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Dado que los sólidos son desconocidos, se decide utilizar el principio de Arquímedes para determinar sus densidades y luego calcular la masa a través de las mediciones de densidad y volumen. Además, medir los volúmenes con un vernier permitirá la caracterización geométrica de los sólidos, proporcionando información adicional sobre su estructura física, por ejemplo, si son sólidos con formas regulares o irregulares.

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Informe 1: Caracterización de Sólidos y Líquidos

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Informe 1: Caracterización de Sólidos y Líquidos

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El principio de Arquímedes establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático experimentará una fuerza de empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por el objeto sumergido:

E=d(líquido)*V(líquido)*g

Donde:

d(líquido): densidad del líquido

V(líquido): volumen del fluido desplazado

g: aceleración debido a la gravedad

La aplicación práctica de este principio se ve en tres posibles escenarios:

1. Si la densidad del objeto es mayor que la del fluido, el objeto se hundirá.

2. Si la densidad del objeto es igual a la del fluido, el objeto flotará sin hundirse ni elevarse.

3. Si la densidad del objeto es menor que la del fluido, el objeto flotará en la superficie del fluido.

Adicionalmente, se mide el volumen de cada material utilizando un vernier, lo que permite determinar su densidad.

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Caracterizar un material a partir de sus densidades teniendo en cuenta su masa y volumen a través del método de Arquímides y el método geométrico.

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Tabla 1. Datos obtenidos  experimentalmente para determinar la densidad de sólidos.

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Tabla 3. Resultados obtenidos para los dos métodos propuestos.

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Se evidenció como los instrumentos de precisión generan un porcentaje de error menor al 5,8% esto nos indica que el experimento  es reproducible para  caracterizar sólidos.

Se determinó las densidades de los cubos y con esto se  caracterizar sólido obteniendo como resultado:

cubo dorado: material cobre

cubo negro: material hierro

cubo plateado: material aluminio

canica común: material de ágata (mezcla de sílica)

canica plateada: material hierro

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Tabla 4. Datos experimentales para la determinación de la densidad en líquidos.

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Datos experimentales para la determinación de la Densidad en Líquidos

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Datos experimentales para la determinación de la Densidad en Líquidos

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Tabla 5. Resultados obtenidos para la determinación de la densidad en líquidos.

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La densidad del agua de 1,01g/mL con un 1% de error y la densidad del glicerol de 1,24g/mL con un 1,59% de error son ambos resultados aceptables desde el punto de vista de la precisión.

En general, ambos resultados son muy confiables y precisos, especialmente en el caso del agua, y pueden considerarse como mediciones válidas de la densidad de estos dos líquidos.

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Empleando las dimensiones de un sólido y utilizando el principio de Arquímedes, es posible calcular y establecer la densidad* de dicho sólido. Este principio se basa en la relación entre el peso de un cuerpo sumergido en un líquido y la fuerza de empuje que experimenta dicho cuerpo, permitiendo así obtener un dato crucial en la caracterización de materiales sólidos.

Densidad*: La densidad es una medida de cuánta materia se encuentra en un objeto o sustancia en relación con su volumen. Es una propiedad clave para la caracterización de materiales, utilizada para determinar composición, estructura y otras propiedades físicas.

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Datos experimentales para la determinación de la Densidad en Sólidos

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Datos experimentales para la determinación de la Densidad en Sólidos

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La caracterización de un material a partir de sus densidades mediante el método de Arquímides y el método geométrico puede proporcionar información valiosa sobre sus propiedades físicas. La comparación de los resultados obtenidos en ambos métodos permite verificar la precisión y confiabilidad de la medición.

La densidad del material puede usarse para identificarlo, calcular otras propiedades físicas y comprender su comportamiento en diferentes aplicaciones.

También es importante considerar las limitaciones de cada método; el método de Arquímides no es adecuado para materiales solubles en el fluido utilizado, mientras que el método geométrico puede ser impreciso para materiales con formas complejas.

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La medición experimental de la constante de gravitación en la ciudad de Medellín, a través del uso de un péndulo simple en el laboratorio de física, es esencial para comprender cómo la gravedad afecta objetos en la Tierra y en el espacio. Dado que la gravedad varía con la ubicación y las condiciones locales, especialmente en lugares como Medellín, situado a una altitud significativa, esta medición local proporciona información valiosa que complementa los datos más ampliamente conocidos y ayuda a mejorar la precisión de los cálculos y predicciones relacionados con la gravedad.

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Comprobar si existe una relación entre la masa oscilante y el periodo del péndulo.

Analizar de qué manera se encuentran relacionados la longitud del péndulo y el periodo del mismo.

Obtener una gravedad experimental muy próxima a la reportada teóricamente para la ciudad de Medellín.

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Mediante la utilización de un péndulo simple en la ciudad de Medellín y aplicando los conceptos derivados de Serway-Jewett (Vol. 1)[1], se plantea que es posible determinar el valor de la constante gravitacional con un mínimo porcentaje de error relativo en comparación con el valor teórico establecido.

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El péndulo simple es descrito como un sistema mecánico con un movimiento periódico, compuesto por una masa suspendida de una cuerda ligera de longitud L fija en el extremo superior. Este movimiento, generado por la fuerza gravitacional, se produce en el plano vertical, y cuando el ángulo θ de impulso es pequeño (menor a aproximadamente 10°), el péndulo exhibe un comportamiento muy cercano al de un oscilador armónico simple, lo cual puede ser representado mediante la siguiente ecuación:

T=2*π*RAÍZ(L/g)

Donde:

T: es el período de oscilación del péndulo

L: es la longitud de la cuerda

g: es la aceleración debida a la gravedad.

Esta relación permitiría, en teoría, determinar el valor de g en Medellín con una precisión significativa.

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La Ley de Hooke, en su forma estática, describe la relación entre la fuerza aplicada a un material elástico y la deformación resultante, expresando que la fuerza es proporcional al cambio en la longitud del material. Esta ley se expresa mediante la ecuación:

F=k*ΔL

Donde:

F: es la fuerza aplicada

k: es la constante de elasticidad

ΔL: representa la deformación.

Por otro lado, en un resorte ideal, el periodo de oscilación, T′, se relaciona con la masa suspendida del resorte, m, y la constante de elasticidad del resorte, k, a través de la ecuación:

T′=2*π*Raíz(m/k)

​​

Aquí, T′ representa el periodo de oscilación del resorte con la masa suspendida, m, y la constante de elasticidad, k, siendo la fuerza restauradora que cumple con la Ley de Hooke dada por F=−kx. Por lo tanto, a medida que la masa suspendida y la constante de elasticidad del resorte cambien, el periodo de oscilación, T′, también cambiará. En el caso de un péndulo simple, la longitud del péndulo, L, y la aceleración debida a la gravedad, g, son constantes, lo que implica que T es constante para un péndulo dado.

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Informe 3: Fuerzas de Fricción entre Superficies

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Informe 3: Fuerzas de Fricción entre Superficies

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La determinación del coeficiente de fricción entre diferentes materiales es una tarea fundamental en la física y la ingeniería. El coeficiente de fricción nos permite cuantificar la resistencia que existe al intentar mover un objeto sobre una superficie en comparación con otro objeto sobre la misma superficie. Se puede calcular experimentalmente utilizando diferentes combinaciones de materiales, como madera-madera, madera-aluminio, madera-paño, madera-acrílico, paño-aluminio, etc.

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Determinar y comparar los coeficientes de fricción obtenidos experimentalmente con los valores reportados teóricamente.

Comprobar que la fuerza de fricción no depende del área de contacto entre las dos superficies, sino de las propiedades físicas del material.

Aplicar las leyes de Newton a un objeto que se mueve en un plano inclinado.

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La determinación experimental del coeficiente de fricción estática y cinética entre dos superficies se logra al aplicar las leyes de Newton al objeto que se desliza sobre un plano inclinado. Esta metodología implica que el ángulo en el cual el objeto comienza a deslizarse por la fricción estática, así como la aceleración del objeto mientras se desplaza por la fricción cinética, son factores cruciales para determinar los coeficientes de fricción.

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Diagrama 1. Las fuerzas externas que se ejercen sobre un bloque que se encuentra sobre un plano inclinado rugoso son la fuerza gravitacional 𝑚𝑔 , la fuerza normal 𝑛 y la fuerza de fricción fs.

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La fricción estática, representada como Fe​, es una fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies que están en contacto. Esencialmente, es la fuerza que debe vencerse para iniciar el desplazamiento de un objeto. Su valor está siempre limitado a ser menor o igual al coeficiente de fricción estática, μe​ (el cual es un valor empírico y depende de los materiales en contacto), multiplicado por la fuerza normal entre las superficies. En contraste, la fricción dinámica, Fd​, es la fuerza que resiste el movimiento de un objeto que ya está en movimiento, a diferencia de la fricción estática. Cuando se realiza un diagrama de fuerzas al cuerpo que se desliza, usando el Diagrama 1, se encuentra que el coeficiente de fricción se puede calcular como:

μ=tan(θ)

Es decir, el coeficiente de fricción está dado por la tangente del ángulo que la fuerza de fricción (F) forma con la fuerza normal (N). En resumen, tanto la fricción estática como la dinámica juegan un papel importante en la resistencia al movimiento de los objetos y se pueden calcular con base en la relación entre las fuerzas que actúan en el sistema.

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[1]Raymond A. Serway, J. W. (2008). Física para ciencias e ingeniería (Vol. 1). Obtenido de http://www.fisica.unlp.edu.ar/materias/fisICIver/FpCeIS7EdV1.pdf, páginas 432- 433

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Tabla 2. Datos experimentales para la determinación de la densidad en sólidos por el método geométrico.

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Tabla 6. Longitudes, promedios de periodo y periodo al cuadrado tomados experimentalmente

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Gráfico 1. gráfico de periodo de oscilación frente longitud de la cuerda.

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Tabla 7. Longitud del resorte estirado, promedio de periodo, masa agregada al resorte y fuerza restauradora estática.

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Datos experimentales para comprobar la ley de Hooke

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Datos experimentales para comprobar la ley de Hooke

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Gráfico 2. gráfico de fuerza restauradora estática frente a la longitud  del resorte estirado

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Tabla 3. resultado de la gravedad usando el  método del péndulo simple

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Resultados y analisis del péndulo simple

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Resultados y analisis del péndulo simple

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Analizando el resultado de la gravedad experimental se puede observar que tiene un porcentaje de error muy bajo lo cual nos indica que este es un experimento reproducible.

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Resultado y análisis: comprobación de la ley de Hooke

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Resultado y análisis: comprobación de la ley de Hooke

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De la gráfica 2 se puede observar como la dependencia lineal de la fuerza restauradora y la longitud del estiramiento del resorte permiten obtener a través de la gráfica su respectiva ecuación lineal la cual arrojo un R^2 muy cerca a 1, esto nos permite obtener un certeza de una buena regresión lineal, donde el valor de la pendiente es el valor de la constante elástica del resorte usado, la cual es:

K=4,09 N / m

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Teóricamente, la masa no influye en la medición del periodo en un péndulo de movimiento armónico simple, se pudo observar que a medida que la longitud del péndulo se hacía menor, las oscilaciones en el mismo eran más cortas, es decir, tardaba menos tiempo en realizar una oscilación.

Finalmente, se obtuvo un valor de la gravedad relativamente cercano al real reportado para la ciudad de Medellín, el cual es 9.802 m/s^2

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Se determinó que factores como el peso o el área de contacto entre las superficies no influyen en el valor del coeficiente de fricción, sin embargo, aspectos como composición y características de la superficie sí influyen directamente en el resultado obtenido.

Además, se logró determinar el coeficiente de fricción estático y dinámico entre dos superficies, reconociendo así el fenómeno como algo real y perceptible en la cotidianidad.

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Tabla 9. Datos experimentales y resultados obtenidos para el método del plano inclinado.

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Tabla 10. Datos experimentales y resultados obtenidos para el método de aplicación de pesos.

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Tabla 8. Datos experimentales y resultados obtenidos para obtener el coeficiente de fricción estático utilizando el método del dinamómetro.

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Tabla 11. Comparación de los coeficientes de fricción medidos en la área grande y en el área pequeña del cubo.

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Debido a que no se pudo obtener el coeficiente de fricción teórico de la mayoría de materiales empleados, sólo se pudo hacer el porcentaje de error con el material madera sobre aluminio, obteniendo un error del 6,7% en el método del plano inclinado.

Encontramos en los métodos que:

El método del plano inclinado es sencillo y directo, pero puede ser menos preciso.

El método del dinamómetro es preciso y confiable, pero requiere de un equipo costoso.

El método de aplicación de pesos es simple, pero al igual que el plano inclinado, es menos preciso.

La elección del método adecuado dependerá de la precisión requerida, los materiales a utilizar y el equipo disponible.

Además, en la comparación del coeficiente de fricción obtenido con el área menor y el área mayor del cubo concluimos que el coeficiente de fricción no depende del área de contacto entre dos superficies ya que el coeficiente de fricción no depende del área de contacto entre dos superficies.

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Simulación 1: Determinación de la densidad

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Simulación 1: Determinación de la densidad