Home > Experimentos > Escuchando la gravedad: muelle oscilante
< Volver

Experimentos > Escuchando la gravedad: muelle oscilante

Categorías: Mecánica
Palabras clave: Bobina, Gravedad, Oscilación


Autor/es

Mar�a Jes�s Santos

Qué se pretende demostrar

Se presentan tres experimentos (muelle, péndulo y tiro horizontal) en los que se mide la aceleración debida a la gravedad, g, haciendo uso de la tarjeta de sonido de un ordenador. En cada caso, un dispositivo se conecta a la entrada de audio del ordenador de manera que la tarjeta de sonido, a través de un software de grabación [1], permite detectar la señal generada por el dispositivo y medir tiempos con una precisión del orden de la cienmilésima de segundo. En el muelle la señal proviene de la corriente generada en una bobina por un pequeño imán unido al soporte de masas del muelle.

El método propuesto proporciona rapidez y precisión en las medidas, enriqueciéndolas con otros fenómenos físicos que contribuyen al aprendizaje con el apoyo de nuevas tecnologías.



Dirigido a

  • Secundaria
  • Universidad


Materiales necesarios

  • Un muelle oscilante.
  • Soporte con regla graduada.
  • Soporte para pesas con imán de neodimio y pesas circulares.
  • Aro con una bobina de cobre conectado a la entrada de audio de un ordenador.
  • Un ordenador y software de grabación de sonido.


Descripción

La determinación de la constante de recuperación de un muelle k es un experimento clásico en un laboratorio elemental de Física. Normalmente, esta determinación se realiza midiendo el periodo T de un sistema oscilante masa-muelle. Los valores típicos de k y T se encuentran en los rangos de 1-5 N/m y 0.2-1.5 s respectivamente. Como T es muy pequeño se utiliza un cronómetro para determinar el tiempo t de un número n de oscilaciones completas, por lo tanto T=t/n. Aumentando n se mejora la precisión en la medida de T. Dos métodos frecuentes son: ~5-10 experimentos con ~10-30 (el valor medio permite obtener T) o un solo experimento con ~ 100. En cualquier caso, contar oscilaciones requiere atención y es una tarea tediosa. Se propone aquí un procedimiento alternativo para determinar T mediante un pequeño imán cilíndrico de neodimio (1.2 cm de diámetro, 0,5 cm de espeso y 4.1 g de peso), una bobina de cobre esmaltado conectada a la entrada de audio de un ordenador y un programa de análisis de sonido. El uso de la tarjeta de sonido es una herramienta útil y poderosa para medir tiempo, como se ha sugerido en trabajos recientes [2-4].

La figura 1 presenta el dispositivo experimental. Un muelle está colgado sobre una abrazadera y un soporte (no magnético) con masas ranuradas. El imán se pega en la parte inferior del soporte. Una bobina de 15 espiras de cobre esmaltado (0.01 cm de diámetro) se enrolla alrededor de un tubo de plástico de 2 cm de longitud, con un diámetro de 4.9 cm y un espesor de 0.15 cm. El tubo de plástico se sujeta horizontalmente con una pinza de una aleación de aluminio, y el imán se sitúa en el centro de la bobina. El final de la bobina se conecta a la entrada de audio del ordenador. Se dispone en el ordenador de un programa gratuito para grabar y editar sonido.

Una vez que la masa comienza a oscilar verticalmente, se activa el botón de grabación del software de sonido. Debido al fenómeno de inducción electromagnética, según la Ley de Faraday, la oscilación del imán a través de la espira genera una señal eléctrica periódica que queda registrada en el ordenador. La señal recogida es muy débil y se debe ampliar utilizando las herramientas propias del programa. La figura 2 muestra una grabación típica de la señal. El periodo de oscilación del sistema masa-muelle viene dado por el tiempo entre dos picos alternativos (i e i+2): T=ti+2-ti. Esto es debido a que el imán pasa dos veces a través de la espira en un ciclo. El tiempo de un pico se mide colocando el cursor en dicho máximo (se puede realizar un zoom horizontal de la señal para determinar dicha localización). La determinación de la constante elástica del muelle k se realiza mediante una regresión lineal de los cuadrados del periodo obtenida para diferentes masas [5].

El conocimiento de k unido al cálculo previo del cociente k/g a través de la Ley de Hooke [6] permite la determinación de g.



Existe alg�n riesgo

No



Imágenes

 


Enlaces

Referencias bibliográficas:

S. Ganci, "Quantitative measurements of acoustical beats by means of de improper use of sound card software,'' Eur. J. Phys. 28, L45 (2007)
J.A. White, A. Medina, F.L. Román, and S. Velasco, "A measurement of g listening to falling balls,'' The Physics Teacher, vol. 45, pp. 175--177, (2007)
S. Ganci, "Measurement of g by means of de improper use of sound card software: a multipurpose experiment,'' Phys. Educ. 43(3), 297 (2008)
L. Hmurcik, A. Slacik, H. Miller, and S. Samoncik, "Linear regression analysis in a firs physics lab,'' Am. J. Phys. 57(2), 135 (1989)
P. Tipler and G. Mosca, Física para la ciencia y la tecnología, vol. 1. pp. 396--406 (Reverté, Barcelona, 2005)

Enlaces:

http://www.softonic.com/s/audacity-gratis



Observaciones

La tarjeta de sonido de un ordenador trabajar en un orden de frecuencias de 44100 Hz y, por lo tanto, el tiempo ti se mide con una incertidumbre máxima de 2.3x10-5 s. Con objetivo de reducir los errores asociados a la localización de los picos, es recomendable realizar la medida de los tiempos con los picos i e i+20, por lo tanto T=(ti+20-ti)/10.

Otros autores:

Juan Antonio White
Antonio González
Santiago Velasco