Educación y ciencia

Experimentos de plano inclinado

Escrito por paul dohrman | Traducido por gabriel guevara
Experimentos de plano inclinado

Los planos inclinados pueden ser encontrados también en la naturaleza.

snowy slope image by Svetoslav Iliev from Fotolia.com

Los experimentos de plano inclinado pueden ser usados para enseñar ciencia, historia, energía rotativa, conversión de energía potencial a energía cinética y para medir la aceleración gravitacional. Para producir resultados precisos, el plano debe ser liso, pulido y aceitado, aunque podría no ser práctico.

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Historia

Galileo usó un plano inclinado de aproximadamente 20 pies (6 m) de largo con una ranura en el centro. Él rodó una pelota por la ranura, demostrando la aceleración. La visión de Aristóteles era que el tiempo y la distancia del viaje de la pelota eran proporcionales. Galileo cambió esta visión, demostrando que la pelota viajó el primer cuarto de su camino en el mismo tiempo que le tomó viajar el remanente de la inclinación. En otras palabras, la distancia es proporcional al tiempo al cuadrado. Enfocándose en la aceleración, una etapa del movimiento que Aristóteles y sus seguidores habían pasado por alto, Galileo cambió miles de años de ciencia. Galileo tenía que cronometrar el esfuerzo. Los relojes de bolsillo y los relojes de péndulo no habían sido inventados todavía. En lugar de crear dos planos y competir el uno contra el otro en largos diferentes, él usó un dispositivo de agua. Un flujo constante de agua de un agujero en un contenedor de agua llenó una taza mientras la pelota rodaba. El agua recogida luego era pesada.

Energía rotativa

Un experimento interesante sería rodar un cilindro y una pelota de igual masa por el plano. La pelota preferentemente de un radio menor al del cilindro. El cilindro por lo tanto tardará más en llegar al final, ya que más de su energía potencial gravitacional se ha convertido en energía rotativa que en velocidad. Entre más lejos esté la masa del centro de rotación, mayor es la proporción de energía potencial que es convertida en energía rotativa. si el cilindro es hueco, el interior puede ser rellenado de masilla hasta que las masas sean iguales. Colocar la masa en el borde también incrementará la diferencia de la velocidad de la esfera.

Fricción estática versus cinética

Los libros de textos de primer año por lo general hacen una distinción entre fricción estática y cinética, y a menudo recomiendan un experimento para determinar las dos. Sin embargo, con metales secos es difícil demostrar una diferencia de forma empírica. La opinión es que ésta diferencia existe tal vez surge de la experiencia en la que aceite o tierra están presentes, evitando una medida precisa. Incluso cuando las tablas dan coeficientes de fricción basados en los materiales, como acero en acero, cobre en cobre, están equivocadas, debido a que no toman en consideración que la fuente de fricción viene del polvo y la variación en los lubricantes de la superficie y de su dureza, no del contacto metal con metal. De hecho, las superficies aplanadas y alisadas de metal parecido se unirán. Aún más, cuando la inclinación de un plano es incrementada a cierto ángulo, comenzará a deslizarse, pero sólo de manera indeterminada. El coeficiente de fricción por lo tanto no es constante como lo implican las tablas.

Medida de aceleración gravitacional

La aceleración gravitacional puede ser medida disminuyendo la velocidad de su efecto lo suficiente para medirla precisamente con un cronómetro. Esta es la razón por la que un plano inclinado largo es deseable, como en el experimento de Galileo. Si la energía rotativa eventualmente es factorizada, una pequeña esfera (una canica) puede ser usada. Así que la energía potencial gravitacional inicial es igual a la energía cinética lateral final más la velocidad final de rotación. Conociendo la masa y el radio de la esfera deja solo la velocidad desconocida para encontrar la energía rotativa. La velocidad puede ser encontrada al cronometrar la distancia recorrida y usando x = 0,5 × a × t^2. Sabiendo a, la v-final puede ser encontrada. Por lo tanto, la energía cinética lateral final y la energía rotativa son conocidas. Su suma es igual a la energía gravitacional potencial al inicio: mgh, donde h es la diferencia entre la altura inicial y la altura final. De esta manera puede calcularse g. La redirección de la fuerza gravitacional por el plano inclinado es una oportunidad de mencionar el epitafio de Estevinus, que demuestra la igualdad de la fuerza lateral de 5 pesos que descansan en una inclinación triangular 3-4-5 y 3 pesos colgando a un lado.

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