Download Experiment IP09: Newton`s 3rd Law: Collision – Impulse

Laboratorio de Física con Ordenadores
Experiencia P11: CHOQUE. Impulso y Momento lineal
Student Workbook
012-06635B
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 <ENTER> o <RETURN> 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
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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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Experiencia P11: CHOQUE. Impulso y Momento lineal
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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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