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Fisica Mecánica. Experimentos

Experimentos propuestos (actualizado: 14,2)

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Presentación

Brindo una cálida bienvenid@ al curso Laboratorio de Física Mecánica

acompañada por mis mejores deseos para sus éxitos rotundos en este proceso.

Dirigido a estudiantes de Básicos de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Tecnológica de Pereira. 

Se requieren conocimientos en operaciones matemáticas básicas  (como: sumar, restar, multiplicar, dividir, elevar a la potencia 2, sacar raiz cuadrada, sacar logaritmo natural y graficación de funciones lineales, cuadráticas, inversas), capacidad de lectura comprensiva, capacidad de síntesis y escritura clara, coherente y concreta.

Para facilitar el proceso enseñanza-aprendizaje-evaluación, cada experimento contiene una guía para orientar la preparación previa y la realización exitosa del mismo y el informe. Cada uno, está programado en un tiempo determinado a lo largo del semestre incluyendo la entrega del respectivo informe, donde quede claro el logro de los objetivos propuestos y los hallazgos apropiados.

La asignatura contiene 11 prácticas experimentales, con el objetivo de familiarizar al estudiante con la metrología y sus conceptos básicos fundamentales (ver experimento cero) para aprender a interpretar, analizar y escribir correctamente los datos experimentales.

La forma correcta de escribir un dato experimental contiene dos componentes: el valor medio +/- la incertidumbre expandida.

El cálculo de la incertidumbre expandida, se hace tanto si la medida es directa (ver guía del experimento 2) como si la medida es indirecta (ver guía del experimento 6).

El cálculo de la incertidumbre expandida, requiere identificar las fuentes de la misma y cómo afecta la medida, aplicar correctamente las reglas de redondeo e identificad el número de cifras significativas seguras de cada medida, para no presentar información más alla´de la que ofrece la resolución del instrumento de medida. Informaciónmás allá de la resolución, no aporta información confiable.

Para el análisis de puntos experimentales de comportamiento lineal y comportamiento no lineal, se tendrá en cuenta dos métodos básicos: uno, es el método de regresión y el otro, es el método gráfico. El método de regresión es lineal (ver guía del experimento 4) y no lineal (ver guía del experimento 5) según sea el caso de cada función. Para el método gráfico se usa papel milimetrado para función linal y el papel semi-log para cambios de variable para funciones no lineales.

P/D: Se espera una actitud apropiada de respeto tanto en la asistencia y puntualidad, como en el trato para con los asistentes, la docente y bienes de la comunidad.

Se espera una aptitud propia del cumplimiento de obligaciones del rol de estudiante como la preparación previa de cada experimento, la realización de trabajo previo y de informes además de su entrega oportuna.

Ahora, la invitación es para que a continuación, explore el contenido del VIDEO: Biografía de Newton y socialice en clase los principales aportes de Newton, al progreso de la humanidad.

Vídeo: Biografía de Newton

Dinámica:

Despues de estudiar detenidamente el Vídeo: Biografía de Newton, tenga presente los aportes del mismo que más llamaron su atención para socializar en la sesión presencial.

 

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Generalidades

CÓDIGO: CB242

CRÉDITOS: 2

PRERREQUISITOS: CB234 Física I Simultánea

 

I. OBJETIVOS GENERALES

1. Ilustrar y manejar los procesos de la investigación Científica.

2. Analizar fenómenos, haciendo descripciones e interpretaciones.

3. Identificar y utilizar de manera correcta el sistema internacional de unidades (SI).

4. Adquirir habilidad en el manejo de los instrumentos de medición identificando sus

características metrológicas.

5. Estar en capacidad de realizar el cálculo de la incertidumbre de mediciones directas e indirectas en procesos experimentales.

6. Adquirir habilidad en la toma, presentación e interpretación de datos mediante el análisis gráfico.

7. Valorar la eficiencia del método experimental.

8. Despertar interés y deseo de aprender Física

II. METODOLOGÍA

Se realizarán las prácticas de laboratorio propuestas por la institución

De cada práctica se realizará y entregará oportunamente el respectivo informe, el cual estará sujeto a sustentación.

Se registrarán los datos, cálculos e información relacionada con cada experimento en un cuaderno cuadriculado, el cual será responsabilidad de cada estudiante.

III. CONTENIDO

Los contenidos de las guías institucionales, están publicados en archivo PDF en la plataforma, disponibles para cada estudiante.

 IV. EVALUACIÓN.

La evaluación está basada en informes escritos, participación en clase, evaluaciones cortas en forma presencial, oral y/o escrita de acuerdo a las condiciones indicadas.

A continuación, en la tabla "CALIFICACIÓN Y PUBLICACIÓN DE NOTAS" aparecen las fechas y características de las notas programadas durante el semestre

CALIFICACIÓN Y PUBLICACIÓN DE NOTAS

NOTA

VALOR

(%)

CONTENIDO FECHA MÁXIMA DE DIGITACIÓN
1

30

Experimentos: 0, 1 y 2 5a semana
2 30 Experimentos: 3, 4 y 5 9a semana
3 40 Experimentos: 6, 7, 8, 9  y 10 15va semana

V. BIBLIOGRAFIA

LLAMOSA LUIS ENRIQUE, HOLGUIN CARLOS ARTURO, CRUZ BEATRIZ. “GUÍAS DE LABORATORIO DE FÍSICA I ”.

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Experimento 0.
La metrologia como ciencia de la medición

“La matemática es la ciencia del orden y la medida, de bellas cadenas de razonamientos, todos sencillos y fáciles.” René Descartes (1596-1650) Filósofo y matemático francés.

 

Instrumentos de medición de pequeñas longitudes

Visión general

Resumen:

La metrología es la ciencia de la medición y se puede considerar como una rama de la física. Entra en todos los dominios de la ciencia ya sea en el progreso científico, el desarrollo tecnológico o el bienestar social. Su objetivo principal es garantizar la confiabilidad de las mediciones en cualquier campo de la ciencia y tecnología, para ello la metrología incluye todos los aspectos teóricos y prácticos relacionados con las mediciones realizadas, la metrología puede dividirse en las siguientes áreas: metrología industrial, metrología legal y metrología científica. La metrología también puede clasificarse según el tipo de variable que se está midiendo de acuerdo con esto se han establecido áreas como: Masas y balanzas, mediciones longitudinales y geométricas, mediciones eléctricas, temperatura, volúmenes, etc.

Palabras clave:

Metrología industrial, Metrología legal, Metrología científica, Masas y balanzas, Mediciones longitudinales y geométricas, Mediciones eléctricas, Temperatura, Volúmenes.

Dinámica:

A continuación, vea "La metrología en colombia" y estudie la guía del experimento O para proceder a responder las preguntas que se formulan en dicho experimento, para entregar la solución por el medio indicado.


Experimento 1.
Cifras significativas

“Un científico debe tomarse la libertad de plantear cualquier cuestión, de dudar de cualquier afirmación, de corregir errores” Robert Oppenheimer (1904-1967) Físico estadounidense.

Visión general

Resumen:

El ejercicio consiste en realizar medidas directas e indirectas y registrarlas correctamente. Para ello se tendrá en cuenta la resolución y tolerancia del instrumento, las reglas de redondeo y el número de sifras significativas que brinden información con certeza de cada medida.

Palabras clave:

Medidas Directas e Indirectas, Cifras decimales, Desviación estándar, Error por especificaciones del fabricante (Tolerancia), Resolución de instrumentos de medidas, Exactitud, Cifras significativas

Dinámica:

El video "Cifras Significativas y Notación Científica", brinda información clara para determinar el número de cifras significativas de un dato y escrbir números en forma  correcta en notación científica. Luego estudie la guía del experimento 1 y despues registre la lista de observables con sus caraterísticas.

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Experimento 2.
Tratamiento estadístico
de datos experimentales
y aplicación del método general
para el cálculo de incertidumbre
de medidas directas

“El experimentador que no sabe lo que está buscando no comprenderá lo que encuentra”. Claude Bernard (1813-1878). Fisiólogo francés

Visión general

 Resumen:

El ejercicio consistirá en aprender a calcular la INCERTIDUMBRE EXPANDIDA en MEDIDAS DIRECTAS. Se medirá el tiempo que tarda un balín en descender por una rampa, en condiciones más o menos controladas. La confiabilidad del resultado final estará presente en la cuantificación de la incertidumbre y así quedará completo y correcto. Los valores numéricos del estimado de la medición y su incertidumbre se informarán con dos cifras significativas, redondeando la última cifra hacia el número superior consecutivo, para lo que será suficiente utilizar EL VALOR DE LA INCERTIDUMBRE DE MEDICIÓN; el valor medio de la medida se expresará con el mismo número de cifras decimales de la incertidumbre. El resultado final de la medición y su incertidumbre siempre estarán acompañados con las unidades apropiadas. La incertidumbre expandida, está dada por la INCERTIDUMBRE COMBINADA afectada por el FACTOR DE COBERTURA K (K =1,96 cuando el número de grados de libertad es infinito y el nivel de confianza es de un 95 %). La  INCERTIDUMBRE COMBINADA, se calcula como la raíz cuadrada de la suma en cuadratura de las desviaciones estándar TIPO A y TIPO B. La incertidumbre tipo A o Ua, se calcula como la razón entre la desviación estándar σ y la raíz cuadrada del número de mediciones n: Ua=  σ / (n)1/2. Para calcular la incertidumbre estándar tipo B o UB, se usan métodos diferentes a los estadísticos, a partir de informaciones preexistentes de diversa índole, de los que existen cuatro casos, de los cuales se tendrán en cuenta en este curso, dos de ellos: por ESPECIFICACIONES (tolerancia en porcentaje de la medida que se haga) y por  RESOLUCIÓN (para instrumentos análogos y para instrumentos digitales). La incertidumbre tipo A depende del MÉTODO DE MEDICIÓN y la incertidumbre tipo B, depende del INSTRUMENTO DE MEDICIÓN, se genera (a partir de especificaciones de Exactitud y por especificaciones de Resolución). Así los elementos mínimos necesarios para el análisis de las medidas obtenidas con la intención de estudiar el comportamiento de la variable, en ese caso, serán: el histograma, la distribución de probabilidades, los conceptos estadísticos (valor medio, desviación estándar, varianza, error estadístico (incertidumbre tipo A), errores experimentales, que pueden ser sistemáticos y accidentales o aleatorio  (error absoluto, error relativo)). Así, la medición será una muestra del conjunto de todas las observaciones posibles, sujeta a fluctuaciones estadísticas debidas al medio ambiente y otros agentes. La medición se obtendrá mediante el uso del cronómetro Pasco, el que no es del todo exacto, además el observador es un ser humano que podrá introducir errores en la medición y quien constituirá el elemento final de este proceso.

 Palabras clave:

 Incertidumbre expandida en medidas directas, Incertidumbre combinada, Factor de cobertura, Incertidumbre tipo A, Incertidumbre tipo B, Valor medio, Desviación estándar, Varianza, Error estadístico, Especificaciones de Exactitud, Especificaciones de Resolución, Histograma, Distribución e probabilidad.

Dinámica:

La información en el video "Varianza y desviación estándar" brinda el significado y el porcedimiento para sus cálculos. Despues de entender tal información, estudia la guía para el experimento 2 y luego registra la lista de observables con sus caraterísticas.

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Experimento 3.
Medidas de pequeñas longitudes

 

“Las matemáticas pueden ser definidas como aquel tema del cual no sabemos nunca lo que decimos ni si lo que decimos es verdadero.” Bertrand Russell (1872-1970) Filósofo, matemático y escritor británico.

Visión general

Resumen:

Los instrumentos de medida no son exactos. En este caso la inexactitud se evidencia en la incertidumbre expandida. La incertidumbre expandida se calcula con la incertidumbre combinada después de calcular las incertidumbres tipo A, tipo B1 y tipo B2. Se realizan medidas directas (diámetros y espesores de monedas, arandelas y balines) en mm, con el cálculo del valor de incertidumbre expandida. Se está razonablemente seguros con dos cifras significativas leídas directamente sobre la regla y tres con  el micrómetro y el calibrador. Cada lectura así conformada no va más allá de  las resoluciones  0.1 mm, 0.01 y 0.05 mm respectivamente para la regla, el micrómetro y el calibrador. Con la regla no se escriben decimales y con el tornillo y el calibrador solo dos. La diferencia en las medidas se explica con la desviación estándar y la incertidumbre expandida calculada. Dependiendo de las características físicas de la pieza se selecciona el instrumento apropiado para medir, por ejemplo para profundidades y diámetros internos, el calibrador tiene una construcción física más apropiada para sostener el objeto a medir; para diámetros externos tanto el micrómetro como el calibrador son adecuados, sin embargo el  micrómetro permite leer hasta céntimos de mm, mientras que el calibrador solo hasta décimos de mm. La regla no es confiable para medir pequeñas longitudes porque solo se puede leer hasta mm. 

Palabras clave:

Instrumentos de medida exactos, Calibrador, Micrómetro, Regla, Lecturas directas e Indirectas, Cifras decimales, Resolución, Tolerancia de instrumentos de medida, Reglas de redondeo, Precisión, Respetabilidad,  Reproductibilidad.

Dinámica:

A Continuación, observe cuidadosamente la imagen que presenta el funcionamiento del calibrador. Luego proceda a estudiar lo referente al micrómetro.

Dinámica:

Estudia cuidadosamente el correcto funcionamiento del micrómetro, que se presenta en el video "El micrómetro". Luego estudie la guía del experimento 3 y registra el listado de observables con sus características.

Para orientarlo en esta reflexión formularé a continuación unas preguntas que lo guiarán y estará en capacidad de contestarlas todas si ha hecho una exploración apropiada y una lectura comprensiva del tema a trabajar en la práctica.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué son unidades compatibles?

2. ¿Qué sistemas de medidas conoce, además del sistema internacional?

3. Liste los instrumentos de medida que usará

4. ¿Qué caracteristicas establece el fabricante (resolución y tolerancia) para cada instrumento?

5. ¿Qué tipo de insertidumbre calculará para cada instrumento y cuál es la fórmula para cada una?

6. ¿Cuáles son las leyes de rondeo?

7. Para cada lectura, ¿con cuántas cifras significativas escribirá correctamente las medidas realizadas con cada instrumento?

8. Para lectura en mm, ¿con cuántos decimales escribirá correctamente las medidas realizadas con cada instrumento?

9. ¿Cómo se escriben correctamente los números en los documentos?, ¿Como se escriben correctamente en S.I. los nombres y símbolos de las unidades de cada medida?

10. ¿Cómo se scriben correctamente un dato experimental?

101. Liste, los conceptos más usados en la solución de este cuestionario y defínalos

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Experimento 4.
Tratamiento gráfico
de datos exprimentales.
Funciones Lineales utilizando la Ley de Hooke

Robert Hooke (Freshwater, Inglaterra, 1635 - Londres, 1703), Físico y astrónomo inglés. Aplicó sus estudios a la construcción de componentes de relojes. En 1662 fue nombrado responsable de experimentación de la Royal Society de Londres, siendo elegido miembro de dicha sociedad al año siguiente.

Visión general

Resumen:

El estudiante mostrará su habilidad para medir y aprenderá a analizar un conjunto de datos experimentales de una FUNCIÓN LINEAL, seleccionando la mejor recta, por dos métodos: el de regresión lineal o ajuste de mínimos cuadrados y el gráfico. Los datos se obtendrán de la comprobación de la ley de Hooke y se expresarán en forma correcta. Para calcular la incertidumbre expandida de la variables directas se aplica el método que se explica en la guía del experimento 2. Para el análisis gráfico de un conjunto de datos, se considera exacta la variable independiente e ineacta la variabel dependiente. Con el ajuste de los datos a la mejor recta, se busca, encontrar la mejor forma analítica o ecuación (donde haya una menor dispersión de datos). El ejercicio consiste en realizar el análisis de los datos experimentales obtenidos exclusivamente para una función lineal. Los datos se obtiene de las mediciones del estiramiento sufrido por dos resortes helicoidales diferentes (resorte 1 y resorte 2), al aplicar a cada uno, al menos 5 fuerzas externas diferentes, por medio de unas masas patronadas, cuyos valores se verifican en una balanza de tres bazos. Una vez tabulada correctamente la información recolectada (Tabla experimental 2.1 ANÁLISIS GRÁFICO. RESORTE 1 y Tabla experimental 2.2 ANÁLISIS GRÁFICO. RESORTE 2), se gráfica: "Fuerza aplicada a un resorte helicoidal como una función de la elongación" y se halla la ecuación característica para cada resorte, por los dos métodos: el de regresión lineal o ajuste de mínimos cuadrados y el gráfico. Éste, se realiza en una hoja de papel milimetrado. Conocidas las ecuaciones que caracterizaron cada resorte por cada método, se compararon los valores de la pendiente, por cálculo de error porcentual. Para calcular el error porcentual o porcentaje de error de la pendiente, de cada recta característica, de cada resorte por los dos métodos, se aplica la ecuación: %ɛ=[ lmexcel-mgráficol/mexcel]*100%. Donde: mexcel: es el valor de la pendiente en la ecuación hallada en regresión lineal (Excel u hoja de cálculo); mgráfico: es el valor de la pendiente en la ecuación hallada por el método gráfico (en papel milimetrado).

 

Palabras Clave:

Dispersión de datos; Regresión lineal o ajuste de mínimos cuadrados, Función lineal, estiramiento, resortes helicoidales, masas patronadas, balanza de tres brazos, error porcentual o porcentaje de error.

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