I.-OBJETIVOS:

Determinar experimentalmente el momento de inercia de una masa puntual y compárala con su valor teórico.

Determinar el momento de inercia de un cilindro hueco y compárala con su valor teórico.

Determinar el momento de inercia de un disco y compararlo con su valor teórico. Analizar usando Data Studio los resultados que se obtienen de mediciones y

observaciones, para predecir comportamientos previos o posteriores a la toma de datos.

II.- FUNDAMENTO TEORICO:

Por definición, sistema rígido es todo conjunto de partículas obligadas a permanecer a distancias relativas absolutamente fijas; por supuesto, no existen en la naturaleza sistemas de esta clase, ya que en las ultimas partículas componentes que forman todos los cuerpos (átomos) están siempre sometidas a algún movimiento relativo, este último microscópico, por la cual puede ignorarse a efectos de la descripción de movimientos macroscópicos.

TORCION

La relación equivalente rotacional de la segunda Ley de Newton para el movimiento rotacional es:

Dónde:

Α: aceleración angular

τ: torque

I: momento de inercia

Se define el torque como el producto vectorial vector posición por la fuerza:

El producto vectorial de la ecuación… momento de una Fuerza alrededor de un eje. El modulo del Torque es rFsenθ, por lo que puede introducirse la cantidad b=rsenθ, a esta se le llama brazo de Palanca.

La medida del momento de inercia para un cuerpo, no solo depende de la masa, sino de la forma como están distribuidos, es por eso que mientras más lejos este distribuida a masa del eje de rotación, la inercia rotacional es mayor. Momento de inercia de una distribución de masas puntuales.

Para una distribución de masas puntuales, el momento de inercia estaría dado por la ecuación:

Donde, xi, es la distancia de la partícula de masa mi al eje de rotación.

MOMENTO DE INERCIA DE UNA DISTRIBUCIÓN CONTINUA DE MASA

Pasamos de una distribución de masas puntuales a una distribución continua de masa, la formula a aplicar es:

Aquí, dm es un elemento de masa situado a una distancia x del eje de rotación.

MOMENTO DE INERCIA DE UNA VARILLA

Sea una varilla de masa M y longitud L respecto de un eje perpendicular a la varilla que pasa por el centro de masas y la masa dm del elemento de longitud de la varilla

El momento de inercia de la varilla es:

Aplicando el teorema de stenier, podemos calcular el momento de inercia de la varilla respecto de un eje perpendicular a la misma que pasa por uno de sus extremos.

Su momento de inercia es:

MOMENTO DE INERCIA DE UN DISCO

Para un disco de masa My radio R respecto de un eje perpendicular al plano del disco y que pasa por su centro, tal como se muestra en la figura:

Disco que gira a un eje perpendicular al plano y que pasa por su centro.

Asumimos un elemento dr que dista r del eje de rotación. El momento es un anillo de radio r y si lo estiramos lo convertimos en un rectángulo de longitud 2π cuya masa es:

El momento de inercia del disco es:

MOMENTO DE INERCIA DE UN CILINDRO

Un cilindro de masa M, radio R, longitud L respecto a su eje principal como en la figura:

Tomamos un elemento de masa que dista r del eje de rotación y una capa cuyo radio es r y el exterior es r+ dr, por tanto la masa dm que contiene esta capa

El momento de inercia del cilindro es:

Para un cilindro hueco es:

Donde: R1, R2 son radios Interior y Exterior respectivamente.

Calculo experimental del momento de inercia

Para determinar el momento de inercia tanto para una masa puntual como para una varilla, un disco y un cilindro, aplicaremos un torque y mediremos la aceleración angular resultante, luego haciendo uso de la ecuación (1), calcularemos el momento de inercia, recuerde que el torque es máximo cuando r y F son perpendiculares. En este caso la fuerza aplicada es la tensión T, de un hilo atado al aparato giratorio. La gravedad tira de una masa suspendida, m atada al hilo.

El valor de r es el radio de la polea del aparato. El radio es perpendicular a la fuerza aplicada (tensión), en consecuencia el torque es:

Luego por descomposición y la segunda ley de newton para la masa en suspensión m, resulta:

El torque aplicado será:

La aceleración lineal a, de la masa en suspensión en la aceleración tangencial, a t, del dispositivo que gira, luego la aceleración angular resulta:

Sustiyendo la ecuación (14) y (15) en resulta:

Esta ecuación permitirá calcular experimental el momento de inercia del sistema, partiendo de la aceleración tangencial, at y el valor conocido de la aceleración gravitacional g.

IV.- INSTRUMENTOS DE LABORATORIO

Computadora personal Software Data Studio instalado Interface Sciencie Worshop 750 Sensor de movimiento rotacional (CI-6338) Set de masas (ME-8976) Accesorio adaptador de base rotacional (CI-6690) Sistema rotacional completo Equipo de rotación 2.0 m de hilo negro Balanza analógica Regla de nivel Vernier

V.- PROCEDIMENTO Y ACTIVIDADES

PROCEDIMIENTOS PARA CONFIGURACION DE EQUIPOS Y ACCESORIOS1. Verificar la conexión e instalación de la interface.2. Ingresar al software Data Studio y seleccionar la actividad crear experimento.3. Seleccionar el sensor de movimiento rotacional de la lista de sensores, luego efectuar

la conexión usando los cables para transmisión de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.

4. Efectue la calibración correspondiente, elija para el sensor de movimiento rotacional una frecuencia de muestreo igual a 10Hz (registro por segundo), y 360 divisiones por giro; luego en calibración lineal seleccione polea grande.

5. Genere un grafico para la aceleración tangencial vs. Tiempo.6. Mida con un vernier de diámetro de la polea grande del sensor de movimiento

rotacional y calcule el radio.7. Realice el montaje del sensor de movimiento circular en el soporte del sistema

rotacional completo, usando el accesorio adaptador de base rotacional.8. Monte la plataforma rotante de aluminio, la cual previamente deberá ser pesada junto

con el eje del acero.9. En este punto haga una prueba con una masa en el porta pesas de 5gr.10. Usando las ecuaciones correspondientes calcule el momento de inercia del conjunto

solo, y anótelo en la tabla (1), este resultado deberá restarse de los resultados posteriores del momento de inercia.

MOMENTO DE INERCIA DE MASA PUNTUAL

1. Pese al elemento puntual y colóquela a una distancia conocida del eje de rotación, sobre la plataforma rotante de aluminio

2. Use inicialmente una masa de 5gr. y realice una medición, anote los datos de aceleración tangencial, el radio (r) es conocido (radio de la polea del eje rotante).

3. Calcule el momento de inercia restándolo del encontrado para el momento de inercia del conjunto solo.

4. Varíe la masa en el porta pesos adicionando 5gr. y efectué nuevamente una medición.5. Repita el proceso 5 veces y calcule el promedio.6. Compare estos resultados con el valor teórico dado por la ecuación (3) y determine el

error absoluto, relativo y porcentual anote sus resultados en la tabla (2).

EVENTO Aceleración angular

Masa aplicada

Radio de polea

Distancia respecto al centro de giro

1 0,39 552 0,49 603 0,55 65

MOMENTO DE INERCIA DEL DISCO

1. Pese el disco y colóquelo sobre el eje rotante tal como se muestra en la figura.2. Use inicialmente una masa de 5gr. y realice una medición, anote los datos de

aceleración tangencial, el radio (r) es conocido (radio de la polea del eje rotante).3. Calcule el momento de inercia restándole del encontrado par el momento de inercia

del conjunto solo.4. Varíe la masa en el porta pesos adicionando 5gr. y efectué nuevamente una medición.5. Repita el proceso 5veces y calcule el promedio.6. Compare estos resultados con el valor teórico dado por la ecuación (8). Determine el

error absoluto, relativo y porcentual, anote sus resultados en la tabla (3)

Tabla (3): momento de inercia del disco, eje de rotación perpendicular a su plano.

EVENTO Aceleración angular

Masa aplicada

Radio de polea

Distancia respecto al centro de giro

1 0,14 552 0,22 603 0,19 65

MOMENTO DE INERCIA DEL DISCO Y EL CILINDRO HUECO

1. Usando un vernier determine los radios interior R1 y exterior R2 del cilindro hueco, luego pese el cilindro y colóquelo sobre el disco en posición horizontal sobre el eje rotante tal como se muestra en la figura.

2. Use inicialmente una masa de 5gr. y realice una medición, anote los datos de aceleración tangencial, el radio r es conocido (radio de la polea del eje rotante)

3. Calcule el momento de inercia restándole del encontrado para el momento de inercia del conjunto solo.

4. Varíe la masa en el porta pesos adicionando 5gr. y efectúe nuevamente una medición, el momento de inercia no debe de cambiar.

5. Repita el proceso 5 veces y calcule el promedio.6. Este resultado debe restarse del momento de inercia mostrado en la tabla 3.7. Compare estos resultados con el valor teórico dado por la ecuación (11) y determine el

error absoluto, relativo y porcentual, anote sus resultados en la tabla 4.

Tabla (4): momento de inercia del cilindro hueco

EVENTO Aceleración angular

Masa aplicada

Radio de polea

Distancia respecto al centro de giro

1 0,34 552 0,57 603 0,51 65

VI.- CUESTIONARIO:

1. ¿Qué factores podrían motivar las diferencias entre los valores teóricos y experimentales? Justifique su respuesta.

Aceleración angular Masa aplicada Radio de polea Distancia respecto al centro de giro

2. Determine el radio de giro para cada uno de los elementos utilizados(varilla, disco y cilindro)

3. ¿a travez de que punto debe pasar el eje de rotación para que el momento de inercia sea mínimo en el caso de la varilla y el cilindro?

pasando por el centro de la masa

4. ¿si el eje permanece fijo con respecto al cuerpo rígido, el momento de inercia permanece constante?

Si

5. ¿mediante que ecuación se relacionan el momento de inercia y el momento angular para un cuerpo rígido?

Se relacionan mediante la aceleración angular con la aceleración tangencial, del dispositivo que gira.

6. Aplicando un razonamiento similar, al aplicado para el caso del cilindro y el disco, calcule el momento de inercia de una placa rectangular delgada de masa M de lados a y b respecto del eje que pasa por la placa.

7. Aplicando un razonamiento similar, al aplicado para el caso del cilindro y el disco, calcule el momento de inercia de una esfera de masa M y radio R respecto de uno de sus diámetros.

8. ¿Cómo se denomina el punto respecto al cual el momento estático de una distribución de masa es nulo?

Punto del objeto, o punto donde se aplica el impulso.

9. ¿Por qué el momento estático respecto a un plano es la proyección perpendicular al mismo del momento estático respecto a cualquiera de sus puntos?, explique

Porque nos permite calcular el momento de inercia del sistema, partiendo de la aceleración tangencial. Aplicando la segunda ley de Newton.

10. ¿Por qué el momento de inercia en el caso de una masa puntual respecto al punto en que esta concentrada es nulo?Porque se aplica un impulso en el punto del objeto.

VII.- CONCLUSIONES:

La masa y el momento de inercia en un sistema solo, dan en una masa un momento de inercia, radio y otras variables.

El momento de inercia de un objeto depende de su masa y de la distribución de la masa.

VIII.- BIBLIOGRAFIA:

Guía de laboratorio física UNA-PUNO

Guía de laboratorio universidad nacional de Trujillo

Física universitaria SEAR Y ZEMANSKI