Experimento de Galileo: El plano inclinado (Fiz0112)

Experimento de Galileo: El plano inclinado

Objetivos

- Describir el movimiento de un objeto en un plano inclinado.

- Confirmar experimentalmente que el movimiento de los objetos en caída libre es uniformemente acelerado.

- Verificar la distribución normal de mediciones experimentales.

Introducción

En el siglo XVII Galileo Galilei presenta los principios del movimiento uniforme y uniformemente acelerado. Su definición acerca de estos tipos de movimiento es la siguiente:

Movimiento uniforme: Movimiento en el cual a intervalos iguales de tiempo corresponden iguales distancias recorridas.

Movimiento uniformemente acelerado: Movimiento en el cual variaciones iguales de velocidad ocurren en iguales intervalos de tiempo.

Esto es, si el movimiento es uniforme el desplazamiento está dado por,

donde , es la velocidad del móvil y

Para el movimiento uniformemente acelerado

donde es la velocidad inicial y a la aceleración. Para este tipo de movimiento, principios matemáticos simples permiten determinar que el desplazamiento viene dado por la ecuación,

donde es la posición inicial ()

En este laboratorio estamos interesados en discutir los aspectos físicos del problema de la caída libre de un objeto, específicamente, queremos saber si la caída natural de los cuerpos es un movimiento uniformemente acelerado.

Hoy sabemos que la aceleración debida a la fuerza de gravedad para todos los cuerpos en caída libre cerca de la superficie de la Tierra es constante e independientemente de su masa, esto es, tal como lo observó Galileo por primera vez, todos los cuerpos caen con una misma aceleración. Sobre la superficie de la Tierra esta resulta ser en promedio .

Para un cuerpo que se desliza sobre un plano inclinado bajo la acción de la fuerza de gravedad, si despreciamos el rozamiento su aceleración es:

donde es el ángulo que forma el plano inclinado con la horizontal.

Experimento

Este experimento tiene como objetivo “reproducir” las medidas realizadas por Galileo en el estudio del movimiento de caída libre de cuerpos por planos inclinados utilizando la tecnología disponible en el siglo XVII.

La idea consiste en medir el tiempo que demora un cuerpo en recorrer una determinada distancia al deslizarse por un plano inclinado para luego, hacer un gráfico de distancia recorrida versus intervalo de tiempo, versus y de distancia recorrida versus tiempo al cuadrado, versus , y verificar si el tipo de movimiento es efectivamente uniformemente acelerado.

De la ecuación (3) si el cuerpo parte del reposo y se desliza sobre el plano inclinado despreciando el rozamiento tenemos que , donde la constante de proporcionalidad es .

Equipamiento

• Barra para medir distancia.

• Pipeta graduada para medir tiempo (reloj de agua).

• Carro dinámico.

• Riel.

• Cronómetro (que no existía en el siglo XVII)

Note que queremos medir tal cual como en el siglo XVII, esto es, la distancia será medida de acuerdo a su unidad de medida que es la barra (que llamaremos b ) y el tiempo lo medirá en ml correspondiente a la altura de la columna de agua en la pipeta.

Montaje Experimental y procedimiento:

Plano inclinado

• Monte el riel como indica la Figura 1.

• Use su barra como unidad de medida ( b ) para medir distancia y marque cinco posiciones diferentes , () a partir del extremo inferior del riel.

• Desde cada una de las posiciones libere el cuerpo partiendo del reposo y con su reloj de agua mida el tiempo que demora en llegar a la base del plano (note que sus unidades de tiempo están dadas en ). Para cada posición repita el procedimiento cinco veces y extraiga el valor medio de tiempo (en ). Note que para minimizar errores en la medida de tiempo se escoge la inclinación del plano pequeña (¿Por qué?).

• Anote los resultados de sus mediciones en las siguientes tablas. Estime además el error en la medición de la distancia y el error en el tiempo. Explique detalladamente como estimó el error.

• ¿Cuáles son las principales fuentes de error en su experimento?

• Haga un gráfico de versus y versus que incluya las respectivas barras de error.

• ¿Qué puede decir acerca del tipo de movimiento?

• Calcule la pendiente del gráfico versus y a partir de esta estime la aceleración del carro. Compare su resultado con la ecuación (3).

• Convierta su resultado para la aceleración del carro a unidades del SI. Explique el procedimiento.

Distribución Normal

Dado que usted midió el tiempo en ml, puede verificar cuanto tiempo real corresponde cada medición. Para esto, debe utilizar el cronómetro y medir el tiempo que demora en caer una cantidad fija de agua muchas veces.

Para esto, deje caer 10ml y tome el tiempo que tarda en caer esos 10ml con el cronómetro. Repita esta medición 100 veces.

• Defina intervalos de tiempo de máximo 0.05 seg. Cuente cuantas mediciones caen en cada rango del intervalo de tiempo definido por usted (por ejemplo, cuántos quedan en el rango 1.50seg y 1.55seg; y asi sucesivamente)

• Grafique el número de mediciones que corresponden a cada intervalo de tiempo versus el tiempo (es decir, construya un histograma)

• Determine el promedio de la distribución y la desviación de éste (es decir, la varianza) Para esto, puede serle útil la información disponible en Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Varianza

Partes Adicionales

Usando materiales asociados a los montajes previos, y algunos recursos extra disponibles en el laboratorio, usted podría estudiar:

1. Variación de la aceleración con el ángulo de inclinación

2. Independencia de la aceleración con la masa del cuerpo

En esta sección, usted debe elegir al menos uno de estos fenómenos para estudiar. Debe registrar en su Acta lo que está analizando, cómo lo hace, los inconvenientes y resultados obtenidos, análisis, etc. Si usted se le ocurre algo interesante de medir, dentro del contexto del curso, puede agregarlo a la lista de “Adicionales”