Movimiento circular uniforme y fuerza centrípeta

1 · Predecir

Una bola sobre una varilla orbita alrededor de un pivote central fijo con rapidez constante. Si aumenta la velocidad orbital de la pelota manteniendo el mismo radio, ¿el tiempo para una vuelta completa (el período) se hace más largo, más corto o permanece igual?

2 · Configurar

  1. Abra el ajuste preestablecido de movimiento circular. Tenga en cuenta la longitud de la varilla (el radio de la órbita) y la masa de la bola, y confirme que la gravedad está desactivada: la varilla por sí sola proporciona la fuerza que curva la trayectoria.
  2. Confirme que la sonda de velocidad esté conectada a la bola y coloque un cronómetro en la bola para poder cronometrar una revolución completa.
  3. Para cada prueba a continuación, establezca la masa de la pelota, la longitud de la varilla (radio) y su velocidad tangencial inicial, luego presione Reproducir y cronometre una vuelta completa.

3 · Recopilar datos

masa m (kg)Radio r (m)Velocidad orbital v (m/s)Fuerza centrípeta F = mv²/r (N)Periodo T (1 vuelta) (s)
1.002.003.00
1.003.004.00
2.002.505.00

Grafique el periodo T (eje y) frente a r/v (eje x) para sus tres pruebas. Describa la forma de la línea.

4 · Analizar

  1. Para una prueba, muestre su trabajo calculando el período a partir del radio y la velocidad que estableció (T = 2πr/v) y compárelo con la lectura del cronómetro en la simulación.
  2. En sus tres pruebas, ¿cómo cambia el período al aumentar la velocidad con un radio fijo? ¿Cómo cambia el período al aumentar el radio con una velocidad fija? Explique ambos usando T = 2πr/v.

5 · Ampliar

  1. Este ajuste preestablecido desactiva la gravedad para que el movimiento sea realmente uniforme. Si se volviera a activar la gravedad y la varilla aún trazara un círculo horizontal, ¿se mantendría constante la velocidad de la pelota durante toda la vuelta? ¿Por qué o por qué no?
  2. Un objeto en órbita real (como una pelota suspendida de una cuerda que se balancea con la mano) pierde un poco de energía debido a la resistencia del aire y al pivote en cada vuelta. ¿Esperaría que su período medido se mantuviera perfectamente constante durante muchas vueltas o que se desviara, y en qué dirección?

La física detrás de este experimento

Fuerza centrípeta

La fuerza hacia adentro que debe ejercer la varilla para mantener la bola moviéndose en círculo en lugar de en línea recta. Depende de la masa de la bola, su velocidad orbital (constante) y el radio del círculo; esta es la tensión que sentiría en la varilla con los ajustes de cada prueba.

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Mecánica

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