Laboratorio de trabajo
El término trabajo en física es el acto de aplicar una fuerza a una masa haciéndola moverse. La ecuación del trabajo es
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- W es trabajo en julios (J)
- F es la fuerza aplicada a la masa en newtons (N)
- d es la distancia que se mueve la masa en metros (m)
- θ es el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento. El ángulo entre la fuerza aplicada, que en este caso será 0 o , y el coseno de 0 o es 1.
Si generamos un gráfico de fuerza versus distancia, el área bajo la curva representará el trabajo realizado por la fuerza. En este laboratorio, vamos a arrastrar una masa a través de una superficie a velocidad constante con una cuerda muy ligera unida a una escala de fuerza. Hay dos fuerzas que actúan a lo largo de la línea de desplazamiento de la masa; la tensión en la cuerda y la fricción porque la mesa no está libre de fricción. Tanto la tensión como la fricción funcionan. Dado que la velocidad es constante, la fuerza aplicada debe ser contrarrestada por una fuerza de fricción igual en la dirección opuesta. Si la fuerza varía, la distancia que se mueve la masa deberá medirse independientemente para cada cambio de fuerza. Para evitar esto, debemos tener mucho cuidado al tirar de la masa para que la báscula represente una fuerza constante. Esto asegura que la masa permanece a velocidad constante sin aceleración. Además, queremos asegurarnos de que la cuerda permanezca paralela a la mesa para que el ángulo θ sea 0o . Si podemos hacer esto, la fuerza de fricción será la misma que la fuerza aplicada.
Materiales necesitados
1. Tabla
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2. 5 kg de masa
3. Cuerda muy ligera y sin extensión
4. Escala de resorte
5. Varilla de medición
6. Marcador
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7. Cinta adhesiva
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Procedimiento
- Coloque cinta adhesiva a lo largo de toda la mesa.
- Marque intervalos de 10 cm en la cinta adhesiva durante 1 metro.
- Comience a tirar de la masa, ajustando la fuerza de tracción si es necesario para garantizar una velocidad constante y una lectura de fuerza constante en la escala.
- Observe la marca en la mesa cuando esté seguro de que la masa se mueve con velocidad constante.
- Continúe tirando hasta el final de la mesa y observe la lectura de fuerza en cada marca de intervalo de 10 cm.
Datos
- La distancia que la masa se mueve a velocidad constante es 0.5 m.
- La escala de fuerza lee una constante de 8 N.
Trazar datos
Trazaremos el valor de la fuerza de la escala versus la distancia que se movió la masa, y el valor de la fuerza de fricción igual pero opuesta versus la misma distancia recorrida.
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Analizar datos
La línea superior del gráfico representa la fuerza de tensión en la cuerda que mueve la masa. El área entre éste y el eje x es el trabajo realizado por la fuerza de tensión y está sombreada en rojo.
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La determinación del área de esta región sombreada es el área de un rectángulo; largo por ancho.
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El área inferior está sombreada en azul, y este es el trabajo realizado por la fuerza de fricción.
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El área de esta región sombreada también es el área de un rectángulo; largo por ancho.
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Conclusión
¿Qué notamos sobre estas áreas? ¡Son iguales en valor, pero de signo opuesto! Por lo tanto, el área neta entre las dos curvas y el eje x es 0. ¿Significa esto que se realizó 0 trabajo? Si. En general, no se trabajó en la masa. La persona funcionó, pero la fricción hizo la misma cantidad de trabajo negativo, lo que hizo que el trabajo general se hiciera 0.
Veamos esta conclusión a la que llegamos a través de la lente del teorema de la energía cinética de red . El trabajo neto realizado en un objeto es igual al cambio en la energía cinética del objeto. La energía cinética es la mitad de la masa del objeto por el cuadrado de su velocidad.
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¿Cuál fue la velocidad inicial y final de la masa una vez que comenzamos a registrar datos? No conocemos el valor, pero sabemos que hicimos un esfuerzo concertado para mantener constante la velocidad. Dado que la velocidad era constante, el cambio en la velocidad fue 0. Conectar cero en Δv nos da un trabajo neto de 0 tal como determinamos anteriormente.
Resumen de la lección
El trabajo en física se define como el producto de la fuerza sobre la masa que se mueve, la distancia que se mueve y el coseno del ángulo entre la fuerza y su desplazamiento.
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En nuestro experimento, tiramos una masa de 5 kg a través de una mesa con una fuerza de tensión constante que la hacía moverse a velocidad constante. La mesa no está libre de fricción, por lo que hubo una fuerza de fricción actuando sobre la masa al mismo tiempo. Ambas fuerzas estaban en la misma línea que el desplazamiento. Como no había aceleración, la fuerza aplicada tenía que ser igual a la fuerza de fricción. Trazamos ambas fuerzas frente a la distancia en el mismo gráfico. El área entre la línea de fuerza de tensión y el eje x nos dio el trabajo realizado por tensión, que fue de 4 julios. El área entre la línea de fuerza de fricción y el eje x nos dio el trabajo realizado por fricción, que fue de -4 julios. El trabajo neto realizado en la masa es 0 porque ambas áreas se cancelan entre sí. El teorema de la energía cinética del trabajo confirma nuestra conclusión. Energía cinética es la energía del movimiento.
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Dado que la masa se mantuvo a una velocidad constante, el cambio en la velocidad es 0, lo que hace que el trabajo neto realizado sobre la masa sea 0.
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