incidencia de la elasticidad de los cinturones en los choques

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Page 1: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS

CINTURONES EN LOS CHOQUES

Luís Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez

RESUMEN

En este artículo se pretende demostrar a través de teorías y análisis de datos

obtenidos por medio de las experiencias, el impulso y la cantidad de momento

lineal o ímpetu de los choques de autos y cómo los cinturones de seguridad

influyen en el daño que puede experimentar un pasajero cuando se somete a

estas condiciones. Para ello nos ayudaremos de las leyes de Newton, los

resultados obtenidos los compararemos con las ecuaciones estudiadas en la

unidad.

ABSTRACT

In this article we pretend to demostrate through theories and analysis of data

obtained by the experiences, the impulse and the lineal quantity of the car crashes

and how the security belts have influence in the damage that a passenger can

experience when is exposed to such conditions. For it we will help ourselves with

the Newton laws, the obtained results we will compare with the equations studied

in the unit.

PALABRAS CLAVE

Page 2: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

� Leyes de Newton.

� Fluidos.

� Impulso.

� Velocidad.

� Cantidad de movimiento.

� Fuerza de acción – reacción.

� Choques o colisiones.

INTRODUCCION

Muchas veces nos hacemos preguntas relacionadas con lo que vivimos

diariamente, como por ejemplo la que demostraremos aquí, ¿Es más seguro para

un pasajero que sufra un accidente automovilístico, un cinturón de seguridad que

tenga longitud fija, o uno cuya longitud varíe durante el choque?

Para ello es importante tener unos conceptos muy claros, y saber por ejemplo que

hay preguntas relacionadas con la fuerza que no pueden contestarse usando

solamente las leyes de Newton, en este caso, es importante introducir conceptos

como cantidad de movimiento, impulso y conservación de la cantidad de

movimiento que nos ayudarán a discernir más fácilmente la pregunta planteada,

ya que estos son válidos en los momentos en que la mecánica newtoniana no es

suficiente.

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INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

Primero debemos tener en cuenta conceptos claves usados en las prácticas, los

cuales describimos a continuación.

Momento Lineal

Es también llamado Momentum o Cantidad de Movimiento, y se define como el

producto de la masa del Cuerpo por su velocidad lineal.

P = m .V [Kg. m/s]

Relación Entre Fuerza Neta y Cantidad de Movimiento:

Si se Calcula la variación de la cantidad de Movimiento en el Tiempo.

dt

dVm

dt

dmVVm

dt

d

dt

dP+== .).(

Si m no Cambia entonces:

amdt

dVm

dt

dP.

.==

∑ =dt

dPFext

Si se quiere cambiar la cantidad de movimiento de un cuerpo, es necesario aplicar

una fuerza externa.

Page 4: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

Matemáticamente si: PFext∑ →= 0 es Constante.

Consideremos un sistema aislado (∑ = 0Fext )

Por la Tercera ley de Newton:

1221 FF −= (Por Acción Reacción)

21F y 12F son Fuerzas internas en el sistema

∑ =+= 0int 1221 FFF

021=+

dt

dP

dt

dP ⇒ 0)( 21 =+ PP

dt

d

Lo Cual Significa:

21 PP + = Constante.

Significa que en un evento cualquiera dentro de un sistema aislado:

ffii PPPP 2121 +=+

Page 5: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

“En un sistema aislado la cantidad de movimiento inicial del sistema permanece

Constante.”

Las Fuerzas internas de un sistema aislado no cambia la cantidad de movimiento

del sistema.

Por consiguiente, en ausencia de fuerzas externas, la cantidad de movimiento total

del sistema es constante. Las fuerzas impulsivas que obran durante el choque son

fuerzas internas que no tienen efecto en la cantidad de movimiento total del

sistema.

Si consideramos después un sistema de 3, 4, o, de hecho de un número

cualquiera de partículas que sufren colisiones entre si por una simple extensión

del método usado para dos partículas, podemos demostrar que la cantidad del

movimiento del sistema se conserva. El único requisito es que no obren fuerzas

externas sobre el sistema.

Impulso

La integral de una fuerza en el intervalo durante el cual obra la fuerza se llama

impulso de la fuerza. Por consiguiente, el cambio en la cantidad de movimiento

de un cuerpo sobre el cual obra una fuerza impulsiva es igual al impulso. Tanto el

impulso como la cantidad de movimiento son vectores y ambos tienen las mismas

unidades y dimensiones.

En un choque obra una gran fuerza en cada una de las partículas que chocan

durante un corto tiempo; un bat que golpea una pelota de béisbol o una partícula

nuclear que choca con otra son ejemplos típicos. Por ejemplo, durante el intervalo

muy corto de tiempo que el bat está en contacto con la pelota se ejerce sobre esta

Page 6: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

una fuerza muy grande. Esta fuerza varía con el tiempo de una manera compleja,

que en general no se puede determinar. Tanto la pelota como el bat se deforman

durante el choque. Fuerzas de este tipo se llaman fuerzas impulsivas.

De un Resultado Anterior:

∑ =dt

dPFext

∑ =⇒=⇒= dtFextdPdt

dPFextFextFext .

∫∫∫ −⇒=

tf

ti

if

tf

ti

tf

ti

dtFextPPdtFextdP ..

∫=∆

tf

ti

FextP ∫=

tf

ti

dtFI .

tFI ∆= . F = Fuerza Promedio

Colisiones

Una Colisión es un Choque entre dos Objetos, aunque existen interacciones sin

que halla contacto.

En el momento del choque la fuerza que ejerce un cuerpo sobre otro, es mucho

mayor que cualquier fuerza externa.

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∫= dtFI .211 ∫= dtFI .122

Por la Tercera ley de Newton:

1221 FF −= Como PI ∆=

21 PP ∆−=∆

iiff

ifif

vmvmvmvm

vmvmvmvm

PP

22112211

22221111

21

0)()(

0

+=+⇒

=−+−

=∆+∆

Las colisiones ordinariamente se clasifican de acuerdo con lo que se conserve o

no durante el choque la energía cinética. Cuando se conserva la energía cinética

durante un choque, se dice que el mecanismo es elástico; si no es así, el choque

es inelástico. Las colisiones de las partículas atómicas y subatómicas, a veces son

elásticas. De hecho estas son las únicas colisiones verdaderamente elásticas que

se conocen. Sin embargo, a menudo podemos tratarlas como aproximadamente

elásticas, como en el caso de choques de bolas de marfil o de vidrio. La mayoría

de los choques son inelásticos. Cuando dos cuerpos quedan unidos después de

un choque se dice que este es completamente inelástico. Por ejemplo el choque

entre una bala y su blanco es completamente inelástico cuando la bala queda

ahogada en el blanco. Él termino completamente inelástico no significa que pierda

toda la energía cinética inicial.

Page 8: INCIDENCIA DE LA ELASTICIDAD DE LOS CINTURONES EN LOS CHOQUES

EXPERIENCIA 1

PROCEDIMIENTO:

Para el montaje de la experiencia se necesitó el juego de pesas descrito anteriormente, un censor de movimiento y otro de fuerza, la idea fue probar con diferentes pesos la fuerza y la aceleración de el carro, con respecto a las diferentes masas, y variando el peso del carro. Estos fueron los resultados obtenidos:

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ANALISIS Y DISCUSIONES: En esta experiencia se divide en dos. Una en la cual a una partícula con masa fija se le aplican distintas fuerzas (juego de pesas). En la otra experiencia a una masa variable se le aplica una fuerza constante. Estas dos experiencias realizadas aunque diferentes encierran una misma idea. Comprobar la relación F=m*a. Como podemos observar en la tabla 1 la aceleración depende F y m por lo tanto mientras mas fuerza de le aplica a un cuerpo a un masa constante su aceleración aumenta lineal mente, en la segunda tabla se muestra como al aumentar la masa del carro se disminuye la aceleración aplicando una fuerza constante. A través de este experimento se puedo concluir la dependencia que tiene la fuerza de otras variables tales como la masa y la aceleración o viceversa. Y como esta influye en el comportamiento mecánico de los cuerpos.

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EXPERIENCIA 2

Para la 2 experiencia fue necesario dos carritos y sus respectivos sesores de

fuerza, estos carritos era lanzados a colicios para asi poder observar su

comportamiento, y el sensor de fuerza noha mostraba los siguientes datos.

ANALISIS Y DISCUSIONES: las conclusiones sacadas en las pruebas pasadas encierran un tema muy importante. La tercera ley de newton acción-reacción . Como podemos ver los impulsos del canal A y el canal B son aproximadamente iguales (mínimo porcentaje de error) estos impulsos corresponden al área tomada bajo la grafica de fuerza vs. tiempo de cada un de los carros , por lo tanto su fuerza serán equivalentes . No importa los diferente ejemplos de contactos de choque entre dos cuerpo ya sea los dos en movimiento, diferentes masas, en conclusión las fuerza de reacción para las partículas será la misma, comprobando experimentalmente esta importante ley física. De hay su formula I = F*∆T

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EXPERIENCIA 3

PROCENDIMIENTO: pala realización de esta ultima fueron necesario para el mejor entendimiento dos pequeñas experiencias. Para la primera fue necesario un carro de prueba y un sensor de fuerza fijo en un extremo de la pista. Este sensor consta de un resorte en el extremo. La otra experiencia se asemeja a la experiencia # 2 pero se buscaba medir otras cantidades ajustando data estudio para encontrar otras variables se quiso buscar el momento lineal de las dos partículas.

ANALISIS Y DISCUCIONES: Por ultimo en esta experiencia se tomo el carro y se lanzo contra un sensor de fuerza cuyo extremo contaba con un resorte. Cuya función era devolver al carro la misma fuerza con la que este chocaba. La idea en este experimento fue tomar el área que se generaba bajo la fuerza y comprobar que esta misma es igual la

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diferencia del momento lineal, lo cual es lo mismo que afirmar que esta es igual a la diferencia de la velocidad multiplicada por la masa del cuerpo. En la segunda tabla se puede concluir que la variación del momento lineal inicial es igual para los dos de la variación lineal final corroborando así la conservación. De ahí las formulas I=∆P donde P=MV

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CONCLUSIONES

Conociendo ya lo más importante para sacar nuestras propias conclusiones y con

la ayuda de las experiencias realizadas en los laboratorios podemos deducir lo

siguiente.

Si una partícula choca contra un obstáculo, y su cambio de movimiento ocurre

durante un intervalo de tiempo largo la fuerza de impacto es pequeña, ya que el

tiempo durante el cual la cantidad de movimiento se reduce a cero al ser mayor

reduce la fuerza del impacto y la desaceleración es consecuente.

Por ejemplo si el tiempo de impacto se prolonga 50 veces, la fuerza de impacto se

reduce 50 veces. En conclusión, al prolongar el tiempo del impacto se reduce la

fuerza del golpe.

Por el contrario si la misma partícula choca sobre una superficie que no “da de sí”

es decir que no permite la distribución de la fuerza entonces el tiempo de impacto

es mucho menor y la fuerza soportada por esta es mucho mayor, y obviamente

hay más daño. Pero sin embargo debemos resaltar que el impulso en ambos

casos es el mismo porque cada uno experimenta el mismo cambio en la cantidad

de movimiento es la fuerza lo que es menor para el primer caso ya que la cantidad

de movimiento es mayor.

Esto nos responde de inmediato la pregunta planteada al inicio del artículo: En un

choque automovilístico, es más conveniente tener un cinturón de seguridad cuya

longitud varíe durante el choque ya que así se prolongará el tiempo de impacto

causado por la colisión y la fuerza soportada por el pasajero será menor con

muchas probabilidades que sobreviva.

Recordemos que en las colisiones, la tercera ley de Newton establece que la

fuerza que ejerce una partícula (1) es igual y opuesta a la fuerza de la otra

partícula (2), entonces la cantidad de movimiento en la colisión es cero, tanto

antes como después de la colisión.

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BIBLIOGRAFIA

• Paul G. Hewitt, “FISICA CONCEPTUAL” Pearson, Addison Wesley

Longman.

• Sears, Zemansky, Young, Freedman, “FISICA UNIVERSITARIA” Vol.1 11ª

Edición ” Pearson, Addison Wesley Longman.

• http://www.pearsonnedlatino.com

• http://www.pearsoneducacion.net/sears

• Mendoza Anibal, Ripoll Luis, Miranda Juan, “FISICA EXPERIMENTAL

MECANICA” 2ª Edición. Ediciones Uninorte.