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FISICA LABORATORIO 3.docx

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Universidad nacional del altiplano E.P. Ingeniería Civil PRÁCTICA DE LABORATORIO N°3 FUERZAS DE FRICCIÓN I. OBJETIVOS: Calcular el coeficiente de fricción estática y cinética para deslizamiento en superficies arbitrarias. Analizar las variables que el movimiento dinámico presenta. Determinar el Error relativo porcentual cometido. II. FUNDAMENTO TEÓRICO Cada vez que empujamos o jalamos un cuerpo que descansa en una superficie perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir una cierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. Además hay ocasiones en el que al empujar el objeto este ni siquiera adquiere una velocidad y se mantiene en reposo. Esto se debe a que existe una fuerza que se opone a que este continuara deslizándose. Esta fuerza se conoce como la fuerza de fricción o de rozamiento. La magnitud de esta fuerza opuesta al movimiento depende de muchos factores tales como la condición y naturaleza de las superficies, la velocidad relativa, etc. Se verifica experimentalmente que la fuerza de fricción f, tiene una magnitud proporcional a la fuerza normal N de la presión de un cuerpo sobre otro. La constante de proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo designamos con la letra griega μ, la relación queda como: f=−μN…(1) El signo negativo se justifica se justifica a que esta fuerza se opone al movimiento de acuerdo a la figura (1). Si el movimiento fuera hacia la derecha, lo que mueve al móvil será la fuerza resultante R dada por la ecuación (2) R=mgsenƟuN … ( 2) Laboratorio de física 1
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PRÁCTICA DE LABORATORIO N°3

FUERZAS DE FRICCIÓN

I. OBJETIVOS: Calcular el coeficiente de fricción estática y cinética para deslizamiento en

superficies arbitrarias. Analizar las variables que el movimiento dinámico presenta. Determinar el Error relativo porcentual cometido.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Cada vez que empujamos o jalamos un cuerpo que descansa en una superficie perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir una cierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. Además hay ocasiones en el que al empujar el objeto este ni siquiera adquiere una velocidad y se mantiene en reposo. Esto se debe a que existe una fuerza que se opone a que este continuara deslizándose. Esta fuerza se conoce como la fuerza de fricción o de rozamiento. La magnitud de esta fuerza opuesta al movimiento depende de muchos factores tales como la condición y naturaleza de las superficies, la velocidad relativa, etc. Se verifica experimentalmente que la fuerza de fricción f, tiene una magnitud proporcional a la fuerza normal N de la presión de un cuerpo sobre otro. La constante de proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo designamos con la letra griega μ, la relación queda como:

f=−μN…(1)

El signo negativo se justifica se justifica a que esta fuerza se opone al movimiento de acuerdo a la figura (1). Si el movimiento fuera hacia la derecha, lo que mueve al móvil será la fuerza resultante R dada por la ecuación (2)

R=mgsenƟ−uN…(2)

Figura (1): Fuerza resultante R actuando sobre el bloque

TRATAMIENTO EXPERIMENTAL

Cuando se aplica una fuerza aun objeto que descansa sobre una superficie, que no se mueve hasta que la fuerza que se le aplica es mayor que la fuerza máxima debido a la

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fricción estática. El coeficiente de fricción estática (μs) es simplemente la relación entre la

fuerza de fricción estática máxima (F s) y la fuerza normal (FN).

µ= FsFN

….(3)

Para mantener el objeto en movimiento una velocidad constante, una fuerza se debe aplicar al objeto e igual a la fuerza de fricción cinética. Por lo tanto, el coeficiente de

fricción cinética (μk ) es la relación entre la fuerza de fricción cinética (F k) y la fuerza

normal (FN)

μk=FkFN

……. (4)

Ahora, si el grafico o el sistema tienen una configuración inclinada, donde la masa 1 unida al sensor de fuerza está ubicada encima del carril tiene un movimiento ascendente, tal como se muestra en la figura (2):

Figura (2): configuración experimental con pendiente.

Las ecuaciones que rigen serán:

∑ F=ma…(5)

Donde:

m: masa del móvil.

a: aceleración del móvil debido a la acción de la fuerza F.

N: es el producto de la masa del móvil y la aceleración gravitacional.

Por lo que debe encontrase las ecuaciones que permitan determinar los coeficientes de rozamiento estático y cinético.

Diferenciando la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción cinética, es que la primera evita que comience el deslizamiento y la segunda, se opone a la continuación del deslizamiento una vez comenzado.

El objeto se mantiene en reposo cuando se aplica la fricción estática; sin embargo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción estática máxima, el objeto empieza a

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moverse y pasamos al régimen de la fricción cinética. La fricción estática máxima está dado por:

f max=μsN…….. (6)

Donde: μscoeficiente de fricción estático

Y la fricción cinética:

f k=μk N…... (7)

Donde: μk : coeficiente de fricción cinética.

Cuadro (1): Coeficiente de Fricción.

Superficie Coeficiente de fricción

estático μs

Coeficiente de fricción

cinética μk

Madera sobre madera 0.4 0.2

Hielo sobre hielo 0.1 0.03

Metal sobre metal

(lubricado)

0.15 0.07

Articulaciones en humanos 0.01 0.01

Corcho sobre aluminio seco 0.4 0.3

Plástico sobre aluminio seco.

0.2 0.1

III. EQUIPOS Y MATERIALES:

Computadora personal Software data estudio instalado Interface Science Workshop 750 Sensor de Movimiento (CI -6742) Sensor de Fuerza (CI-6537) Cajón de fricción (material madera) Accesorios de fricción ME-8574 500g masas variables o bloques adicionales

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Una masa de accesoria de 0.25kg Conjunto de pesas (diferentes magnitudes) Carril, tope y polea más 1.60m de hielo negro Balanza analógica.

IV. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES

Procedimiento para configuración de equipos y accesorios.

4.1. Primera actividad

a. Verificar la conexión e instalación de la interfaceb. Ingresar al software data estudio y seleccionar la actividad crear experimentoc. Seleccionar el sensor de fuerza y armar de acuerdo al siguiente esquema:

d. Realizar la calibración manual, presionando el botón zero/tare del sensor de fuerza

e. Apertura las pantallas de fuerza vs tiempo para visualizar los resultados experimentales.

f. Anote los resultados en la Tabla(1), Tabla(2) y Tabla(3) según sea el material

Tabla (1): Datos evaluados para el material 1

CORCHO Material empleado

Parámetros Evento 1 Evento 2 Evento 3

Fuerza normal

Fuerza estática

Fuerza dinámica

Masa aplicada

Tabla (2): Datos evaluados par el material 2

PLASTICO Material empleado

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Parámetros Evento 1 Evento 2 Evento 3

Fuerza normal

Fuerza estática

Fuerza dinámica

Masa aplicada

Tabla (3): Datos evaluados para el material 3

MADERA Material empleado

Parámetros Evento 1 Evento 2 Evento 3

Fuerza normal

Fuerza estática

Fuerza dinámica

Masa aplicada

Segunda actividad

a. Verificar la conexión e instalación de la interfaceb. Ingresar al software Data Studio y seleccionar la actividad crear experimentoc. Seleccionar el sensor de movimiento y sensor de fuerza, de las lista de sensores,

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

d. Efectuar la calibración considerando una frecuencia para disparo de 5 registros por segundo para el sensor de movimiento y un muestreo lento de un registro por segundo para el sensor de fuerza, especificando tracción positiva con un valor máximo de 500gr y mínimo de 0gr.

e. Mida y anote la masa del cajón de fricción (Madera u otro elemento), la masa adicional, sensor de fuerza y masa total en la tabla (4).

f. Realizar el montaje de equipos y accesorios, tal como se muestra en la figura(2)g. Genere un gráfico para dos de los parámetros medidos por el sensor de

movimiento y de fuerza (aceleración y fuerza).

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DETERMINACION DE LOS COEFICIENTES DE FRICCIÓN

a. Coloque el móvil de 20cm del sensor de movimiento aproximadamente.b. En la porta pesos coloque una masa y pulse el botón inicio, agregue masas con un

avance de 10gr en cada caso. Cuando el conjunto móvil logre movimiento y llegue a la posición final (tope), pulse el botón detener.

c. Anote sus resultados en la Tabla (5), Tabla (6), indicando el material a emplear.d. Repetir los pasos de a) hasta c) 5 veces hasta completar las tablas propuestas.

Tabla (4): Masa del conjunto móvil

Masa del cajón de fricción (kg)

Masa adicional(kg) (posicion1, fig.(2))

Masa de sensor de fuerza (kg)

Tabla (5): datos del plano inclinado.

Material:…………….

Eventos 1 2 3

Aceleración

Tención cinética

Tención estática

Masa 1 (fig.(2))

Angulo de inclinación

Tabla (6): datos del plano inclinado.

Material:…………….

Eventos 1 2 3

Aceleración

Tención cinética

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Tención estática

Masa 1 (fig.(2))

Angulo de inclinación

Peso total 3.79

Tabla (5): Datos del plano inclinadoMaterial: PLÁSTICO

Eventos 1 2 3

Aceleración 0.4 0.6 1.3

Tensión cinética 1.93 2.07 2.41

Tensión estática 2.04 2.47 2.98

Masa 1fig(2)(g) 205 255 305

Angulo de inclinación 11 11 11

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V. CUESTIONARIOPrimera Actividad.

1. Con los resultados de la tabla (1,2 y 3) determine los coeficientes de rozamiento estático y cinético, para cada evento y material

f s=us .N f k=uk . N

Material (1)empleado: Plástico

Ecuación Evento 1 Evento 2 Evento 3

Coef. de roz. Estático

f sN

=us0.920.34

=2.71 0.920.34

=2.71 0.920.34

=2.71

Coef. de roz. cinético

f kN

=uk0.760.34

=2.24 0.550.34

=1.62 0.700.34

=2.06

Material(2) empleado: Corcho

Ecuación Evento 1 Evento 2 Evento 3

Coef. de roz. Estático

f sN

=us0.920.34

=2.706 0.830.31

=2.677 0.880.33

=2.667

Coef. de roz. cinético

f kN

=uk0.530.34

1.5590.370.31

=1.194 0.630.33

=1.909

Material(3) empleado: Lana

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Ecuación Evento 1 Evento 2 Evento 3

Coef. de roz. Estático

f sN

=us0.890.24

=3.708 0.890.29

=3.069 0.710.22

=3.227

Coef. de roz. cinético

f kN

=uk0.580.24

=2.417 0.540.29

=1.862 0.670.22

=3.045

2. Obtenga el promedio aritmético de los resultados de coeficientes de rozamiento encontrados en la anterior pregunta, para ello resuma sus respuestas empleando el siguiente modelo:

TABLA(7): Resultados experimentales instantáneos de coeficiente de fricción

material1 material2 material3coeficientes de fricción Us Uk Us Uk Us Uk

Valor2.706 1.971

 2.683

 1.554 3.335 2.441

Segunda actividad:

3. Utilizando los datos de las tablas 4,5 y 6 determine el coeficiente de rozamiento cinético y estático para cada evento y resuma sus resultados empleando la siguiente tabla(8)

F=m1 . aT−mg sen (θ )−f r=m1 . a

T−mg sen (θ )−µ.¿

μ=T K−mg sen (θ )−m1 .a

¿¿

Para el material 1 (plástico)

Evento 1 2 3 4 5

µs-0.115 -0.031 0.112 0.122 0.029

µk-0.131 -0.072 -0.002 0.056 -0.110

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TABLA (8): Resultados experimentales de coeficiente de fricción modo plano inclinado

Material 1 (plástico) Material 2coeficientes de fricción Us Uk Us Uk

Valor0.024 -0.052

OBSERVACIÓN: Para el material 2 no se obtuvieron los datos a falta de tiempo.

4. Determine el Error relativo porcentual de coeficiente de fricción para materiales similares, utilizando los resultados de las tablas (7, 8) comparados con los del cuadro (1).

Er (% )=¿V t−V ex∨ ¿Vt×100% ¿

V T es el valor teórico

V ex es el valor experimental

Material 1 (plástico) Material 2 (Corcho)Coeficientes de fricción

Us Uk Us Uk

Error relativo porcentual 118% 224%

5. Calcule la Tensión cinética y estática con los datos correspondientes para el esquema de la figura (2) para cada material.

T−mg sen (θ )−f r=m1 . a

T−mg sen (θ )−µ.¿

T=mg sen (θ )+µ.¿

T s=mg sen (θ )+µs .¿T k=mg sen (θ )+µk .¿

Datos según la tabla 4 y 5:M= m(sensor] + m1 = 0.334 + 0.04 = 0.1+2374a= 0.660

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g = 9.8θ=¿10° µs=0.2 µk =0.1

Remplazando en la ecuación:Ts= 1.605 Tk= 1.244

6. Determine el Error relativo porcentual de las Tensiones cinéticas y estáticas empleando los resultados teóricos de Tensión de la pregunta 5 y los experimentales anotados en la tabla (5) y (6)

Para el caso del Plástico, determinación del Error Relativo Porcentual Er (%):

Er(%) de la tensión cinética

Er (% )=¿V t−V ex∨ ¿Vt×100% ¿.

Er (% )=¿1.244−0.7∨ ¿1.244

×100% ¿

Er (% )=¿43.73 %

Er(%) de la tensión estática

Er (% )=¿V t−V ex∨ ¿Vt×100% ¿.

Er (% )=¿1.605−0.97∨ ¿1.605

×100%¿

Er (% )=¿39.56 %

7. ¿Cuál de las dos actividades realizadas, te parece más correcta, según los resultados de error hallados en las preguntas 4 y 6 anteriores?

La actividad teórica, debido a que en la actividad experimental nos encontramos con más errores, como por ejemplo la medición exacta de las fuerzas (normal, estática, dinámica), los sensores (fuerza y movimiento), y el ángulo.

8. ¿El coeficiente cinético varia con la velocidad?

El coeficiente cinético no varía con la velocidad, sin embargo la fuerza de rozamiento si varía.

9. ¿Qué es el coeficiente de viscosidad?, ¿tiene relación con el coeficiente de fricción?

Es la fricción interna entre las diferentes capas del fluido que se mueven a diferentes velocidades y se conoce como coeficiente de viscosidad.

Ff = fricción del fluido = -Knv 

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El coeficiente n depende de la fricción interna del fluido

El coeficiente de viscosidad en el sistema MKS se expresa en Kg / ms. La viscosidad puede expresarse en g / cms y es llamada poise, y abreviada P. El poise es igual a un décimo de la unidad MKS de la viscosidad. El coeficiente de fricción K depende de la forma del cuerpo. La relación entre ambos coeficientes es que pueden ser dinámicas o lineales.

10. ¿Según usted a qué se debe la diferencia entre tensiones cinéticas y estáticas determinadas de modo experimental y teóricamente?, explique.

La diferencia entre las tensiones cinéticas y estáticas es debida a sus coeficientes de rozamiento cinético y estático respectivamente.

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