Las leyes de Newton en el laboratorioPráctica de Física 1ºA BTO

Colegio Sagrada Familia de Urgel | Técnicas ExperimentalesMarta Garbayo, Iván Hidalgo y Belén Romero

¿Quién era Newton?

Sir Isaac Newton (25 de diciembre de 1642 JU – 20 de marzo de 1727 JU; 4 de enero de 1643 GR – 31 de marzo de 1727 GR) fue un físico, filósofo,teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés, autor de los Philosophiae naturalis principia mathematica, más conocidos como los Principia, donde describió la ley de gravitación universal y estableció las bases de la mecánica clásica mediante las leyes que llevan su nombre. Entre sus otros descubrimientos científicos destacan los trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica (que se presentan principalmente en su obra Opticks) y el desarrollo del cálculo matemático.

Newton fue el primero en demostrar que las leyes naturales que gobiernan el movimiento en la Tierra y las que gobiernan el movimiento de los cuerpos celestes son las mismas. Es, a menudo, calificado como el científico más grande de todos los tiempos, y su obra como la culminación de la revolución científica. El matemático y físico matemático Joseph Louis Lagrange (1736–1813), dijo que "Newton fue el más grande genio que ha existido y también el más afortunado dado que sólo se puede encontrar una vez un sistema que rija el mundo."

Práctica 1: Primera Ley de Newton.

INTRODUCCIÓN.

La primera ley de Newton o ley de inercia afirma que un cuerpo sobre el que no actúan fuerzas (o en el que las que actúan se anulan entre sí) permanece en reposo o moviéndose con velocidad constante.

Para ello vamos a realizar un sencillo experimento en el que será necesario un vaso, una carta y una moneda. Lo que ocurrirá será debido a que sobre la moneda no estará actuando ninguna fuerza por lo que permanece en el mismo lugar, al no encontrarse sostenida por la carta, la moneda caerá.

OBJETIVO.

Demostrar la primera ley de Newton y aplicarla de una manera fácil y práctica.

MATERIALES.

Un vaso. Una carta. Una moneda.

PROCEDIMIENTO.

1. Colocamos la carta encima del vaso en posición horizontal. 2. Colocamos la moneda encima de la carta.3. Damos un golpe fuerte y rápido a la carta para que salga

disparada.

Práctica 2: Segunda Ley de Newton.

INTRODUCCIÓN.

La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:

F = m a

Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. 

En la práctica que vamos a llevar a cabo, descubriremos que a pesar de que la masa de la pesa que arrastra el cochecito sea mucho menor, lo pondrá en movimiento. ¿Por qué? Pues muy sencillo. Para comprenderlo, deberemos interpretar las fuerzas que se ejercen en el sistema y desarrollar las fórmulas necesarias.

El montaje a realizar será el siguiente: Movimiento

Coche N T Cuerda

Polea

P’ T

Pesa P Pie

Como puede observarse, en el dibujo figuran todas las fuerzas que actúan.

- Respecto al carrito, éste se ve afectado por su peso, por la fuerza normal, y por la tensión de la cuerda, que va en dirección contraria al objeto.

- Respecto a la pesa, sobre esta solo actúa su propio peso y la tensión de la cuerda.

Observando el dibujo, ¿podemos deducir qué fuerza es la que actúa sobre el cochecito y hace que se mueva? Pues muy fácil, es el peso de la pesa, que tira de la cuerda hacia abajo. Desarrollando las fórmulas pertinentes, entenderemos la relación, pero para ello vayamos por partes:

~ Al cochecito lo llamaremos “m1” (masa 1) y a la pesa, “m2” (masa 2).

1. Desarrollamos las fórmulas de las fuerzas ejercidas en m1:

Sabemos que F = m1aSabemos que F = T , en positivo, ya que éste va en el mismo sentido que el movimiento.

2. Desarrollamos las fórmulas de las fuerzas ejercidas en m2:

Sabemos que F = m2aSabemos que F= P – T (ya que el peso va a favor del movimiento, y la tensión en contra)

3. Como tenemos en cada masa dos fórmulas que equivalen a F, podemos igualarlas:

Para m1, T = m1a Para m2, P – T = m2a

4. Comparamos las dos fórmulas y las sumamos:P – T = m2a T = m1a___________P = (m1 + m2)a

5. Sabiendo que el peso es igual a la masa por la gravedad, desarrollamos la fórmula que queda de la siguiente forma:

m2g = (m1 + m2)a

Donde recordamos, m2 es la masa de la pesa, g la gravedad, m1 la masa del carrito, y a la aceleración.

Una vez obtenida esta fórmula, y conocidas las dos masas, podemos hallar teóricamente la aceleración.

Pero… ¿y experimentalmente?

En esta práctica hallaremos la aceleración de las dos formas. Experimentalmente, y sin conocer las masas que empleamos, ¿cómo hallamos la aceleración? Para esto, debemos comprender qué tipo de movimiento se está llevando a cabo, un MRUA.

Nosotros mediremos el espacio que tarda el carrito arrastrado por la pesa en recorrer ‘s’, que será una distancia marcada entre dos puntos en la mesa. Conocida esta distancia y el tiempo, podemos calcular la aceleración:

Xf = Xo + Vot – 1/2at2

Considerando que la velocidad y la posición iniciales es 0, y conocido el tiempo y la distancia, hallamos la aceleración.

Una vez comprendidos todos estos conceptos, y sabiendo que podemos hallar los datos de manera experimental y teórica, procederemos al experimento.

OBJETIVO.

Demostrar la segunda Ley de Newton mediante un ejemplo práctico.

MATERIALES.

Carrito. Polea. Hilo. Soporte. Nuez. Cronómetro. Pesas. Balanza.

PROCEDIMIENTO.

A la hora de los cálculos, ignoraremos la fuerza de rozamiento del carrito con la mesa.

EXPERIMENTO1

1. Pesar el carrito.2. Pesar la pesa.3. Se prepara el montaje del soporte y se comprueba su

funcionamiento.4. Se suelta carrito y anotar el tiempo que tarde en recorrer ‘s’.5. Se repite el proceso tres veces y se realiza la media de los

resultados.6. Repetimos el experimento, pero esta vez, añadiendo dos pesas,

una al carrito y otra a la pesa inicial. Pesamos ambos objetos y procedemos del modo anterior.

EXPERIMENTO 2

Sabemos que la fuerza ejercida en el sistema es el peso de la pesa, m2g. Si mantenemos la masa del carrito constante y vamos

cambiando la masa de la pesa, ¿la aceleración seguirá la relación que

teóricamente debe seguir, es decir, será proporcional a la fuerza?

1. Mantén constante la masa del carrito.2. Realiza la experiencia tres veces con la primera pesa y haz la

media.3. Halla la aceleración.4. Realiza la experiencia otras tres veces con mayor masa en la

pesa y haz la media.5. Vuelve a hallar la aceleración.6. Repite una última vez este proceso.

Apuntes:

Experimento 1 Experimento 2Ensayo 1 Ensayo 2 1 2 3

t1t2t3

Media

t Masa m1 Masa m2 a teórica a expertal.

Cuestiones

1. ¿Cuál es la fuerza que se ejerce en el sistema que hace que el cochecito se mueva?

2. ¿Puede hallarse la masa del carrito conociendo la masa de la pesa y la aceleración? Demuéstralo con un ejemplo teórica y prácticamente y comprueba que coincide con tus datos.

3. Realiza una gráfica en la que relaciones la fuerza y la aceleración y comprueba que la relación es directamente proporcional, verificando la segunda ley de Newton.

4. ¿De qué tipo de movimiento se trata y por qué?

Práctica 3: Tercera Ley de Newton.

INTRODUCCIÓN

La tercera ley de Newton o ley de acción y reacción afirma que cuando dos cuerpos interaccionan se ejercen mutuamente fuerzas iguales y de sentidos opuestos.

Para demostrar esta ley vamos a llevar a cabo un experimento donde realizaremos un pequeño cohete de manera que al encenderlo nuestro cohete expulsa gases a gran velocidad por el orificio que dejaremos abierto mediante un alfiler; ésta será nuestra ‘’acción’’ y la ‘’reacción’’ será el impulso que recibe el cohete y le permite volar.

OBJETIVO.

Demostrar la tercera ley de Newton mediante un divertido ejemplo.

MATERIALES.

Cerillas. Aguja de coser. Papel de aluminio. Clip. Gafas protectoras.

PROCEDIMIENTO.

1. Se coloca la aguja a lo largo de la cerilla. 2. Se envuelve la cabeza de la cerilla, junto a la aguja, con un

trocito de papel de aluminio.

3. Se asegura de que el papel de aluminio está bien apretado a la cerilla y la aguja.

4. Se retira cuidadosamente la aguja de manera que quede un hueco entre la cerilla y el papel de aluminio.

5. Se abe el clip de manera que podamos utilizarlo como base de nuestro cohete.

6. Una vez colocado nuestro cohete en la base, aplicamos llama por la parte del orificio abierto.

AVISO: Esta práctica debe realizarse en un lugar abierto y con gafas protectoras ya que no se sabe la dirección que seguirá el cohete.

Cuestiones

1. ¿Qué provoca que el cohete casero salga disparado?

2. ¿Por qué es esencial la utilización de la aguja del experimento? ¿Qué se consigue con el hueco que deja?

Bibliografía

“Leyes de Newton – Wikipedia, la Enciclopedia libre”, autor desconocido, <http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Newton#Primera_ley_de_Newton_o_Ley_de_la_inercia>, fecha de modificación 8/05/2012 a las 3:16.

“Leyes de Newton”, autor “Sociedad Andaluza de Educación Matemática”, <http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html#ley2>, fecha de modificación desconocida.

“Física y Química 1 bachillerato”, Mario Ballestero y Jorge Barrio, ed. Oxford Educación, 2008.

“CLUSTER – divulgación científica: El vaso y la moneda”, autor Sergio Paredes, <http://cluster-divulgacioncientifica.blogspot.com.es/2009/02/el-vaso-y-la-moneda.html>, fecha de modificación 2/02/2009.

“Cohete casero fácil con fósforo | Experimentos de física”, autor desconocido, <http://www.experimentosdefisica.net/cohete-casero-facil-con-fosforo/>, fecha de modificación 17/02/2012.