18 amM F mg F ) ( + = − = Fk = µk N µk = mg − (M + m)a Mg
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UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE MECÁNICA 18 FRICCIÓN ESTÁTICA Y CINÉTICA INTRODUCCIÓN Se utiliza un sistema de fotoceldas (o el Smart Timer) y poleas para ver como el coeficiente de fricción cinética de un objeto depende de la fuerza normal entre superficies, el área de contacto entre superficies, el tipo de materiales que hacen contacto, y la velocidad relativa de las superficies. PREINFORME Consulte los conceptos de: Leyes de Newton. Dinámica del movimiento rectilíneo acelerado, fricción estática y cinética. OBJETIVOS El propósito de esta actividad es estudiar los coeficientes de fricción de algunas superficies deslizantes a lo largo de un plano inclinado. MARCO TEÓRICO Si un bloque de masa M se coloca sobre una mesa horizontal y se conecta a través de una cuerda a una masa (m) a través de una polea. Cuando la masa se libera empieza a caer y el bloque comienza a deslizarse sobre la mesa. Tomando ambas masas como un solo sistema, el diagrama de cuerpo libre incluye dos fuerzas: la fuerza de gravedad que actúa sobre la masa m y la fricción cinética que actúa sobre la masa M. De acuerdo a la Segunda Ley de Newton, el vector de la suma de las fuerzas es igual a la masa total del sistema por la aceleración del sistema. ∑ F = mg − F k = ( M + m) a Donde Fk es la fuerza de fricción cinética la cual esta dada por: Fk = µ k N Donde µk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal que actúa sobre el bloque N = Mg Resolviendo para el coeficiente de fricción cinética obtenemos: µk = mg − (M + m)a Mg Por lo general, el coeficiente de fricción cinética para el bloque depende solo del tipo de materiales que están en contacto. Laboratorio de Mecánica - Universidad de Pamplona Escrito por: Heriberto Peña Pedraza UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE MECÁNICA • 19 Recuerde: No golpee ni deje golpear la polea con el bloque. MATERIALES Equipo Requerido Plataforma de 2 m (ME-9435A) Sistema de fotoceldas y polea (ME-6838) Bloques de Fricción Cant 1 1 1 Equipo Requerido Balanza Masas y portapesas (ME8967) Cuerda (SE-8050) Cant 1 1 1 MONTAJES I Parte: Realice el montaje de la Figura (a), disponga un bloque sobre la superficie de un plano inclinado lenta y firmemente levante el plano de un extremo, hasta que el bloque empiece a deslizar, la tangente de este ángulo es igual al coeficiente de fricción estático. II Parte: Realizar el mismo procedimiento anterior pero cada vez que incrementemos el plano imprimámosle un pequeño empujón al bloque, realicemos esta labor hasta que alcancemos un ángulo bajo el cual el bloque continúa moviéndose con velocidad constante. III Parte: Realice el montaje de la Figura (b), disponga un bloque sobre la superficie de un plano inclinado y coloque una polea en el otro extremo, ate una cuerda al bloque 1 con otra masa colgante y pásela a través de la polea y revise que el bloque empiece a deslizar a lo largo del plano inclinado elija un ángulo adecuado, con este montaje calcular el coeficiente de fricción cinético. PROCEDIMIENTO. I Parte: Determine el coeficiente de fricción estático para 3 superficies diferentes. 1. Coloque el bloque sobre la superficie horizontal del plano. Nivele el sistema y comience a inclinar el plano hasta que el bloque empiece a deslizar. 2. Mida y registre el ángulo. 7. Mida y registre las masas utilizadas del bloque y de la masa colgante en el informe de laboratorio. 8. Repita el paso 1 y 2 tres veces. 9. Repita los pasos 1 , 2 , 3 tres veces, para 3 masas diferentes. 10. Repita los pasos 1 , 2 , 3 tres veces, para 3 superficies diferentes. II Parte: Determine el coeficiente de fricción cinético para las 3 superficies diferentes anteriores. 1. Coloque el bloque sobre la superficie horizontal del plano. Nivele el sistema y comience a inclinar el plano hasta que el bloque empiece a rodar con un empujoncito. 2. Mida y registre el ángulo. 3. Mida y registre las masas utilizadas del bloque en el informe de laboratorio. 4. Repita el paso 1 , 2, 3 tres veces. 5. Realice el mismo procedimiento para las otras 2 superficies. Laboratorio de Mecánica - Universidad de Pamplona Escrito por: Heriberto Peña Pedraza UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE MECÁNICA 20 III Parte: Realice el montaje de la Figura (b) y determine el coeficiente de fricción cinético para una superficie determinada. Para ello se deben encontrar las ecuaciones del movimiento del problema de la figura (b). 1. Coloque el bloque sobre la superficie del plano inclinado a un ángulo pequeño con que el sistema comience a deslizar plano arriba. 2. Mida y registre el ángulo. 3. Mida y registre las masas utilizadas del bloque y de la masa colgante en el informe de laboratorio. 4. Repita el paso 1 tres veces. 5. Mida y registre tres veces el tiempo t y la distancia recorrida por el sistema. TOMA DE DATOS 6. Disponga el bloque al extremo contrario del de la polea. Mantenga siempre la misma posición inicial del bloque. 7. Libere el bloque. 8. Detenga la toma de datos antes que el bloque golpee la polea. Mida al menos cinco veces el tiempo empleado por el bloque para recorrer la distancia d. (Smart Timer) 9. Incremente la masa en el portapesas, repita este procedimiento para cinco masas diferentes. ANÁLISIS DE DATOS 7. Calcule para cada superficie calcule el valor promedio de cada coeficiente de fricción y regístrelo en la tabla de datos. 8. Mida la distancia recorrida por el bloque entre las dos fotoceldas. 9. Mida el tiempo empleado por el bloque para recorrer la distancia entre las dos fotoceldas. 10. Mida en cada caso la masa del bloque y la masa colgante. 11. Calcule la aceleración promedio. 12. Halle el coeficiente de fricción cinético para la superficie determinada. 13. Calcule el error relativo entre el coeficiente de fricción cinético para la superficie dada y el valor obtenido por el método II. INFORME DE LABORATORIO Laboratorio de Mecánica - Universidad de Pamplona Escrito por: Heriberto Peña Pedraza UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE MECÁNICA 21 Tabla 1. Superficies Superficie 1 2 3 Masa bloque µK µS Masas m1 m2 m3 m1 m2 m3 m1 m2 m3 Tabla 2. Masa colgante t A (m/s2) µK PREGUNTAS 1. En relación con la dirección del movimiento, en que dirección actúa la fuerza de fricción cinética? 2. Cual es el error relativo entre los valores calculados y medidos del coeficiente de fricción cinético para una superficie determinada.? Recuerde que: E rel = Vexp − Vteo Vteo × 100% Cuales podrían ser las posibles fuentes de error? 3. Cómo varía el coeficiente de fricción con la masa del bloque? 4. Cómo varía el coeficiente de fricción con el área de contacto entre el bloque y la superficie del plano? 3. Cómo varía el coeficiente de fricción con el tipo de material entre el bloque y la superficie horizontal? 4. Cómo varía el coeficiente de fricción con la velocidad debida a las diferentes masas colgantes? 6. Cual es la relación entre el coeficiente de fricción con la masa, el área de la superficie, o la velocidad del objeto? 7. Cuando se incrementa la masa del bloque, se incrementa o no la fuerza de la fricción cinética? Por qué? CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA Laboratorio de Mecánica - Universidad de Pamplona Escrito por: Heriberto Peña Pedraza
