PRÁCTICA LABORATORIO LEY DE HOOKE:
ACTIVIDAD 151 DEL PROYECTO
GUARDA RELACIÓN CON EL PERFIL DE SALIDA DEL ALUMNADO DE LOS INSTITUTOS DIOCESANOS DE CANARIAS, CONCRETAMENTE CON «INVESTIGO».
PUEDE INTERESAR ESTA OTRA PRÁCTICA DE LABORATORIO: DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD EN CLASE.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:
CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO:
Se realiza en clase, no en el laboratorio, participando los alumnos en la medida de lo posible, respetando distancias. Las experiencias se realizan por parte del profesor a la vista de los alumnos que manipulan el material sin excesos.
Se utiliza en una primera experiencia un dinamómetro muy antiguo y estimamos que inexacto (observamos que en ocasiones se queda atascado) 4 pesos de masa conocida (por la etiqueta que indica cada peso -no se ha comprobado en báscula-) y otro de masa desconocida, que además se encuentran algo oxidados y la masa correspondiente no se observa con nitidez.
Esta realidad de material antiguo y «dañado» se hace a conciencia, para motivar la interpretación de posibles errores observados y caer en la cuenta de que para el estudio de los fenómenos físico-químicos o naturales hay que ser creativo y estar preparado para situaciones inesperadas.
Posteriormente se realiza la experiencia con más rigor y dinamómetro más moderno, así como con pesos cuya masa se obtiene en balanza de precisión a la décima de gramo.
PARTE DEL DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA EN VIDEO:
CONOCIMIENTOS PREVIOS Y OTROS NECESARIOS QUE SE EXPLICAN:
Se plantea inicialmente la realidad observada al respecto de los cuerpos elásticos, de los resortes: cuánto más estiramos o comprimimos un resorte, mayor es la fuerza en contra que hace el propio resorte, LO CUAL REALIZAMOS MANIPULANDO EL DINAMÓMETRO.
Esa realidad nos indica que la fuerza elástica ejercida por el resorte es directamente proporcional a la deformación, quedando de manifiesto en la fórmula correspondiente a la Ley de Hooke:
FElástica = k · x = k · (Lf – Lo)
Que enfatizamos el hecho de que es una fuerza de sentido contrario a la deformación, con lo que en determinados textos aparece con un signo negativo delante del k·x. Nosotros entendemos que sólo debemos ponerlo si fuera una ecuación vectorial.
Cuando colocamos un resorte vertical, sin colocarle ningún peso, pues tenemos la longitud inicial del resorte (Lo).
Cuando le colocamos un cuerpo de masa m, se estira hasta alcanzar una distancia (Lf).
La diferencia entre ambas distancias, (Lf-Lo) es la deformación «x» que sufre el resorte.
La constante k, es la constante elástica, característica de cada resorte, que la mantiene todo el tiempo, hasta que no modifiquemos sus características elásticas. Todos sabemos que si estiramos mucho un muelle y no recupera su forma inicial, hemos estropeado sus características elásticas iniciales, con lo cual o deja de ser un cuerpo elástico o hemos modificado su valor de k.
Si medimos todo en el Sistema Internacional de unidades: la fuerza en N, la distancia en m, pues nos queda que la constante elástica se medirá en N/m.
En el siguiente dibujo, creemos que queda todo indicado:
La fuerza elástica la realiza el muelle hacia arriba, como reacción del peso que es hacia abajo.
La diferencia de longitudes es la deformación (x).
PRIMERA EXPERIENCIA (FQ2EE2239): Con nuestro dinamómetro antiguo y nuestras masas oxidadas hemos obtenido las siguientes medidas:
| m (g) | Longitud | x (m) | Peso (N) | FElástica (N) | kElástica (N/m) |
| 0 g | 16 mm | ||||
| 5 g | 18 mm | ||||
| 10 g | 21 mm | ||||
| 20 g | 25 mm | ||||
| 50 g | 37 mm | ||||
| ?? g | 102 mm |
Se trata de realizar las siguientes tareas en un informe:
1.- Completar la tabla.
2.- Analizar los datos obtenidos del valor de k, extrayendo conclusiones acerca de la fiabilidad de la experiencia, en el sentido de:
a.- El comportamiento del muelle es estable o no.
b.- Las masas están bien medidas o no.
c.- La experiencia se ajusta a la Ley de Hooke en todas las situaciones que hemos tomado medidas.
3.- ¿Los resortes más duros, más difíciles de deformar, tienen un valor de k más alto o más bajo que los fácilmente deformables?
4.- Representar los datos a escala adecuada en un sistema cartesiano (en el eje horizontal la deformación y en el vertical el valor de la fuerza elástica.
4.b.- Realizar la representación en Geogebra para Ipad.
5.- Plantear si la representación responde al comportamiento descrito por la Ley de Hooke o no.
6.- En caso de que no responda al comportamiento descrito por la Ley de Hooke, indicar cuál sería la representación correcta.
7.- Hallar el valor de la masa desconocida y plantearse si es un valor fiable. A este respecto, los alumnos con su mano, tanteando a través del peso de una botella de agua de medio litro, han propuesto diferentes medidas, siendo la media de todas las opiniones de la clase 622 g. ¿Será cierto que como grupo son capaces de obtener valores de masas de forma intuituva?
8.- Impresión personal de la experiencia realizada y valoración del conocimiento adquirido.
Se calificará, según criterio habitual (100%, 75%, 50%, 25%, 0%; que corresponden a B, R↑,R, R↓, M), como uno de los trabajos trimestrales.
SEGUNDA EXPERIENCIA (FQ2EE2240): Con un dinamómetro más nuevo y masas medidas en balanza de precisión al 0,1 g hemos obtenido las siguientes medidas:
| m (g) | Longitud | x (m) | Peso (N) | FElástica (N) | kElástica (N/m) |
| 0 | 0,1 cm | ||||
| 49,7 | 0,4 cm | ||||
| 99,7 | 0,7 cm | ||||
| 2·99,7 | 1,4 cm | ||||
| 2·99,7+49,7 | 1,6 cm | ||||
| ¿masa? | 1,8 cm | ||||
| ¿botella agua? | 2,6 cm |
Realizar las mismas tareas que en la experiencia anterior. El peso de masa desconocida es el mismo que el de la experiencia anterior.
Se calificará, según criterio habitual (100%, 75%, 50%, 25%, 0%; que corresponden a B, R↑,R, R↓, M), como uno de los trabajos trimestrales.
IR A LAS SOLUCIONES DE LA TABLA: SOLUCIONES VARIAS PARA DOCENTES
PROPUESTA DE EXPERIENCIAS ADICIONALES:
A: Diseñar un dispositivo con una cuerda elástica, una sopladera, un coletero y plantearnos si en estos otros materiales elásticos distintos de un resorte (muelle), se cumple la Ley de Hooke.
EJERCICIOS RELACIONADOS:
EJERCICIO FQ2EE2228:
Hallar la constante elástica de un resorte (en U.S.I.), que se deforma 5 cm cuando le colgamos un cuerpo de masa 150 g.
Para el resorte anterior:
a.- Hallar el valor de la masa de un cuerpo que consigue deformar el resorte 8 cm.
b.- Hallar la fuerza que hace el resorte cuando lo deformamos 6 cm.
DATO: g=9,8 m/s2.
EJERCICIO FQ2EE2229:
a.- Hallar la fuerza que hace un resorte colocado verticalmente, al que le colgamos una masa de 240g.
b.- Hallar la constante del resorte, si hemos observado que con esos 240 g se ha deformado una distancia de 3,6 cm.
c.- Hallar la deformación que experimenta el resorte, cuando se le cuelga una masa de 300 g.
DATO: g=9,8 m/s2.
EJERCICIO FQ2EE2230:
Un resorte colocado en vertical y colgado de un soporte, se estira una distancia de 35 mm cuando le colgamos una masa de 50 g. Hallar para este resorte:
a.- Su constante elástica. (14 N/m)
b.- La fuerza que tenemos que hacer para que se estire 20 cm. (2,8 N)
c.- La fuerza que tenemos que hacer para que se comprima 20 cm. (2,8 N)
d.- La masa que hemos colgado del resorte, si observamos que sólo se ha estirado 10 cm. (0,14 kg)
e.- El estiramiento que sufre el resorte cuando le colgamos una masa de 50 g. (0,035 m)
DATO: g=9,8 m/s2.
EJERCICIO F2EE2224:
Un resorte se estira 3 cm cuando le colgamos una masa de 1,5 dag.
a.- Hallar la constante elástica del resorte.
b.- Hallar la fuerza que hay que hacer para que se estire 2 cm.
c.- Hallar la fuerza que hay que hacer para que se comprima 1 cm.
d.- La masa que hemos colgado del resorte si observamos que se ha estirado 2,5 cm.
e.- El estiramiento que sufre el resorte si le hemos colgado una masa de 10 g.
DATO: g=9,8 m/s2.
IR AL VIDEO QUE RESUELVE EL EJERCICIO: https://youtu.be/hiHQSv_MCf0
A ver si detectan el fallo que hay en el video… en ese caso ¡enhorabuena!, ya que observamos que se fijan en los pequeños detalles.
PUEDE INTERESAR PARA AMPLIAR EL CONTENIDO: LEY DE HOOKE. FUERZA ELÁSTICA, enlace de este proyecto Achimagec.
PODRÍA INTERESAR ADEMÁS LA VISITA AL SIGUIENTE ARTÍCULO DEL PROYECTO, DONDE SE DESARROLLAN LAS ASIGNATURAS DE FÍSICA Y QUÍMICA DE SECUNDARIA Y BACHILLERATO: