Universidad Nacional Abierta y a Distancia (UNAD)

Colombia

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería (ECBTI)

Curso de Física General (100413)

GUÍA DE ACTIVIDADES PARA LABORATORIO VIRTUAL

Práctica Alternativa Número 4 Unidad 2 de Física General:

CONSERVACION DE LA ENERGIA EN LA PISTA VERTICAL LISA

Temáticas que se revisarán:

Unidad 2 ONDAS Y ENERGÍA

Capítulo 4, Energía y Potencia

Lección 22 Conservación de la Energía

Aspectos generales del trabajo:

En esta actividad el estudiante, con ayuda del simulador, podrá hacer un estudio práctico

de un sistema donde la aplicación directa de las Leyes de Newton no es el método más

conveniente para su análisis. El movimiento a lo largo de pistas sin rozamiento de formas

diferentes a la rectilínea presenta características que se manejan a través de los conceptos

de energía cinética y potencial. Uno de los grandes principios de la Física, el de

conservación de la energía, es el que permite dar razón de esos movimientos.

Estrategia de aprendizaje propuesta:

Aprendizaje basado en problemas.

Peso evaluativo:

El peso corresponde al asignado al trabajo colaborativo número 2 en la agenda del curso,

que abarca tres prácticas.

Producto esperado:

Informe de laboratorio enviado al tutor del curso por el correo interno o personal, este

informe debe contener:

Portada

Introducción

Descripción del sistema físico y Procedimiento

Resultados Experimentales

Confrontación Teoría/Experimento

Conclusiones

Fuentes de Información

El nombre del archivo debe llamarse nombre_apellido_grupo_Lab_1_Física, Ejemplo, si el

informe lo realiza Victor Manuel Bohórquez que pertenece al grupo 52, debe enviar el

archivo así: Victor_Bohórquez_100413_52_Lab_4_U2_Fisica. El archivo debe ser enviado en

formato PDF.

Cronograma de las actividades:

El tiempo para la realización de la práctica es el mismo que se asigna al trabajo

colaborativo 2 en la agenda del curso.

Objetivos del trabajo colaborativo:

Conocer un sistema donde el movimiento de un cuerpo no se desarrolla con

aceleración constante.

Detectar las características generales de los movimientos a lo largo de pistas en

planos verticales, donde la fuerza impulsora es la gravedad.

Familiarizarse con los conceptos de energía cinética y energía potencial.

Aprender a usar el Principio de Conservación de la Energía para explicar

cualitativamente los referidos movimientos.

Dominar la técnica de análisis para determinar la dependencia de la rapidez en

términos de la posición de la partícula en el espacio.

Entrenarse en el método de los cambios de variable para linealizar una relación

entre variables y poder aplicar el método de mínimos cuadrados para deducir la

relación empírica entre ellas.

Recursos a utilizar en la práctica (equipos / instrumentos)

● Equipo de cómputo con procesador de texto y hoja numérica.

● Plataforma Java actualizada (clic aquí para descargar el instalador).

Simulador “energy-skate-park-basics_es.jar” (clic aquí para descargar el simulador)

[simulador tomado de [Copyright © 2004-2011 University of Colorado; Some rights

reserved; visit http://phet.colorado.edu].

● Regla virtual (clic aquí para descargar el instalador).

ELEMENTOS DEL SIMULADOR

1. Descargue le programa simulador en su computadora y ábralo. Debe aparecer una

ventana como esta:

2. Los elementos que usaremos son los siguientes:

En el selector de tipo de pista hay tres íconos que funcionan como botones para elegir la

forma de pista:

Pista parabólica.

Pista para descenso.

Pista montaña rusa.

En el cuadro para activar medidores usaremos los siguientes controles (de arriba hacia

abajo):

Interruptor para mostrar gráfico de barras.

Interruptor para mostrar cuadrícula.

Pista

Patinador

Punto de referen-

cia del patinador Conmutador de

cámara normal/lenta

Interruptor para avanzar/detener

Botón para paso

Selector de tipo de pista

Botón para retornar patinador

Botón para reinicializar simulador

Cuadro para activar medidores

Interruptor para mostrar velocímetro.

Control deslizante para ajustar la masa del patinador.

PROCEDIMIENTO

La ventana del simulador tiene tres subventanas, cuyas pestañas en la parte superior

izquierda están marcadas: “Introduction”, “Friction” y “Track Playground”. Solo usaremos

la primera para nuestro laboratorio. En esta subventana, “Introduction”, realice todo tipo

de ensayos para familiarizarse con el funcionamiento del simulador. Finalmente haga clic

en el botón para reinicializar simulador y nos queda listo para comenzar el laboratorio.

Instale la Regla para Windows (ver arriba la sección “Recursos a utilizar en la práctica”).

Ensaye su funcionalidad (ver Apéndice al final de esta guía).

Activación de medidores

Maximice la ventana del simulador. En el cuadro para activar medidores, haga clic en el

cuadrito correspondiente a los siguientes interruptores: interruptor para gráfico de

barras, interruptor para cuadrícula, interruptor para velocímetro. De esta forma quedarán

activados. Modifique el tamaño y posición de la ventana del gráfico de barras para que

quede ubicada en la esquina inferior derecha de la ventana del simulador, como se ilustra

en la siguiente figura (la subventana se arrastra tomándola por su banda de título):

Nota: La simulación no indica el valor de gravedad que usa. Además, el velocímetro no tiene

rótulos de números o unidades. Sin embargo, algunos ensayos sencillos relacionados con

energía muestran que la gravedad se ha tomado como 10 m/s2 y que cada rayita del

velocímetro corresponde a 1 m/s (la escala va entonces de 0 a 20 m/s ).

1. Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica

Haga clic en el botón para avanzar/detener. Arrastre el patinador con el ratón para

colocarlo su punto de referencia superpuesto a la pista cerca al extremo izquierdo de

ésta. El patinador adaptará su orientación a la de la pista y quedará en estado de reposo.

Haga clic de nuevo en el botón para avanzar/detener y de esta forma iniciar el

movimiento; el patinador quedará deslizándose de ida y vuelta a lo largo de la pista.

Observe cualitativamente las variaciones en su rapidez, tanto observando directamente

al patinador, como relacionando esa observación con el movimiento de la aguja del

velocímetro. Explique el comportamiento del móvil en base a energía, ayudándose del

gráfico de barras.

2. Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa

Mediante el selector de tipo de pista, seleccione la pista montaña rusa. Efectúe el mismo

procedimiento que se realizó para la pista parabólica en el ítem 1.

3. Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa

3.1. Punto de retorno

La líneas de división horizontales de la cuadrícula marcan altura sobre el terreno.

Coloque el punto de referencia del patinador en el punto donde la línea de altura

1 m intersecta la pista. Inicie el movimiento a partir de esa posición. Observe el

punto de máximo desplazamiento en el extremo derecho del recorrido (punto de

retorno). Registre su altura.

Repita el anterior procedimiento para alturas iniciales de otros valores y llene la

siguiente tabla con los valores medidos para la altura del punto de retorno derecho:

Explique los resultados obtenidos en base a consideraciones de energía.

y0 (m) yretorno (m)

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

3.2. Puntos de extremos locales

Use el conmutador de cámara normal/lenta para seleccionar cámara lenta. Coloque

el punto de referencia del patinador en el punto donde la línea de altura 5 m

intersecta la pista. Ese lo llamaremos el Punto A. Inicie el movimiento a partir de

esa posición.

Los Puntos B, C y D serán los otros tres puntos donde la pista tiene extremos locales

(ver siguiente figura).

Procederemos a medir la rapidez del móvil en el punto B. Para ello, haga clic en el

botón para avanzar/detener un poco antes de que el móvil llegue a B, luego haga

clic en el botón para paso varias veces hasta que el punto de referencia del

patinador quede ubicado en la posición del punto B. En ese momento puede usted

tomar la lectura de rapidez en el velocímetro. Haga algo semejante para medir la

rapidez con que el móvil pasa por los puntos C y D. Registre sus valores en una

tabla.

Punto A

Punto C

Punto B

Punto D

Desarrolle el modelo teórico que permite predecir las velocidades de los puntos B,

C y D a partir de la posición del punto A. Agregue columnas a la tabla para que

quede de esta manera:

donde el error porcentual es la discrepancia de la rapidez experimental en cada

punto con respecto a la rapidez teórica.

Nota: para medir la altura del punto D use la regla virtual, pues este punto no

coincide con ninguna de las líneas de la cuadrícula de la imagen del simulador).

4. Examen detallado del movimiento en la pista para descenso

Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el mínimo valor de masa.

Mediante el selector para tipo de pista active la pista para descenso (la del centro).

Ahora examinaremos el movimiento que toma lugar si liberamos el móvil desde el

punto de altura 𝑦0 = 7 m . Se trata de llenar la siguiente tabla:

Las lecturas de velocidad para cada altura se pueden tomar aplicando el método usado

en el ítem 3.2 (pausa y pasos en cámara lenta hasta llegar al punto preciso).

Independiente de estos datos, desarrolle el modelo puramente teórico para obtener una

ecuación que exprese la velocidad en función de la altura de cualquier punto de la pista:

𝑣 = 𝑓(𝑦) . Nota: este paso consiste en resolver el siguiente problema simbólico:

Análisis de puntos extremos para el caso y0 = 5 m

Punto

Rapidez experimental (m/s) Altura (m)

Rapidez teórica (m/s)

Error Porcentual

B

C

D

y (m) vexperimental

(m/s)

7.0 0.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

Una pista curva sin rozamiento está ubicada dentro del campo gravitatorio g de modo

que su plano es vertical. Un pequeño cuerpo es apoyado sobre ella en un punto de

altura y0 y liberado desde el reposo. Determine la rapidez del cuerpo en el instante que

pasa por un punto de altura y en la pista.

La función 𝑓(𝑦) resulta ser no lineal. Para transformarla en una función lineal, elévela

al cuadrado. El resultado será de la forma 𝑣2 = 𝑞(𝑦) , donde q es una función lineal, o

sea de primer grado en la variable y.

Ahora vamos a confrontar los resultados experimentales contra el modelo teórico.

Aplicaremos el método profesional para análisis de datos experimentales, que consiste

en determinar una fórmula matemática empírica que represente fielmente esos datos.

Se busca en lo posible que sea una función lineal, lo cual con frecuencia es fácil de lograr

mediante cambios apropiados de variable. Los análisis teóricos nos llevan a ensayar,

para este experimento, un ajuste de datos experimentales de la siguiente forma:

marque las parejas ordenadas de la tabla como puntos en un plano cartesiano, donde el

eje X represente la altura y en metros y el eje Y represente la rapidez al cuadrado 𝑣2

en m2/s2 (es necesario agregar a la tabla una columna con las velocidades

experimentales al cuadrado). Luego superponga en la misma gráfica la recta de

regresión lineal, es decir, la recta que mejor se aproxime a esos puntos según el criterio

de los mínimos cuadrados. Solicite a la hoja de cálculo que exhiba la ecuación de la recta

obtenida. Entonces, en lugar de comparar cada velocidad experimental contra la

correspondiente teórica, se hace una única comparación global entre la pendiente

experimental de la relación 𝑣2 versus y y la pendiente de la misma relación

proveniente del análisis teórico. Consigne los resultados en la siguiente tabla:

donde el error porcentual es la discrepancia de la pendiente experimental con respecto

a la pendiente teórica. Nota: esas pendientes tienen unidades, que usted debe incluir en

las casillas.

5. Efecto de la masa en el movimiento

Usando el control deslizante para masa del patinador, ajuste el máximo valor de masa.

Con la misma pista, la de solo descenso, repita el procedimiento completo del ítem 4.,

Análisis de la relación v2 versus y

Pendiente experimental

Pendiente teórica

Error porcentual

para el mismo valor de la posición inicial: 𝑦0 = 7 m . Explicar resultados en base a la

teoría.

COMENTARIOS SOBRE LA ELABORACIÓN DEL INFORME

La estructura global de un informe de laboratorio es esta:

Portada

Universidad, País, Fecha, Asignatura, Nombre estudiante, Título documento

(Informe Laboratorio Alternativo No.4: Conservación de la Energía en la Pista Lisa).

Introducción

Descripción general de la temática a estudiar, lo objetivos de la práctica, la

relevancia de lo realizado.

CUERPO DEL INFORME

Conclusiones Globales

Descripción global de lo que la persona ha logrado evidenciar en lo que respecta a la

aplicabilidad de leyes o principios específicos de la Física. Más en general, todos los

beneficios personales que logre identificar y hayan surgido como resultado de todo

el proceso de actividad relacionada con la práctica de laboratorio.

Fuentes de Información

El CUERPO DEL INFORME tiene a su vez las siguientes secciones:

Descripción del sistema físico.

Procedimiento experimental.

Resultados experimentales.

Desarrollo del modelo teórico.

Confrontación teoría/experimento.

Conclusiones

Cada experimento que se realice como parte de una práctica de laboratorio debe llevar

estas secciones. Ahora bien, cuando una práctica consta de varios experimentos, hay dos

formatos para presentar esa información:

1) Modalidad experimentos fragmentados.

2) Modalidad experimentos unificados.

Modalidad experimentos fragmentados

En este formato, las secciones del cuerpo del informe son las que se plantearon arriba

(Descripción, Procedimiento, etc.). Cada una de esas secciones tiene subsecciones que

corresponden a cada uno de los experimentos.

Modalidad experimentos unificados

En este formato, las secciones del cuerpo del informe está asociadas a cada uno de los

experimentos realizados. Cada sección está dividida en subsecciones (numeradas o no,

según se considere apropiado), que corresponden a las fases del desarrollo del

experimento (Descripción, Procedimiento, etc.).

Cuál de estas dos modalidades se emplee, es cuestión de criterios o conveniencias. En

términos generales, la modalidad de experimentos unificados es más fácil de escribir y de

leer. En el caso de esta guía, tenemos seis experimentos que han sido ordinalizados y

etiquetados así:

1. Examen cualitativo del movimiento en la pista parabólica.

2. Examen cualitativo del movimiento en la pista montaña rusa.

3.1 Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa,

Punto de retorno.

3.2 Examen cuantitativo de puntos notables en la pista montaña rusa,

Puntos de extremos locales.

4. Examen detallado del movimiento en la pista para descenso.

5. Efecto de la masa en el movimiento.

De esta misma manera deben estar identificados en el reporte cada uno de los

experimentos, y debe figurar la información sobre su desarrollo (Descripción,

Procedimiento, Resultados, Teoría, Confrontación, Conclusiones). En esta guía se solicitó

explícitamente alguno de estos aspectos para este o aquel experimento, pero en realidad

todos los experimentos deben llevar todos estos aspectos.

Guía elaborada por :

Guillermo Yory

Docente ECBTI

APÉNDICE

UNA REGLA PARA WINDOWS

El programa llamado “A ruler for Windows” presenta una regla que se superpone a toda

otra ventana abierta y permite medir dimensiones horizontales o verticales de elementos

de la pantalla. Una vez instalado, queda un ícono en el escritorio para lanzarlo. Sus marcas

numéricas corresponden a pixels de pantalla. Se puede controlar mediante los pequeños

botones en dos de sus esquinas o mediante teclas. Su funcionalidad más importante es esta:

1) Para arrastrar la regla con el ratón, tomarla del costado opuesto al de las rayitas.

2) Para desplazar la regla pixel por pixel en las cuatro direcciones, usar las teclas de flecha

en el teclado (la regla siempre es visible, pero para que opere su funcionalidad debe

estar activada, lo cual se logra haciendo clic sobre ella).

3) Para cambiar orientación de la regla entre horizontal y vertical, clic en el botón [/].

4) Para invertir dirección de numeración creciente, tecla r (útil para medir de abajo hacia

arriba).

5) Para colocar las rayitas en el costado opuesto de la regla, clic en botón [ ] .

6) Para rotular sobre la regla una lectura, clic en el costado de las rayitas.

7) Para mover la marca rotulada un pixel, combine la tecla de mayúsculas con las de

flechas.

8) Para borrar la lectura rotulada, presione la tecla c.

9) Para minimizar regla, clic en botón [-].

10) Para cerrar regla, clic en botón [x].

Otra funcionalidad se explica en el cuadro que aparece al hacer clic en el botón [?]. Algunas

posibilidades útiles son: cambiar el tamaño de la regla, restringir su movimiento a solo

horizontal o vertical, hacer zoom (ampliación) de la zona de pantalla que se va a medir para

obtener mayor precisión.

Nota: para esta práctica se necesita medir longitudes en la ventana del simulador en

unidades de los metros representados en esa imagen. Eso se puede hacer mediante una

conversión de pixels a esos metros, lo cual se realiza con regla de tres o mejor aún, con un

factor de conversión. Tenga en cuenta que el tamaño en pixels de las celdas de la cuadrícula

que aparece en la imagen depende del tamaño de la ventana del simulador. Mantenga este

siempre maximizado.