Mateo Gavilanes¹

Escuela de Ciencias Biológicas e Ingeniería, Laboratorio de Biología 1, Yachay Tech University, 100119 Urcuquí, Ecuador

2023

Palabras claves: Fuerza, Aceleración, Masa, Gravedad, leyes.

Resumen En esta práctica se pretende realizar un estudio experimental de algunos conceptos fundamentales de la dinámica, como la fuerza, la masa, la aceleración y las leyes de Newton. Para ello, se utilizarán diversos materiales y dispositivos que permitirán medir y analizar el comportamiento de los cuerpos sometidos a diferentes tipos de fuerzas, como el peso, la fricción y la normal. Con el objetivo de comprender los principios básicos de la dinámica y aplicarlos a situaciones cotidianas y problemas prácticos. Se comprueba así que los resultados experimentales concuerdan con las predicciones teóricas de la dinámica, dando lugar a la comprobación de las 3 leyes de la fuerza y su influencia en el movimiento de cuerpos.

Keywords: Force, Acceleration, Mass, Gravity, Laws.

Abstract The aim of this practice is to carry out an experimental study of some fundamental concepts of dynamics, such as force, mass, acceleration, and Newton’s laws. To this end, various materials and devices will be used to measure and analyze the behavior of bodies subjected to different types of forces, such as weight, friction and normal. With the aim of understanding the basic principles of dynamics and applying them to everyday situations and practical problems. Thus, it is verified that the experimental results agree with the theoretical predictions of dynamics, leading to the verification of the 3 laws of force and their influence on the motion of bodies.

1. Introducción

La dinámica es la parte de la física que se ocupa de estudiar el movimiento de los cuerpos y las causas que lo originan. Para ello, se utiliza el concepto de fuerza, que es una magnitud vectorial que representa la acción que un cuerpo ejerce sobre otro. La fuerza puede provocar cambios en el estado de movimiento de un cuerpo, es decir, en su velocidad o dirección. La relación entre la fuerza y el cambio de velocidad se expresa mediante la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de su masa y su aceleración. La masa es una magnitud escalar que mide la cantidad de materia que tiene un cuerpo y que no depende de su posición o velocidad. La aceleración es una magnitud vectorial que mide el cambio de velocidad por unidad de tiempo [1-2].

Además de la segunda ley de Newton, existen otras dos leyes que describen el comportamiento de los cuerpos sometidos a fuerzas. La primera ley de Newton o ley de inercia afirma que todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza externa. La tercera ley de Newton o ley de acción y reacción dice que, si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, entonces B ejerce una fuerza igual y opuesta sobre A [2-3].

Entre las fuerzas más comunes que se presentan en la naturaleza se encuentran el peso, la fuerza de fricción y la fuerza normal. El peso es la fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo debido a la gravedad. La fuerza de fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto. La fuerza normal es la fuerza perpendicular que ejerce una superficie sobre un cuerpo que está apoyado sobre ella, basándonos en los siguientes conceptos se tiene que: [3]

• La dinámica se basa en las leyes de Newton, que describen la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el cambio de su estado de movimiento. [1-2]
  • La fuerza es una magnitud vectorial que representa la acción de un cuerpo sobre otro. Se mide en newtons (N) y se puede descomponer en componentes según un sistema de referencia. [3]
  • La masa es una magnitud escalar que representa la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Se mide en kilogramos (kg) y es una propiedad intrínseca del cuerpo que no depende de su posición o velocidad. [2]
  • La aceleración es una magnitud vectorial que representa el cambio de velocidad de un cuerpo por unidad de tiempo. Se mide en metros por segundo al cuadrado. y se puede calcular como la derivada de la velocidad respecto al tiempo o como el cociente entre la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo y su masa. [1-3]
  • La ley de inercia o primera ley de Newton establece que todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza externa.
  • La ley de fuerza o segunda ley de Newton establece que la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de su masa y su aceleración. [1]
  • La ley de acción y reacción o tercera ley de Newton establece que, si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre otro cuerpo B, entonces B ejerce una fuerza igual y opuesta sobre A.
  • El peso es la fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo debido a la gravedad. Se calcula como el producto de la masa del cuerpo y la aceleración de la gravedad [1]

Una posible comparación experimental relacionada con la dinámica es la de la conservación del momento lineal. El momento lineal es una magnitud vectorial que se define como el producto de la masa y la velocidad de un cuerpo. La conservación del momento lineal establece que, en un sistema aislado de fuerzas externas, el momento lineal total se mantiene constante antes y después de una interacción entre los cuerpos que lo componen. [4]

Para realización de este se utiliza un carrito. Donde se medirá la masa y se coloca en uno de sus extremos. Así se comprime el recurso y se suelta el carrito, midiendo el tiempo que tarda en recorrer una distancia conocida con la regla. Calculando la velocidad inicial del carrito como el cociente entre la distancia y el tiempo. Se repite el proceso con otro carrito de distinta masa y se calcula su velocidad inicial.

Este experimento permite comprobar la validez de la ley de conservación del momento lineal y observar cómo se distribuye el momento lineal entre los cuerpos después de una interacción.

2. Metodología

En Dinámica es fundamental cuantificar y describir las fuerzas que intervienen en el movimiento de una partícula, por ello en la presente práctica, se recurrió a planificar y ejecutar las siguientes actividades con el fin evaluar, en distintos diagramas de cuerpo libre, el rol que cumple una fuerza determinada en el cambio del estado de inercia.

De esta manera, la base para desarrollar los experimentos previstos fue el Set Mecánico de Física de la marca Phywe que cuenta con 25 elementos e instrumentos de medida (Figura 1); sin embargo, para la Tabla 1 y 2, se utilizó un bloque de madera de 0.1 kg externo al set, además de un dinamómetro de 0.01 N de apreciación (a) y un pin de soporte para tres pesas ranuradas de 0.05 kg (b). Seguidamente, en la Tabla 3 se anexó el uso un segundo dinamómetro de 0.02N de apreciación (a) junto con un soporte de base variable (b), cuatro barrillas metálicas de 0.3 m (b), set de pesos de precisión (0.001 kg-0.05 kg) (a), pesas ranuradas (0.01 kg-0.05 kg) (b), porta masa (b), hilo para pescar (b), nueces para asegurar (b) y pinzas metálicas (proporcionadas por la docente). Finalmente, en la Tabla 4 se armó una estructura para emular una superficie inclinada de ángulo específico con los materiales anteriormente mencionados, aunque se añadió un riel de aluminio (no incluido en el set), carrito con pin de soporte (b), polea pequeña con gancho (b), y se excluyó el dinamómetro de 0.01 N de tolerancia.

2.1  Actividad 1. Fricción estática

Los equipos tomaron el bloque de madera y el dinamómetro, de 0.01 N de tolerancia, para medir la magnitud de la fuerza necesaria para que el objeto rompa su estado de reposo. Se realizaron tres intentos. Por cada tabla, con masas variables en cada uno, iniciando con 0.05kg, seguido de 0.1 kg y finalmente 0.15 kg.

Los datos obtenidos se evaluaron en la Tabla 1 considerando que la superficie de madera del bloque esté en contacto con la mesa de trabajo; mientras que en la Tabla 2 cuando la superficie de goma esté en contacto con la mesa. En definitiva, esta actividad tiene como finalidad evaluar el coeficiente de fricción estático y su relación con el peso del objeto a mover, además de las superficies que están en contacto (Figura 2).

2.2  Actividad 2. Tensiones

En base a la explicación dada en clase por la docente, cada uno de los grupos realizó una estructura con el soporte de base variable, en la que en cada extremo se posicionaron nueces que sostuvieron pinzas metálicas, las cuales cuyo objetivo fue direccionar a los dinámetros hacia el centro. Posteriormente, se ató un trozo de hilo de pescar a los ganchos de los instrumentos para evaluar la tensión en ambos lados cuando varía el peso del porta masa (Figura 3). El objetivo principal de esta actividad fue datar el comportamiento físico de las tensiones ante el aumento de masa, con el fin de concluir su relación.

2.3. Actividad 3. Plano inclinado

Para culminar las actividades propuestas, finalmente se ejecutó una estructura de plano inclinado (Figura 4) en la que el riel se sujetó a uno de los soportes con la nuez ubicada en el punto más alto, mientras que el soporte dos, sostuvo al dinamómetro con ayuda de la pinza metálica. Por consiguiente, se ancló del extremo izquierdo al carrito con el instrumento; mientras que, del derecho, el inicio de un trozo (longitud inexacta) de hilo de pescar que tenía en su final un porta masa. Cabe recalcar, que el ángulo superior del triángulo rectángulo albergó a una polea pequeña por la que se extendió el sistema carro-porta masa. En esta actividad, se tomó la magnitud arrojada por el dinamómetro como tensión para analizar posteriormente el comportamiento físico de las fuerzas que intervinieron cuando la masa, del carrito y porta masa, variaba de 0.001 kg en cinco situaciones.

3. Resultados

Al cabo de finiquitar las actividades propuestas, se analizó los siguientes resultados obtenidos:

Actividad 1

Masa del bloque (kg)	Masas adicionales (kg)	Masa Total (kg)	Fr (N)	Peso (N)	𝝁𝒆
0.1	0.05	0.15	0.52	1.47	0.35
0.1	0.1	0.20	0.62	1.96	0.32
0.1	0.15	0.25	0.84	2.45	0.34

Masa del bloque (kg)	Masas adicionales (kg)	Masa Total (kg)	Fr (N)	Peso (N)	𝝁𝒆
0.1	0.05	0.15	1.3	1.47	0.88
0.1	0.1	0.20	1.7	1.96	0.88
0.1	0.15	0.25	2	2.45	0.82

Los diagramas de fuerzas presentados, junto con sus tablas correspondientes, muestran la relación existente entre la fuerza de fricción y el deslizamiento del cubo, ya que como se aprecia en la Tabla 1 y 2, el coeficiente de fricción estático es menor cuando la parte de madera del bloque está en contacto con la superficie de la mesa de trabajo; sin embargo, en el caso de la goma y la mesa, este es mayor. Debido a ello, se concluyó que esta diferencia ocurre, ya que la interacción molecular de ambas superficies provoca un fenómeno de adhesión, por tanto, está estrechamente relacionado con los materiales que entran en contacto. De este modo, al multiplicar el coeficiente por la normal de cada intento, se reflejará la fuerza mínima para que el objeto entre en movimiento, es por ello que esta será mayor cuando el bloque se deslice con la cara de goma hacia abajo a causa de una interacción fuerte entre las moléculas de ambas superficies [2].

Actividad 2

Masa (kg)	Peso (N)	𝑻𝟏 (N)	𝑻𝟐 (N)	𝜽𝟏	𝜽𝟐	𝑻𝟏𝒙 (N)	𝑻𝟏𝒚 (N)	𝑻𝟐𝒙 (N)	𝑻𝟐𝒚 (N)	∑ 𝑭𝒙	∑ 𝑭𝒚
0.02	0.196	0.10	0.10	61	61	0.048	0.087	0.048	0.087	0	-0.022
0.04	0.392	0.22	0.21	64	64	0.096	0.198	0.092	0.189	0.004	-0.005
0.06	0.589	0.34	0.32	68	68	0.127	0.315	0.120	0.297	0.007	0.023
0.08	0.785	0.42	0.44	70	70	0.144	0.395	0.150	0.413	-0.006	0.023
0.1	0.981	0.58	0.51	64	65	0.254	0.521	0.216	0.462	0.038	0.002

Los resultados obtenidos para esta experiencia son contundentes debido a que reflejan la relación de la fuerza, que ejerce el hilo y la fuerza gravitatoria en función de que el cuerpo aumenta su peso. Por ello, se evidencia el aumento de la tensión a medida que el cuerpo es más pesado, ya que la cuerda ejerce una fuerza igual, pero opuesta, para mantener equilibrio [3]. Por otro lado, experimentalmente se consiguió datos cercanos a cero, lo cual es muy alentador considerando los errores sistemáticos a los que esta experiencia fue sometida; sin embargo se observa también datos negativos, por lo que se teoriza que se debió a una distribución de peso inequitativa (intento con la masa de 0.08 kg) en uno de los extremos del porta masa colgante, debido a que el patrón en el que la tensión 1 es mayor a la dos, se rompe; además, en el caso de la sumatoria de fuerzas en y también se aprecia valores negativos, por lo que se intuye que igualmente hubieron situaciones externas que contribuyeron a que aumente el peso y la tensión no sea capaz de contrarrestarla. Finalmente, se concluye que a medida que el peso aumenta, de igual forma lo hace la tensión.

Actividad 3

Masa 1

𝑷𝟏 (N)

𝑷𝟐 (N)

Masa del carrito (kg)	Masas adicionales (kg)	Masa Total (kg)	Masa 2 (kg)	𝑻𝟏 (N)	𝑻𝟐 (N)	𝑻𝟑 (N)	𝑷𝟏𝒙 (N)	𝑷𝟏𝒚 (N)	𝑷𝟐𝒙 (N)	𝑷𝟐𝒚 (N)	𝑭𝒓𝒆 (N)
	0.01	0.11	0.03	0.11	0.294	0.294	0.035	0.104	0	0.294	0.150
	0.02	0.12	0.06	0.42	0.589	0.589	0.038	0.114	0	0.589	0.131
0.1	0.03	0.13	0.09	0.52	0.883	0.883	0.041	0.123	0	0.883	0.322
	0.04	0.14	0.12	0.72	1.177	1.177	0.044	0.133	0	1.177	0.413
	0.05	0.15	0.15	0.82	1.472	1.472	0.047	0.142	0	1.472	0.604

Gracias a los datos obtenidos se aprecia que para obtener la fuerza de fricción se consideró que la tensión 2 y 3 son las mismas, ya que el hilo del sistema está unido en extremo izquierdo al carrito y en el derecho al porta masa; además en m2 no se consideró una sumatoria de fuerzas en el eje x a causa de que el peso y la tensión son las únicas fuerzas que intervienen en dicho caso; además se obtuvo el ángulo del plano usando tangente. En vista de lo antes mencionado, se concluye que todas las fuerzas analizadas aumentan en función del peso. En primer lugar, la fuerza de fricción estática existe porque el carrito se encuentra en contacto con superficies no ideales, por ello la interacción molecular entre ellas será mayor a medida que la masa aumente, ya que se necesita una magnitud cada vez más elevada que rompa el estado de reposo [2]. Ahora, en T1 se ve que es menor que T2, ya que el carrito al pesar más tiende a dirigir el movimiento en el sentido de T1, por tanto, T2 es más elevada. Curiosamente, se esperaría que ambas tensiones sean iguales cuando ambos cuerpos tienen 0.15 kg, ya que el sistema estaría en equilibrio; sin embargo, por razones aleatorias los datos no son iguales, pero distan tan solo 0.6 N una de la otra.

Discusión

En vista de los resultados obtenidos se puede discutir la importancia de conocer aspectos básicos de las fuerzas que intervienen en un sistema, véase la acción de la gravedad en un cuerpo que incrementa su masa, o la fuerza de fricción entre distintas superficies, con el fin de explicar los resultados experimentales obtenidos y evitar una concepción errónea al explicar la manera en la que se expresa un comportamiento físico. Es por ello que también se cuestiona ¿conocer teóricamente la dinámica de los objetos contribuye a mitigar e identificar los errores experimentales? Respondiendo a dicha interrogante, la presente práctica fue útil para demostrar que los errores aleatorios influyen directamente en el entendimiento de la naturaleza de la Dinámica Newtoniana; sin embargo, también son prueba fehaciente de los resultados al no trabajar con circunstancias ideales como en los ejercicios de los libros de texto. En sí, este tipo de experiencias enriquecen el pleno conocimiento del entorno.

Conclusiones

En esta práctica de laboratorio se exploraron y aplicaron conceptos fundamentales de dinámica para comprender mejor el comportamiento de los objetos en movimiento. Con el principal objetivo que fue analizar y verificar experimentalmente con las diferentes prácticas que comprendían las diferentes leyes propuestas por Newton. A lo largo de la práctica, observamos una relación directa entre la fuerza aplicada a un objeto y su aceleración, lo que respalda la Primera Ley. Los resultados de nuestros experimentos confirmaron que estas leyes son aplicables en situaciones del mundo real y proporcionarán una sólida base experimental para comprender los principios fundamentales de la dinámica.

También se destacaron algunas limitaciones en el proceso, como la presencia de fricción y otras fuerzas no consideradas en nuestros experimentos, que pueden haber influido en las mediciones como la fuerza gravitacional y la Normal y tensiones en el caso del sistema de poleas

Referencias

Serway, R.A.; Jewett, J.W. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. 9ª ed. Cengage Learning, 2014; ISBN 978-607-522-497-9.

Alonso, M., & Finn, J. E. (1986). Física Vol. 1 Mécanica, 1ra Edición, Ed. Sistemas Técnicos de Edición, México.

Rivera Berrío, J. G. (2022). Tensión. En Física Volumen I. Libro interactivo (págs. 424-426). Córdoba, España Red Educativa Digital Descartes.

Laboratorio fisico. Experimento de conservación del momento lineal; 2023. Disponible en línea: 1 (accedido el 29 de noviembre de 2023).

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