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Oscilaciones armónicas amortiguadas




Enviado por noldinjj



    Indice
    1.
    Resumen

    2. Introducción y
    objetivos

    3. Ecuaciones de
    movimiento

    4. Obtención del error del
    instrumento de medición (sensor y P.C.)

    5. Gráficas y aproximaciones las
    ecuaciones teóricas

    6. Bibliografía

    1.
    Resumen

    El objetivo del
    practico es analizar el movimiento de
    un carro de masa (m) el cual oscila sujeto a un resorte de
    constante elástica (k) en un plano inclinado.En el estudio
    del fenómeno físico sé a llegado a la
    obtención de algunas constantes como:

    Constante de elasticidad del
    resorte(K)
    K=3,037(+ -)0,006N/m.
    Frecuencia de oscilación(J )
    J =0,3921Hz.
    Coeficiente de roce dinámico(m )
    m =0,05(+ -)0,01
    También sé a aproximado una curva teórica
    X(t) a la obtenida experimentalmente.

    2. Introducción y objetivos

    Se debe analizar el movimiento
    oscilatorio de un carro el cual esta sujeto a un resorte en un
    plano inclinado(ver figura) y comprobar que el decaimiento de las
    amplitudes es de forma lineal si se desprecia la insignificante
    fuerza de roce
    viscosa que proporciona el aire.

    Método:
    Primeramente se elige un ángulo, luego se aleja el carro
    de su posición de equilibrio
    estableciendo una amplitud y se deja libre, al mismo tiempo que
    comienza a oscilar se activa el sensor el cual dispara ondas de sonido con una
    frecuencia de 20Hz, recogiendo los datos a estudiar
    y enviándolos a una P.C. en la cual podemos, por ejemplo,
    realizar gráficos de su posición respecto del
    tiempo y
    estudiar diversos datos.
    También sé a tomado el periodo de oscilación
    con un cronometro para comparar las mediciones de la P.C. con el
    mismo.

    Materiales:

    • Cronometro, sensor Doppler de posición
      (PASCO) y P.C.
    • Plano de aluminio,
      soportes y resortes.
    • Comparador.

    3. Ecuaciones de
    movimiento

    Primeramente veremos que el peso no es una fuerza que
    amortigua la oscilación.

    m.g.sen(q
    ) = -KD
    l
    m.dx/dt.dt = -KD
    l’+ m.g.sen(q ) + Fr =
    = -K(D
    l’+D
    l) + Fr ya que m.g.sen(q ) = -KD l
    pero si tomamos la posición de equilibrio
    Xo’ como nuestro 0 la ecuación queda:
    m.dx/dt.dt = -KD
    l’+ Fr

    De aquí podemos concluir que:

    1. Las ecuaciones
      de movimiento se pueden escribir en forma independiente del
      peso.
    2. El peso no es una fuerza que amortigua el
      movimiento.
    3. El peso desplaza la posición de equilibrio
      Xo.

    Ecuaciones
    Amortiguadas:
    Ecuación de posición
    X(t) = A(t). Cos(w
    .t) donde A(t) es la función
    del decaimiento de las amplitudes respecto de t.

    Frecuencia angular
    1/2
    w = (K /
    m) donde (K) es la constante elástica del resorte y (m) la
    masa

    Amplitud
    A’ = A-2.Fr/K esta ecuación es lo que decae la
    amplitud con respecto a la del ciclo anterior, donde (Fr) es la
    fuerza de roce del sistema.

    Periodo(T)
    T = 2.p
    /w

    Frecuencia de oscilación(J )
    J = 1/T
    Sin fuerza de roce
    X(t) = A. Sen(w
    .t + j )
    donde (A) es contante.
    Amplitud(A)
    A= cte.
    Condición inicial(j )
    j = arcsen(Xo/A)

    Frecuencia angular(w )
    1/2
    w =
    (K/m)

    Por lo visto podemos concluir que los parámetros
    que definen al sistema son:
    K, m, Fr, desde luego, despreciando la fuerza de roce del
    aire.
    Mediciones del periodo de oscilación del sistema (con
    cronometro)
    La mínima apreciación del cronometro es 0,036s
    Medición n° 1
    Tiempo de 6 oscilaciones = 15,264s Þ que T = 2,54s(+ -)0,04s
    Medición n° 2
    Tiempo de 6 oscilaciones =15,408s Þ que T = 2,57s(+ -)0,04s
    Medición n° 3
    Tiempo de 6 oscilaciones =15,336s Þ que T = 2,56s(+ -)0,04s
    Medición n° 4
    Tiempo de 6 oscilaciones =15,408s Þ que T = 2,57s(+ -)0,04s
    Promedio = (2,54s + 2,57s + 2,56s + 2,57s) / 4 = 2,56s(+
    -)0,04s

    Mediciones hechas con sensor y P.C. (gráficos de la posición respecto de
    t para 3 ángulos diferentes)

    4. Obtención del
    error del instrumento de medición (sensor y
    P.C.)

    Adaptamos un comparador al plano de aluminio con
    un soporte, luego se procedió a mover el carro de a medio
    milímetro, los cuales mediamos con el comparador, al mismo
    tiempo que la P.C. procesaba los datos del sensor.
    Finalmente maximisamos la gráfica y observamos que la
    misma tenia un ruido generado
    por causas externas en el orden de 0,4mm.

    Conclusiones:
    El error del instrumento (D d = 0,4mm).

    5. Gráficas y aproximaciones las ecuaciones
    teóricas

    Aproximación de A(t)
    Forma exponencial:
    Se pude suponer que la oscilación es en un medio
    viscoso(aire) esto implicaría que los decaimientos de las
    amplitudes respecto del tiempo es de forma exponencial (A(t) =
    Ao.e^-a
    t).

    Gráfico de A(t) con aproximación
    exponencial
    Parámetros Valor Error
    a -0.0092 (+ -)2.1369E-4

    Forma lineal:
    También podemos suponer que el roce con el medio
    viscoso(aire) es despreciable, de este modo los decaimientos de
    amplitudes serian de forma lineal(A = D-b t). Esta será la
    aproximación que usaremos para la determinación de
    algunas constantes por la simplificación que esto provoca
    a nuestros problemas, y
    ya que entre la aproximación lineal y la exponencial
    existe una mínima diferencia a causa de que la constante
    de roce viscoso a
    es muy pequeña.

    Gráfico de A(t) con aproximación
    lineal.

    Ecuación:
    A = D + b t
    Parámetros Valor Error
    D 0.56379 (+ -)0.00535
    b -0.00981 (+ -)4.22202E-4
    Nota: Las aproximaciones por mínimos cuadrados se
    realizaron con Origin 5.0
    Por lo visto usaremos la ecuación de movimiento X(t)
    producto de la
    forma lineal A(t) con Cos(w t).
    X(t)=A(t)Cos(w
    t)+D l
    donde, D
    l=m.g.sen(q
    )/-K, es el desplazamiento de Xo que produce el peso del
    carro. Pero para mayor comodidad tomaremos Xo=0, entonces la
    ecuación queda: X(t)=A(t)Cos(w t).
    X(t)=(Ao-b t)Cos(w t) donde Ao = D – Xo = 0,203m

    Gráfico de la ecuación teórica
    X(t)
    Decaimiento lineal:
    X(t)= -(0.203-0.008.t)Cos(2.464.t)

    Nota N°1: A la función se
    la multiplico por –1 solo para una mejor comparación
    con las experimentales.
    Nota N°2: los gráficos fueron realizados con Maple
    V.

    Determinación de algunas constantes
    Coeficiente elástico del resorte(K):
    K= w ^2.m
    siendo w
    =2,46399423 y m=500g (+-)1g
    K=6,0712676/S2(500g(+-)1g)
    K=3035,6338 g/S² (+-) 6,07120g/S²
    K=3,037Kg/S² (+-) 0,006Kg/S²

    Frecuencia de oscilación(J ):
    J = w /2p
    = 2,46399423/2p
    = 0,39Hz

    Coeficiente de roce dinámico(m d):
    Si se parte de la ecuación A’=Ao-2Fr/K donde Fr
    = m
    d.mgCos(q
    ) y A’ es la máxima amplitud subsiguiente a
    Ao, podemos llegar a:
    m d=A.K/2mgCos(q ) donde A=Ao-A’
    D d =0.0004m este es el error o
    ruido de la
    P.C. al mostrar la posición determinado
    anteriormente.
    D
    A = D d
    + D d
    =0,0008m
    D K
    = 0,006N/m
    D
    m = 0,001Kg
    D
    q =

    D g =
    0,05 (determinado en el practico de caída
    libre)
    g = 9.82 (determinado en el practico de caída
    libre)

    m d =
    [0,177m.3.037N/m]/2.0.5Kg.9.82m/s2.Cos(12°)=0,0535

    Determinación del error D m
    d:
    m
    =m
    (A,k,m,q
    )

    D m =[(¶ m

    A)D
    A+(¶
    m /¶ K)D K+(¶ m

    m)D
    m+(¶
    m /¶ q )D
    q +(¶ m /¶ g)D g]
    D m
    =(0,0002+0,0001+0,0002+0,01+0.0001)=0,01
    m
    =0,05(+ -)0,01
     

    6.
    Bibliografía

    Apuntes tomados en la cátedra de física 1.
    Resnick.
    Sears Mecánica.
    Apuntes de estadística y error.  

     

     

    Autor:

    Juan José Noldin

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