EXPERIMENTO N° 7: ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA Y
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EXPERIMENTO N° 8: ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA Y GRAVITATORIA 1.- OBJETIVO GENERAL: - Estudiar sistemas en donde se tengan energías cinética, potencial potencial elástica. Comprobar el principio de conservación de la energía mecánica. gravitatoria y 2. OBJETIVO ESPECIFICO - Distinguir en un sistema masa – resorte, los tipos de energías (cinética, potencial elástica y potencial gravitatoria). Estudiar el efecto que causa la constante elástica de un resorte sobre la energía total del sistema. Calcular las energías en un sistema masa-resorte en condiciones de equilibrio Calcular las energías en un sistema masa-resorte en movimiento Se recomienda al estudiante leer los fundamentos físicos: constante elástica de un resorte, energía potencial elástica, energía potencial gravitatoria, energía cinética, energía mecánica y la conservación de la energía mecánica. 3. MATERIALES: - Computador habilitado para visualizar Applets Java. Applet Java simulador del experimento masa-resorte. 4. PROCEDIMIENTO: 4.1 Observación cualitativa del experimento. Observe cuidadosamente la ventana del Applet Java ( Figura 1 ), donde encontrara los siguientes elementos: - Un resorte de constante k (cuyo valor podría ser variado). - Una plataforma de masa mp (cuyo valor podría ser variado) unida al extremo superior del resorte. - Un bloque de masa mb (cuyo valor podría ser variado), ubicado en la parte superior de la pantalla. Con los valores que aparecen en la pantalla ponga en marcha la simulación haciendo clic en el botón [Inicio] y observara la figura 1, donde el sistema esta en equilibrio estático. Luego haga clic en el botón [Empieza] y observara la figura 2, en la cual el bloque cae encima de la plataforma donde se adhiere y se produce un movimiento oscilatorio. Figura 1 . Se muestra después de colocar el cursor en INICIO Figura 2. Se muestra después de colocar el cursor en EMPIEZA. Nota: La figura 1 muestra donde se lee el valor de la deformación del resorte x. La figura 2 es cuando el sistema oscila, el valor de x mostrado en la parte superior derecha de la pantalla corresponde a la deformación del resorte x, expresado en metros pero por error del software aparece en cm y con signo contrario. Observe lo que acontece con cada uno de los tres elementos con respecto a sus energías potencial elástica, energía potencial gravitatoria y cinética. Observe la relación de las energías con las longitudes de las barras verticales de colores. Ver Figura 2. Pregunta: ¿Cómo cambian los valores de las energías a medida que el tiempo transcurre, desde el momento en que se suelta el bloque, ¿Aumentan?, ¿Disminuyen?, ¿Permanecen constantes? En: i.- El Bloque el cual tiene energías potencial y cinética. ii.- El resorte que tiene energía potencial elástica. 4.2 Análisis Cuantitativo: Constante elástica k del resorte. Si a un resorte que obedece la ley de Hooke se le coloca en su extremo superior una masa m, su peso F = mg le produce la deformación x como indica la figura. El resorte se opone a esta deformación x con la fuerza Fr = - k x Donde k es llamada constante elástica de ese resorte y que depende del material. ¿Qué significado tiene la constante k del resorte? Figura 3 En la figura 3 se tiene la definición de x = xf – xi , siendo xi = 0 A.- Cálculo de las energías del sistema. Con los valores mp = 20 kg y k = 2000 N/m, asigne un valor a la masa del bloque mb en el rango 5 < mb < 12 kg. Datos Iniciales: k = 2000 N/m ; mp = 20 kg ; mb =.……..kg Estos datos iniciales se utilizaran en los siguientes procedimientos a, b y c. a.- Sistema en equilibrio inicial Una vez introducido los valores anteriores, haga clic en [inicio]. Anote de la pantalla la energía total (E*tot), las alturas h medidas desde el piso (extremo inferior del resorte): E*tot =………. J ; hb =……… m ; hp =……… m ; vb =……… m/s ; x =…….m Calcule los valores de las energías: - Potencial gravitatoria del bloque: Epg,b = mb g hb 1 - Cinética del bloque: Ec,b = mb vb2 2 - Potencial gravitatoria de la plataforma: Epg,p = mp g hp 1 - Potencial elástica del resorte: Epe,r = k (x)2 2 Sume los valores anteriores y obtenga la energía total del sistema Etot . Anote estos valores en la siguiente Tabla. k mb (kg) Epg,b Epg,p Epe,r Etot E*tot 2000 Compare Etot con E*tot y escriba su conclusión. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ b. Sistema con el bloque en movimiento. Haga clic en [INICIO] , observe el valor de la energía total Etot,i que se muestra en la pantalla y anótelo : Etot,i =…………….J Haga clic en [EMPIEZA] y observe caer al bloque. Deténgalo antes de que choque con la plataforma, haciendo clic en PASO Tome datos. E*tot = ………… J ; hb =……… m ; hp =……… m ; vb =………… m/s Vuelva a calcular las energías y anótelas en la tabla: mb (kg) Epg,b Ec,b Epg,p Epe,r Etot E*tot ¿Qué ocurre con la energía total del sistema desde que parte hasta antes de chocar con la plataforma? c.- Sistema con el resorte en movimiento. Con los valores mp = 20 kg y k = 2000 N/m, asigne un valor a mb =………. kg , haga clic en [INICIO] y anote la energía total: E*tot,o = _________ J Luego haga clic en [EMPIEZA] . Usted vera la oscilación del sistema masa – resorte. Detenga la animación, haciendo clic en [PAUSA] y/o en [PASO] y mida en la pantalla los datos necesarios para calcular las energías potenciales y cinéticas, de cada uno de los tres elementos del sistema, para los siguientes casos: i) Cuando el resorte alcanza su máxima longitud. E*tot,i =………. J ; hb =. …….. m ; hp = ……… m ; vb = …….. m/s ; vp =……… m/s x =………… m. Anote los resultados de sus cálculos en la siguiente tabla: Caso Ec,b Ec,p Epg,b Epg,p Epe,r Etotal i) ii) Cuando el resorte adquiere su mínima longitud. E*tot,ii = ………J ; hb =…….. m ; hp =…..…. m ; vb =….…...m/s ; vp =…….. m/s x =.……….. m Anote los resultados de sus cálculos en la siguiente tabla: Caso Ec,b Ec,p Epg,b Epg,p Epe,r Etotal ii) iii) Cuando el sistema pasa por la posición de equilibrio. E*tot,iii = ….……J ; hb =………m ; hp =…….. m ; vb =…….. m/s ; vp =…….. m/s x =..………..m Anote los resultados de sus cálculos en la siguiente tabla: Caso iii) Ec,b Ec,p Epg,b Epg,p Epe,r Etotal Compare entre sí las energías totales Etotal de los tres casos i), ii) y iii). Escriba su conclusión al respecto y su relación con el principio de conservación de la energía. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5. CUESTIONARIO. (05 PUNTOS) __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 6. CONCLUSIONES: __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________