coeficientes de friccion laboratorio de fÍsica i.docx
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LABORATORIO DE FSICA ITEMA: COEFICIENTES DE FRICCIONMerchn, L* Oliveros, M* Trujillo, M*.Ingeniera Ambiental. Sede Loma Linda, Villavicencio, Meta, Fsica mecnica Autores para correspondencia: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]
RESUMENEn este practica de laboratorio se estudi el fenmeno de coeficiente de friccin, tambin se reconoci la diferencia entre la friccin esttica y cintica, para esto se utiliz un plano inclinado de madera, tacos de madera de diferentes superficies, Escuadra de 45, Una polea, Masas de 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, Nivelador, y una Pita. Se empez escogiendo un ngulo para ajustar el plano inclinado para tener el desplazamiento del objeto, luego se esper a que se soltaran los tacos de madera por el plano, de all arrojaron unos resultados sobre la forma de desplazamientos del mismo, todos estos resultados los utilizamos para calcular el coeficiente de friccin mu (), y as finalizamos exitosamente la actividad propuesta por el docente. PALABRAS CLAVES: Peso, Movimiento, Esttica, Aceleracin.PHYSICS LABORATORY ITOPIC: COEFFICIENT OF FRICTION Merchn, L* Oliveros, M* Trujillo, M*.Environmental Engineering. See Loma Linda, Villavicencio, Meta,Physical mechanicsCorresponding Authors: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],[email protected]
ABSTRACT
In this lab, the phenomenon of friction coefficient was studied, the difference between static and kinetic friction, so that an inclined plane wooden wooden blocks of different surfaces bracket 45 , we used a pulley is also recognized , Bodies of 10 g, 20 g, 50 g, 100 g, Leveler, and Pita. He began choosing an angle to adjust the incline to keep the displacement of the object, then waited until the wooden blocks to break loose from the plane, there threw some results on how displacement thereof, all these results we use to calculate the coefficient of friction mu (), and thus successfully completed the activity proposed by the teacher. KEYWORDS: Weight, Motion, Static, acceleration.INTRODUCCION
El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por nuestros antepasados ms remotos para hacer fuego frotando maderas. En nuestra poca, el rozamiento tiene una gran importancia econmica, se estima que si se le prestase mayor atencin se podra ahorrar muchsima energa y recursos econmicos.Histricamente, el estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci que dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pas desapercibido.En el siglo XVII Guillaume Amontons, fsico francs, redescubri las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas.Una vez empezado el movimiento, la fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad. (Emmanuel Puentez, 2006)La resistencia a la friccin en el movimiento relativo de dos objetos slidos suele ser proporcional a la fuerza que presiona juntas las superficies, as como larugosidad de las superficies. Dado que es la fuerza perpendicular o "normal" a las superficies que afectan a la resistencia a la friccin, esta fuerza se suele llamar la "fuerza normal" y se designa por N. La fuerza de resistencia de friccin puede entonces escribirse: (Andy Suarez, 2008)friccin= N = coeficiente de friccin
k= coeficiente defriccin cintica
s= coeficiente defriccin esttica Modelo Estndar de Friccin
OBJETIVO
Calcular coeficientes de friccin esttica y dinmica.
Objetivos especficos
Medir el coeficiente de friccin esttico entre dos bloques de madera. Medir el coeficiente de friccin dinmico entre dos bloques de madera. Analizar cmo afecta la friccin en el movimiento sobre el plano inclinado.
MATERIALES
Plano inclinado de madera
Tacos de madera de diferentes superficies
Flexmetro
Una polea
Una Pita
MARCO TEORICOLa friccin es la oposicin que presenta las dos zonas de los materiales en contacto, durante el inicio, desarrollo y final del movimiento entre ellas, conlleva a consumos de energa, generacin de calor, desgaste y en algunos casos a fallas catastrficas.Los cuerpos que se mueven pueden ser slidos, lquidos gaseosos, una combinacin de dos ms de ellos.(Jones & Childers, 2001)La friccin se define como fuerza de friccin (F), es negativa y se opone al movimiento trasnacional y refleja qu tanta energa mecnica se pierde cuando dos cuerpos inician el movimiento se mueve entre si y es paralela y opuesta al sentido del movimiento. Refleja que tan eficiente enrgicamente es el mecanismo durante su funcionamiento. La fuerza de friccin se calcula de la siguiente ecuacin:(Jones & Childers, 2001)
F = N (1)Donde es el coeficiente de friccin esttico y N es la fuerza normal.Dado que el objeto est en reposo, a partir del diagrama de fuerzas se encuentran las ecuaciones: (Jones & Childers, 2001)- Fx = mgsen fx = 0 (3)
- Fy = N mg cos = 0 (4)
Cinemtica:Estudia el movimiento en s mismo sin preocuparse para la causa que lo produce. Pero encambiohay unos conceptos o una parte de lacinemticaque ayuda a estudiar el movimiento o inmovilidad en los cuerpos. (Celis Guillermo, 2008)
Dinmica:Se ocupa de las causas que originan el movimiento, es decir de que lo ms tarde llamaremos las fuerzas de lanaturaleza. (Celis Guillermo, 2008)
Esttica:Se ocupa de estudiarel estadodeequilibrioo reposo de los cuerpos.Otro punto importante que nos ayudara en el estudio es la segundaleydenewtonque dice:"la aceleracin de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza exterior resultante que acta sobre el cuerpo, y tiene la mismadirecciny sentido que dicha fuerza."Ya que afirma que cuando la fuerza resultante no es nula, el cuerpo se mueve con movimiento acelerado. La aceleracin, para una fuerza dada, depende de unapropiedaddel cuerpo llamada masa.. Es necesario que conozcamos cules son las fuerzas que actan sobre los cuerpos. (Celis Guillermo, 2008)
El peso: es la fuerza de atraccin gravitatoria que ejercela Tierrasobre los cuerpos que hay sobre ella. En la mayora de los casos se puede suponer que tiene unvalorconstante e igual alproductode la masa, m, del cuerpo por la aceleracin de la gravedad,g, cuyo valor es 9.8 m/s2 y est dirigida siempre hacia elsuelo. Cuando un cuerpo est apoyado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre ella cuya direccin es perpendicular a la de la superficie. De acuerdo con laTercera ley de Newton, la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma Magnitud y direccin, pero de sentido contrario. Esta fuerza es la que denominamosNormaly la representamos conN. (Celis Guillermo, 2008)
METODOLOGIA
Movimiento Esttico
Para iniciar con nuestro laboratorio fue necesario adaptar la mesa muy nivelada para un buen desarrollo del mismo.Se hizo el montaje de la Figura 1, donde se coloc el cubo de madera con diferentes superficies (lija, caucho, madera lijada y madera original), en un plano inclinado o rampla. Se vari el ngulo hasta conseguir que el cubo inicie el movimiento para conseguir el valor del ngulo. Se repiti el experimento 5 veces (para el mismo cubo de madera) con cada lado de la superficie para as llenar la tabla 1 y encontrar el promedio del ngulo.
La figura 1. ilustra el montaje experimental de la primera parte donde fue usado en la prctica, que corresponde al coeficiente de friccin esttico
Movimiento Dinmico
Pesamos y anotamos la masa del cubo de madera. Se realiz el montaje de la Figura 2 con una inclinacin de 300. Finamente, se coloc la masa m2 (0,1 Kg) donde la masa 2 o cubo de madera se movi con velocidad constante hacia arriba y se tom el tiempo 5 veces por cada lado de la superficie.
Figura 2. Se muestra el montaje experimental de la segunda parte que corresponde al coeficiente de friccin dinmico, la direccin de la fuerza de friccin depende de si el movimiento es de ascenso o descenso por la rampa.RESULTADOS Y ANALISISMOVIMIENTO ESTATICOe = tan () =coeficiente de friccin estticoLIJA CAUCHO MADERA LIJADA MADERA ORIGINAL
= 29.24 = 43.22 = 30.96 = 24.60
= 28.36= 45 = 28.36 = 26.56
= 34.21= 46.12= 34.21 = 26.64
= 30.96
= 44.42 = 33.42 =26.56
= 32.61= 45.56 =28.36 =23.74
PROMEDIO DE ANGULOS
31.07644.86431.06225.62
COEFICIENTE DE FRICCIONESTATICO
0.600.990.600.47
PROMEDIO DE LOS COEFICIENTES
0.665
Tabla 1. Promedios de ngulos y coeficiente de friccin esttico. (Fuente autor)En la tabla 1 se puede apreciar los ngulos hallados y el coeficiente de friccin para cada una de las diferentes caras del cubo de madera en el movimiento esttico.
Para calcular el coeficiente de rozamiento esttico () entre dos superficies se utilizar el montaje de la figura 3, tomando como eje x la distancia horizontal que fue de 0,50 m para todo el procedimiento y eje y la altura del cuerpo en el momento que empieza a deslizarse.
Figura 3. Plano inclinado de madera para calcular el coeficiente de rozamiento esttico.
Para hallar el coeficiente de friccin es necesario saber el ngulo de inclinacin que se form, para ello se utiliza la siguiente frmula, ya con los valores reales que obtuvimos en la prctica.(Lija)
Donde, Se calcula el promedio de los ngulos hallados
Y finalmente para hallar el coeficiente de friccin esttico para cada lado de las caras se aplic la formula , donde es el promedio obtenido de los ngulos por cada cara del cubo
El coeficiente de friccin esttico vara para cada cuerpo y este no permanece constante, yaque este depende principalmente del ngulo que forme el plano inclinado Y este es igual a su tangente. Al variar los ngulos es necesario para que el cuerpo entre en movimiento y desista su estado dereposo cambia absolutamente los efectos resultantes de coeficiente, esto sucede por las diferentes caractersticas de los materiales utilizados. La mayora de las superficies, aun las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a escala microscpica, es decir, la superficie de madera lijada aparentaba ser uniforme esta podra presentar una superficie ms pulida, esta tendra menor coeficiente de rozamiento que uno ms spera, teniendo en cuenta factores como la humedad relativa y la temperatura.
El rea de la superficie y el peso del cuerpo no influyen de una manera prioritaria para medir el coeficiente de friccin esttico, debido a que este no depende en gran medida de ellos sino del ngulo de inclinacin, aunque, si la superficie es muy rugosa, si tendra que usar un ngulo de inclinacin mayor para que el cuerpo se deslice, pero la superficie no necesariamente tiene que ver con el rea. En otras palabras, el rea real de contacto es, la superficie en la que las rugosidades microscpicas del objeto y de la superficie de deslizamiento se tocan realmente es relativamente pequea. Cuando un objeto se muevepor encima delasuperficiededeslizamiento,lasminsculasrugosidadesdel objetoy la superficie chocan entre s, y se necesita fuerza para hacer que se sigan moviendo.En cuanto al efecto que tendr la polea en la precisin del coeficiente de friccin dinmico se puede decir, que a pesar de que el efecto de la polea sobre la medicin del coeficiente de friccin es tan pequeo que se puede despreciar, sin embargo existe, y se debe a varios factores entre los que se encuentran la friccin entre la polea y la cuerda, la energa cintica de rotacin que presenta la polea en s misma, la friccin entre el eje de la polea y el soporte, entre otros.
La medicin de una magnitud tan pequea y exacta como el coeficiente de friccin entre dos superficies, est sujeta a numerosos errores cuando se utilizan aparatos y montajes simples como el utilizado en el laboratorio, por esta razn la comprobacin de las relaciones de igualdad, son valores aproximados.
El peso del cuerpo no tiene ningn efecto sobre el coeficiente de friccin esttico, como se demostr analticamente en nuestro experimento solamente es determinado por el ngulo en el cual el cuerpo se empiece a mover.
MOVIMIENTO DINAMICOLa fuerza de rozamiento dinmico es la que acta cuando el cuerpo est en movimiento con respecto a la superficie sobre la que se est moviendo. Dado el cuerpo (cubo de madera) sobre una superficie horizontal, como se ilustra en la figura 4, debe considerarse de acuerdo al diagrama de fuerzas, que sobre este cuerpo actan.Figura 4. Plano horizontal para calcular el coeficiente de rozamiento dinmico
Dado que el objeto esta en movimiento, a partir del diagrama de fuerzas y utilizando las leyes de Newton se encuentran las siguientes ecuaciones:
M1 M2
Formula despejada para hallar el (1)
El movimiento de los cuerpos de la figura 4, se puede considerar como un movimiento rectilneo uniformemente acelerado.ACELERACIN
LIJACAUCHOMADERA LIJADAMADERA RUGOSA
ax = ax = 3,16 ax = ax = 2,53 ax = ax = 6,22 ax = ax = 3,09
Tabla 2. Aceleracin para cada lado del cubo de madera. (Fuente autor)
Despus hallar la aceleracin de reemplazo los datos obtenidos en la formula despejada (1) para hallar el coeficiente de friccin dinmico, como se puede observar a continuacin.
M1 = 25,730gr=0,2573kgM2=100gr=0,1kg
Lija
2.09Caucho
2.45Madera lijada
0.32Madera original
2.13FRICCIN DINMICA
LIJACAUCHOMADERA LIJADAMADERA RUGOSA
2,092,450,322,13
Tabla 3. Friccin dinmica para cada lado del cubo de madera.El coeficiente de rozamientodinmico expresa la oposicin al deslizamiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto.El valor del coeficiente de rozamiento es caracterstico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrnseca de un material. Depende adems de muchos factores como la temperatura, el acabado de las superficies, la velocidad relativa entre las superficies, etc. La naturaleza de este tipo de fuerza est ligada a las interacciones de las partculas microscpicas de las dos superficies implicadas.Para calcular el coeficiente de rozamiento dinmico debemos calcular la aceleracin del bloque por el plano inclinado con un ngulo mayor al ngulo de rozamiento.
El coeficiente de rozamiento dinmico es el coeficiente de proporcionalidad que relaciona la fuerza de rozamiento que acta sobre un bloque que se desliza y la fuerza normal.En un plano inclinado, se tiene un cuerpo que se desliza, y siendo que est en movimiento, el coeficiente que interviene es el dinmico, as como una fuerza de inerciaFi, que se opone al movimiento sobre una superficie horizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:Fa: la fuerza aplicada.Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al deslizamiento.P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleracin de la gravedad.N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sostenindoloHasta que llega un momento en que la regla tiene tal elevacin que el bloque empieza a deslizarse. Esto no quiere decir que la Fuerza de Rozamiento ha dejado de actuar, sino que la Componente del peso es mayor, por eso el bloque se mueve. En este caso, la Fuerza de Rozamiento es igual al valor de la Normal por el Coeficiente de Rozamiento Dinmico.
CONCLUSIONES Al finalizar la experiencia, luego de analizar y hacer clculos correspondientes, podemos concluir es esta experiencia que el coeficiente de friccin esttica es menor que el coeficiente de friccin dinmica y que esta friccin no depende del rea de la superficie si no de la rugosidad de la superficie en contacto y del peso del objeto.
El coeficiente de friccin esttico acta cuando los cuerpos estn en reposo relativo en tanto que el dinmico lo hace cuando ya estn en movimiento.
El coeficiente de rozamiento esttico es igual a la tangente del ngulo del plano inclinado, en el que el cuerpo se mantiene en equilibrio sin deslizar, ello permite calcular los distintos coeficientes de rozamiento, simplemente colocando un cuerpo de un material concreto sobre un plano inclinado del material con el que se pretende calcular su coeficiente de rozamiento, inclinando el plano progresivamente se observa el momento en el que el cuerpo comienza a deslizarse, la tangente de este ngulo es el valor del coeficiente de rozamiento. Del mismo modo conocido el coeficiente de rozamiento entre dos materiales podemos saber el ngulo mximo de inclinacin que puede soportar sin deslizar.
El coeficiente de rozamiento dinmicode un cuerpo con la superficie de un plano inclinado, es igual a la tangente del ngulo del plano inclinado con el que el cuerpo se desliza sin aceleracin, con velocidad constante, por el plano.
Un cuerpo en reposo (en contacto con otra superficie) experimenta un cambio en la cantidad de movimiento cuando se le aplica una fuerza (F) mayor que la fuerza de rozamiento esttico.
BIBLIOGRAFAAndy Suarez. (01 de 12 de 2008). Definicion.De. Recuperado el 25 de 05 de 2015, de http://definicion.de/friccion/Celis Guillermo. (16 de 10 de 2008). Mecnica estructural. Esttica. Recuperado el 25 de 05 de 15, de Fundamentos de friccion: https://books.google.com.co/books?id=s1JUG8P72oQC&pg=PA241&dq=leyes+de+friccion+seca+coeficientes+de+friccion&hl=es&sa=X&ei=w9JkVbOLAY7gsAS-hYC4BQ&ved=0CCMQ6AEwAA#v=onepage&q=leyes%20de%20friccion%20seca%20coeficientes%20de%20friccion&f=falseEmmanuel Puentez. (10 de 07 de 2006). Practicas de fisica. Recuperado el 25 de 05 de 2015, de https://practicasdefisicaconemmanuel.wordpress.com/contenidos/fuerzas-de-friccion/Jones & Childers. (2001). Conceptos sobre Friccin. Estocolmo: Norma.