Experimentos sobre los principios de la Dinámica de Newton

Concepto newtoniano de fuerza

 

EXPERIMENTOS SENCILLOS SOBRE FUERZAS

 
 
  PROPÓSITO DE LOS EXPERIMENTOS
GOLPE DE FUERZA
ACCIÓN Y REACCIÓN
PLANO INCLINADO
TENSIÓN EN UN PÉNDULO OSCILANTE
INTENTOS DE MEDIR FUERZAS PARA PRODUCIR MOVIMIENTOS CIRCULARES
ARCHIVOS DE DATASTUDIO

 

 

 

PROPÓSITO DE LOS EXPERIMENTOS

 
 

Después de haber trabajado en clase el concepto newtoniano de fuerza, es conveniente plantear a los estudiantes situaciones estáticas y dinámicas en las ellos deban identificar las fuerzas que intervienen, especificar la dirección y sentido de la fuerza resultante que produce o modifica determinados tipos de movimiento,.. Habitualmente, estos conceptos se trabajan exclusivamente mediante ejercicios de lápiz y papel.

 

 

 

El propósito de los experimentos sencillísimos que se exponen aquí es complementar estos procesos teóricos, poniendo a prueba las predicciones derivadas de los principios de Newton en algunos casos concretos.

Los estudiantes han de usar dinamómetros y sensores de fuerza para sostener objetos, para tirar de ellos produciendo movimientos variados, etc.., y deben estudiar en cada caso la relación de la fuerza con la evolución del movimiento.

 
 
 

 

GOLPE DE FUERZA

 
 

 

Antes de usar los sensores de fuerza interesa que se tome conciencia de su sensibilidad.

Con este objetivo planteamos un experimento destinado a medir una fuerza "instantánea", como la que puede producir a través de un hilo una bola lanzada con bastante velocidad alejándose del sensor. Cuando se tensa el hilo se ejerce un "golpe de fuerza" sobre el sensor.

 
     
 

 

El experimento permite comprobar que el sensor tiene mucha precisión y elasticidad, ya que en este caso pudo registrar una fuerza prácticamente instantánea (un golpe de fuerza de 3N en un intervalo de menos de 0,02s)

Al mismo tiempo se observa que el sensor registró una fuerza de 0.2N con el hilo completamente destensado (error de cero)

 

 
 
 

 

ACCIÓN Y REACCIÓN

 
 

Para verificar el tercer postulado de la Dinámica usamos una pareja de dinamómetros o de sensores de fuerza. Pedimos a los estudiantes que planteen posibles diseños experimentales adecuados para producir interacciones entre los dos sensores y  capaces de determinar la fuerza que cada uno ejerce sobre el otro.

 

 

Un diseño interesante coloca los sensores encima de la mesa del laboratorio enlazados entre sí y conectados a ordenadores diferentes (cada ordenador a cargo de un grupo). Al desplazar el sensor 1 tira del sensor 2, y, para cumplir el principio de acción y reacción, la fuerza que ejerce el sensor 1 sobre el sensor 2 tiene que ser igual a la ejercida por el sensor 2 sobre el sensor 1.

 

Se adjuntan las gráficas de seis interacciones consecutivas (6 tirones que se ejercieron, tirando de forma alterna desde cada sensor). La forma de los picos y el valor de la fuerza que en cada tirón le hace el sensor 1 al 2 y la que le hace en ese mismo tirón el sensor 2 al 1 son, como se espera, muy similares (no pueden ser idénticas teniendo en cuenta la imprecisión de las mediciones). En cambio, el valor mínimo de la fuerza que registra cada sensor (cuando no se tira de él) parece diferente. Esto indica un error de cero diferente. En este caso, se observa un desplazamiento del orden de 0.2N entre las mediciones de cada sensor.

 

 

 

 

En otro experimento se enlazan dos sensores de fuerza (conectados también a ordenadores diferentes) y se levantA uno de ellos hasta colocarlo en posición vertical mientras sostiene al otro. La fuerza que se ejerce sobre el sensor 2 (arriba) es el peso del sensor 1 (abajo) Aplicando el tercer principio de la dinámica newtoniana, se deduce que sobre el sensor 1 (abajo) se ha de ejercer una fuerza de tiro idéntica, pero dirigida hacia arriba.

 

Los resultados muestran la evolución de las fuerzas ejercidas usando los mismos sensores de la experiencia anterior. Los estudiantes tomaron medidas de todo el proceso: antes de la interacción, durante el levantamiento de los sensores y, finalmente, cuando el sensor 1 cuelga del sensor 2. Como se observa, estos resultados también confirman  las previsiones teóricas expuestas y volvieron a poner de manifiesto la misma diferencia en el calibrado de estos sensores.

 

 

 
 
 

 

PLANO INCLINADO

 
 

Para estudiar experimentalmente de forma muy sencilla los principios de Newton, se puede utilizar un carril inclinado con un carrito. Los grupos han de medir las fuerzas que se ejercen sobre el sensor en diferentes situaciones (sosteniendo el carrito, tirando de él,..) y, en cada caso, comparan esa fuerza con el peso del carrito. Con ayuda de un transportador de ángulos y/o mediante cálculo geométrico se puede medir y/o prefijar la inclinación del plano.

 

 

 

 

 

Se muestran resultados de uno de los experimentos, realizado con un plano inclinado 30º. El valor experimental del peso del carrito (la representación gráfica recoge el proceso de medida entero, desde antes de levantar el sensor, hasta que sostiene verticalmente al carrito) fue del orden de 1,10N, por tanto, bastante superior a la fuerza ejercida para sujetar el mismo carrito encima del plano inclinado (0,40N) y a la que se ejerció para tirar encima del plano del carrito, procurando mantener una velocidad constante (0, 44N)

En el documento vinculado se aplican los principios de la dinámica de Newton al estudio de movimientos de objetos en un plano inclinado. Siguiendo estas previsiones, en este caso deberíamos esperar una fuerza para sujetar el carrito encima del plano inclinado del orden de 0.55N. El hecho de que se necesite una fuerza menor indica que la propia fuerza de rozamiento también ayuda a la sujeción del carrito.

 
 
 

 

TENSIÓN EN UN PÉNDULO OSCILANTE

 
 

El péndulo simple ofrece buenas oportunidades para un uso riguroso de los principios de la Dinámica de Newton sobre un cuerpo en movimiento y la comprobación empírica de predicciones.  Pedimos a los estudiantes que describan cualitativamente el movimiento de la bola, que prevean en cada punto de su trayectoria la dirección y el sentido de la fuerza resultante (igual al de la aceleración) y que, finalmente, representen en varias posiciones la tensión del hilo (la fuerza resultante ha de ser siempre igual a la suma de la tensión más el peso)

 

 

Después de hacer estos razonamientos y realizar la oportuna puesta en común, se comprende que el valor de la tensión del hilo debe oscilar mientras oscila el péndulo. Ha de ser superior al peso de la bola en el punto más bajo (B) del movimiento pendular (ahí la aceleración es normal, vertical y de sentido ascendente) e inferior a éste en los puntos extremos (A, C), donde la aceleración se dirige hacia el interior de la curvatura y su componente tangencial se opone a la velocidad mientras el péndulo asciende.

 

Con los dinamómetros se pueden realizar dos experimentos: el primero consiste simplemente tomar nota de una medición del peso del péndulo; en el segundo los alumnos hacen oscilar al péndulo que cuelga del dinamómetro, tratando de observar visualmente si el muelle del dinamómetro se estira y se contrae durante la oscilación. Como se observa en el video grabado en el aula que se expone en la página dedicada a presentar los experimentos sobre el concepto newtoniano de fuerza, así se pueden observar cualitativamente unos cambios en la elongación del muelle que son conformes con el planteamiento teórico expuesto.

 

 

Para obtener resultados  más claros, interesa repetir el experimento usando el sensor de fuerza. Después de configurarlo para que indique fuerzas de tiro positivas, se ha de determinar el peso de la bola (igual a la tensión o fuerza de tiro medida colgando en reposo) y, en otro o en el mismo ensayo, se analizará la evolución de la tensión del mismo péndulo. Los resultados adjuntos muestran las gráficas de ambos ensayos obtenidas por uno de los equipos. En este caso, la tensión del péndulo osciló entre un valor máximo (del orden de 1.05N), mayor que el peso del péndulo (aprox. 0.90N) y un valor mínimo (del orden de 0.75N) menor, en la misma magnitud, que dicho peso.

 

 

Otro grupo realizó un ensayo único para medir ambas magnitudes. En la primera parte del ensayo mantuvieron el péndulo en reposo, para determinar su peso (en este caso 0.80N) y luego hicieron oscilar al péndulo para determinar la evolución de la tensión.

En este caso se observa que las oscilaciones se amortiguan progresivamente y ello se traduce en una aproximación paulatina entre los valores extremos de la fuerza. Se aprecia también cómo los picos o valores extremos de la tensión tienden a confluir hacia el valor del peso del péndulo.

 
 

 

 

INTENTOS DE MEDIR FUERZAS PARA PRODUCIR MOVIMIENTOS CIRCULARES

 
 

Mediante una secuencia de cuestiones planteadas al inicio del estudio de la Dinámica se trabaja el concepto de que para producir un movimiento curvilíneo hay que aplicar una fuerza de dirección oblicua a la velocidad del objeto. Si la fuerza es central (dirigida hacia un punto fijo) la trayectoria del cuerpo es cerrada (por ejemplo, una elipse) y si además es constante, el movimiento será circular uniforme.

 
 
 

 

Partiendo de estos conocimientos, pedimos a los grupos que planteen posibles diseños experimentales para producir un movimiento circular y determinar con el sensor la fuerza ejercida. Un diseño sencillo consiste en atar un objeto al sensor por medio de una cuerda y moverlo de tal forma que la cuerda tensa sea el radio de la circunferencia descrita. Usando una bola, ésta puede rodar encima de la mesa mientras describe un arco de circunferencia.

 

 

Los resultados típicos de estos experimentos muestran que al lanzar la bola, está tira del hilo y lo tensa ejerciendo una fuerza de tiro importante (en este ejemplo, 3N). Después la fuerza parece mantenerse constante en un valor muy bajo (entre 0.2 y 0.4N) durante el movimiento circular, a excepción de algún otro pico que se produce si cuando el movimiento irregular de la bola aumenta la tensión del hilo. Al ser tan pequeño el valor de la fuerza que se registra durante el movimiento circular estamos obligados a no atribuir valor alguno a la medición, pues recoge un valor igual o inferior el error de cero del aparato.

 

En vista de la dificultad que ofrece detectar la fuerza que mantiene el movimiento circular de la bola rodando encima de la mesa, buscamos otros diseños experimentales, procurando que la fuerza sea mayor, pero constante. Los experimentos realizados sobre el movimiento de oscilación de un péndulo sirven de inspiración para concebir un movimiento circular del péndulo, pero (con objeto de mantener constante la fuerza) en el que no varía la altura, es decir, un péndulo cónico. En una de las páginas dedicadas al estudio del movimiento circular uniforme se puede ver el video de un experimento, en el que se hace oscilar un péndulo cónico que cuelga de un dinamómetro. Así, se puede conseguir que las variaciones de tensión del hilo sean menores que la imprecisión del instrumento. Sin embargo, al sustituir el dinamómetro por un sensor de fuerza, se comprueba que en realidad se producen pequeñas variaciones de altura del péndulo y que es muy difícil mantener una velocidad constante del movimiento circular. Todo ello provoca oscilaciones de la fuerza registrada por el sensor.

 
 
 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Puedes descargar los resultados originales de los experimentos que se describen en esta página. Para abrir los archivos se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes departamentos de física y química de institutos de enseñanza secundaria.

 

Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"