Combinación de Fuerzas

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PRÁCTICA 5
Combinación de Fuerzas
Las leyes de Newton, formuladas en el siglo XVII, cambiaron la comprensión del movimiento
de los objetos y las fuerzas de interacción entre ellos. Impulsaron una revolución científica e
industrial que generó avances significativos, moldeando el curso del progreso humano. Estas
leyes, formuladas durante la Revolución Industrial, continúan dando forma a nuestro mundo
moderno.
Encuentran aplicación en diversos campos, incluida la búsqueda de SpaceX de hacer que
la humanidad sea multiplanetaria. Al comprender estas leyes, los ingenieros diseñan cohetes
que superan la gravedad de la Tierra y nos impulsan al espacio. Además, las leyes de Newton
sustentan el desarrollo de rascacielos, puentes colgantes, maquinaria avanzada y tecnología
deportiva. Un minucioso análisis de las fuerzas en estas construcciones permiten que sean
estables y duraderas.
Objetivos generales
1. Determinar la fuerza resultante de la combinación de dos fuerzas por el método del
paralelogramo y el cálculo directo.
2. Determinar la magnitud y dirección de la suma de dos fuerzas.
3. Comparar los resultados de fuerza resultante entre dos diferentes métodos.
4. Comprender los conceptos básicos de fuerza y la relación entre fuerza y masa.
5. Demostrar que cada fuerza de acción que actúa sobre un sistema se corresponde con
una fuerza de reacción que equilibra el sistema.
Resultados del aprendizaje
Al finalizar la práctica el estudiante será capaz de:
• Recordar los conceptos de fuerza, fuerza de reacción y la relación entre la fuerza y la
masa.
• Realizar mediciones de ángulo y fuerza de un dinamómetro.
• Analizar los datos obtenidos y determinar la magnitud y dirección de la fuerza resul-
tante de la combinación de dos fuerzas.
5.1 Lecturas previas a la práctica
5.1.1 Introducción a los vectores1
• Sección 3.6 - Método del paralelogramo para la suma de vectores
1http://cdigital.dgb.uanl.mx/la/1020115303/1020115303_007.pdf
19
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5.1.2 Las leyes del movimiento2
• Sección 5.1 - Concepto de fuerza
• Sección 5.2 - Primera ley de Newton y marcos inerciales
• Sección 5.3 - Masa
• Sección 5.4 - Segunda Ley de Newton
• Sección 5.5 - Fuerza gravitacional y peso
• Sección 5.6 - Tercera ley de Newton
5.2 Guía de laboratorio
5.2.1 Materiales
6 Varillas de soporte (30 cm)
2 Varillas de soporte (10 cm)
2 Bases de soporte
2 Doble nuez
1 Dinamómetro de 1N
1 Dinamómetro de 2N
2 Soportes para dinamómetro
1 Portapesas (10 g)
3 Masas plateadas de 50 g
4 Masas plateadas de 10 g
1 Cinta métrica
Hilo
5.2.2 Montaje
Primer Experimento
1. Formar un soporte largo con dos varillas
de 30 cm y fijarlo de forma horizontal a
las dos bases de soporte.
2. Formar otros dos soportes largos con las
varillas de 30 cm y atornillarlos a la ba-
se del soporte de forma vertical.
3. Colocar las dobles nuez en la parte su-
perior de las varillas de soporte.
4. Ajustar las varillas de 10 cm a las doble
nuez y colocar los soportes de dinamó-
metros en las varillas.
5. Colocar los dinamómetros en los sopor-
tes para dinamómetros.
6. Anudar el portapesas en la mitad del
hilo y anudar los extremos del hilo a
cada dinamómetro.
7. Colgar del hilo una masa total de 100g.
Figura 5.1: Masa de 100g sujeta por un hilo que
cuelga de un dinamómetros de 1N y un dinamó-
metro de 2N.
2Serway, R. A., Jewett, Física para ciencias e ingeniería, volumen 1 (pp. 100-109), 7ma ed.
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Segundo Experimento
1. Colocar verticalmente las varillas de soporte de 10 cm, con los soportes para dinamóme-
tro acoplados, sobre la base de soporte y ajustarlas. (Para ello remover cuidadosamente
el montaje del primer experimento.)
2. Situar horizontalmente los dinamómetros sobre los soportes y encerarlos (ajustar la
medida de forma que marquen cero). La parte de los dinamómetros que indica el módulo
de la fuerza debe apuntar hacia el centro.
Figura 5.2: Dinamómetro de 1 N y dinamómetro de 2 N conectados a sus ojales
5.2.3 Procedimiento
Primer Experimento
Primera parte - ángulos iguales
1. Colocar las doble nuez con los dinamómetros a la misma altura.
2. Sostener el disco graduado de forma que el centro del círculo coincida con el nudo del
hilo en el portapesas, y el portapesas se encuentre en la marca de 180°.
3. Variar la distancia de separación de las bases de manera que los ángulos que forman
los hilos de cada dinamómetro con el eje vertical sean iguales.
4. Anotar los valores de los ángulos y las fuerzas que marcan los dinamómetros.
5. Repetir los pasos 3 y 4 para ángulos de 20°, 30°, 40° y 50°.
Ángulo α1 [°] α2 [°] F1 [N] F2 [N]
20°
30°
40°
50°
Tabla 5.1: Registro de datos experimentales para ángulos iguales
Segunda parte - ángulos diferentes
1. Volver el equipo a la posición inicial.
2. Variar la altura del dinamómetro de 1 N, con el fin de cambiar el ángulo α1, mante-
niendo el otro dinamómetro en la misma posición.
3. Anotar los valores de las fuerzas y ángulos.
4. Repetir los pasos 2 y 3 para ángulos de α1 de 40°, 55°, 70°, 90° y 115°.
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α1 [°] α2 [°] F1 [N] F2 [N]
40°
55°
70°
90°
115°
Tabla 5.2: Registro de datos experimentales para ángulos diferentes
Segundo Experimento
1. Mantener un dinamómetro fijo y mover el otro dinamómetro, para esto sostener una
base y separar la otra base a lo largo de la varilla horizontal de soporte.
2. Anotar en la tabla 5.3 las medidas de fuerza de ambos dinamómetros cada dos centí-
metros de separación.
Mediciones F1 [N] F2 [N] x [cm]
1
2
3
4
5
Tabla 5.3: Registro de fuerzas de acción-reacción y desplazamiento del dinamómetro movible.
5.3 Tareas para el análisis
5.3.1 Primer Experimento
1. Dibujar el paralelogramo de fuerzas para cada medición de las tablas 5.1 y 5.2 y deter-
minar el valor de la fuerza resultante Fres.
2. Deducir la expresión del vector de fuerza resultante y encontrar su módulo.
(Sugerencia: Fijar su sistema de referencia en el nudo del hilo en el portapesas.)
3. Calcular el valor esperado (teórico) de la fuerza resultante Fcalc, para cada medición.
4. ¿Cuál es el error entre los valores obtenidos para la fuerza resultante por el método del
paralelogramo y el cálculo directo?
5. ¿Los dos métodos dan un resultado similar o diferente para la fuerza resultante?
6. ¿La fuerza resultante es igual a la fuerza gravitacional (peso) que experimenta el por-
tapesas con las masas?
5.3.2 Segundo Experimento
1. ¿Cuál es su sensación al estirar el dinamómetro?
2. ¿Por qué el dinamómetro no permanece en la posición a la que se le estira depués de
soltarlo? ¿Cuál es el fenómeno físico que experimenta?
3. ¿Qué relación existe entre las fuerzas medidas por los dinamómetros? ¿Cuál es la fuerza
resultante?
4. ¿Cuál es la dependencia funcional entre la fuerza y el desplazamiento del dinamómetro?
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5.4 Anexo
Figura 5.3: Disco graduado