Experimento del plano inclinado
Incline experiment
Antes de empezar
Un bloque está en reposo sobre una rampa. ¿Significa eso que la gravedad ha dejado de actuar? La Tierra sigue tirando de él hacia abajo; simplemente no hemos considerado los demás efectos. La superficie sostiene el bloque y la fricción puede impedir que se deslice. Que no haya movimiento no significa que no haya fuerzas.
Quedémonos un momento con este bloque en reposo. Identifica de dónde vienen el peso, la fuerza de apoyo y la fricción, y luego observa sus direcciones. La gravedad apunta verticalmente hacia abajo, pero el movimiento a lo largo de la rampa sigue otra dirección. Para comparar sus efectos, describiremos el mismo peso en dos partes: a lo largo de la rampa y perpendicular a ella. Son dos componentes de una sola fuerza, no dos fuerzas extra que actúan sobre el bloque.
Si esa separación cuesta imaginarla, usa las flechas antes de hacer el cálculo. Sube despacio la rampa, observa cómo cambian las dos componentes y comprueba cuándo empieza a deslizarse el bloque. El seno y el coseno que se usan más adelante son las razones de longitudes presentadas en la página del círculo unitario. Las leyes de Newton conectarán las fuerzas con los cambios de movimiento.
Configuración del experimentoSuelta el bloque desde el reposo para recorrer 4.7 m. La gravedad apunta hacia abajo, la fuerza normal es perpendicular a la pendiente y el rozamiento se opone al deslizamiento. La reproducción termina antes de que se produzca un choque al pie de la pendiente.
Cómo observarConsidera la pendiente como parte de un triángulo rectángulo: la componente de la gravedad paralela a la pendiente corresponde al cateto opuesto a , la componente que presiona contra ella corresponde al cateto adyacente y la propia pendiente es la hipotenusa. Por eso, la componente paralela es multiplicado por cateto opuesto/hipotenusa, es decir, ; la componente hacia la superficie es multiplicado por cateto adyacente/hipotenusa, es decir, . Empieza con una pendiente suave y observa las fuerzas antes de pulsar Reproducir. La superficie responde con . Mientras el bloque permanece quieto, el rozamiento toma solo el valor necesario para impedir el deslizamiento, hasta un máximo de . Aumenta el ángulo lentamente y encuentra dónde supera ese límite. A partir de ahí, el bloque se desliza, el rozamiento se mantiene en y la fuerza restante a lo largo de la pendiente hace que gane rapidez.
Primero, prediceCon el bloque en reposo sobre el plano inclinado, ¿la fuerza normal apunta hacia arriba?
Distinguir las fuerzas reales, sus componentes y el umbral de la fricción.
Conocimientos previos: Una fuerza tiene magnitud y dirección; la fuerza neta determina la aceleración, no la velocidad directamente.Encuentra solo las fuerzas reales
Primero, prediceCon el bloque en reposo sobre el plano inclinado, ¿la fuerza normal apunta hacia arriba?
Primero tomamos el bloque solo como objeto de estudio. El peso es la fuerza con que la Tierra tira de él hacia abajo, de magnitud ; es la masa y la fuerza gravitatoria por kilogramo. La superficie impide que el bloque la atraviese y le ejerce una fuerza normal perpendicular a la superficie; la fricción a lo largo de la superficie se opone a la tendencia a deslizar. Primero desactivamos las componentes y reconocemos solo estas tres acciones reales. En esta página también usaremos (ángulo del plano inclinado), (coeficiente de fricción), (aceleración) y (velocidad); la fricción se escribe . La unidad de fuerza, newton, se escribe N, así que la N detrás de un número es la unidad y la sola es la fuerza normal.
La fuerza normal y el peso actúan ambos sobre el bloque, así que no forman un par de acción y reacción. La pareja del peso es la fuerza con que el bloque tira de la Tierra; la pareja de la fuerza normal es la fuerza con que el bloque empuja el plano. Aquí primero distinguimos «quién ejerce fuerza sobre quién» y después decidimos qué fuerzas sumar.
Cómo observar
- Gira la escena y comprueba la dirección de la fuerza normal.
- Ajusta el ángulo del plano y el coeficiente de fricción.
- Suelta el bloque y compara quedarse en reposo con deslizar.
Qué simplifica este modelo
Plano inclinado rígido ideal con aceleración de la gravedad de 9.81 m/s². Para mantener a la vista la condición límite de la fricción, los coeficientes de fricción estática y cinética comparten un solo valor; el bloque se suelta desde el reposo. Las componentes no son fuerzas adicionales que actúen sobre el bloque.
