Fuerza y aceleración

Fuente: Nicolás Timmons, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA

El objetivo de este experimento es entender los componentes de la fuerza y su relación con el movimiento a través de la segunda ley de Newton mediante la medición de la aceleración de un planeador siendo actuado sobre por una fuerza.

Casi todos los aspectos del movimiento en la vida cotidiana pueden ser descrito mediante tres leyes de Isaac Newton del movimiento. Describen cómo los objetos en movimiento tienden a permanecer en movimiento (primera ley), objetos se acelerarán cuando actuaba sobre por una fuerza neta (la segunda ley) y cada fuerza ejercida por un objeto tendrá una igual y opuesta fuerza espalda ejercido sobre ese objeto (la tercera ley). Casi todos los de preparatoria y licenciatura mecánica se basa en estos conceptos sencillos.

Una de las ecuaciones más famosas en toda la física es la segunda ley de Newton:

. (Ecuación 1)

Simplemente indica que la fuerza sobre un objeto es igual a la masa del objeto veces su aceleración.

En el experimento a seguir, un planeador se conectará a un peso cae por una polea. Debido a la fricción causada por el planeador del deslizamiento a lo largo de una pista resultaría en un exceso de fuerza que es difícil de medir, la vela será en una pista de aire para reducir la fricción. La pista de aire crea un cojín de aire entre la vela y la pista, cualquier fricción se reduce a aproximadamente cero. La fuerza del peso acelerará el planeador según la ecuación 1.

La fuerza del peso será debido a la gravedad y la tensión en la cadena de conexión el peso cae a la vela. La tensión se opondrá a la dirección del peso descendente y tiene la muestra opuesta como la fuerza de la gravedad en la ecuación. Por lo tanto, la ecuación 1 se convierte en , donde T es la tensión y es la aceleración debido a la gravedad (~9.8 m/s²). Mientras que la aceleración debido a la gravedad seguirá siendo el mismo, la fuerza puede incrementarse mediante la adición de masa.

Como el peso cae, crea tensión en la cadena de conexión el peso a la vela. La polea cambia la dirección de la fuerza de tensión de vertical a horizontal. Sin nada más conectado, la tensión en la cuerda es igual a la fuerza de la caída de peso, que se aplica de la misma magnitud de fuerza a la vela. Por lo tanto, la fuerza sobre la vela será igual a la fuerza de tensión T;  Porque el peso y el planeador están conectados, su aceleración será la misma para ambos objetos. Para calcular la aceleración en el planeador debido a la tracción del peso, se comparan las fuerzas.

, que puede ser resuelto por:

. (Ecuación 2)

Para medir la aceleración, un temporizador fotopuerta se coloca a 20 cm desde la posición inicial de la vela. Se puede calcular la aceleración de la velocidad final medida y distancia recorrida usando la siguiente ecuación:

, (Ecuación 3)

donde es la velocidad final y es la distancia recorrida. La bandera en la parte superior de la vela pasará a través de la fotopuerta, que registrará la cantidad de tiempo que la vela lleva a pasar por la puerta. La bandera es de 10 cm de largo, por lo que la velocidad del planeador es igual a la longitud de la bandera dividida por el tiempo.

1. primera configuración.

1. La pista de aire tendrá una polea conectada a un extremo. Ate la cuerda a un extremo de la vela y pase a través de la polea, donde se conectará el peso colgante.
2. Coloque la vela en la marca de 190 cm en la pista de aire. Coloque el temporizador fotopuerta en la marca de 100 cm. La vela tiene una masa de 200 g. sostener la vela para que no se mueva y añadir peso al final colgando para que la masa total del peso es igual a 10 g.
3. Una vez que las pesas estén en su lugar, soltar el planeador del resto y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
4. Calcular el valor teórico para la aceleración usando la ecuación 2 y el valor experimental de la ecuación 3. Por ejemplo, si el planeador tiene masa de 200 g y los pesos de suspensión tienen una masa de 10 g, entonces la aceleración teórica, de la ecuación 2, es si la velocidad medida es 0.95 m/s, entonces, usando la ecuación 3, el valor experimental de la aceleración es

2. aumento de la masa de la vela.

1. Añadir cuatro de los pesos a la vela, que será el doble de su masa.
2. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.

3. aumento de la fuerza sobre la vela.

1. Añadir más masa el peso colgante por que tiene una masa total de 20 g.
2. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
3. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.
4. Añadir más masa el peso colgante por que tiene una masa total de 50 g.
5. Liberar el sistema de descanso y registrar la velocidad del planeador. Realizar 5 carreras y tomar el valor medio.
6. Calcular el valor teórico de la aceleración, de la ecuación 2y el valor experimental de la ecuación 3.

					% Diferencia
200	10	0,93	0.47	0.43	9
400	10	0.66	0.24	0.22	9
200	20	1.28	0,89	0,82	9
200	50	1,96	1.69	1.92	145

Los resultados de este experimento confirman las predicciones de las ecuaciones 2 y 3. Con la mayor masa de la vela en el paso 2, la aceleración era más pequeña porque se necesitaría una fuerza mayor para acelerar la vela a la misma velocidad que en el paso 1. En el paso 3, la masa creciente del peso que cuelga de hecho aumentó la fuerza de la vela y, por tanto, la aceleración. La aceleración aumenta con la masa creciente, como se predijo.

La fricción era casi cero gracias al colchón de aire entre la vela y la pista. La bolsa de aire no es perfecta, sin embargo, y el aire de la pista podría empujar la vela en una dirección específica. Esto puede comprobarse al permitir que la vela se siente en la pista de aire, con ninguna fuerza aplicada. Si la vela se mueve en cualquier dirección, puede haber alguna fuerza en el ala de la pista.

Segunda ley de Newton está fundamentalmente ligada a la experiencia de la gente de movimiento cada día. Sin ninguna fuerza, un objeto no se acelerará y permanecerá en reposo o seguirá moverse a un ritmo constante. Por lo tanto, si alguien quiere mover algo, como cuando se golpea una pelota de béisbol a cierta distancia, debe aplicarse la suficiente fuerza. La fuerza se puede calcular con una ecuación tan simple como

Tal y como toma una cierta fuerza para acelerar un objeto, toma la misma cantidad de fuerza para llevar la velocidad de un objeto a cero. Mirando , está claro que una extrema con una gran cantidad de masa es mucho más difícil dejar que un objeto con una masa más pequeña. ¡Es más fácil detener una moto que un tren! Cuanto más rápido algo está pasando, la aceleración más es necesaria para traer a una parada, por lo que toma mucho más fuerza para detener una bala que una pelota de baloncesto.

Segunda ley de Newton se convierte en un poco más complicado cuando los componentes de fuerza cambian con el tiempo. Para un objeto que está experimentando algunos tipo de arrastre de fuerza, tales como resistencia del aire, su aceleración puede cambiar con el tiempo. Un cohete es un ejemplo de un objeto que tiene una masa que cambia con el tiempo. Como el cohete quema combustible, disminuye su masa, y en realidad requiere menos fuerza para acelerar el paso del tiempo.

En este experimento, examinaron a los componentes de la fuerza. Segunda ley de Newton afirma que la fuerza es igual a la masa de un objeto multiplicada por la aceleración. Mediante el ajuste de la masa de la vela, la aceleración de la vela se redujo. Con mayor fuerza sobre la vela, la aceleración fue aumentada, confirmando la segunda ley de Newton. Los resultados de este experimento deben ser precisos, como hay no hay otras fuerzas que actúan sobre la vela. Por esta razón la fricción fue reducida en este experimento utilizando una pista de aire.