Introducción
| Pregunta de investigación: | ¿Cómo afecta la masa a la resistencia del aire? |
| Años: | Secundaria en adelante |
| Preocupaciones de seguridad: | Ninguna |
| Hora: | 3 horas |
| Variable independiente: masa Variable dependiente: velocidad terminal y resistencia del aire | Variables de control: Tipo de filtro de café |
Imagínese tirando dos objetos por la ventana: algo pesado, como una bola de boliche, y algo ligero, como una pluma. ¿Cuál golpea el suelo primero? Probablemente se esté imaginando la bola de boliche chocando contra el césped y la pluma aún cerca de la ventana. Entonces, ¿por qué los objetos más pesados caen más rápido?
Para investigar este fenómeno, dejaremos caer filtros de café con diferentes masas y mediremos la velocidad terminal , cuando la velocidad de un objeto que cae se vuelve constante y las fuerzas se equilibran. Con esta información podemos comprender la relación entre la resistencia del aire y la masa. Si necesita un repaso sobre las fuerzas equilibradas, consulte esta lección:
Fuerzas equilibradas: definición y ejemplos
Antes de comenzar, considere esta pregunta: ¿Cómo afectará la masa a la resistencia del aire y la velocidad terminal?
Materiales
- Dispositivo electrónico con capacidad de video
- 5 filtros de café
- Pequeña escala
- Cuaderno
- Cinta adhesiva
- Palos de tres metros
- Tabla de datos 1:
| Tiempo (segundos – s) | Posición (metros – m) | Velocidad (metros por segundo m / s) |
|---|---|---|
| 2 | ||
| 4 | ||
| 6 | ||
| 8 | ||
| 10 | ||
| 12 | ||
| 14 | ||
| dieciséis | ||
| 18 | ||
| 20 |
- Tabla de datos 2:
| Masa de filtros de café (kilogramos – kg) | Velocidad terminal (m / s) | Resistencia al aire (Newtons – N) |
|---|---|---|
Pasos
1. Primero, mida la masa de cada filtro de café en kilogramos y regístrelo en la tabla de datos 2. Si su balanza mide en gramos, divida ese número por 1,000 para obtener kilogramos.
2. A continuación, obtenga un filtro de café y busque un lugar para dejarlo caer desde 3 m de altura con una pared detrás de usted. Pegue palos de tres metros de extremo a extremo en la pared para que pueda grabar la posición del video. Sostenga el filtro de café de modo que el borde esté exactamente en la marca de 3 m. Deje caer su filtro de café mientras graba el video.
2. Ahora, examine su video. Para cada 2 segundos, registre la posición del filtro de café en la tabla de datos 1. Divida la posición por el tiempo para obtener la velocidad en cada intervalo de tiempo.
3. Cree una gráfica de velocidad versus tiempo. La velocidad terminal ocurre cuando la velocidad deja de cambiar, por lo que cuando la pendiente de la línea es plana, esa es la velocidad terminal.
 |
4. Repita los pasos 1-3 para cada juego de filtros de café.
5. Ahora, analice sus datos y calcule la resistencia del aire para cada juego de filtros de café. Cuando se alcanza la velocidad terminal, la velocidad es constante. Dado que la aceleración es un cambio en la velocidad, si la velocidad es constante, no hay aceleración.
Si no hay aceleración, las fuerzas que actúan sobre el objeto deben equilibrarse. Para nuestro filtro de café, las únicas dos fuerzas que actúan sobre él son la fuerza debida a la gravedad , que lo empuja hacia abajo, y la resistencia del aire , que lo empuja hacia arriba. Si estas fuerzas están equilibradas, deben ser iguales.
Entonces, podemos resolver la resistencia del aire calculando la fuerza debida a la gravedad, que es la masa del objeto multiplicada por la aceleración debida a la gravedad, o 10 m / s 2 .
 |
Registre la resistencia del aire para cada juego de filtros de café en la tabla de datos 2.
Solución de problemas
Si tiene problemas para llegar a una velocidad terminal para los filtros de café más pesados, déjelos caer desde una altura más alta para darles más tiempo de aire. Grabar el video en cámara lenta también puede ayudarlo a determinar la posición en cada intervalo si siente que el filtro de café se está cayendo demasiado rápido.
Preguntas de discusión
¿Cómo cambiaron la velocidad terminal y la resistencia del aire con la masa?
Cómo funciona
Como notó, la resistencia del aire aumentó a medida que aumentó la masa. Cuando un objeto alcanza su velocidad terminal, la velocidad es constante, por lo que no hay aceleración. Esto significa que la fuerza debida a la gravedad debe ser igual a la fuerza de resistencia del aire. Dado que la fuerza depende de la masa, cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza debida a la gravedad que actúa sobre el objeto. Si la fuerza debida a la gravedad es mayor, la resistencia del aire también debe ser mayor a la velocidad terminal.
Pero si la resistencia del aire aumenta con el aumento de masa, ¿por qué los objetos más pesados caen más rápido? La fuerza de la resistencia del aire es proporcional a la velocidad al cuadrado para objetos más grandes. Entonces, si un objeto es más pesado y tiene una fuerza mayor debido a la gravedad, la resistencia del aire también debe ser mayor. Dado que la resistencia del aire y la velocidad tienen una relación directa, a medida que aumenta la resistencia del aire, la velocidad también debe aumentar. Si la velocidad es mayor, el objeto caerá más rápido. Por lo tanto, los objetos más pesados golpean el suelo más rápido que los objetos livianos.
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