FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA PENDULO FISICO INTRODUCCION Se llama péndulo físico a aquel cuerpo rígido capaz de pivotar a través de un eje horizontal fijo, como se muestra en la figura (a), este al ser desplazado de su posición de equilibrio, figura (b), aparece un torque ejercido por la fuerza de gravedad teniendo como línea de acción el eje horizontal en el que se suspende el cuerpo rígido y con dirección contraria al desplazamiento angular , y de esta forma llevar al cuerpo rígido a su posición de equilibrio, posición que no logra obtener debido a la inercia del cuerpo rígido, llevando la así a una nueva posición, donde nuevamente aparece un torque recuperador repitiéndose este movimiento oscilatorio. En el péndulo simple se cumple las siguientes relaciones (demostradas en el punto 8 de cálculos y resultados): Donde: T : periodo Io : momento inercia respecto al eje IG : momento inercia con respecto al centro de gravedad (constante) m : masa ! : Longitud del centro de gravedad al eje que pasa por O En el caso que estudiaremos para la barra usaremos las siguientes terminologías y relaciones: Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 1 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA I. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA 1.1 OBJETIVO GENERAL El objetivo de la práctica es el estudio del movimiento armónico simple y del péndulo FISICO. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Los objetivos específicos de esta práctica son: II. Determinación de la aceleración de la gravedad Determinación experimental de la ecuación del péndulo. JUSTIFICACIÓN La primera descripción del movimiento de un péndulo se debe al científico Galileo Galilei, quien observó la regularidad del movimiento de una lámpara colgada del techo de la catedral de Pisa y lo midió con su propio pulso, llegó a la conclusión que todas tardan lo mismo en oscilar. Con esta idea, preparó una serie de experimentos para investigar el movimiento que llamó pendular (es decir, de cosas que cuelgan de un hilo). Se construyó dos péndulos iguales, pero uno con una bola de oro y otro con una bola de madera”. ¡¡Increíble, los dos tardan el mismo tiempo en oscilar!! Resulta que Aristóteles estaba equivocado, efectivamente, con este último experimento Galileo obtuvo la clave para dominar las mediciones del tiempo, sucedía que cuando utilizaba un hilo largo, el péndulo tardaba mucho en ir y venir, y cuando lo acortaba, la oscilación se hacía más rápida. Interesantemente, cuando la longitud de un péndulo se hace el doble de largo que otro, no tarda el doble del tiempo en realizar una oscilación completa, sino 1.5 veces más lento, por lo que para hacerlo el doble de lento debe cuadriplicarse la longitud. A estas conclusiones llegó Galileo experimentalmente, sin apenas contar con la matemática necesaria para llegar a estos resultados, lo cual se hace hoy en día a través del cálculo diferencial. El péndulo simple modela el movimiento de objetos con trayectoria oscilatoria no amortiguada o amortiguada en ciertos intervalos de tiempo, se ha utilizado para hacer cálculos del tiempo y para fabricar relojes; también se usa para hallar la gravedad en un planeta o en algún lugar de la tierra. Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 2 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA III. HIPOTESIS Para no sobrepasar el error relativo prefijado en la determinación de la aceleración de la gravedad, se deben efectuar un número mínimo de oscilaciones para la medida del periodo. El valor medido del periodo se lo puede expresar como: T T T Donde: T Valor más probable del periodo T Error del periodo También en este caso: Donde: T tn n T e n tn Tiempo empleado para las “n” oscilaciones n Número de oscilaciones e Error del dedo del crono metrista Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 3 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA El error relativo del periodo será: ErT T e T T' n Despejando el número de oscilaciones: n e ErT T ' (29) T' Periodo aproximado IV. VARIABLES V. Aceleración de la Gravedad Diferencia porcentual Masas de la esfera Prueba de hipótesis Regresión lineal Errores relativos Intervalo de confianza de g LIMITES Y ALCANCES g 4 2 n 2 T Univ. Gutiérrez Choque Lilian L tn2 2 1 / 2 L g Página 4 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA VI. MARCO TEORICO Es necesario definir: METODO MINIMOS CUADRADOS Elevando al cuadrado la fórmula del periodo P del péndulo compuesto Que puede ser, la función y=a/x+bx, con y=P2 Dada una tabla de valores xi y periodos yi se trata de calcular los valores de los coeficientes a y de b que mejor ajustan a los datos experimentales. El procedimiento aplicado es similar a la regresión lineal Medimos el periodo Pi de péndulo para cada posición xi, completando una tabla con N pares de datos Si (xi, yi) son las coordenadas de un dato experimental, a la abscisa xi le correspondería la ordenada y=a/xi+bxi. La diferencia es di=yi-a/xi-bxi COEFICIENTE DE CORRELACION El coeficiente de correlación de Pearson es una medida de la relación lineal entre dos variables aleatorias cuantitativas. A diferencia de la covarianza, la correlación de Pearson es independiente de la escala de medida de las variables. De manera menos formal, podemos definir el coeficiente de correlación de Pearson como un índice que puede utilizarse para medir el grado de relación de dos variables siempre y cuando ambas sean cuantitativas. El valor del índice de correlación varía en el intervalo [-1,1]: Si r = 1, existe una correlación positiva perfecta. El índice indica una dependencia total entre las dos variables denominada relación directa: cuando una de ellas aumenta, la otra también lo hace en proporción constante. Si 0 < r < 1, existe una correlación positiva. Si r = 0, no existe relación lineal. Pero esto no necesariamente implica que las variables son independientes: pueden existir todavía relaciones no lineales entre las dos variables. Si -1 < r < 0, existe una correlación negativa. Si r = -1, existe una correlación negativa perfecta. El índice indica una dependencia total entre las dos variables llamada relación inversa: cuando una de ellas aumenta, la otra disminuye en proporción constante Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 5 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA VII. MARCO CONCEPTUAL El péndulo es uno de los sistemas oscilantes más sencillos. Consiste en una masa m sujeta a una varilla que se entiende como indeformable y carente de masa y sujeta en la cima a un punto de apoyo. Es uno de los ejemplos clásicos de oscilador armónico simple. En este artículo describiremos el movimiento del péndulo mediante el formalismo de Newton, es decir, aplicando razonamientos de fuerzas exclusivamente. En otro artículo sobre el mismo tema, de nivel más alto, se deduce el movimiento mediante el formalismo de Lagrange.. Las propiedades fundamentales de las oscilaciones del péndulo ya fueron descubiertas empíricamente por Galileo Galilei. En 1581, mientras estudiaba medicina en la Universidad de Pisa, Galileo con frecuencia atendía las liturgias en la Catedral de Pisa. En cierta ocasión observó cómo las corrientes de aire de la catedral hacían oscilar los enormes candelabros colgados que había en la catedral. La amplitud de las oscilaciones era distinta y sin embargo a Galileo le pareció que el período era el mismo. Inmediatamente se puso a medirlo utilizando su ritmo cardíaco como reloj y al ver que estaba en lo cierto, decidió realizar un experimento riguroso al volver a su casa, llegando a las siguientes conclusiones: PÉNDULO SIMPLE (solución aproximada) El péndulo consiste de un objeto de masa “m” unido a una cuerda de longitud “L” que oscila en un plano vertical. Con la finalidad de simplificar el estudio, consideraremos al objeto como masa puntual, es decir la esfera de masa “m” posee dimensiones, pero si la masa y la amplitud de oscilación ( 0 ) es pequeña. En un tiempo “t” la cuerda forma un ángulo con la vertical. Las fuerzas que actúan sobre la esfera son: la tensión, T, de la cuerda, y el peso, mg .Descomponiendo el vector ma, en sus componentes normal maN y tangencial mat dirigida hacia la Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 6 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA derecha, es decir, en dirección de los valores de crecientes, aplicando la segunda ley de Newton en la dirección tangencial se obtiene: F T mgsen mat (7.1) Con la aT = L en la ecuación (7,1) donde alfa es la aceleración angular y simplificando la masa. -g sen = L (7.2) Como la aceleración angular se escribe: d 2 esta expresión en (7.2) y dt 2 ordenando se tiene: d 2 g sen 0 dt 2 L (7.3) Para la oscilación de pequeña amplitud, podemos sustituir sen por expresado en radianes, luego (7,3) se escribe: d 2 g 0 dt 2 L (7.4) La ecuación diferencial (7.4) corresponde al movimiento armónico simple, cuya solución fue estudiada en la practica de resortes; entonces el periodo de oscilaciones pequeñas (T) de un péndulo de longitud L es: T 2 L g (7.5) PÉNDULO SIMPLE (solución exacta) La anterior ecuación es solo aproximada, con la finalidad de obtener una expresión exacta, considerando la ecuación (7.3), multiplicando por 2 velocidad angular. Y ademas considerando 2 d g d 2 sen dt L dt d 2 d dt 2 dt Simplificado (dt) e integrando con los limites: 0 con 0 y 2 d 2 0 Univ. Gutiérrez Choque Lilian d 2 dt y con , ordenando. para , g sen d L O Página 7 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA Entonces 2 d 2 2 dt g cos cos O L (7.6) Separando variables: d cos cos 0 2g dt L En la integración se usan relaciones trigonométricos, en la anterior ecuación tenemos: L 0 g 0 T 2 d sen 2 0 2 sen 2 (7.7) 2 Para evaluar la integral, desarrollamos el integral por el teorema del binomio e integrando resulta: T 2 L 1 9 2 sen 4 0 .............. 1 sen 0 g 4 2 64 2 (7.9) La ecuación diferencial (7,3) puede tambien resolverse por otro método, para ello se emplea el desarrollo en serie del sen . sen 3 2 .......... 1 3! 6 (7.10) Mediante (7. 10) la solución de (7. 3) conduce a: L 02 1 T 2 .............. g 16 (7.11) INFLUENCIA DEL RADIO DE LA ESFERA En la deducción de la ecuación (7. 3) se supone que la esfera tiene una masa puntual no posee dimensiones, sin embargo a medida que aumenta el radio de la esfera, el péndulo simple se aproxima al péndulo físico y su movimiento se describe por la mecánica del sólido rígido, la deducción del periodo de la oscilación de esfera (T) considerando el radio r de la esfera se escribe: 2r 2 L 2 1 5L T 2 g (7. 12) CALCULO DE 0 Y r MÁXIMOS Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 8 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA En el experimento se emplea la ecuación (7. 5), en consecuencia se debera escoger cierto ángulo de separación y verificar que este ángulo juntamente con el radio de la esfera no sean factores que invaliden la ecuación (7. 5). en este sentido. Entonces el ángulo máximo de separación y “r” ya calculado en la guia se tiene: 0 2arcsen 0 5 (7. 18) g rL (7. 21) 4 Además la longitud máxima de la cuerda L se calcula mediante: L 4.resfera (7. 22) g NUMERO DE OSCILACIONES Con la finalidad de determinar la aceleración de la gravedad a partir de las mediciones L, T mediante la ecuación (7. 13), resulta conveniente medir el numero de oscilaciones. El numero de oscilaciones que debe realizar el péndulo para cierto error preestablecido de la aceleración de la gravedad es: n et / 2 T T N (7. 22) , Este procedimiento se lo realizo en la practica de resortes. Para la determinación de error relativo del periodo y con el error relativo de la gravedad preestablecido se lo calculo por medio de: T g L 2 (7. 23) MEDICIÓN DE LA ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD Para el cálculo de la aceleración de la gravedad se emplea la ecuación, donde en la esta ecuación se emplea el periodo de las “n” oscilaciones ya calculadas en la anterior ecuación: g 4 2 n 2 L tn2 (7. 24) Luego mediante propagación de errores, el error de la gravedad se tiene: E g 4 2 n 2 Univ. Gutiérrez Choque Lilian L EL E 2 tn 2 tn L tn (7.27) Página 9 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA VALIDACIÓN DE LA ECUACIÓN DEL PÉNDULO La ecuación del periodo T 2 T L , puede escribirse como: g 2 1 / 2 L g (7. 28) Para lineal izar la ecuación potencial aplicamos logaritmos (log). T* = A + BL* (7. 30) Para validar la ecuación (7. 30) , en la practica se deben determinar experimentalmente A y B con los diferentes valores de L con su respectivo periodo. Donde AE y BE deben verificarse por el test de Hipótesis con los valores teóricos VIII. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL DETERMINACIÓN DE LA AMPLITUD MÁXIMA DE OSCILACIÓN 1. El instructor le asignara el error relativo de la gravedad para la determinación de g. 2. Empleado la ecuación (7. 18) determine la amplitud máxima de oscilación 3. Dispóngase el péndulo simple, fijando la longitud del hilo en 50 cm. 4. Empleando un lápiz dibuje en el tablero un triangulo rectángulo para representar el ángulo máximo. DETERMINACIÓN DEL NUMERO DE OSCILACIONES 1. Mida la longitud L del péndulo 5 veces. 2. Calcule la longitud promedio (L) y su respectivo desviación estándar. 3. Con la probabilidad del 95% calcule el error relativo de (L). 4. Empleado la ecuación (7. 23) determine el error relativo del periodo. 5. Mídase el periodo aproximado, para ello, de la posición de equilibrio separe la esfera hasta coincidir su centro de masa con el punto de máxima amplitud, luego suelte la esfera y mediante un cronometro, determine el tiempo de 10 oscilaciones mediante T = tn/10, calcule el periodo aproximado. 6. Con la expresión (7. 22) determine el numero de oscilaciones, empleando la probabilidad del 95%, N=5 y e = 0,2 s. DETERMINE LA ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 10 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA 1. De la posición de equilibrio, separe la esfera hasta su centro de masa coincida con la máxima amplitud y suelte la esfera. 2. Con ayuda de un cronometro, mídase el tiempo de las n oscilaciones (t n) determinado anteriormente repítase este procedimiento 5 veces. 3. Mídase la masa y el diámetro de la esfera. VALIDACIÓN DE LA ECUACIÓN DEL PÉNDULO 1. Considerando las n oscilaciones y la amplitud máxima mídase el tiempo tn para L = 50 cm. Repita el anterior procedimiento para L a 45, 40, 35, 30, 25 cm. IX. ANALISIS Y TRATAMIENTO DE DATOS Tabla de datos DETERMINACIÓN DE LA AMPLITUD MÁXIMA Y DEL NUMERO OSCILACIONES Amplitud angular máxima: 50 Error relativo de la gravedad (asignado): 0.01 Longitud del péndulo L (cm) L1 L2 L3 L4 L5 L 50 50.1 49.9 49.8 49.9 49.98 Desviación estándar t / 2 Error relativo de L 0.11 1.41 2.74*10-3 .t10 (segundos) 14.1 DE T, n 1.41 10 DETERMINACIÓN DE LA ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD. Masa 44.5 g del Univ. Gutiérrez Choque Lilian péndulo: Diámetro de la esfera (cm): 2.23 Página 11 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA .tn1 .t2n .t3n .t4n .t5n .tn 67.29 67.25 67.35 66.8 67.86 67.31 VALIDACIÓN DE LA ECUACIÓN DEL PÉNDULO L 50 45 40 35 30 (cm) .tn 67.31 63.93 60.84 56.43 52.44 (s) 25 48.09 DETERMINACIÓN DE LA AMPLITUD MÁXIMA Y EL NUMERO DE OSCILACIONES La amplitud máxima es: 0 2arcsen 0.01 5.120 5 Calculo del error relativo del periodo: T 0.01 0.00274 3.63 *10 3 2 Calculo del número de oscilaciones: n 0.2 * 2.776 48 1.41 * 0.00363 * 5 DETERMINACIÓN DE LA ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD 1.- Determinación de los promedio de L, tn, y con los n calculados con sus respectivos errores. 𝐿 = (49.98 0.14) 𝑐𝑚 = (0.4998 0.0014) 𝑚 . 𝑡𝑛 = (67.31 0.46) 𝑠𝑒𝑔 . 𝑛 = 48 2.- Determinación de la aceleración de la gravedad Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 12 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA g 4 2 * 482 0.4998 10.03m / s 2 2 67.31 3.- Determinación del error de la gravedad Eg 4 2 * 482 0.4998 0.0014 2 * 0.46 2 0.165m / s 2 67.31 0.4998 67.31 4.- Calculo del error relativo de la gravedad y compararlo con el asignado. g 0.165 0.016 10.03 g 0.01 error asignado Los errores son casi iguales pero la aceleración de la gravedad es distinto al teórico, debido a que influyo la medida del tiempo de oscilación, y de la longitud L. 5.- Test de hipótesis para la aceleración de la gravedad para la probabilidad del 95% donde g0= 9.775 m/s2 R.- En el test de hipótesis la aceleración de la gravedad es distinto al valor experimental, por lo que se acepta la hipótesis alternativa H1: g0 g debido a errores sistemáticos. VALIDACIÓN DE LA ECUACIÓN DEL PÉNDULO 1.- Con los pares de datos del tiempo tn calcular los periodos para los diferentes longitudes, y con los pares de datos T y L convertirlos a T* y L* .n L (m) T ( seg) L* T* 1 0.5 1.4 -0.301 0.147 Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 13 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA 2 0.45 1.33 -0.347 0.124 3 0.4 1.27 -0.397 0.103 4 0.35 1.17 -0.456 0.0703 5 0.3 1.09 -0.523 0.0384 6 0.25 1.002 -0.602 0.0008135 2.- Grafico T vs L en la escala métrica 1,6 y = 1,6057x + 0,6082 R² = 0,995 1,4 1,2 T 1 0,8 Ряд1 0,6 Линейная (Ряд1) 0,4 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 L 𝐺𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑇 ∗ 𝑣𝑠 𝐿 ∗ Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 14 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA L* T* -0.301 -0.347 -0.397 -0.45 -0.523 -0.602 Grafico T* vs L* 0.147 0.124 0.103 0.0703 0.0384 0.0008135 0.2 0.15 0.1 T* T* Lineal (T*) 0.05 0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 L* -0.05 0 y = 0.4884x + 0.2938 3.- Calculo de la ecuación experimental del péndulo: 𝑇 ∗ = 0.294 + 0.49 𝐿 ∗ 4.- Calculo del coeficiente de correlación. 𝑅 = 0.9997 Si r se aproxima a la unidad lo que indica que la ecuación experimental se acerca a la ecuación de la recta. 5.- Test de hipótesis de la ecuación del péndulo para la probabilidad del 2 95%, para AE y BE para los valores teóricos de 𝐀 = log 𝐲 𝐁 = 𝟎. 𝟓 g N ((AE + BELi) – Ti)2 Ti 2 Ti 1 0.000002401 0.0216 0.147 2 0.0000000009 0.0154 0.124 3 0.0000124 0.0106 0.103 4 0.0000000676 0.0049 0.0703 5 0.00000044 0.0015 0.0384 Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 15 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA 6 0.00000321 6.61 E-7 0.0008135 1.64 E-5 0.054011 0.48351 𝑆𝑦/𝑥 1.64 E 5 0.00203 4 𝑆𝐵𝐸 0.00203 0.0165 1 2 0.054011 0.48351 6 𝑆𝐴𝐸 0.00309 0.0540112 0.0036 6 * 0.054011 0.483512 Pruebas de significación para BE donde t / 2, n 2 = 2.776 𝑡𝑐𝑎𝑙 0.49 0.5 0.0165 0.606 Decisión: Se compara el valor de tcal con el valor crítico t / 2, n 2 entonces: Se acepta la hipótesis nula y concluimos que Be = B = 0.5 y la diferencia observada se debe a errores aleatorios. Pruebas de significación AE Calculo 𝑑𝑒 𝐴 = 𝑙𝑛 𝑡𝑐𝑎𝑙 2 = 0.303 9.775 0.294 0.303 0.0036 2.5 Decisión: Se compara el valor de tcal con el valor critico t / 2, n 2 entonces: Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 16 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA Se acepta la hipótesis nula y concluimos que AE = A y la diferencia observada se debe a errores aleatorios. 6.- Intervalos de confianza de AE y BE y t / 2, n 2 = 2.776 𝐴𝐸 = (0.294 0.009 𝐵𝐸 = (0.49 0.04) CALCULO DEL RADIO MÁXIMO DE LA ESFERA 1.- Empleando (7. 21) calcule el radio máximo de la esfera, en esta ecuación considere L = 500 mm y el error relativo de la gravedad asignado. r 500 0.01 25mm 4 2.- ¿Se hallara el radio de la esfera dentro del límite señalado? R.- El radio de la esfera se encuentra dentro del límite porque el radio de la esfera es 11.15 mm por lo que es menor al establecido. X. CONCLUSIONES Se ha llegado a la conclusión de que el péndulo del laboratorio se comporto como un péndulo simple con las consideraciones ya explicadas, ayudando al estudio del péndulo simple; sin embargo cabe recalcar de que en nuestro estudio todos los cálculos se hicieron bajo un margen de error relativamente alto lo que no era esperado. Con la ayuda de la prueba de hipótesis en la determinación de ecuación experimental del péndulo, se encontró que los valores AE y BE se aproximan a los valores teóricos y la diferencia existente es debido a errores sistemáticos. Pero en la determinación de la aceleración de la gravedad no se pudo encontrar la gravedad teórica de la ciudad de La Paz, esto fue debido al Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 17 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA manejo del cronometro y de las medidas de la distancia (L), que influyeron en la determinación de la gLP XI. XII. BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Ca%C3%ADda_libre Álvarez A., Huayta E. “Prácticas de Física I”. 5ta edición, La Paz – Bolivia, 2012 Internet. www.cienciafisica.com ; y paginas de dominio público general. ANEXOS Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 18 FACULTAD DE INGENIERIA CURSOS BASICOS LABORATORIO DE FISICA BASICA Univ. Gutiérrez Choque Lilian Página 19