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LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE MECÁNICA
MESA 9 - TEMA 1: FENÓMENOS EN RESORTES
RESUMEN:
Al soltar desde un extremo un slinky (juguete consistente en un muelle espiral) desde una
altura considerable, se observó un singular comportamiento. La pregunta que fundamenta la
realización de este experimento es: Cuando se suelta el slinky, ¿Qué cae al suelo primero:
su parte superior, su parte inferior, o todo cae a la vez?
Haciendo uso del software denominado Tracker y algunos conocimientos básicos de física
mecánica se responderá dicha cuestión.
OBJETIVOS:
*Proporcionar una explicación a los fenómenos observados cuando se suelta un slinky.
*Utilizar la herramienta digital Tracker, con el fin de medir parámetros físicos, obteniendo
datos numéricos y cualitativos, para analizar el experimento y sustentar su explicación.
MARCO TEÓRICO:
Los slinkys han sido bastante populares desde su creación en 1943, debido a sus
propiedades físicas, las cuales le permiten realizar llamativos trucos varios, asociados a la
propagación de ondas.
Estos juguetes son un ejemplo de resorte, y por tanto,
son reglas fundamentales que gobiernan su
comportamiento la ley de Hooke y los efectos
gravitatorios.
Su capacidad para bajar escaleras es
uno de sus llamativos trucos
La ley de Hooke establece el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es
directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre el mismo de la siguiente manera:
Según esta ley, está presente una fuerza restauradora en el muelle, la cual busca
devolverlo a su posición de equilibrio si este ha sufrido un estiramiento o una compresión;
provocando un movimiento oscilatorio finito, que culmina con el alcance de ese equilibrio:
Comprobamos experimentalmente la fuerza restauradora.
DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL:
Se ha observado, que la forma de caer del slinky resulta curiosa respecto a lo que se
esperaría; pues, es de suponer que este caiga como cualquier otro objeto. Es decir, la
expectativa sería que todas las partes que conforman el resorte, comenzaran a caer al mismo
tiempo y a la misma velocidad. Por el contrario, se encontró que mientras la parte superior
empieza a contraerse y descender, la parte inferior parece quedar suspendida durante unos
instantes en el aire hasta que el juguete se recoge del todo y cae al suelo:
El extremo inferior permanece en su posición hasta la completa contracción del slinky.
En primer lugar, el extremo inferior del slinky permanece suspendido en el aire por varios
segundos, hasta que el extremo superior que va cayendo le alcanza. En segundo lugar, el
extremo superior cae con una rapidez mayor respecto a la de otros objetos que se sueltan a
la misma altura:
El resorte cae con mayor rapidez que las llaves.
HIPÓTESIS GENERADA:
Se supuso que era la falta de un peso en la parte inferior la razón por la cual este no
descendía, pero aunque se le añadieron masas al slinky, el fenómeno seguía ocurriendo:
RESULTADOS TRACKER
1) Video fuerza restauradora:
A continuación, la gráfica de posición en el eje y respecto al tiempo transcurrido de oscilación
del resorte:
Se puede observar, que se forma una curva sinusoidal como ha de esperarse en un
movimiento armónico; y los picos o puntos máximos y mínimos en esta curva representan el
momento en el cual la velocidad del resorte es igual a cero, ya que ha alcanzado un
alongamiento o compresión máxima.
Se ve que los picos no se repiten a la misma altura, es decir, el primer máximo representa el
resorte totalmente comprimido, el primer mínimo el resorte completamente estirado, para el
segundo máximo, ha llegado a su compresión máxima pero es menor que la del comienzo, y
en el segundo mínimo ocurre lo mismo, el estiramiento es menor.
Esta gráfica es lógica con el comportamiento físico, puesto que la fuerza restauradora hace
que el resorte recupere su posición de equilibrio en la cual ya no hay movimiento, es decir, si
se prolongase la curva, llega el punto en que ya no hay ondas, el resorte se habrá detenido.
2) Video caída libre:
Posición en y del extremo superior del resorte respecto al tiempo
Posición en y del extremo inferior del resorte respecto al tiempo
Como se observa en las anteriores gráficas, la posición del punto superior comienza a
cambiar inmediatamente se suelta el slinky, mientras que la posición del punto inferior cambia
hasta después de aproximadamente 0,25 segundos, punto en el cual se encuentran los
extremos.
3) Video caída junto a llaves:
Aceleración en y respecto al tiempo del extremo superior del resorte
Aceleración en y respecto al tiempo de las llaves
EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO DE LA SUSPENSIÓN TEMPORAL DEL EXTREMO
INFERIOR DEL SLINKY:
Fuerzas
La explicación tiene que ver con las dos fuerzas que actúan en este experimento: por un lado,
tenemos la gravedad y por otro la tensión del propio muelle al contraerse. La gravedad tira
del juguete hacia abajo mientras que la tensión del muelle actúa hacia arriba y hacia abajo
desde el extremo superior y el inferior.
Respuesta a la pregunta fundamental: ¿Por qué cuando se deja caer el slinky, la parte
de abajo no cae?
Ocurre un cambio de tensión en la parte superior, y luego hay un tiempo finito para que la
información o señal de ese cambio llegue hasta abajo del resorte. Siempre que se realiza un
cambio físico hay una causa y un efecto, pero entre los dos una señal debe propagarse si no
están en la misma locación. Por tato, la parte inferior no se mueve, hasta que obtiene la
información de que la tensión ha cambiado.
Respecto a la prueba de colocar masa en la parte inferior para vencer el empuje del muelle
hacia arriba que lo sostiene; se pudo observar que no es una cuestión de masas, ya que se
da el mismo resultado, no se mueve. Nuevamente, la tensión hacia arriba compensa la acción
de la gravedad.
Existe una fuerza adicional, no tan obvia, la fuerza que hace la mano en un principio
sosteniendo el slinky en su equilibrio. Cuando la mano se abre, desaparece esta fuerza que
compensaba el equilibrio del extremo superior del resorte; siendo entonces esta fuerza la
causante del fenómeno observado en el video 3 al soltar otro objeto junto con el resorte. Esta
parte se acelera (más que en caída libre, al soportar la atracción del elemento de abajo) con
lo cual, cambia la fuerza que hace sobre el resto del resorte, iniciándose entonces, un cambio
de la tensión que se propaga en forma de onda.
CONCLUSIÓN
A pesar de que se esperaba que fuera un movimiento unidimensional de caída libre en las
gráficas del 3er video se observan grandes cambios en la aceleración. Posiblemente esto es
resultado de alguna fuerza además de la gravedad, estas fluctuaciones principalmente se dan
primero cuando la parte superior del resorte se acerca a la inferior y en el punto en el cual se
tocan.
Otras de las posibles causas de estas fluctuaciones pueden deberse a la dificultad de tomar
los puntos exactos de la posición del resorte en el programa tracker.
Fabian Gerardo Gutiérrez Gómez - 1022431926
Laura Valentina Beltrán Arguello - 98121800098
Nicole Lorena Rojas Ramírez - 1031170773
Javier Orlando Peña León - 1020814546