Practica n3

Universidad nacional del altiplano E.P. Ingeniería Civil

PRÁCTICA DE LABORATORIO N°3 FUERZA DE FRICCION I.

OBJETIVOS: 

Calcular el coeficiente de fricción estático y cinético para deslizamiento en superficies arbitrarias.

II.



Analizar las variables que el movimiento dinámico presente.



Determinar el Error relativo porcentual cometido.

FUNDAMENTO TEORICO: Cada vez que empujemos o jalemos un cuerpo que descansa en una superficie perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir una cierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. Esto se debe a que existe una fuerza que se opone a que este continuara deslizándose. Esta fuerza se conoce como la fuerza de fricción o rozamiento. La magnitud de esta fuerza opuesta al movimiento depende de muchos factores tales como la condición y naturaleza de las superficies, la velocidad relativa, etc. Se verifica experimentalmente que la fuerza de fricción f, tiene una magnitud proporcional a la fuerza normal N de presión de un cuerpo sobre el otro. La constante de proporcionalidad proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo designaremos con la letra griega  , la relación queda como: F=…………. (1) El signo negativo se justifica debido a que esta fuerza se opone al movimiento de acuerdo a la figura (1). Si el movimiento fuera hacia la derecha, lo que mueve al móvil será la fuerza resultante R dada por la ecuación (2):

1

Laboratorio de física


ANALISIS EXPERIMENTAL: Cuando se aplica una fuerza a un objeto que descansa sobre una superficie, que no se mueve hasta que la fuerza que se le aplica es mayor que la fuerza máxima debido a la fricción estática. El coeficiente de fricción estático (  S) es simplemente la relación entre la fuerza de fricción estática máxima (Fs) y la fuerza normal (F N):

Para mantener el objeto en movimiento a una velocidad constante, una fuerza se debe aplicar al objeto igual a la fuerza de fricción cinética. Por lo tanto, el coeficiente de fricción cinética. Por lo tanto, el coeficiente de fricción cinética (  k) es la relación entre la fuerza de fricción

cinética (Fk) y la fuerza normal (F N):

Ahora, si el grafico o el sistema tienen una configuración inc linada, donde la masa 1 unida al sensor de fuerza está ubicada encima del carril tiene un movimiento ascendente, tal como se muestra en la figura (2):

2



Las ecuaciones que rigieran el movimiento serán:

Donde: 

m: masa del móvil.



: aceleración del móvil debida a la acción de la f uerza F.



: es el producto de la masa del móvil y la aceleración gravitacional.

Para lo que deberían encontrarse las ecuaciones que permitan determinar los coeficientes de rozamiento estático y cinético. Diferenciando la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción cinética, es que la primera evita que comience el deslizamiento y la segunda, se opone a la continuación del deslizamiento una vez comenzado. El objeto se mantiene en reposo cuando se aplica a fricción estática; sin embargo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción estática máxima, el objeto empieza a moverse y pasemos al régimen de la fricción cinética. La fricción estátic a máxima está dada por:

Dónde: S , coeficiente de fricción estático. Y la fricción cinética:

Donde k, es coeficiente dela fricción cinética.

3



Coeficiente de fricción


Estático S

Cinético k

Madera sobre madera

0.4

0.2

Hielo sobre hielo

0.1

0.03

(lubricado)

0.01

0.01

Articulaciones en humanos

0.4

0.01

Corcho sobre aluminio seco

0.4

0.3

Plástico sobre aluminio seco

0.2

0.1

SUPERFICIE

Metal sobre metal

Cuadro (1): Coeficientes de fricción.

III.

EQUIPOS Y MATERIALES.



Computadora Personal.



Software Data Studio Instalado.



Interface Science Workshop 750.



Sensor de movimiento (CI-6742).



Sensor de fuerza (CI-6537).



Cajón de fricción (material madrea).



Accesorios de fricción ME-8574 .



500g masas variables o bloques adicionales.



Una masa accesorio de 0.25g.



Conjunto de pesas (diferentes magnitudes).



Carril, tope y polea más 1.60m de hilo negro.



Sensor de Fuerza.

4



IV. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES Procedimiento para configuración de equipos y accesorios. Primera actividad:

a) Verificar la conexión e instalación de la interface b) Ingresar al Software Data Studio y seleccionar la actividad Crear experimento c)

Seleccionar el sensor de fuerza y armar de acuerdo al siguiente esquema:

d) Realizar la calibración manual, presionando el botón zero/ tare del sensor de fuerza. e) Apertura las pantallas de fuerza vs tiempo para visualizar los resultados experimentales. f)

Anote los resultados en la tabla (1), tabla (2) y tabla (3) según sea el material.

5



Tabla (1): Datos evaluados para el material CORCHO Corcho

Material empleado

Parámetros

Evento 1

Evento 2

Evento 3

Fuerza normal

0.91 N

0.92 N

0.92 N

Fuerza estática

2.18 N

2.18 N

2.19 N

Fuerza dinámica

2.22 N

2.44 N

2.20 N

Masa aplicada

0.0927 Kg

0.0937 Kg

0.0937 Kg

Cajón de fricción de Corcho

Procedimiento de la primera actividad con el cajón de Corcho

6



Tabla (2): Datos evaluados para el material Plástico Plastico

Material empleado

Parámetros

Evento 1

Evento 2

Evento 3

Fuerza normal

0.92 N

0.92 N

0.95N

Fuerza estática

2.19 N

2.17 N

2.14 N

Fuerza dinámica

2.23 N

2.44 N

2.17 N

Masa aplicada

0.09237 Kg

0.0937 Kg

0.0968 Kg

Cajón de fricción de Plástico.

Procedimiento de la primera actividad con el cajón de Plástico

7



Segunda Actividad a) Verificar la conexión e instalación de la interface. b) Ingresar al software Data Studio Y seleccionar la actividad Crear experimento. c)

Seleccionar sensor de movimiento y sensor de fuerza, de la lista de sensores, efectuar la conexión usando los cables para transmisión de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.

d) Efectuar la calibración correspondiente considerando una frecuencia para disparo de 5

registros por segundo para el sensor de movimiento y un muestreo lento de un registro por segundo para el sensor de movimiento y un muestreo lento de un registro por segundo para el sensor de fuerza, específicamente tracción positiva con un valor máximo de 500gr y el mínimo de 0gr. e) Mida y anote la masa del cajón de fricción ( Madera u otro elemento), la masa

adicional, sensor de fuerza y masa total en la tabla (4). f)

Realizar el montaje de equipos y accesorios, tal como se muestra en la figura (2).

g) Genere un gráfico para dos de los parámetros medidos por el sensor de movimiento y

de fuerza (aceleración y fuerza) DETERMINACION DE LOS COEFICIENTES DE FRICCION: a) Coloque el móvil a 20cm del sensor de movimiento aproximadamente. b) En la porta de pesos coloque una masa de apropiada y pulse el botón inicio, agregue

masa con un avance de 10gr en cada caso. Cuando el conjunto móvil logre movimiento y llegue a la posición final (tope), pulse el botón detener. c)

Anote sus resultados en la tabla (5), tabla (6), indicando el material a limpiar

d) Repetir los pasos a) hasta c) 5 veces hasta completar las tablas propuestas Tabla (4): Masa del conjunto móvil Masa del cajón de fricción (kg)

0.09336666kg

Masa del sensor de fuerza (kg)

0.339kg

(m1 + m2 + m3)/3 =

.+.+. 

= 0.09336666kg = m CF

mCF + mSF = 0.09336666kg + 0.339kg = 0.432366kg = m 1

8



Tabla (5) datos de plano inclinado, Material Corcho Eventos

1

2

3

Aceleración

0.5 m/s2

1,1 m/s2

1.8 m/s2

Tensión Cinética

3.80 N

3.23 N

3.22 N

Tensión Estática

1.40 N

1.32 N

1.22 N

Masa (1)

0.49733 Kg

0.49733 Kg

0.49733 Kg

Angulo de Inclinación

5°

5°

5°

Masa (2)

0.3050 kg

0.3550 kg

0.4050 kg

1° móvil con el material de Corcho

Movimiento del móvil de Material de Corcho

9



Tabla (6) Datos de plano inclinado, Material: Plástico Eventos

1

2

3

4

Aceleración

0.09 m/s2

1.1 m/s2

1.4 m/s2

1.6 m/s2

Tensión Cinética

2.25 N

2.38 N

2.28 N

2.32 N

Tensión Estática

2.13 N

2.14 N

2.13 N

2.14 N

Masa (1)

0.49733 Kg

0.49733 Kg

0.49733 Kg

0.49733 Kg

Angulo de

5°

5°

5°

5°

0.1550 kg

0.1750 kg

0.0.195 kg

0.2150 kg

Inclinación Masa (2)

2° móvil con material de Plástico

Movimiento del móvil de material de Plástico

10



V.

CUESTIONARIO

Primera Actividad 1.- Con los resultados de la tabla (1 y 2) determine los coeficientes de rozamiento estático y

cinético, para cada evento y material.

Corcho

N° de evento

Fuerza

Fuerza

Fuerza

estática

dinámica

normal

F

( E) Para el

Material empleado

F

( D)

F

( N)

Coeficiente

Coeficiente

rozamiento

rozamiento

cinético

estático

S =

K =

FD/FN

FE/FN

2.18 N

2.22 N

0.91 N

2.43956

2.395604

2.18 N

2.44 N

0.92 N

2.652173

2.369565

2.19 N

2.20 N

0.92 N

2.391304

2.380434

evento (1)

Para el evento (2)

Para el evento (3)

11



Plástico

N° de evento

Material empleado

Fuerza

Fuerza

Fuerza

estática

dinámica

normal

F

F

( E) Para el

F

( N)

( D)

Coeficiente

Coeficiente

rozamiento

rozamiento

cinético

estático

S =

K =

FD/FN

FE/FN

2.18 N

2.23 N

0.92 N

2.423913

2.369565

2.17 N

2.44 N

0.92 N

2.652173

2.358695

2.14 N

2.17 N

0.95 N

2.284210

2.252631

evento (1)

Para el evento (2)

Para el evento (3)

2.- Obtenga el promedio aritmético de los resultados de coeficientes de rozamiento encontrados en la anterior pregunta, para ello resuma sus respuestas empleando el siguiente modelo: Tabla (7): Resultados experimentos instantáneos de coeficientes de fricción

Material 1 Coeficiente de fricción

Valor

S

2.49434566

Material 2

k

S

k

2.3818676

2.453432

2.3269636

12



Segunda actividad

3.- Utilizando los datos de las tablas 4,5 y 6 determine el coeficiente de rozamiento cinético estático para cada evento y resuma sus resultados empleando la siguiente fricción. Trabajaremos con el material de CORCHO Para hallar el coeficiente de rozamiento estático la formula será:

(− )









  = S

Para el evento (1)

0.305(9.81  0.5) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



0.5 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.4675316

Para el evento (2)

0.355(9.81  1.1) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



1.1 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.460038

Para el evento (3)

0.405(9.81  1.1) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



1.4 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.522310

Para hallar el coeficiente de rozamiento cinético la formula será:



  = K



Para el evento (1) 0.3050 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.022377048

Para el evento (2)

0.3550 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.0117031

13



Para el evento (3)

0.4050 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.001029

Madera

N° de evento

Para el

Material empleado

Masa

Masa

(1)

(2)

Kg

Kg

Angulo

Aceleración 2

(S°)

m/s

Coeficiente

Coeficiente

rozamiento

rozamiento

cinético

estático

S

K

0.43266

0.305

5°

0.5

0.4675316

0.0223770

0.43266

0.355

5°

1.1

0.460038

0.0117031

0.43266

0.405

5°

1.8

0.522310

0.001029

evento (1)

Para el evento (2)

Para el evento (3)

14



Trabajaremos con el material de PLASTICO

Para hallar el coeficiente de rozamiento estático la formula será:

(− )









  = S

Para el evento (1)

0.155(9.81  0.5) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



0.9 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.1284781

Para el evento (2)

0.175(9.81  0.5) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



1.1 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.1477625

Para el evento (3)

0.195(9.81  0.5) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



1.4 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.1568142

Para el evento (4)

0.215(9.81  0.5) 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619



1.6 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.1760986

Para hallar el coeficiente de rozamiento cinético la formula será:



  = K



Para el evento (1)

0.155 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.054398

Para el evento (2) 15



0.175 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.0501299

Para el evento (3)

0.195 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.045859

Para el evento (4)

0.215 0.47933 ∗ 9.81 ∗ 0.99619

 0.087488 = 0.0415901

Plástico

N° de evento

Para el

Masa

Masa

(1)

(2)

Kg

Kg

Material empleado

Angulo

Aceleración 2

(S°)

m/s

Coeficiente

Coeficiente

rozamiento

rozamiento

cinético

estático

S

K

0.49733

0.155

5°

0.9

0.1284781

0.054398

0.49733

0.175

5°

1.1

0.1477625

0.050129

0.49733

0.195

5°

1.4

0.1568142

0.045859

0.49733

0.215

5°

1.6

0.1760986

0.0415901

evento (1)

Para el evento (2)

Para el evento (3)

Para el evento (4)

16



Material (1)

Material (2)

CORCHO

PLASTICO


S

k

S

k

Valor

0.4832932

0.011703

0.15228

0.047994

4.-Determine el Error relativo porcentual de coeficiente de fricción para materiales similares, utilizando los resultados de las tabla (7), tabla (8) comparados con los del cuadro (1).

(%) =

|Vt  Vex| × 100% 

 es el valor teórico  es el valor experimental

Coeficientes de fricción Error relativo porcentual

Material 1 (plástico)

Material 2 (Corcho)

Us

Uk

Us

102.2457%

87.7722%

91.84815%

Uk

95.70255%

5.- Calcule la Tensión cinética y estática con los datos correspondientes para el esquema de la figura (2) para cada material.

   ()   =  .     ()  µ. ( .  ) =  .   =  ()  µ. ( .  )   .   =  ()  µ . ( . )   .   =  ()  µ . ( .  )   .  MATERIAL DE MASA 1: Datos según la tabla 4 y 5:

M= m (sensor) + m1 = 0.339 + 0.49733 = 0.83633 a= 1.133 17



g = 9.8

 =5°

µ =0.4832932

µ =0.011703

Remplazando en la ecuación:

Ts= 5.223820

Tk= 7.827792978

MATERIAL DE MASA 2:

M= m (sensor) + m2 = 0.339 + 0.155 = 0.494 a= 1.133 g = 9.8

 =5°

µ =0.15228

µ =0.047994

Remplazando en la ecuación:

Ts= 1.3625

Tk= 0.859552

6.-Determine el Error relativo porcentual de las Tensiones cinéticas y estáticas empleando los resultados teóricos de Tensión de la pregunta 5 y los experimentales anotados en la tabla (5) y (6)

Para el caso del Corcho, determinación del Error Relativo Porcentual Er (%): 

Er(%) de la tensión cinética

(%) =

|−| 

× 100%.

|2.3075  7.827792978| × 100% 2.3075 (%) =239.23 % (%) =



Er(%) de la tensión estática

(%) =

|−| 

× 100%.

|2.135  5.223820| × 100% 2.135 (%) = 144.67% (%) =

Para el caso del Plástico, determinación del Error Relativo Porcentual Er (%): 

Er(%) de la tensión cinética

(%) =

|−| 

× 100%. 18



|2.3075  0.859552| × 100% 2.3075 (%) =62.749 % (%) =



Er(%) de la tensión estática

(%) =

|−| 

× 100%.

|2.135  1.3625| × 100% 2.135 (%) = 36.182% (%) =

7.- ¿Cuál de las dos actividades realizadas, te parece más co rrecta, según los resultados de error hallados en las preguntas 4 y 6 anteriores?

La actividad teórica, debido a que en la actividad experimental nos encontramos con más errores, como por ejemplo la medición exacta de las fuerzas (normal, estática, dinámica), los sensores (fuerza y movimiento), y el ángulo.

8.- ¿Según usted a qué se debe la diferencia entre tensiones cinéticas y estáticas determinadas de modo experimental y teóricamente?, explique.

La diferencia entre las tensiones cinéticas y estáticas es debida a sus coeficientes de rozamiento cinético y estático respectivamente. Una fuerza estática parte del acumulamiento de dos o más objetos que genera electricidad que se transmite por algún medio creando la fuerza buscada. La fuerza dinámica parte de un objeto que es impulsado a una velocidad en una distancia. La fuerza cinemática es la implementación de cualquier tipo de origen de fuerza, ya que esta es la que estudia cualquier tipo de movimientos a partir de cualquier fuerza.

19


Practica n3

Recommend Documents