Conservación de Energía Mecánica: Caída Libre Guía
FísicaIntermedioTiempo de lectura: 3 min
Resumen
Verificar la ley de conservación de la energía mecánica observando la caída libre de un objeto pesado. Confirmar que la disminución de la energía potencial gravitatoria es igual al aumento de la energía cinética cuando solo la gravedad realiza trabajo.
Antecedentes
La idea de la conservación de la energía mecánica se remonta al estudio de Galileo sobre el movimiento del péndulo, donde descubrió que la pesa siempre se eleva a la misma altura que su punto de liberación. Más tarde, Leibniz propuso el concepto de conservación de 'vis viva' (fuerza viva, es decir, ). Finalmente, Joule y otros establecieron la ley completa de conservación de la energía. Este experimento utiliza un temporizador de teletipo para registrar el movimiento de caída libre y verificar cuantitativamente la conservación de la energía mecánica.
Conceptos clave
Energía Potencial Gravitatoria ()
La energía que posee un objeto debido a su posición vertical, proporcional a la altura.
Energía Cinética ()
La energía que posee un objeto debido a su movimiento, proporcional al cuadrado de su velocidad.
Energía Mecánica ()
La suma de la energía cinética y potencial en un sistema.
Fórmulas y derivación
Ley de Conservación de la Energía Mecánica
Si la velocidad inicial es 0, la energía potencial perdida después de caer una altura es igual a la energía cinética ganada.
Cálculo de Velocidad Instantánea
Para un objeto en aceleración uniforme, la velocidad media en un intervalo de tiempo es igual a la velocidad instantánea en el punto medio de ese intervalo.
Pasos del experimento
- 1
Ajuste del Aparato
Asegúrese de que el temporizador de teletipo esté fijado verticalmente y los orificios limitadores estén alineados verticalmente para minimizar la fricción de la cinta. Conecte la fuente de alimentación (conectada por defecto en la simulación). - 2
Operación de la Cinta
Encienda primero la alimentación del temporizador (tic-tac estable), luego suelte la pesa. Observe si la pesa cae suavemente. - 3
Selección de Trazas
Encuentre un primer punto claro (). Si la distancia entre el primer y segundo punto es cercana a (a una frecuencia de ), la velocidad inicial se puede considerar 0. - 4
Medición y Cálculo
Seleccione puntos de conteo ampliamente espaciados (por ejemplo, tome 1 punto de conteo cada 5 puntos, así ). Mida la altura de caída para cada punto y calcule la velocidad instantánea correspondiente .
Resultados del aprendizaje
- Se verificó que la energía mecánica se conserva durante la caída libre dentro del rango de error experimental.
- Se dominó el método de usar la 'velocidad instantánea de tiempo medio' para procesar datos de cinta de teletipo.
- Se analizaron las causas de los errores sistemáticos (la disminución de es ligeramente mayor que el aumento de ) debido a la resistencia del aire y la fricción de la cinta.
Aplicaciones reales
- Energía Hidroeléctrica: La energía potencial gravitatoria del agua se convierte en energía cinética mediante una presa, que luego impulsa turbinas para generar electricidad.
- Martinete: Un martillo pesado se levanta para ganar energía potencial, que se convierte en energía cinética masiva al caer para clavar pilotes en el suelo.
- Montaña Rusa: Los trenes convierten constantemente entre energía cinética y potencial a medida que se mueven hacia arriba y hacia abajo por las vías.
Errores comunes
Error
La velocidad de caída de un objeto depende de su masa; los objetos más pesados caen más rápido.
Correcto
La aceleración de caída libre es independiente de la masa. La velocidad de caída solo se ve afectada por la resistencia del aire (ignorada en este experimento).
Error
Suelte la cinta primero, luego encienda la alimentación.
Correcto
La alimentación debe encenderse primero para estabilizar el tic-tac antes de soltar la cinta. De lo contrario, el comienzo de la cinta puede estar en blanco o los puntos pueden ser inestables.
Error
La velocidad se puede calcular usando o .
Correcto
En un experimento de verificación, no se puede utilizar la fórmula de la ley que se está verificando para calcular los datos. Debe utilizar la velocidad media de la cinta para medir la velocidad instantánea.
Lectura adicional
¿Listo para empezar?
Ahora que entiendes lo básico, ¡comienza el experimento interactivo!