Laboratorio virtual de dinámica

Trabajo realizado por Beatriz Valdés. El lugar de la práctica ha sido el laboratorio del Colegio Base.

-Esta práctica ha sido muy diferente a las anteriores, no solo por el hecho de que profundiza en las leyes de Newton sino porque hemos utilizado el laboratorio virtual. Es una página web que nos permite representar el experimento en un mundo sin rozamiento, sin error experimental. Se puede variar la masa del móvil, la fuerza para la derecha y para la izquierda, la velocidad inicial y la posición inicial del cuerpo y a partir de ahí observar como actúa cada ley. La dirección de ésta página web es la siguiente: http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Dinamica/labdinamica.htm y tiene la ventaja de que es muy fácil de utilizar y los ejemplos son muy claros.

-Habiendo experimentado durante unos minutos cambiando todas las magnitudes posibles sigo el guión de la práctica que me señala unos valores determinados que tengo que poner en cada magnitud.

Para el Principio de Inercia, la Primera Ley de Newton he tenido que realizar 4 experiencias diferentes:

En la experiencia 1: Vo=30 m/s, Fderecha=0 N, Fizquierda= 0 N

En la experiencia 2: V0=30 m/s, Fderecha=5 N, Fizquierda=5 N

En la experiencia 3: V0=40 m/s, Fderecha=5 N, Fizquierda= 5 N

En la experiencia 4: V0=40 m/s, Fderecha=10 N, Fizquierda=10 N

Tras observar los resultados deduzco que el móvil posee un movimiento rectilíneo uniforme ya que recorre el mismo incremento de espacio (m) por cada unidad de tiempo (s) y la velocidad es constante. Como ya conozco el principio de inercia y sé que cuando no está actuando ninguna fuerza sobre el cuerpo (o bien la resultante de estas fuerzas es nula), el cuerpo no varia su velocidad. Respecto a la pregunta de si sobre el cuerpo actúa una fuerza de 5 N, ¿cómo conseguir que el cuerpo se mueva con velocidad constante de 30 m/s? Hay que, siguiendo la definición de inercia, hacer que la resultante sea nula; habría que ejercer otra fuerza con la misma dirección y módulo pero de sentido opuesto para que al sumarlas el resultado sea 0. Para que lo haga con velocidad de 40 m/s hay que hacer lo mismo para que la velocidad no se vea afectada por la fuerza, es decir, también habría que ejercer una fuerza de mismo módulo y direccion pero de sentido opuesto.

En el Principio Fundamental de la Dinámica, la segunda Ley de Newton, compruebo el efecto que tiene la masa.

En la experiencia 1: V0= 0 m/s, Fderecha=10 N, m=1 kg. Una vez realizado el experimento veo que la aceleración es de 10 m/ s^2

En la experiencia 2: V0= 0 m/s, Fderecha=10 N, m=2 kg. En este caso la aceleración es de

5m/ s^2

En la experiencia 3: V0= 0 m/s, Fderecha=10 N, m= 4 kg. Por último, el resultado me da que la aceleración es de 2.50 m/ s^2

Tras observar los resultados me doy cuenta de que en este caso, cuando la resultante de las fuerzas no es nula ocurre que la velocidad varía, que existe aceleración. También me doy cuenta de que la aceleración y la fuerza ejercida son proporcionales y la constante de proporcionalidad es la masa inerte del cuerpo. De esta forma queda demostrada la fórmula F= ma. Se pueden sacar unos pequeños trucos como a mayor masa, menor será la aceleración que sufra un cuerpo si ejercemos la misma fuerza. Esto quiere decir que la aceleración es inversamente proporcional a la masa ya que si despejamos a= F/m.

Ahora se quiere comprobar qué ocurre cuando F y a tienen la misma dirección y sentido:

En la experiencia 4: V0= 30 m/s, Fderecha=6 N, Fizquierda=10N, m=1 kg. Tras realizar el experimento la aceleración me sale negativa, de -4 m/s^2

En la experiencia 5: V0= -30 m/s, Fderecha=6 N, Fizquierda=10 N, m=1 kg, S0=150 m. Aquí el resultado es el mismo, la aceleración es de -4 m/s^2

Mi conclusión es que la aceleración siempre se mantiene constante. Pero, si el sentido de la aceleración es opuesto al de la fuerza ejercida el móvil irá frenándo hasta que llegue a una posición (112m en la exp. 4) en donde no pueda avanzar más, se frene del todo y retroceda. En el momento en el que retrocede, la velocidad empezará a aumentar ya que llegamos al caso en que aceleración y fuerza van en el mismo sentido.

Esto último hará al móvil aumentar su velocidad, eso sí, con una aceleración siempre constante de forma que se trate de un MRUA.

-Cuestiones

1)Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, su velocidad se mantendrá igual gracias al Principio de Inercia. (Esto seguirá ocurriendo hasta que empieze a actuar una fuerza o bien la resultante deje de ser nula) Que el objeto se mueva con una u otra velocidad dependerá de la velocidad que lleve originalmente.

2) Un cuerpo sobre el cual se está ejerciendo una única fuerza hacia la derecha se mueve con MRUA, donde, como ya se ha visto, la aceleración dependerá de la fuerza ejercida y de la masa.

Pero, dependiendo del estado original del cuerpo y de la aceleración que actúe se van a ver diferentes movimientos que corresponden al MRUA. Imaginemos que el cuerpo está en reposo y empieza a ejercer una fuerza sobre él, el cuerpo empezará a moverse y cada vez aumentará más su velocidad (Es más fácil de imaginar si pensamos en un coche que está parado y pisamos el acelerador. Cuando llegamos a la aceleración deseada, ponemos el piloto automático y el coche tendrá el movimiento buscado, eso sí, sin tener en cuenta el rozamiento...)

Ahora si el cuerpo ya posee una velocidad inicial: Si la aceleración y la fuerza tienen el mismo sentido, es decir, ambas van hacia la derecha, el cuerpo irá cada vez más veloz mientras que si la aceleración y la fuerza son opuestas, el cuerpo acabará frenándose.

3) Una fuerza sí se puede sustituir por una combinación de dos o más fuerzas sin cambiar el efecto que produce. Sólo hay que tener en cuenta la resultante, es decir, la suma de las fuerzas. Es muy útil en los problemas dibujar un diagrama de fuerzas para saber cuales se anulan entre sí y por lo tanto hay equilibrio. Por ejemplo, en el planeta Tierra. Un coche cuyo estado original era el reposo, se ejerce una fuerza hacia la derecha de 5 N. Esto es lo mismo que decir que un coche cuyo estado original era el reposo, sobre él están ejerciendo fuerzas como el PESO que se equilibria con la NORMAL, y actúa una fuerza de 10 N en sentido izquierdo y luego en la misma dirección pero sentido contrario actua una fuerza de 15 N.

4) Que un cuerpo tenga una aceleración negativa no implica que se mueva con movimiento uniformemente decelerado. Hay que tener en cuenta el sentido de la fuerza también! SOLAMENTE SERÁ DECELERADO SI FUERZA Y ACELERACIÓN SON OPUESTAS!

5) Como se ha demostrado en el experimento, en el movimiento de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas, la masa influye sólo si la resultante de dichas fuerzas no es nula! Si esto ocurre, es decir, la resultante no es 0, la masa es inversamente proporcional a la aceleración! despejando la fórmula m= F/a, a mayor masa menor aceleración siempre que la fuerza sea constante.

6)Un signo menos (-) en los datos de distancia al origen(s) indica que el objeto que estamos estudiando está situado por detras de nuestro sistema de referencia que tiene de coordenadas (0,0)

7) La fuerza resultante y la aceleración tienen siempre el mismo signo ya que la aceleración actúa siempre en el sentido de la fuerza resultante. Esto lo he comprobado cambiando algunas magnitudes en el laboratorio virtual.

8)La aceleración y la velocidad no tienen por qué tener el mismo signo. Como se ha visto en el experimento puede que la aceleración tenga signo negativo y la velocidad signo positivo de forma que el móvil ira frenando hasta un punto que se frene del todo y la aceleración y la velocidad lleven signos iguales. También se puede dar el caso de que la velocidad tenga signo negativo y la aceleración positivo, lo que haría que el cuerpo se fuese frenando y luego se fuese acercando a nuestro sistema de referencia.

9) Para conseguir que el objeto llegue justamente al límite del visor que se representa en la pantalla con velocidad cero hay muchas formas de hacerlo.

En primer lugar, si ponemos que la posición 0 sea 360m (límite del visor), ejercemos unas fuerzas derecha e izquierda que estén en equilibrio, que su resultante sea nula y ponemos que la velocidad inicial sea de 0 m/s el objeto no se moverá de su posición debido a la Primera Ley de Newton.

También hay otra forma de conseguirlo, y ésta es más general. Con la ecuación puente: V^2= (V0)^2 + 2a∆x

Las condiciones de este problema son que Vf= 0 m/s y que Xf= 360 m. Si tomamos como sistema de referencia el inicio de la pantalla, xo= O m. Con estos datos, sustituimos en la ecuación los valores y sale 0= (Vo)^2 + 2a·360 -> 0=(V0)^2 + 720a

Podemos cambiar tanto el valor de la Vo como el valor de la aceleración que siempre se nos cumplirá la ecuación. Un ejemplo: Si la Vo=30 m/s , ¿qué aceleracíon tiene que sufrir el cuerpo?

720a + 3o^2=0 -> 720a + 900=0 -> a= -1,25 m/s^2

-Bibliografía

Para realizar este trabajo me he ayudado de páginas de internet como la del laboratorio virtual, repito la dirección: http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Dinamica/labdinamica.htm

y también he buscado información en el libro de física que utilizamos en clase, que es el correspondiente a 4º E.S.O de la editorial McGraw Hill.