Functional sorting assay

Para poder estudiar el fenómeno de la segunda ley de Newton se lleva a los estudiantes a los laboratorios de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas con el fin de que desarrollen la práctica experimental e interactúen con los instrumentos adecuados para poder realizarla. Hay que tener en cuenta que antes de realizar cualquier práctica experimental previamente se ha dado una temática relacionada con la identificación y conocimiento de las fuerzas que intervienen en un sistema como lo son el peso, la fuerza de fricción, la fuerza normal, la tensión, el estudio de las tres Leyes de Newton y los diagramas de cuerpo libre es decir, que al enfrentar al estudiante a un problema afín con las leyes de newton, el lograra encontrar la mejor solución a este. Entonces el estudiante llega a la práctica de laboratorio con ideas previas que serán verificadas con la experiencia y observación.

La experiencia de interactuar con elementos físicos motiva a los estudiantes a desarrollar activamente la práctica experimental y a tratar de predecir que podría suceder durante el desarrollo de la misma.

Este laboratorio está dividida en dos partes, para la primera parte los estudiantes deben obtener los valores de las fuerzas que se encuentran en cada uno de los objetos del sistema con ayuda del montaje instrumental del laboratorio para esta experiencia el cual se trata de un riel, un carro dinámico y un juego de masas. Para la segunda parte se les pide a los estudiantes que obtengan cuantitativamente el valor de la fuerza de cada objeto con la ayuda de los elementos básicos como los son el dinamómetro y la balanza.

Para la primera parte los estudiantes debían tomar cinco diferentes masas y colocarlas en el dinamómetro para que este arroje el valor del peso específico para cada una de estas masas y para comprobar que el dinamómetro nos está indicando lo correcto deberán realizarlo matemáticamente, es decir, realizar el diagrama de cuerpo libre, descomponer las fuerzas y determinar la fuerza del peso y así poderla comparar con el valor experimental. Lo fundamental de esta parte de la práctica es que el estudiante logre interactuar y descubrir el funcionamiento de cada uno de los instrumentos como la balanza y el dinamómetro.

Para la segunda parte los estudiantes a partir del montaje mostrado en la figura 8 deberán determinar la aceleración que sufre una masa 2 suspendida por la polea que se encuentra unida por una cuerda a una masa 1 ubicada sobre una superficie, que es este caso es el riel donde va el carro o masa 1. Se utilizaran las mismas cinco masas de la primera parte, para que ahora sean la masa 2, pues la masa 1 o el carro del riel es constante. Para empezar se colocó la masa 1 a una cierta distancia suspendida con la masa 2, al liberar la masa 1, se toma el tiempo del desplazamiento hasta que la masa 1 llegue a la polea, con esto se toman los datos necesarios como masa, tiempo y distancia de la cuerda para determinar matemáticamente la aceleración.

3.2 Hipótesis

Con las ideas previas de las temáticas en clases se pregunta a los estudiantes que creen que sucederá, a lo cual ellos contestaron:

Tabla 9. Hipótesis de los estudiantes experimento Juego de Masas

 En este laboratorio de física queremos observar y determinar la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo inicialmente en reposo, ya que la fuerza neta es la sumatoria de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

 El carro llevara varias fuerzas por un determinado transcurso.

 Entre más masa halla en el otro extremo de la polea, la aceleración será mayor y el carro obtendrá más velocidad y llegara en menor tiempo a la distancia establecida.

 Con este experimento nos daremos cuenta como mediante fuerzas se puede, mediante un cuerpo de un peso especial, lograra mover otro cuerpo cuando inicialmente estaba en reposo.

 El carro dinámico se moverá una distancia dicha por el peso de las masas ejercidas desde la polea.

 La realización de este experimento se basa en las fuerzas naturales las cuales son el peso, la normal, la fuerza de rozamiento o fricción y la tensión.

 Se determinaran las distintas masas del carro y de cuatro distintas masas para hallar la masa, la aceleración y la velocidad.

 Con este experimento nos daremos cuenta como mediante las fuerzas se puede mediante un cuerpo de un peso especial, lograr mover a otro cuerpo cuando inicialmente estaba en reposo.

A pesar de que los estudiantes conocen la temática a tratar, se evidencia que los estudiantes desconocen lo que sucederá, solamente deducen que se determinaran las fuerzas del sistema y aceleración pero no cuál será su realización, es de esperar que el estudiante desconoce por total lo que es un laboratorio de física incluidos sus instrumentos.

Sin embargo todos los estudiantes llegan a la hipótesis de que habrá cuerpos con cierta masa los cuales están en reposo y algo hará que se mueva o salga del reposo tome una velocidad y se acelere. Es importante que el estudiante a pesar de que no conozca el montaje y la realización de la práctica experimental se encuentra receptivo al desarrollo de la misma.

3.3 Experimentos

De acuerdo al protocolo para la realización de un laboratorio, los estudiantes encuentran que tienen que seguir unos parámetros dados por el laboratorio de física. Por grupos organizados los estudiantes recogen el material pertinente para la práctica, el cual es ensamblado de acuerdo a las indicaciones dadas por la docente, seguido empezaran a tomar los datos de acuerdo a lo programado en la guía de laboratorio propuesta para esta práctica.

 Primero, que ellos deben realizar es pesar todos los cuerpos con ayuda de la balanza los cuerpos serán la masa del carro y las cinco diferentes masas del juego de masas y registrar los datos.

 Segundo, los estudiantes utilizaran el dinamómetro para suspender las cinco masas y la masa del carro con el fin de que este les arroje el valor de la fuerza neta de cada cuerpo.

 Tercero, después de ensamblar el prototipo carro-riel-polea-masa, los estudiantes colocaran el carro con una masa 𝑚1 que es constante sobre el riel a una distancia 𝑥 que será constante para todos los lanzamientos, el carro estará sujeto a una cuerda la cual pasara por una polea, que a su vez estará unida a una masa 𝑚2 la cual varia con cada lanzamiento.

Figura 9. Diagrama de cuerpo libre de 𝑚1 𝑦 𝑚2

 Cuarto, los estudiantes registran el tiempo desde que el carro es soltado hasta que llega a la polea, donde se encuentran variables como: la distancia 𝑥 y el tiempo 𝑡, esto para determinar matemáticamente con ayuda del diagrama de cuerpo libre el valor de la aceleración del sistema, tal como se aprecia en la figura 9.

3.5 Análisis de resultados

Durante la realización de la práctica experimental se tomaron varios datos como tiempo, distancia y la variación de la masa colgante. Después de tomar los datos, ellos deberían determinar los valores cuantitativos de la aceleración experimental y teórica con el fin de comparar estos resultados y construir el concepto de aceleración.

Para determinar los valores de la aceleración experimental y teórica se partió del siguiente análisis:

 La aceleración experimental parte de las ecuaciones cinemáticas generales para la aceleración constante en dos dimensiones, en este caso la componente horizontal:

𝑥 = 𝑥₀+ 𝑣_𝑥𝑡 +1 2𝑎𝑡2  Sabiendo que 𝑥₀ 𝑦 𝑣_𝑥 son cero la ecuación seria:

𝑥 =1 2𝑎𝑡2

 Reemplazando para obtener la aceleración seria: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 =

2𝑥 𝑡2 (1)

 En cuanto a la aceleración teórica se parte del diagrama de cuerpo libre de la figura 9:

𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜: ∑ 𝐹_𝑥 = 𝑇 − 𝐹_𝑅 = 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜} 𝑎 (2) ∑ 𝐹𝑦 = 𝑁 − 𝑊𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 = 0 (3) 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ∑ 𝐹_𝑥= 0 (4) ∑ 𝐹𝑦 = 𝑇 − 𝑊𝑚𝑎𝑠𝑎 = −𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎 (5)

 Reemplazamos la ecuación (2) en la (5), teniendo en cuenta que la Fuerza de Rozamiento es despreciable seria: 𝑑𝑒 𝑙𝑎 (2) → 𝑇 = 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 (5) → 𝑇 − 𝑊𝑚𝑎𝑠𝑎 = −𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 𝑎 − 𝑊𝑚𝑎𝑠𝑎 = −𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑎 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜} 𝑎 − 𝑊_{𝑚𝑎𝑠𝑎} = −𝑚_{𝑚𝑎𝑠𝑎} 𝑎 𝑚_{𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜} 𝑎 + 𝑚_{𝑚𝑎𝑠𝑎} 𝑎 = 𝑊_{𝑚𝑎𝑠𝑎} 𝑎(𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 + 𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎) = 𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑔 𝑎_{𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎} = 𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑔 (𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑜 + 𝑚𝑚𝑎𝑠𝑎) (6)

Al determinar y aplicar estas ecuaciones los estudiantes obtuvieron las siguientes tablas: Tabla 10. Datos experimentales y teóricos de la fuerza del peso de la masa que cuelga

GRUPO 1