“AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA“
FACULTAD: Ingeniería Química
LABORATORIO DE FÍSICA II Péndulo de Newton
TEMA:
PROFESOR:
INTEGRANTES:
Cabrera Arista, César.
o
Villafuertes Pelayo, Joselyn.
o
Yapuchura Paucar, Miguel.
SEMESTRE:
2013-B Bellavista - Callao
Péndulo de Newton
Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo es acerca del conocido Péndulo de Newton, instrumento que demuestra de forma sencilla la ley de la conservación de la energía. La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma en un ciclo que pasa de una energía a otra. Este es una forma dinámica e interesante de aprender acerca de un tema relevante en la ciencia de la física.
Teniendo claro que el péndulo de Newton es un dispositivo constituido por un conjunto de 5 péndulos idénticos colocados de tal modo que están perfectamente alineados, y suspendidos de dos marcos que están a la misma distancia por hilos de igual longitud e inclinación donde las bolas de cada péndulo quedan alineadas y en contacto con las otras de forma simétrica. A continuación pasaremos a responder cuáles son nuestros objetivos en este pequeño proyecto de Física II, para pasar al desarrollo de nuestra experiencia.
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Péndulo de Newton
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I)
OBJETIVOS
Demostrar mediante el péndulo de Newton que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
Reconocer el principio de la conservación de la energía.
Reconocer la historia y funcionamiento del péndulo de Newton, como instrumento que permite demostrar un fenómeno físico.
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Péndulo de Newton
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II)
MARCO TEÓRICO:
Veamos algunos conceptos importantes para comprender mejor el experimento:
Conservación de la energía.
La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía.
Esto quiere decir que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.
¿Qué es un péndulo?
El péndulo es un sistema físico que puede oscilar bajo la acción gravitatoria u otra característica física y que está configurado por una masa suspendida de un punto o de un eje horizontal
fijo
mediante
un
hilo,
una
varilla,
u
otro
dispositivo.
Las propiedades fundamentales de las oscilaciones del péndulo fueron descubiertas empíricamente por Galileo Galilei en 1581, quien llego a las siguientes conclusiones: o Los péndulos casi alcanzan la altura inicial desde la que fueron dejados caer. o Todos los péndulos eventualmente se detienen. o El periodo del péndulo es independiente de la masa que oscila y de la amplitud. o El cuadrado del periodo es proporcional a la longitud del péndulo.
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Péndulo de Newton
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Péndulo de Newton.
Instrumento compuesto por cinco bolas idénticas, cada una de ellas cuelga de un bastidor por un par de hilos de igual longitud, de manera que todas ellas están en contacto y alineadas. Cuando se separa una de las bolas de un extremo y se deja que choque contra las otras, se observa que la bola que hay al otro extremo se pone en movimiento y alcanza la misma altura que la bola que se soltó inicialmente, mientras, el resto de bolas está en reposo.
Para jugar con el péndulo de Newton hay que coger una o más bolas y dejarlas caer para que golpeen al resto. El resultado es diferente dependiendo del número de bolas que se utilicen en cada
tirada.
Se
produce
un
efecto
divertido
y
rítmico
que
no
tiene
fin.
Este ciclo de oscilaciones, en el que alternativamente sale disparada una bola de cada extremo (mientras que las otras cuatro quedan en reposo), se repite hasta que el movimiento se detiene debido a la fricción. Independientemente del número de bolas que se liberen para iniciar el movimiento, siempre entran en movimiento las mismas bolas de cada extremo del conjunto. El comportamiento de este movimiento pendular puede explicarse aplicando la conservación del momento lineal y de la energía cinética a una secuencia de colisiones elásticas entre bolas vecinas. Fue inventado en 1967 por el actor Inglés Simón Prebble y su nombre es un homenaje al científico y matemático Isaac Newton, ya que se utiliza para demostrar además de la ley de la conservación
de
la
energía
las
leyes
del
movimiento
(Leyes
de
Newton).
Primera ley de Newton o ley de la inercia
En esta primera ley, Newton expone que: “Todo cuerpo tiende a mantener su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas ejercidas sobre él”.
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Segunda ley de Newton La segunda ley del movimiento de Newton dice que “Cuando se aplica una fuerza a un objeto, éste se acelera. Dicha a aceleración es en dirección a la fuerza y es proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se mueve”.
Tercera Ley de Newton o Ley de acción y reacción
Enunciada algunas veces como que "para cada acción existe una reacción igual y opuesta". En términos más explícitos: La tercera ley expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza de igual intensidad y dirección pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.
¿Cómo se demuestra el principio de la conservación de la energía con el Péndulo de Newton?
Al tomar una esfera y darle una altura h obtendremos cierta cantidad de energía potencial, al soltarla ésta se irá transformada en energía cinética hasta llegar al punto donde colisiona con la esfera siguiente. Al tocar una esfera con otra, la energía se transmite a través de las partículas dando a la siguiente esfera la velocidad adquirida y así sucesivamente se transmite de esfera a esfera hasta la última, en la cual se puede apreciar el movimiento y de forma inversa a como éste comenzó. La energía cinética se transformara ahora en energía potencial a medida que alcance la altura h que se le dio al principio, y por ende vuelve a repetirse todo de nuevo. De la misma manera el movimiento lineal se transmite por choque elástico. La primera esfera choca con cierta velocidad adquirida por la caída la que se transmite de esfera en esfera hasta la última, este tipo de choque es elástico ya que solo cambia la velocidad de cada esfera y no su masa.
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Péndulo de Newton
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Veamos lo siguiente: La energía de chocar es:
Y después de chocar:
La variación es lo que nos interesa:
La pérdida de energía suele ser mayor en los choques elásticos, ya que parte de la energía hay que invertirla en unir los cuerpos. La pérdida de energía puede llegar a ser total; en ese caso la energía final valdrá cero. El choque perfectamente elástico estará representado por esta ecuación:
Nos dice que la energía antes del choque es la misma que la de después del choque.
Para los choques perfectamente elásticos, se cumple lo siguiente:
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Se trate del tipo de choque que se trate, cualquiera de los cuerpos que intervienen en un choque puede ganar o perder energía. No importa si esta libre o unido, para conocer el cambio de energía de un cuerpo i de masa mi, procedemos así:
III)
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
MATERIALES
Regla metálica de 1m Es un instrumento útil para trazar segmentos rectilíneos con la ayuda de un bolígrafo o lápiz, y puede ser rígido, semirrígido o flexible. Con este mediremos la altura que alcanza la esfera.
Balanza de 200 gr: La balanza es un instrumento de laboratorio que mide la masa de un cuerpo. Con este mediremos la masa de la esfera.
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Esfera de metal: Utilizaremos 5 esferas de metal. Estos estarás sujetados por una cuerda flexible.
Calculadora científica Nos permite hacer nuestros cálculos para poder demostrar nuestras Leyes de Newton en el Péndulo de Newton.
Palos de Madera Nos ayudará a formar muestra maqueta, así como se observa en la imagen adjunta.
Cuerda Flexible:
Nos servirá como péndulo.
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PROCEDIMIENTO:
DISEÑO EXPERIMENTAL
Como muestran las imágenes, al ser lanzada la canica 1, la canica 7 tendrá movimiento y energía, que fue pasada por las canicas que se encontraban alineadas horizontalmente.
La esfera Nº 7 se eleva al mismo ángulo en que fue lanzada la esfera Nº 1.
Lanzamiento de la esfera Nº1
Se encontrará la altura (h) despejando de la siguiente fórmula (que fue deducida de la imagen del lanzamiento de la esfera Nº 1):
Se calculará la velocidad de la esfera Nº 1 y de la esfera Nº 7.
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Para encontrar la velocidad por medio de conservación de energía se utilizó el principio de la conservación de la energía mecánica:
Que no es otra cosa que:
En la esfera Nº 1, su energía cinética inicial es igual a cero porque parte del reposo y la energía potencial final se elimina dado que la altura final es 0, quedando una ecuación de la siguiente forma:
Es lo mismo que:
Donde las masas se eliminan, despejando , quedaría:
√ Para la canica 2, su energía potencial inicial será 0 debido a que no tiene altura. Y la energía cinética final también ser hará 0 porque se detiene en el punto más alto.
Así que se usará la misma ecuación para las dos esferas:
√
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IV)
RECOMENDACIONES: Tener limpio y ordenado nuestro ambiente de trabajo al momento de realizar nuestro montaje del experimento. Para entender mejor lo desarrollado debemos de contar con conocimientos básicos de este tema, para ello debemos tener claro las leyes de Newton. Realizar el experimento varias veces, así poder encontrar mejores datos, y hacer vales las leyes expuestas anteriormente.
V)
CONCLUSIONES: Cuando el
VI)
ANEXOS:
¡Importante! EL PÉNDULO DE NEWTON MÁS GRANDE DEL MUNDO Fue diseñado por Chris Boden y es propiedad de The Geek Group y se encuentra en Kalamazoo, Michigan. Se encuentra en exhibición pública y actualmente es
utilizado para demostraciones
tecnológicas y científicas. Consiste en un conjunto de 20 esferas idénticas con un peso de 6,8 kilogramos (15 libras). Las esferas están suspendidas de cables de metal apuntalados al techo.
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Péndulo de Newton
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Los cables poseen una longitud de 6,1 metros (20 pies) y las esferas cuelgan a 1 metro (3 pies) del suelo.
VII)
BIBLIOGRAFÍA: SEARS. ZEMANSKY-UNDECIMA EDICIÓN HTTP://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/CONSERVACI%B3N_DE_LA_ENERG%C3%ADA HTTP://ES.SCRIBD.COM/DOC/29203846/PENDULO-DE-NEWTON HTTP://LUDOFORUM.COM/EL-PENDULO-DE-NEWTON.HTML
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