Laboratorio de movimiento circular uniforme
Introducción
| Objetivo: | Comprender el efecto de la fuerza centrípeta sobre el movimiento. |
| Años: | Secundaria y superior |
| Preocupaciones de seguridad: | Este laboratorio lo involucrará balanceando agua en un balde. Asegúrese de que todos estén fuera del camino y de que no haya objetos frágiles cerca. También querrá hacer este experimento al aire libre o donde los derrames estén bien. |
| Hora: | 1 hora |
Imagínese una montaña rusa de acero acelerando a través de un bucle. Aunque puede pensar que el arnés lo está sujetando, en realidad es una fuerza centrípeta o la fuerza que actúa sobre un objeto durante el movimiento circular. Para un repaso sobre la fuerza centrípeta, puede echar un vistazo a esta lección: Fuerza centrípeta: definición, fórmula y ejemplos.
Hoy, no experimentaremos con una montaña rusa, sino con un cubo que contiene agua. Balancearemos el balde en un círculo y observaremos lo que le sucede al agua. Antes de comenzar, predice lo que sucederá con el agua. ¿Saldrá volando del cubo o se quedará dentro? ¿Por qué piensas eso?
Materiales
- Una tabla, de aproximadamente 8 ” por 11 ” y al menos 2 ” de grosor
- Dos tornillos
- Destornillador
- 2 m de cuerda fuerte
- Una taza de 12 onzas
- 6 onzas de agua
Pasos
1. Ate las cuerdas a los extremos de los tornillos. Asegúrese de que estén bien asegurados y de que la cuerda restante tenga la misma longitud.
2. Fije los dos tornillos a cada lado de la placa, en el medio de los bordes con el destornillador. Asegúrese de que estén seguros.
¡¡Consejo de Seguridad!! Asegúrese de que el área a su alrededor esté libre de personas y objetos frágiles antes de balancear la tabla.
3. Practique balanceando la tabla en un círculo completo sosteniendo ambas cuerdas con fuerza. Asegúrese de ejercer suficiente fuerza para que se mueva completamente.
4. Vierta el agua en la taza.
5. Coloque la taza en el tablero.
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6. Balancee la tabla completamente en un círculo vertical con la taza en la parte superior mientras sostiene ambas cuerdas. Note lo que sucede.
Solución de problemas
Si el agua sigue cayendo de la tabla, intente balancearla con más fuerza. Debe ejercer suficiente fuerza para que la copa se quede quieta.
Preguntas de discusión
¿Qué pasó con el agua cuando se balanceó sobre la tabla?
¿Qué fuerzas actuaban sobre el agua?
Cómo funciona
Para entender por qué el agua permanece en el cubo, primero tenemos que revisar la primera ley de Newton , que establece que un objeto en movimiento quiere permanecer en movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza desequilibrada. Para revisar la primera ley de Newton, puede ver esta lección en video: Primera ley de movimiento de Newton: ejemplos del efecto de la fuerza sobre el movimiento. Para un objeto que se mueve en un movimiento circular uniforme, la dirección del movimiento siempre cambia.
La velocidad apunta constantemente tangente al círculo, cambiando de dirección a medida que el objeto se mueve. Para entender esto, piense en una pelota atada a una cuerda. Si balanceara la pelota en un círculo, se quedaría en la cuerda. Pero, si suelta la cuerda, la bola sale volando, tangente al círculo.
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Entonces, en nuestro ejemplo, la tabla se balanceaba en un movimiento circular uniforme. Dado que la taza y el agua estaban en el tablero, también tenían un movimiento circular uniforme. Entonces, según la primera ley de Newton, la tabla, la taza y el agua querían continuar en su camino de movimiento tangente al círculo. Entonces, ¿qué los mantiene en el círculo?
La respuesta es la fuerza centrípeta. La fuerza centrípeta siempre actúa hacia el centro del círculo, interrumpiendo el movimiento de velocidad. Por lo tanto, la tabla, la taza y el agua se ven afectados por una fuerza desequilibrada, cambiando así su movimiento y manteniéndolos en un círculo.
Entonces, ¿por qué la gravedad no hace que el agua se caiga? La gravedad actúa como una fuerza descendente, pero la fuerza centrípeta también empuja la taza y el agua hacia adentro. La fuerza centrípeta y la gravedad hacen que la taza y el agua se muevan hacia abajo al mismo ritmo, manteniendo la taza y el agua juntas.
¡Pero ten cuidado! La fuerza centrípeta es proporcional a la rapidez con que se mueve la copa. Si la velocidad es demasiado lenta, no habrá suficiente fuerza centrípeta para mantener la taza y el agua moviéndose juntas en un círculo y el agua se caerá.