Laboratorio de velocidad terminal de filtro de café

Introducción

Objetivo:	Explicar cómo la masa y la velocidad terminal impactan el impulso.
Años:	Secundaria en adelante
Preocupaciones de seguridad:	Ninguna
Hora:	1 hora

Imagínese tirando un globo de agua por la ventana del tercer piso. Sabes que la aceleración debida a la gravedad hace que el globo de agua se acelere a medida que viaja más lejos. Pero, notas que parece dejar de acelerar en algún momento y viaja a una velocidad constante. Esto se llama velocidad terminal , o la velocidad cuando todas las fuerzas están equilibradas sobre un objeto.

Tiene curiosidad por saber si puede usar más masa para aumentar la velocidad terminal y, por lo tanto, aumentar el impulso, ya que recuerda que más impulso significa que es más probable que un objeto permanezca en movimiento, golpeando el suelo primero. Para un repaso sobre el impulso, consulte este experimento: ¿Qué es el impulso? – Definición, ecuación, unidades y principio

Hoy, dejaremos caer filtros de café de diferentes masas y mediremos su velocidad terminal para determinar la relación entre masa, velocidad terminal y momento. Antes de comenzar, piense si los objetos más pesados ​​tienen una mayor velocidad terminal y un mayor momento.

Materiales

• 15 filtros de café
• Una ventana u otra área para colocar los filtros de café.
• Dispositivo electrónico con capacidad de video
• Pequeña escala
• Cinta adhesiva
• Palos de tres metros
• Cuaderno
• Las siguientes tablas de datos (cree una para cada filtro de café):

Un filtro de café:

Tiempo en segundos	Distancia	Velocidad	Masa
0
2
4
6
8
10
12
14
dieciséis
18
20

• Tabla de datos 2:

Número de filtros de café	Masa	Velocidad terminal
1
2
3
4
5

Pasos

1. Apile los filtros de café en varios juegos. Cree un juego con un filtro de café, luego dos, tres, cuatro y cinco filtros.

2. Registre la masa de cada filtro de café en kilogramos.

3. A continuación, busque un lugar desde el que pueda dejar caer el filtro de café que tenga 3 metros de altura y tenga una pared detrás. Pegue con cinta adhesiva los palitos de tres metros a la pared para que pueda medir la altura a medida que caen los filtros de café.

4. A continuación, configure su cámara de video.

5. Cuando todo esté en su lugar, deje caer la pila con un filtro de café por la ventana.

6. Repita el paso 5 para cada pila de filtros de café.

7. Analice sus datos. Abra el video y registre la distancia cada dos segundos en la tabla de datos 1 para la pila con un filtro de café.

8. Divida la distancia por el tiempo para obtener la velocidad de cada 2 segundos. Registre esto en la tabla de datos 1.

9. Repita el paso 7-8 para cada pila de filtros de café.

10. Cuando la velocidad deja de cambiar, esta es su velocidad terminal. Registre este valor para cada pila de filtros de café en la tabla 2.

11. Ahora es el momento de graficar. Cree una gráfica con masa en el eje y y velocidad terminal en el eje x. Grafique sus datos para cada filtro de café y haga una línea que mejor se ajuste.

Solución de problemas

Si tiene problemas para grabar la posición cada 2 segundos, intente grabar las gotas en cámara lenta. También es posible que deba aumentar la altura de la caída.

Preguntas de discusión

¿Tu hipótesis fue apoyada o no? ¿Como supiste?

¿Cuál fue la relación entre masa y velocidad terminal?

Cómo funciona

Probablemente notó una relación directa entre la masa y la velocidad terminal, a medida que la masa aumentaba, la velocidad terminal también aumentaba. ¿Por qué? Bueno, la masa de un objeto está directamente relacionada con la fuerza debida a la gravedad, o la fuerza que tira de un objeto hacia el suelo. Cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza debida a la gravedad.

A una velocidad terminal, la velocidad no cambia, por lo que todas las fuerzas deben estar equilibradas. Las dos fuerzas que actúan sobre los filtros de café son la gravedad, que lo empuja hacia abajo, y la resistencia del aire, que lo sostiene. Si la masa es mayor, la fuerza debida a la gravedad es mayor. Si la fuerza debida a la gravedad es mayor, la resistencia del aire también debe ser mayor a la velocidad terminal, ya que las fuerzas están equilibradas.

A la velocidad terminal, todas las fuerzas están equilibradas.

La resistencia del aire es proporcional a la velocidad al cuadrado. Entonces, a medida que aumenta la resistencia del aire, la velocidad también debe aumentar. Si desea saber más sobre estas relaciones, consulte este otro experimento sobre filtros de café y resistencia al aire: Laboratorio de resistencia al aire del filtro de café

Relación entre la velocidad de la masa y el momento

Entonces, veamos cómo la velocidad terminal aumenta el impulso, lo que hace que el globo de agua continúe moviéndose. El momento es igual a la masa multiplicada por la velocidad. Entonces, si la masa aumenta y la velocidad aumenta, el impulso también aumentará.

Más impulso significa que será más difícil detener el objeto y es más probable que siga moviéndose y golpee el suelo más rápido. Por tanto, los objetos con una masa mayor tienen una mayor velocidad terminal y un mayor momento.