Laboratorio Virtual #2 Mecánica: MOMENTO DE FUERZA

Por: Erwin H Gonzalez

         Erwin Gonzalez

RESUMEN

La mecánica en la actualidad se ha convertido en un hecho de gran importancia, debido al avance arquitectónico significativo y por la necesidad de lograr diseños más eficientes que permitan facilitar aún más la vida cotidiana del ser humano. Resulta importante considerar el formalismo teórico implicado en cada proceso del diseño de estructuras para tener una mayor seguridad en la implementación de los mismos. En esta experiencia estudiaremos las consideraciones importantes del momento de fuerza y centro de masas y la aplicabilidad a la vida cotidiana.

ABSTRACT

Mechanical today has become a fact of great importance due to significant architectural advancement and the need to achieve more efficient designs to ease the daily lives of human beings even more. It is important to consider the theoretical formalism involved in every process of designing structures for greater security in implementing them. In this experiment, we will study the important considerations of the moment of force and center of mass and applicability to everyday life.

                                                                                     I.          INTRODUCCIÓN

Este trabajo se constituye como una experiencia en el campo de la Física, que busca la resignificación de la mecánica. Se abordan diferentes temáticas como el momento de fuerza y centro de masa. A partir de la experiencia con un sistema ejemplificando los casos mencionados anteriormente se pretende reforzar los conceptos aprendidos previamente correlacionando los fundamentos matemáticos básicos y además de mostrar la importancia de la comprensión teórica de cada uno de los fenómenos para el desarrollo de un sistema más eficiente y seguro.

                                                                                             II.          OBJETIVOS

1- Calcular el momento de una fuerza

2- Aplicar el concepto de momento de una fuerza al estudio del equilibrio de una barra.

3- Estimar el centro de masa de una distribución de masas.

                                                                                 III.          MARCO TEÓRICO

Se denomina momento de una fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud pseudo vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza (con respecto al punto al cual se toma el momento) por el vector fuerza, en ese orden. También se denomina momento dinámico o sencillamente momento. Ocasionalmente recibe el nombre de torque a partir del término inglés (torque), derivado a su vez del latín torquere (retorcer).

Los términos centro de masa y centro de gravedad, se utilizan como sinónimos en un campo gravitatorio uniforme, para representar el punto único de un objeto o sistema que se puede utilizar para describir la respuesta del sistema a las fuerzas y pares externos. El concepto de centro de masa es el de un promedio de las masas, factorizada por sus distancias a un punto de referencia. En un plano, es como el punto de equilibrio o de pivote de un balancín respecto de los pares producidos.

                                                                   IV.          MONTAJE EXPERIMENTAL

A.    MOMENTO DE UNA FUERZA:

(http://salvadorhurtado.wikispaces.com/file/view/momento.swf) Link de referencia.

Materiales: Como muestra la figura anterior este es un montaje experimental virtual, que nos permite realizar un laboratorio simulado, con un alto grado de precisión, y que a su vez elimina la limitante de la carencia de equipo experimental. El montaje experimental está compuesto por:

Ø  barra graduada.

Ø  Dinamómetro.

Ø  Porta pesas.                         

Ø  Pesas.

Procedimiento: para comprender de manera simple esta ley básica de la física, hacemos uso del estudio de las variables mostradas en a continuación:

1-    Coloca en el porta pesas una masa de 200g y completa la tabla:

D(cm)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
F(N)

Donde: d es la distancia del porta pesas al eje de giro (tornillo) y F es la fuerza que marca el dinamómetro.

2- Repite la experiencia anterior colocando en el porta pesas 2 masas de 200 g y luego 3 masas de 200 g.

3- Determina en cada caso el peso del porta pesas (considera despreciable la masa del porta pesas y toma g= 10 m/s2)

4- Comprueba que en todos los casos el momento que ejerce el porta pesas es igual al momento que ejerce el dinamómetro:

Ø  .

Ø  .

5- En el caso anterior comprueba que la barra permanece en equilibrio cuando los momentos que ejercen las pesas, son iguales.

 B.    CENTRO DE MASA 1.

(http://www.educaplus.org/play-342-Centro-de-masa.html) Link de referencia.

Materiales: Como muestra la figura anterior este es un montaje experimental virtual, que nos permite realizar un laboratorio simulado, el cual consiste en poder colocar 4 masas diferentes en diversos puntos de un plano bidimensional; adicional también variar las masas de las dichas masas.

Procedimiento: Teniendo en cuenta el funcionamiento de la animación, realiza las siguientes actividades:

1-    Ubica en el plano 2D, las cuatro masas considerando que las masas se mantienen constantes; utiliza los siguientes puntos de referencia:

Ø  P1 (1,2); P2 (3,4); P3 (5,4); P4 (7,8).

Ø  P1 (3,4); P2 (5,4); P3 (2,3);         P4 (6,1).

Ø  P1 (1/2,5); P2 (3/4,2); P3 (7,1); P4 (8,3).

Ø  P1 (7.5, 1.5); P2 (3,4); P3 (1,9); P4 (10,2).

Ø  P1 (2.5, 2); P2 (5.5, 4); P3 (6.5, 10); P4 (9,0).

2-    Luego calcula Teóricamente el centro de masas de esta distribución y comprueba con el resultado experimental brindado por la animación.

3-    Repite la misma experiencia anterior, pero manteniendo constante las posiciones y variando las masas de la siguiente manera:

Ø  M1=1; M2=2; M3=3; M4=4.

Ø  M1=3; M2=6; M3=10; M4=5.

Ø  M1=1.5; M2=2; M3=8; M4=4.

Ø  M1=3.5; M2=10; M3=7; M4=1.

Ø  M1=9; M2=3; M3=6; M4=10.

4-    Luego calcula Teóricamente el centro de masas de esta distribución y comprueba con el resultado experimental brindado por la animación (recuerde que las unidades de las masas son tacitas en la animación pero puede emplear la unidad base el Kg).

5-    Compare los resultados obtenidos en los puntos 2 y 4. ¿Se cumple el formalismo teórico del estudio del centro de masa?, ¿Hubo alguna variación de los centros de ambas distribuciones? ¿Explique?

C.    CENTRO DE MASA 2.

(http://salvadorhurtado.wikispaces.com/file/view/barra.swf) Link de referencia.

Materiales: Como muestra la figura anterior este es un montaje experimental virtual, que nos permite realizar un laboratorio simulado, con un alto grado de precisión, y que a su vez elimina la limitante de la carencia de equipo experimental. El montaje experimental está compuesto por:

Ø  barra graduada.

Ø  Porta pesas.                         

Ø  Pesas.

Procedimiento: para comprender de manera simple esta ley básica de la física, hacemos uso del estudio de las variables mostradas en a continuación:

1-    Realiza variaciones de las masas en ambos extremos de la distribución, e indica en cuales casos la barra se mantiene en equilibrio. ¿Explique su respuesta?

2-    Elije masas diferentes para los porta pesas e indique si de esta manera el sistema está en equilibrio. En caso de no estarlo ¿Qué podría hacer usted para lograr que pueda estar en equilibrio?

3-    ¿Se cumplen los formalismos teóricos tratados anteriormente? Investigue tres edificaciones impresionantes en los cuales el estudio del centro de masas tenga una aplicación considerable.

CONCLUSIONES (1 por estudiante)

1.

2.

3.

BIBLIOGRAFÍA

[1] Mecánica Experimental para Ciencias e Ingeniería, Mario Enrique Álvarez Ramos.

[2] Introducción al análisis de datos experimentales, Roque Serrano Gallego.

[3] Física para la ciencia y la tecnología. Paull Allen Tipler, Gene Mosca, 2005.

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