FISICA I 2014-II

LABORATORIO N° 5TRABAJO Y ENERGÍA

I. OBJETIVOS

o Determinar el trabajo realizado en un móvil y el cambio en la energía cinética provocada por el móvil.

o Comprobar experimentalmenteel teorema: trabajo y la variación en la energía cinética.

II. FUNDAMENTO TEORICO

Para un objeto con masa m¸ que experimenta una fuerza neta Fnet en una distancia d es

paralela a la fuerza neta, la ecuación muestra el trabajo realizado, W.Si el trabajo cambia la posición vertical del objeto, la energía potencial gravitatoria del

objeto cambia. Sin embargo, si el trabajo sólo cambia la velocidad del objeto, la energía cinética del objeto, KE, cambia como se muestra en la segunda ecuación, donde W es el trabajo, vf es la velocidad final del objeto y vi es la velocidad inicial del objeto.

III. MATERIAL DIDACTICO Para el desarrollo del tema, los alumnos utilizaran lo siguiente:3.1 Instrumentos y/o equipos

Xplorer GLX Sensor de Fuerza Sensor de Movimiento Carril de 1,5 m Carrito sin fricción

3.2 Materiales Balanza Digital. Cinta métrica.

IV. TECNICA OPERATORIA / PROCEDIMIENTO / RECOLECCION DE DATOS / RESULTADOS

Use un sensor de fuerza para medir la fuerza aplicada a un carro por una cuerda atada a una masa descendente. Utilice el sensor de movimiento para medir el movimiento del carro, ya que es tirado por la cuerda. Utilice el Xplorer GLX para grabar y mostrar la fuerza y el movimiento. Determine el trabajo realizado en el sistema y la energía cinética final del sistema. Comparar el trabajo realizado para la energía cinética final.

Procedimiento1. Encienda el GLXy abra el archivo de configuración GLX titulado workenergy.

El archivo está configurado para medir la fuerza 50 veces por segundo (50 Hz) y medir el movimiento 20 veces por segundo (20 Hz). La pantalla de gráfico se abre con una gráfica de

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la posición (m) y tiempo (s). El archivo también tiene un segundo gráfico (Gráfico 2) de la Fuerza (N) frente a la posición (m).

2. Conecte el sensor de movimiento del puerto 1 en el GLX y conectar el sensor de fuerza en la puerta 2.

Registro de Datos

NOTA: El procedimiento es más fácil si todo el grupo participa en la experiencia tanto en el manejo de los equipos como de la toma de datos con el GLX - Xplorer.

1. Arrastrar el carrolejos dela poleahasta que la masaque cuelga estéjusto debajo de lapolea2. De soporte del cable del sensor de Fuerza para que el carro pueda moverse libremente.

3. Pulse Inicio para comenzar el registro de datos. Suelte el carro para que se mueva hacia la polea

4. Pulse para detener lagrabación de datosjusto antes de queel carrollegue ala polea NOTA: No permitas que el carro golpee la polea.

Análisis

Utilice la pantalla gráfica para examinar la Posición versus el tiempo y los datos de velocidad versus el tiempo. Utilice el segundo gráfico (Gráfico 2) para examinar la fuerza versus posición. Grabe la información de las dos tablas para el procesamiento de la información.

V. INFORME

El informe deberá consignar1. Los dos gráficos, el primero: fuerza versus posición y el segundo: velocidad versus

tiempo2. Con el primer gráfico determinar el trabajo neto (área bajo la gráfica).3. Con el segundo gráfico y la masa determinada previamente, calcular el cambio de

la energía cinética.4. Dado que experimentalmente, los resultados no son iguales, determinar el

porcentaje de error. (la diferencia de valores/trabajo)x1005. Consignar una interpretación de los resultados.

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Montaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del EquipoMontaje del Equipo

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VI. CUESTIONARIO DE APLICACIÓN

1. Un cuerpo se desplaza 6 m al actuar sobre él una fuerza de 80 N. Calcula el trabajo realizado en los siguientes casos:a) Fuerza y desplazamiento tienen la misma dirección y sentido.b) Fuerza y desplazamiento tienen la misma dirección y sentido contrario.c) Fuerza y desplazamiento son perpendiculares.

Solución:a) El ángulo es de 0 grados

W = F ・ Δs ・ cosW = 80 x 6 x cos0W = 480 J

b) W = F ・ Δs ・ cosW = 80 x 6 x cos 180W = -480

c) El ángulo es de 90 grados:W = F ・ Δs ・ cosW = 80 x 6 x cos 90W = 0 J

2. Calcula que trabajo puede realizar en dos horas un motor que tiene una potencia de 100 W.Solución:Datos: t = 2 h = 7200 s P = 100W W =? P = W/t 100 = W/7200 W = 7200 x 100 W = 720000 J

3. ¿A qué altura debemos elevar un cuerpo de 80 kg para que tenga una energía potencial que sea igual a la energía cinética que tiene otro cuerpo de 50 kg moviéndose a una velocidad de 10 m/s?Solución:Datos: Cuerpo 1: m = 80 kg; h=? Cuerpo 2: m = 50 kg; v = 10 m/s Ep = Ec

Ep = m ・ g ・ hEp = 80 x 9’8 x h Ep =784 ・ h

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Ec = mv22

Ec = 50x 1022

Ec = 1000 784 . h = 1000 h= 1.28

4. Una piedra de 100 g de masa se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 54 km/h. Si despreciamos todo tipo de rozamientos, calcula:a) Altura máxima que alcanza.b) Velocidad que tendrá a 8 m de altura.

Solución:Datos: m = 100 g = 0,1 kg v = 54 km/h = 54000m/3600s = 15 m/s

a) Energía mecánica en el momento de lanzar:Em = Ec + Ep

Em = mv2

2 + mgh

Em = mv2

2 + mg0

Em = 0,1x 152

2 + o

Em = 11,25 JEnergía mecánica al alcanzar la altura máxima:

Em = mv2

2 + mgh

Em = mX 02

2 + mgh

Em = O+ 0,1X9.8X hEm = 0,98h11,25 = 0’98 ・ h h= 11,48 m|

b) Em = Ec + Ep

Em =mv2

2 + mgh

Em =0,1x v2

2 + 0,1X9.8X 8

Em =0,1x v2

2 + 7,84

11,25 J = 0,1x v2

2 + 7,84

V=8,26

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5. Una bomba de 1400 W de potencia extrae agua de un pozo de 25 m de profundidad a razón de 200 litros por minuto. Calcula:a) El trabajo realizado cada minuto.b) La potencia desarrollada por la bomba.c) El rendimiento de la bomba.

Solución:a) datos: P = 1400 W s = 25 m V = 200 Litros para el agua 1 litro pesa 1 kg m = 200 kg. t = 1 minuto = 60 s P = W/t W = F・Δs・cos

W = F ・ s ・ cos W= Peso ・ s ・cos W = m ・ g ・ s ・cos W= 200 X 9’8 X 25 X cos 0 W= 49000 J

b) P = W/t P = 49000 / 60 P= 816’67 W

a) n = W utilW motor

x 100

n = PutilPmotor

x 100

n = 816 ' 661400

x 100

n = 58,33 %

6. Si la potencia utilizada por un motor es de 5 000 W y su rendimiento es del 65 %, ¿cuál sería su potencia teórica?

P = 5 000 W

n = 65 %

n = 5000Pmotor

x 100

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65 = 5000Pmotor

x 100

65 X Pmotor = 500000

Pmotor =7692,32 W

7. La cabina de un ascensor tiene una masa de 600 kg y transporta a 4 personas de 75 kg cada una. Si sube hasta una altura de 25 m en 2 minutos, calcula:

a) El trabajo que realiza el ascensor.Solución:W = F ・ Δs W = (600+4X75) X 9,8 X 25W = 220500 J

b) La potencia media desarrollada expresada en kW y en C.V.Solución:P = W/t

P = 220500120

P = 1,84 KW

P = 11837,5 W X 1CV736W

=2.5

8. Un cuerpo cae por una montaña rusa desde un punto A situado a 50 m de altura con una velocidad de 5 m/s. Posteriormente pasa por otro punto B situado a 20 metros de altura. ¿Qué velocidad llevará al pasar por B?Solución: Em = Ec + Ep

Em1 = Em2

mv2

2 + mgh =mv

2

2 + mgh

mX 52

2 + m X 9,8 X 50 = mv

2

2 + m X9,8 X 20

12,5 +490 =0,5 X V2 + 196 V = 24,76

9. Una grúa eleva un peso de 200 N desde el suelo hasta una altura de 10 m en 10 s. Halle la potencia desarrollada en kW.Solución:W = F ・ Δs W = 200 X 10

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W = 2000 JP = W/t

P = 200010

P = 0,2 K W10. Desde una altura de 200 m se deja caer un objeto de 10 kg.

a) ¿Cuánto valdrá la energía potencial en el punto más alto?Solución:Ep = mghEp = 10 x 9,8 x 200Ep = 19600

b) ¿Cuánto valdrá su energía cinética al llegar al suelo?Solución:

Em = Ec + Ep

mv2

2 + mgh =Ec + 0

0 + 10 x 9,8 x 200 = Ec

Ec =19600

c) ¿Con qué velocidad llegará al suelo?Solución:Ec =19600

Ec =mv2

2

19600 =10x v2

2 V =62,61

d) ¿Qué velocidad tendrá en el punto medio de su recorrido?Solución:Em = Ec + Ep

Em1 = Em2

mv2

2 + mgh =mv

2

2 + mgh

0 + m X 9,8 X 25 = mv2

2 + 0

V = 22,14

VII. BIBLIOGRAFIA

ALVARENGA, Beatriz “FISICA GENERAL” Edit. Harla, México D.F. 1981

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KRUGLAK K, H y MOORE J. “MATEMÁTICAS APLICADAS A CIENCIA Y TECNOLOGÍA”, Libros McGraw – Hill. Colombia 1972

MEINERS, “LABORATORY PHYSICS”. John Wiley&Sons N.Y.SERWAY, R.A. “FISICA” Edit Interamericana, México D.F. 1985WILSON, J.D. “FISICA CON APLICACIONES” Edit. Interamericana, México

D.F. 1984

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