
Distancia Torque
al eje de
rotación respecto
del
fulcro
B
3.-
Si aleja la masa mA a un extremo, ¿ qué debe hacer con mB para que se
mantenga el equilibrio? ¡ Justifique!
4.-
A que tipo de palanca corresponde
5.-
De a lo menos tres ejemplos de este tipo de palanca de la vida real
II.-
Realice el montaje que muestra la figura Nº2 .En el orificio 1 se encuentra el eje
de rotación, en el orificio 9 se cuelga una masa mA . Aplique una fuerza con una
cuerda en el orificio 3, esta cuerda se hace pasar por una polea fija de modo que
del otro extremo cuelga un bloque de peso conocido. Elija los bloques adecuados
de modo que la barra con orificio permanezca en equilibrio estático en posición
horizontal.
1.-
Haga un diagrama con todas las fuerzas que actúan sobre la barra
FIGURA
r
F
1
2
3
4
B
5
6
7
8
A
2.-
Registre las medidas necesarias que le permitan comprobar el equilibrio estático.
3.-
Escriba las ecuaciones que le permitan comprobar las dos ecuaciones del equilibrio
estático, es decir,
r r
Σ F=0
4-
;
r
r
=
0
τ
∑ P .
¿A que tipo de palanca corresponde?
5.- La siguiente figura muestra una palanca de forma similar a la descrita en el punto II.
r
F1
Eje
r
F2
de
6-
r
F3
De a lo menos tres ejemplos de este tipo de palanca.
DESARROLLO DE PREGUNTAS EN SU INFORME
1.- Explique los concepto físicos de:
a)Torque o momento de una fuerza
b.- Centro de gravedad.
2.- Explique brevemente las características físicas de la palanca de primera, segunda y
tercera clase
3.- .- Explique brevemente cuales son las condiciones que se deben cumplir para que se
produzca el equilibrio estático.
4.- Identifique dos ejemplos de cada uno de los tipos de palancas que usted puede identificar
en el cuerpo humano.
ANEXO TEORICO
r
τ)
CONCEPTO DE MOMENTO DE UNA FUERZA O TORQUE (
r
Recordemos que se define el torque o momento de una fuerza τ con respecto a un
punto 0 como una cantidad vectorial dada por la expresión.
r r
r
τo = r × F
con
r
τ o = r F sen θ
r
τo = F b
;
r
r
Donde r es el vector posición del punto de aplicación de la fuerza F , medido desde O.
r
Línea de acción de F
r
τo
B
b
O
r
r
θ
O
r
F
r
r
θ
r
F
La distancia de la figura anterior ,OB = b , se le llama brazo de palanca . Corresponde a la
r
distancia entre el punto 0 y la línea de acción de la fuerza F .
De acuerdo al producto vectorial, el torque
r
r
que forman los vectores r y F
r
τo ,
es un vector perpendicular al plano
y el sentido lo da la regla de la mano derecha o del
r
tirabuzón. Debe especificarse claramente respecto de que punto hace torque la fuerza F
En coordenadas cartesianas, el torque se puede calcular por medio del determinante:
ˆi
ˆj
kˆ
r
τo = x
y
z
Fx
Fy
Fz
r
τ = ˆi yFZ − z Fy − ˆj ( x Fz − z Fx ) + kˆ xFy − yFx
(
)
(
;
)
CENTRO DE GRAVEDAD
Los cuerpos están formados por un gran número de partículas sobre las
cuales actúa la fuerza de gravedad. Se puede demostrar que la fuerza de
todas esas fuerzas individuales tiene el efecto equivalente de una sola
fuerza que actúa en un solo punto que se le conoce como “centro de
r
m
gravedad”(c.g) y que corresponde a la fuerza peso m g del cuerpo
MAQUINAS SIMPLES:
Las máquinas son dispositivos que multiplican una fuerza o bien cambian la dirección de
una fuerza, entre las máquinas simples podemos citar a las palancas, las poleas, gatas
hidráulicas, tornos, planos inclinados.
Estas máquinas simples nos proporcionan una “ventaja mecánica”. Si se llama Fa a la
fuerza de entrada (esfuerzo) que es la que se aplica a la palanca para mantener o
levantar una carga y FL a la fuerza de salida o fuerza de carga o resistente), entonces la
ventaja mecánica ideal (no se considera perdida por roce) viene dada por:
VENTAJA MECANICA = V.M =
FL
Fa
xL
xa
M
LA PALANCA
F
FULCRO
Fa
La palanca es una máquina simple bastante eficiente. Básicamente está formada por una
barra rígida que se puede hacer rotar respecto de un punto línea que recibe el nombre de
FULCRO.
Según las posiciones que tengan las dos fuerzas y el fulcro, se definen tres clases de
palancas:
Primera clase: el fulcro se encuentra entre ambas fuerzas
Segunda clase: la carga está entre el fulcro y el esfuerzo.
Tercera clase: el esfuerzo está entre el fulcro y la carga.
En el conjunto de figuras siguiente están esquematizadas los tipos de palancas:
Fa
Fa
Fl
Fl
Fa
Fl
LAS POLEAS
Las poleas, al igual que las palancas, son máquinas simples. Una polea no es más que una
rueda que puede girar libremente alrededor de un eje que pasa por su centro. Ahora, una
polea o un sistema de poleas es un dispositivo con el cual se puede variar la dirección y la
magnitud de una fuerza para obtener alguna ventaja mecánica. Una polea fija solo
permite cambiar la dirección o sentido de la aplicación de la fuerza y la polea móvil
permite “ahorrar fuerza”.
POLEA FIJA
POLEA
r
F
r
F
CONDICIONES DE EQUILIBRIO ESTATICO PARA UN SISTEMA DE FUERZAS
COPLANARES
1.-
Un sistema está en equilibrio de traslación cuando la resultante de todas las fuerzas
que actúan sobre el sistema es nula. Para un sistema en un plano se tiene que
cumplir:
r r
Σ F=0
2.-
Fx= 0
; Fy = 0
Un sistema se encuentra en equilibrio de rotación cuando la suma de todos los
momentos que actúan sobre el sistema es nulo.
r
∑τ
3.-
⇒
P
r
=0
Para la condición de equilibrio de un cuerpo debe cumplirse que la sumatoria de
las fuerzas debe ser cero y la suma de los torques debe ser cero
Si las fuerzas ( magnitudes vectoriales) están en un plano, entonces esta tiene dos
componentes, que pueden ser Fx y Fy
r
r
r
τ = r × F