Estudio De Fuerzas Palancas

Universidad Santiago de Chile

Facultad de Ciencia – Depto. de Física

Física I

Laboratorio de Física

“Estudio de Fuerzas-Palancas”

María E. Figueroa

Ian Tapia

10103-0-L-5

Profesor Juan Jimenez Orozco

30 de Abril, 2014

Introducción

En esta experiencia analizaremos el equilibrio de fuerzas de un sistema aplicando los principios de Newton y los conceptos de torque. Para esto se debe introducir en el concepto de equilibrio de fuerzas, el cual señala que la condición necesaria y suficiente para que una partícula permanezca en equilibrio (en reposo) es que la resultante de las fuerzas que actúan sobre ella sea cero. En otras palabras, la sumatoria de las fuerzas (fuerza neta) que actúan sobre una partícula, debe ser igual a cero:

(F ) ⃗ = ∑▒(F_i ) ⃗ = 0 ⃗

Naturalmente con esta condición la partícula podría también moverse con velocidad constante, pero si está inicialmente en reposo la anterior es una condición necesaria y suficiente.

En este caso , se trabajará con un sistema de fuerzas, por lo que se debe ir más allá del estudio de una sola partícula y ampliar la definición para explicar cómo lograr el equilibrio de fuerzas en un sistema.

Para que un sistema de partículas permanezca en equilibrio, cada una de sus partículas debe permanecer en equilibrio. Ahora, las fuerzas que actúan sobre cada partícula son, en parte de interacción f ⃗_ij con las otras partículas del sistema y en parte proveniente del exterior F ⃗_i^ext, es decir:

F ⃗_i= F ⃗_i^ext+ ∑_(j≠i)▒f ⃗_ij

Aquí f ⃗_ij representa la fuerza que la partícula j ejerce sobre la partícula i. Pero las fuerzas de interacción satisfacen la tercera ley de Newton, ley llamada de acción y reacción que dice:

f ⃗_ij= -f ⃗_ij

Además que f ⃗_ij es paralela a la línea que une las partículas i con j:

f ⃗_ij x (r ⃗_i- r ⃗_j )= 0 ⃗

De este modo un sistema de partículas está en equilibrio si:

F ⃗_i^ext+ ∑_(j≠i)▒f ⃗_ij = 0 ⃗, para todo i.

En otras palabras la resultante de las fuerzas que actúan sobre cada partícula

debe ser nula.

2.-Concepto de Torque

Cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, dicho cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. Ahora bien, la propiedad de la fuerza aplicada para hacer girar al cuerpo se mide con una magnitud física que llamamos Torque o Momento de la fuerza.

Entonces, se llama Torque o Momento de una fuerza a la capacidad de dicha fuerza para producir un giro o rotación alrededor de un punto.

En el caso específico de una fuerza que produce un giro o una rotación, muchos prefieren usar el nombre torque y no momento, porque este ultimo lo emplean para referirse al momento lineal de una fuerza.

Para explicar gráficamente el concepto de Torque, cuando se gira algo, tal como una puerta, se está explicando una fuerza rotacional. Esa fuerza rotacional es la que se denomina Torque o Momento.

Cuando empujas una puerta, esta gira alrededor de las bisagras. Pero en el giro de la puerta vemos que intervienen tanto la intensidad de la fuerza como su distancia de aplicación respecto a la línea de las bisagras.

Entonces, considerando estos dos elementos, intensidad de la fuerza y distancia de aplicación desde su eje, el momento de una fuerza es, matemáticamente, igual al producto de la

Intensidad de la fuerza (modulo) por la distancia desde el punto de aplicación de la fuerza hasta el eje de giro.

Expresada como ecuación, la fórmula es:

τ= F ⃗*d

Donde F ⃗ es la fuerza aplicada y d es la distancia al eje de giro

Cuando se ejerce una fuerza F en el punto B de la barra, esta gira alrededor del punto A, generando torque.

Es por ello que:

∑▒〖F_y=0〗

-m_1 g-m_2 g-m_3 g+T_2+T_1 sin⁡〖α+T_3 〗 sin⁡β=0

∑▒〖F_x=0〗

-T_1 cos⁡α+T_3 cos⁡β=0

Desarrollo Experimental

Experimento 1

En el primer experimento, se debía verificar la condición de equilibrio de un sistema. Para ello se utilizaron los siguientes materiales:

1 Superficie metálica vertical.

2 poleas imantadas.

1 cuerda.

1 circulo plano imantado y graduado

Distintas masas (mínimo 3).

En el experimento número 1 se debe repetir la experiencia 3 veces, pero variando las masas en cantidad y posición, y también cambiando la posición de las poleas con el propósito de obtener resultados distintos tras cada experiencia.

Al tener el sistema montado, se debe lograr equilibrar las fuerzas, haciendo que todas las masas estén totalmente estáticas, para esto se tiene que agregar o quitar masas de donde se estime conveniente y además cambiar la posición de las poleas.

Luego de lograr mantener el equilibrio de fuerzas, se debe medir los grados que describen las cuerdas respecto de una recta horizontal imaginaria, la cual debe pasar exactamente en el punto de intersección de las 3 cuerdas que sostienen las masas A, B y C.

Para determinar los grados de las cuerdas respecto del eje horizontal imaginario se debe ubicar el círculo graduado detrás de la cuerda de donde cuelga la masa “B”, haciendo coincidir el eje vertical del círculo, con la cuerda de la masa “B”. Luego se debe ubicar el centro de la circunferencia en el punto exacto donde se intersecan las cuerdas provenientes de la masa “A” y “B”. Al finalizar este procedimiento, se miden los grados existentes desde la horizontal imaginaria hasta las cuerdas (hacia arriba).

Este procedimiento debe ser repetido para los 3 sistemas que formaremos en la primera experiencia.

Experimento 2

En el segundo experimento, se debe verificar la condición estática de equilibrio de una barra (palanca), para ello se necesitan los siguientes materiales:

1 Barra metálica con perforaciones.

Distintas masas (mínimo 2).

2 Clips.

2 poleas.

Una superficie metálica en posición vertical.

Una regla.

El experimento 2 tiene

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