086 – El funcionamiento de una grúa polipasto

Objetivos Educativos

Esta actividad de laboratorio está diseñada para ayudar a los estudiantes a lograr los siguientes objetivos educativos:

Comprendiendo los sistemas de poleas y la ventaja mecánica

• Investiga cómo un sistema de poleas de 5 poleas reduce la fuerza de entrada requerida para levantar una carga, utilizando la relación Fg/F≈número de hebras.
• Aplica la segunda ley de Newton para derivar las condiciones de equilibrio para cargas levantadas a velocidad constante.

Transformaciones y eficiencia energética

• Calcular el trabajo mecánico$F\Delta x$) y energía potencial gravitatoria ($mgh$) para analizar la conservación de la energía.
• Determina la eficiencia energética (R=Ep/W​​×100%) del sistema de poleas e identificar las fuentes de pérdida de energía.

Diseño experimental y análisis de datos

• Utilice dinamómetros y reglas para medir la fuerza, el desplazamiento y la altura, asegurando la precisión en los cálculos.
• Representar gráficamente las relaciones de fuerza y las tendencias de eficiencia para visualizar los resultados teóricos frente a los experimentales.

Aplicaciones en el mundo real

• Relacionar la mecánica de poleas con sistemas de ingeniería (p. ej., grúas, elevadores) y discutir las compensaciones entre la reducción de fuerza y la disipación de energía.

Protocolo

1. Suspenda un peso de 1 N del conjunto de poleas móviles (anillo negro).
2. Traiga una mano al extremo del dinamómetro para tirar del gancho; lo que tendrá el efecto de levantar la carga a una velocidad constante.
3. La fuerza indicada por el dinamómetro se registra en la tabla de resultados.
4. Repita ocho veces más los pasos 1 y 2, aumentando cada vez el peso suspendido en 1 N.
5. Para cada prueba; calcule la relación entre el peso de la carga Fg y la fuerza motriz requerida F.
6. Aplica la segunda ley de Newton a la carga con el fin de obtener una relación entre el peso y la tensión en la cuerda.
7. Calcule el trabajo mecánico realizado para levantar la carga a una altura de 20 cm a velocidad constante.
8. Determina la cantidad de energía potencial adquirida por la carga.
9. Determine la eficiencia energética del polipasto.

Resultados esperados

Resultados cuantitativos

• Relación de fuerza: Para una polea de 5 ramales, Ff/F​​≈5. Ejemplo:

• • • Del Laboratorio 8: Fg=2.00 N, $\text{N}$ → $5.0$.
    • Del Laboratorio 9: Fg=9.8 N (masa de 1.00 kg), $\text{N}$ → $4.45$.
• Trabajo mecánico y energía:
  • • Entrada de trabajo: W=FΔx=2.20 N×1.0 m=2.2J.
    • Energía potencial Ep=mgh=1.00 kg×9.8 N/kg×0.200 m=1.96 J.
    • Eficiencia R = 1,96 J / 2,20 J × 1001 TP3T ≈ 891 TP3T.

Observaciones cualitativas

• Se requieren fuerzas de entrada menores para cargas más pesadas debido a la ventaja mecánica.
• La eficiencia disminuye ligeramente con cargas más pesadas debido al aumento de la fricción.

Análisis gráfico

• Fuerza vs. Carga: Un gráfico lineal de Fg vs. F confirma la proporcionalidad, con desviaciones debidas a la fricción de la polea (por ejemplo, los datos muestran Fuerza/Fuerza​​ varía de 4.7–5.0).
• Tendencias de Eficiencia: La eficiencia sigue siendo elevada (~85–90%), pero nunca alcanza el 100% debido a las pérdidas de energía.

Análisis de errores

• Errores sistemáticos: Peso no despreciable de la polea (por ejemplo, discrepancias de fuerza de 0.40–1.85 N).
• Errores aleatorios: precisión del dinamómetro de ±0.1 N, imprecisiones de la regla de ±0.5 cm.

Comprensión conceptual

• Ventaja mecánicaDerivado del equilibrio $=5T,$dónde tensión $T=F$.
• Pérdida de energía: Fricción en los ejes de las poleas y el trabajo realizado contra el peso de la polea explicar R<100.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 6–8

Enfoque:

• Introducción a las máquinas simples y la reducción de fuerza.

Tareas:

• Ensamblar una polea de 5 ramales y medir las fuerzas de entrada/salida.
• Observe cómo tirar de 1 m de cuerda levanta una carga 0.2 m.
• Discutir aplicaciones reales (por ejemplo, cortinas de teatro, grúas de construcción).

Resultados Esperados:

• Reconoce las poleas como multiplicadores de fuerza.
• Practicar tabulación Fg​, F, y Δx.
• Identifica las pérdidas de energía como “esfuerzo desperdiciado”.”

Grados 9–10

Enfoque: Análisis cuantitativo de la ventaja mecánica y la energía.

Tareas:

• Calcular Fuerza/Fuerza​​, $W$, y Ep​ por cada ensayo.
• Trama Fuerza/Fuerza vs. Fg​ para verificar la proporcionalidad.
• Usar W = FΔx y E_p = mgh para comparar la energía de entrada/salida.

Resultados Esperados:

• Derivar Fg=5T de la segunda ley de Newton.
• Explica las pérdidas de eficiencia basándote en la conservación de la energía.
• Proponer mejoras para reducir la fricción (por ejemplo, poleas lubricadas).

Grados 11-12

Enfoque:

• Análisis avanzado de errores y optimización de sistemas.

Tareas:

• Calcular trabajo de fricción: $.$
• Rediseña el sistema usando poleas con rodamientos de bolas o materiales más ligeros.

Resultados Esperados:

• Escriba informes de laboratorio con márgenes de error y análisis de regresión.
• Evaluar impactos económicos de la eficiencia de poleas en entornos industriales.
• Proponer experimentos que prueben cargas dinámicas o recuentos de hebras variables.

Seguridad y Extensiones Seguridad:

• Asegura las poleas para evitar deslizamientos; evita tirones bruscos de las cuerdas bajo tensión.

Extensiones:

• Prueba de eficiencia de polea de 3 hilos frente a 5 hilos.
• Integra sensores digitales para el seguimiento en tiempo real de fuerza/desplazamiento.
• Explora sistemas regenerativos (por ejemplo, almacenar energía disipada).

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Polipasto
• Pesos (1 a 9N)
• Dinamómetro
• Regla de 50cm

Productos