Nivel educativo
Esta práctica es adecuada para la asignatura de Mecánica de 2º de Bachillerato, ya que el contenido está dentro del programa de la asignatura. También puede hacerse para Física de 1º y 2º de Bachillerato, tratándolo a nivel cualitativo, simplemente para visualizar el fenómeno.
Objetivo de la práctica.
- Demostrar las leyes de la dinámica de rotación
de un sólido rígido, en lo que hace referencia al movimiento del centro de
masas (CM) y de puntos distintos al CM, en el caso particular de que la
resultante de las fuerzas externas que actúan sobre él sea nula.
- Visualizar
la trayectoria que describe el CM y de puntos del cuerpo diferentes al CM.
- Aprender las técnicas de laboratorio necesarias
para realizar el proceso, así como el material utilizado.
Procedimiento experimental
Material
- Pieza cuadrangular de
madera.
- con cuatro ruedas.
- Rotulador negro.
- Rotulador rojo.
- Tira de papel de
embalar.
Descripción
- Se recorta una pieza
cuadrangular de madera de unos 20 cm de lado.
- Se colocan cuatro
ruedas en las proximidades de los vértices.
- Se perfora un
orifico en la posición del centro de masas, que estará situado aproximadamente
en el centro del cuadrado, e insertamos el rotulador de color negro.
- Se perfora otro
orificio en un puto cualquiera del cuadrado e insertamos el rotulador de
color rojo.
- Extendemos sobre el
suelo una tira de papel de unos 2m.
- Se lanza el cuadrado
apoyando las ruedas sobre el papel extendido y haciéndolo girar. Los
rotuladores se colocan a la altura precisa para que puedan dibujar una
línea sobre el papel. Se observará que el rotulador situado en el CM traza
una línea recta. El otro rotulador dibuja una línea curva a uno y otro
lado de la línea recta.
Justificación
Un sólido rígido es un sistema de partículas en
el cual las distancias relativas entre ellas permanecen constantes. Cuando las
distancias entre las partículas que constituyen un sólido varían, dicho sólido
se denomina deformable. En
lo que sigue nos ocuparemos únicamente del estudio del movimiento de un sólido
rígido.
El centro de
masas (CM) de un sistema de partículas es un punto geométrico que, a muchos efectos,
se mueve como si fuera una partícula de masa igual a la masa total del sistema, sometida a la
resultante de las fuerzas que actúan sobre el mismo. Se utiliza para describir el
movimiento de traslación de un sistema de partículas. La posición del centro de masas no tiene por qué
coincidir con la posición de ninguna de las partículas del sistema, es
simplemente un punto en el espacio.
El momento lineal total de un
sistema de partículas es igual al momento lineal que tendría la masa total del
sistema situada en el CM, por lo que el movimiento de traslación del sistema de partículas está representado
por el de su centro de masas. Si el sistema de partículas está
aislado, su momento lineal será constante, por lo que la velocidad de su
centro de masas también lo será. Si el sistema de partículas no está
aislado, el CM estará acelerado y su aceleración será
debida únicamente a las fuerzas externas que actúan sobre el sistema.
El
movimiento de un sólido rígido se puede estudiar como la composición del
movimiento de traslación de su
centro de masas con respecto al origen del sistema de referencia
y la rotación del sólido con
respecto a un eje que pasa por el centro de masas.
Si observamos el sólido desde un sistema de
referencia situado en su centro de masas vemos que el movimiento de las partículas es únicamente
de rotación respecto del CM.
En nuestro experimento la suma de la fuerzas externas que actúan sobre
el cuerpo e nula, ya que el peso se anula con la normal del suelo. Debido a
esto el CM llevará una velocidad constante, es decir, describirá un movimiento
rectilíneo uniforme. Al lanzar el cuerpo con una rotación inicial, la
trayectoria del CM será una línea recta y el movimiento de cada una de sus
partículas será de rotación respecto del CM.