oscilaciones en pendulo

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA PROFESOR: Cesar Cabrera Arista INTEGRANTES: Alzamora Lazaro Esvit Flores Caso Gina K. Carquin Marcos ,Maria F. Marquez Contreras , Daniel Montoya Claudio , Miguel Bellavista - Callao, 23 de mayo del 2014 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA Oscilaciones de péndulo simple LABORATORIO FISICA II

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Page 1: Oscilaciones en Pendulo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

PROFESOR: Cesar Cabrera Arista

INTEGRANTES:

Alzamora Lazaro Esvit Flores Caso Gina K. Carquin Marcos ,Maria F. Marquez Contreras , Daniel Montoya Claudio , Miguel

Bellavista - Callao, 23 de mayo del 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERIA

QUÍMICAOscilaciones de péndulo simple

LABORATORIO FISICA II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

INTRODUCCIÓN

El movimiento vibratorio o de oscilación es uno de los más frecuentes en la

naturaleza. Encontramos muchos objetos que lo realizan: La bolita de un péndulo

soltada desde una cierta altura, el extremo de un muelle después de haberlo

separado de su posición de equilibrio, los puntos de una cuerda de guitarra recién

punteada, la superficie de un tambor recién percutido. A escala atómica también se

produce de forma masiva este movimiento, puesto que los átomos, los iones y las

moléculas habitualmente vibran en torno a posiciones centrales o de equilibrio. Los

campos  (entidades no materiales portadoras de energía) también realizan

oscilaciones. Lo que oscila en este caso es la amplitud del campo.

Por ello la importancia del estudio y la determinación de las leyes y ecuaciones que

rigen el movimiento oscilatorio, en este caso el de un péndulo simple.

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OBJETIVOS

Reconocer y estudiar las características del movimiento armónico simple de

un péndulo simple.

Establecer y medir las cantidades físicas en el movimiento armónico simple

del péndulo.

Determinar las leyes físicas que rigen las oscilaciones del péndulo simple.

Medir las cantidades físicas en las actividades del péndulo simple.

Estudiar, experimentalmente el movimiento de un péndulo simple establecer

su correspondiente ley mediante la observación, medición y el análisis del

fenómeno.

Comparar las relaciones experimentales y teóricos para obtener nuevos

resultados.

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MARCO TEÓRICO

PÉNDULO SIMPLE

Llamamos péndulo simple a un ente ideal constituido por una masa puntual

suspendida de un hilo inextensible y sin peso, capaz de oscilar libremente en el

vacío y sin rozamiento. Al separar la masa de su posición de equilibrio y soltarla,

oscila a ambos lados de dicha posición, realizando un movimiento vibratorio.

En la posición de uno de los extremos se podemos representar las fuerzas,

según observamos en el gráfico:

El peso de la bola se

descompone en dos componentes: una primera componente que se equilibra con

la tensión del hilo, de manera que:

Por tanto la segunda componente del peso, perpendicular a la anterior, es la

fuerza resultante que origina el movimiento oscilante:

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Se observa que la fuerza recuperadora, que hace oscilar al péndulo, es

proporcional  a la elongación (X) y de signo contrario, con lo que podemos

afirmar que se trata de un M.A.S. Por ello, podemos comparar la ecuación que

caracteriza a este tipo de movimientos, que vemos a continuación:

,

Con la ecuación obtenida anteriormente:

Vemos que la pulsación es:

Teniendo en cuenta que:

Donde T es el período: Tiempo utilizado en realizar una oscilación completa,

llegamos a:

EQUIPOS Y MATERIALES

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MATERIALES DESCRIPCIÓN UTILIDAD

Xplorer GLX Es un equipo de adquisición de datos, gráficos y análisis diseñada para estudiantes y

educadores de ciencias. Admite hasta cuatro sensores PASPORT simultáneamente, además de dos sensores de temperatura y un sensor de

tensión.

obtener dos cosas muy importantes de un objeto en movimiento las cuales son

periodo y tiempo,

Regla metálica de Instrumento de medición con forma de plancha delgada y rectangular que incluye una escala graduada dividida en

unidades de longitud.

Se usó la regla metálica para trazar la longitud de cada

actividad del centro del cuerpo cilíndrico hasta las longitudes a

experimentar en el pabilo.

CALIBRADOR DE VERNIERDelicado instrumento, que

permite medirla profundidad y las

dimensiones internas yexternas de objetos de

Reducido tamaño.

Se usó el calibrador para Medir el diámetro del cuerpo

Cilíndrico puntual.

Soporte universal y nuezInstrumento que Sirve para

sujetar tubos de ensayo, buretas, filtración,

criba o embudos de decantación.

Lo utilizamos para colgar de él mediante la nuez, nuestro

péndulo simple.

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Cuerpo cilíndrico puntualHecho de hierro, homogéneo,

color marrónLo utilizamos como péndulo en

este experimento.

CALCULADORA CIENTÍFICA

Es un dispositivo quese utiliza para realizarCálculos aritméticos.

Se usó la calculadora para hallar el valor numérico del

periodo promedio.

Huachas o arandelas Se utilizan para soportar una carga de apriete.

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Disco delgado con un agujero, por lo común en el centro

Entre otros usos pueden estar el de espaciador, de

resorte, dispositivo indicador de precarga y

como dispositivo de seguro.

Fotopuerta

Dispone de transmisor y receptor infrarrojo montados en una carcasa robusta que evita

cualquier problema de desalineamiento.

Usada para el estudio de las oscilaciones de nuestro

péndulo. Un LED indica cuando la fotopuerta es

interrumpida.

Balanza de precisiónSu característica más

importante es que poseen muy poco margen de error, lo que

las hace ideales para utilizarse en mediciones muy precisas

La balanza analítica es un instrumento utilizado en el laboratorio, que sirve para medir la masa de nuestro

cuerpo cilíndrico del péndulo.

Pabilo

Es la mecha que está en el centro de la vela

Se usa para unirlo con el cuerpo cilíndrico y así

poder formar el sistema.

Hojas milimetradas

Son útiles de escritorio.Se utilizó para graficar la longitud en función del

período.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

ACTIVIDAD N° 1: Longitud versus Periodo.

1. Anote en la tabla 1, la masa y el diámetro D de la pesa puntual cilíndrica.

2. Conecte el cargo al enchufe de 220V y conecte su extremo libre al Xplorer,

espere a que termine de cargar automáticamente.

3. A continuación conecte la foto-puerta al puerto del Xplorer y observe la

pantalla. Active el campo que corresponde a péndulo y periodo. Luego

ingrese en metro, el diámetro del cilindro. Presione la tecla ¨chek ¨ y la tecla

casa.

4. Luego presione la tecla f1 y la pantalla del Xplorer le mostrara el periodo T en

el eje vertical y el tiempo t en horizontal. esta listo para iniciar las mediciones

experimentales.

5. Con la pesa cilíndrica, forme un péndulo simple de 10cm de longitud, tal

como se muestra en la figura 2.

6. Aleje el péndulo 10° grados de la vertical y suéltelo. active la tecla play del

Xplorer y después de 3 o 4 oscilaciones, presione la tecla play otra vez.

7. Tome lectura del periodo para esta longitud del péndulo y anote en la tabla 1

8. Repita los pasos 5,6y7, con otras longitudes del péndulo y complete la tabla

1

9. En papel milimetrado grafique L en función del periodo T.

Tabla N°1

L(m)=0.02242m m (g)= 60,3g

T(s) 0.72 0.92 1.2 1.4

L(m) 0,13450 19.85 0.3535 0.4885

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ACTIVIDAD N°2: Periodo versus Masa.

1. Con una pesa cilíndrica, forma un péndulo simple de 60 cm de longitud,

como en la actividad 1. Anote la mesa en la tabla 2.

2. Aleje en péndulo, 5°grados de la vertical y suéltelo. active la tecla play del

Xplorer y después de 3º4 oscilaciones, presione la tecla play otra vez.

3. Tome lectura del periodo para esta longitud del péndulo y anote en la tabla2

4. Agregándole una pesita (huacha)al péndulo , repita los pasos 1,2y3 complete

la tabla 2 con otras masas

5. En papel milimetrado grafique el periodo T en función de la masa M

Tabla N°2

T(s) 0.998 0.991 0.993 0.987

M(g) 94.6 123.8 151.7 178.9

ACTIVIDAD N°3: Periodo versus Amplitud.

1. Con una pesa cilíndrica, forme un péndulo simple de 80cm de

longitud, como en la actividad 1. Anote la masa en la tabla 3.

2. Aleje el péndulo, 5°grados de la vertical y suéltelo. active la tecla play

del Xplorer y después de 3 o 4 oscilaciones, presione la tecla play otra

vez.

3. Tome lectura del periodo para esta longitud del péndulo y anote en la

tabla3

4. Repita los pasos 1,2,y3 con las otras amplitudes que se indica en la

tabla3

5. En papel milimetrado grafique el periodo T en función de la amplitud A

Tabla N°3

T(s) 1,134 1,137 1,141 1,143 1,149

Θ˳ (grad ) 5° 10° 15° 20° 25°

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CUESTIONARIO

1. Con los datos de la tabla №1, realice una gráfica de longitud L en el eje vertical y el periodo T2 en el eje horizontal. ¿Qué concluye de la gráfica?

2. Realice un ajuste de mínimos cuadrados a la gráfica del problema 1 y determine el valor de la pendiente y el valor del intercepto. ¿Cómo se interpreta estos valores?

3. Muestre que el valor de la pendiente del problema 2, está relacionada directamente con la ecuación 4. Entonces determine el valor experimental de la gravedad y su diferencia con el valor internacional 9.8m

s2 .g=9.67m

s2

Escriba aquí la ecuación.

4. Con los datos de la tabla N°2 grafique el periodo en función de la masa ¿este periodo cambia notablemente al cambiar la masa del péndulo? Explique.

5. Demuestre que la ecuación diferencial (1) del péndulo simple es valida

para amplitudes menores que el 10% de la longitud del péndulo.

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De lo expuesto anteriormente podemos concluir que, como la amplitud

es tan pequeña, se le puede medir no como un arco sino como una

longitud horizontal.

Por tanto para que la ecuación diferencial del péndulo simple se

cumpla comprobaremos que debe ser el 10% de la longitud del

péndulo

De la figura anterior:

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Senθ = X/L

X = L Senθ

Ec. Diferencial de del péndulo Simple

Para el estado dinámico vale la segunda ley de Newton:

F = -mgsenθ = -mgx/L

Ahora en este punto. Para que se cumpla la ecuación diferencial del

péndulo simple se tiene que establecer que la amplitud es menor que

la longitud del péndulo.

Sabemos que para que resulte ser un péndulo simple el ángulo debe

ser mucho menor a 1 rad.

Senθ

Y para que se cumpla que el Senθ, lo vamos a justificar de la siguiente

manera:

Si la amplitud X = (el 10% de la longitud del péndulo)

X = θ.L

Senθ = X/L

Entonces:

Senθ = 0.1L/L

Senθ = 0.1

Y para obtener un resultado de 0.1, debe ser mucho menor a 1 rad

L.q.q.d.

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CONCLUSIONES

Después de haber realizado las mediciones y cálculos respectivos con respecto al

péndulo simple y su relación con la longitud, ángulo y masa se ha llegado a las

siguientes conclusiones:

El período de un péndulo sólo depende de la longitud de la cuerda y el

valor de la gravedad (la gravedad varia en los planetas y satélites

naturales).

Debido a que el período es independiente de la masa, podemos decir

entonces que todos los péndulos simples de igual longitud en el mismo

sitio oscilan con períodos iguales.

A mayor longitud de cuerda mayor período.

Queda demostrado que la longitud de la cuerda está en función del

periodo.

Que los puntos que marca el Xplorer GLX son más precisos debido a

que la cuerda no roza con la regla transportadora.

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RECOMENDACIONES

Como la masa no es puntual, la longitud del péndulo es la distancia desde el

punto de sujeción hasta el centro de masas del cuerpo cilíndrico, es decir la

longitud del hilo más el radio del cuerpo cilíndrico.

Para que el péndulo se comporte como un oscilador armónico, es necesario

evitar cualquier rozamiento del hilo.

Asegurarse que los materiales como por ejemplo el soporte universal debe

estar bien porque el mínimo movimiento perjudicaría la oscilación del péndulo.

Cuando se usa el Xplorer GLX debe usarse presionarse “play” antes de

soltarse el péndulo para que el sensor registre desde el principio.

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BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS

Galileo Galilei

Fue el primero en imaginar uno de sus inventos más relevantes, el péndulo, aplicado

a la medición del tiempo.

Gracias al matemático, profesor de filosofía natural y amigo de la familia,

Ostilio Ricci, quien le inicia en las matemáticas, Galilei encuentra una disciplina que

le satisface. Los progresos de su alumno son fenomenales y con muy buen criterio

Ricci comparte con su alumno la idea de abandonar la metafísica finalista (física

Aristoteliana) para emprender el estudio de los fenómenos físicos con absoluto rigor

científico.

Ya durante el inicio de estos estudios con Ricci, Galileo, comienza su estudio

personal de las matemáticas que pronto da como fruto su primer descubrimiento de

física: el isocronismo de las oscilaciones pendulares (entendemos por isocronismo la

igualdad de la duración de dos movimientos rítmicos). Sin embargo, debemos

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señalar que, sin ningún conocimiento de ello por parte de Galileo, el isocronismo fue

descubierto en el siglo X por el astrónomo árabe Ibn Junis.

En diferentes documentos se relata cómo Galileo descubrió el funcionamiento del

péndulo. Corría el año 1583; en la catedral de Pisa le llamó la atención el ir y venir

oscilante de una lámpara de aceite que pendía del techo. Observó que el tiempo que

tardaba en completar una oscilación era aproximadamente el mismo, aunque la

amplitud del desplazamiento iba disminuyendo con el tiempo. Por supuesto, Galileo

no disponía de cronometro alguno para medir con un mínimo de precisión ese

tiempo empleado por cada oscilación de la lámpara. No se le ocurrió otra cosa que

usar como patrón de medida su propio pulso; de esta manera Galileo pudo constatar

que el tiempo empleado era prácticamente el mismo en cada oscilación

independientemente de la amplitud recorrida.

Cuando Galileo comienza el estudio del movimiento de los cuerpos se da cuenta de

que las leyes de Aristóteles no se corresponden con la realidad aunque, a pesar de

ello, durante su carrera pedagógica enseña escrupulosamente el sistema de

Aristóteles. Pero su mala relación con los colegas partidarios de Aristóteles,

conocedores de sus investigaciones, ejercen una gran presión sobre el órgano rector

de la Universidad quien finalmente decide no renovarle el contrato. Después de 3

años Galileo abandona Pisa para ocupar la cátedra de matemáticas de la

Universidad de Papua, por entonces, perteneciente a la República de Venecia. Se

suceden los descubrimientos en diferentes campos pero es a partir de 1610 que

Galileo comienza la observación celeste y con ella el estudio del movimiento

planetario. De estos estudios y sus consecuentes razonamientos Galileo se pone del

lado de las disciplinas de Nicolás Copérnico que demuestran el doble movimiento de

los planetas: sobre sí mismos y alrededor del sol. Teoría que se vio obligado a editar

justo antes de su muerte.

Los ‘sabios’ de la Edad Media estaban ‘condenados’ a aceptar las tesis

preestablecidas (entre ellas la de Ptolomeo) so pena de condena por herejía. Por

ello las tesis de Copérnico fueron tan importantes. Marcaron el comienzo de una

revolución científica que fue el detonante del Renacimiento.

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Galileo creyó, ingenuamente, que la posesión de la verdad científica y su amistad

con ciertos colegas de su época le proporcionarían la inmunidad necesaria ante la

Inquisición para proseguir con sus trabajos con total libertad. Incluso, un amigo suyo,

el Cardenal Mario Barberini, fue nombrado Papa en 1623 con el nombre de Urbano

VIII.

En 1632 publicó el libro titulado: “Diálogo sobre los dos principales sistemas del

mundo”, brillante sátira que demostraba por medio del diálogo las fallas del sistema

geocéntrico tolomeico en comparación con el sistema heliocéntrico copernicano.

Su último libro, Diálogo sobre dos nuevas ciencias, en la que resumía todas sus

investigaciones sobre el movimiento y la mecánica, lo envió subrepticiamente a

Holanda, donde fue publicado en 1638.

Galileo tuvo que presentarse ante la las autoridades religiosas o ante la Inquisición

en varias ocasiones a partir de 1615 hasta que en 1633 el Papa Urbano VIII requiere

de su presencia en Roma. En 1633, cuando llega, se le prohíbe cualquier contacto

social. En abril Galileo es formalmente interrogado por la Inquisición y recibe una

sentencia indulgente. Urbano VIII decide que sea detenido por tiempo indefinido. En

una ceremonia formal en la iglesia de Santa María Sopra Minerva, Galileo se

retracta de sus errores.

En 1637 pierde la vista de un ojo y un año más tarde se queda totalmente ciego.

Poco años antes de su muerte, en 1641, Galileo reemprende la aplicación del

péndulo a la medición del tiempo. Con los bocetos e instrucciones de su padre,

Vicenzo intenta construir un reloj utilizando el péndulo como regulador pero un

sistema de escape imperfecto y una gran fricción del péndulo impidieron un mínimo

funcionamiento de este primer reloj de péndulo. Ni su hijo Vicenzo ni uno de sus

discípulos, Viviani, consiguen solucionar los problemas de marcha de este primer

péndulo de la historia.

El 8 de Enero de 1642, con 77 años, Galileo fallece. La Inquisición fue intransigente

con él hasta el último momento, no permitiendo la realización de un funeral público.

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La construcción del péndulo por Galileo fracasa y por tanto el mérito de la realización

técnica es de Huygens quien confió al relojero de La Haya, Salomón Coster, en

1657, la tarea de construir un reloj mecánico con volante pendular. Un reloj donde el

avance del rodaje que actuaba sobre las agujas de las horas y minutos era regulado,

por mediación del escape, en función de un movimiento periódico oscilante.

En 1669 publicó un tratado sobre la utilización del péndulo para determinar la

longitud en el mar. Más importante si cabe fue el descubrimiento del oscilador

formado por volante y espiral tan decisivo para el posterior progreso de la ciencia

relojera. En 1675 Isaac Thuret construyó el primer reloj con este oscilador bajo la

supervisión de Huygens.

A este genial inventor continuador de Galileo y precursor de Newton también le

debemos trabajos tan importantes para la relojería como la definición de la fuerza

centrífuga, el momento de inercia, la conservación de la cantidad de movimiento o el

descubrimiento de la resonancia. Probablemente Galileo no tuvo ni la salud ni el

tiempo suficiente para mejorar este último invento. Veamos un poco del tipo de

instrumento de que se trataba:

Durante el siglo XIV un genial anónimo descubrió el órgano regulador (más conocido

como escape) denominado ‘foliot’ o ‘roue de rencontre’ (rueda de encuentro). Solo

se conoce que el físico y astrónomo italiano Giovanni Dondi, alrededor de 1344,

construyo un reloj de pesas con este escape para la ciudad de Padua.

Este primer escape de la historia relojera se basaba en la parada momentánea del

movimiento del mecanismo durante un corto periodo de tiempo y a intervalos

regulares, de forma que su velocidad media se vea suficientemente ralentizada y

sobre todo constante. O dicho de otra forma: una pieza de metal (llamada ‘foliot’)

ejerce un movimiento de vaivén que controla (parando y dejando ir), a través de un

sistema de paletas, el movimiento de una rueda dentada (rueda de corona) a

intervalos de tiempo regulares.

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Al margen del sencillo rodaje conectado a la pesa para proporcionar al mecanismo la

fuerza motriz necesaria vamos a describir el tipo de escape que Galileo diseño y que

le causó tantos problemas (recordemos que este instrumento no llegó a funcionar

por lo menos en manos de Galileo o de su hijo Vicenzo).

El escape se puede clasificar dentro del género de los escapes libres a cuerpo

perdido y ‘à recul’ (de retroceso). Está compuesto de una rueda con dientes de

sierra y con unas pequeñas clavijas cilíndricas laterales. Dispone además de un

resorte pivotado llamado ‘de reposo’ y de una pieza que consta de dos levas: una de

liberación y la otra de impulsión.