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Fisica 2° · 2024
Libro de Física 2 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

111/274

Movimiento Armónico Simple (MAS) con Péndulo: diseño de un experimento

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 2° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

  1. Experimento: T = t/N con N = 20 oscilaciones. 2. Relación teórica: T = 2\pi\sqrt{L/g}. 3. T es proporcional a \sqrt{L}; el gráfico T vs. \sqrt{L} es recta de pendiente 2{,}01\ \text{s}/\sqrt{\text{m}}, de donde se calcula g \approx 9{,}8\ \text{m/s}^{2}. 4. Metacognición: aprendí el MAS con un péndulo real y sus aplicaciones en relojes e ingeniería.
📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 111

Fisica 2° · 2024

1
Ejercicio 1

(Desafío)

Diseñar un experimento con un péndulo simple para investigar cómo la longitud del péndulo afecta el período de oscilación del Movimiento Armónico Simple (MAS).

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Parte 1.a

Diseño experimental (según el apoyo del libro)

  1. Recursos: hilo liviano, peso suspendido (pequeña masa), regla o cinta métrica, cronómetro.
  2. Montaje: se cuelga el hilo de una superficie fija de modo que el peso oscile libremente; se ajusta la longitud del hilo para crear distintas condiciones.
  3. Medición de la longitud: se mide con la regla desde el punto de suspensión hasta el centro de masa del peso (se resta el radio del peso si se mide hasta la base).
  4. Desplazamiento inicial: se desplaza el peso poco más de 5° desde la vertical (condición de oscilaciones pequeñas) y se suelta, sin empujar, registrando el instante de inicio.
  5. Registro de datos: se cronometra el tiempo t para un número N de oscilaciones completas (por ejemplo, N = 20), contando la primera oscilación en el instante en que el peso vuelve a pasar por el mismo punto en el mismo sentido.
  6. Variedad de condiciones: se repite la medición para al menos cinco longitudes distintas (L).
  7. Análisis: se calcula el período para cada longitud y se verifica la relación teórica.
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Parte 1.b

Relación teórica (para verificar el resultado)

Para un péndulo simple, la fuerza restauradora es F = -\dfrac{mg}{L}\,\theta, de donde la aceleración es a = -\dfrac{g}{L}\,\theta. Comparando con a = -\omega^{2}\theta se obtiene:

\omega = \sqrt{\dfrac{g}{L}}

y como T = \dfrac{2\pi}{\omega}:

\boxed{T = 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}}

Con g = 9{,}8\ \text{m/s}^{2}:

  1. Se sustituye la longitud medida en T = 2\pi\sqrt{L/g}.
  2. Se eleva al cuadrado: T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}}{g}\,L.
  3. Como 4\pi^{2}/g es constante, T es proporcional a \sqrt{L} (no a L).
c
Parte 1.c

Resultados esperados (valores teóricos)

El período se mide como T = t/N con N = 20 oscilaciones:

L\ (\text{m}) \sqrt{L}\ (\sqrt{\text{m}}) T = 2\pi\sqrt{L/g}\ (\text{s}) t = N\,T\ (\text{s})
0,25 0,500 1,004 20,1
0,50 0,707 1,419 28,4
0,75 0,866 1,738 34,8
1,00 1,000 2,007 40,1
1,25 1,118 2,244 44,9
2,00 1,414 2,839 56,8

Comprobación con L = 0{,}50\ \text{m}:

  1. \dfrac{L}{g} = \dfrac{0{,}50}{9{,}8} = 0{,}05102.
  2. \sqrt{0{,}05102} = 0{,}2259\ \text{s}.
  3. T = 2\pi(0{,}2259) = 1{,}42\ \text{s}, es decir, para N = 20 oscilaciones se debe cronometrar unos 28{,}4\ \text{s}.
d
Parte 1.d

Tratamiento de datos y verificación

  1. Se calcula T = t/N para cada longitud.
  2. Se grafica T en función de \sqrt{L}: se espera una recta que pasa por el origen.
  3. La pendiente de la recta debe ser m = 2\pi/\sqrt{g} = 2\pi/3{,}13 = 2{,}01\ \text{s}/\sqrt{\text{m}}.
  4. A partir de la pendiente se calcula g: g = \left(\dfrac{2\pi}{m}\right)^{2}. Si el valor obtenido está cercano a 9{,}8\ \text{m/s}^{2} (por ejemplo, dentro de un 5 %), la relación teórica se cumple.
  5. Alternativamente, se grafica T^{2} contra L: la pendiente debe valer 4\pi^{2}/g \approx 4{,}03\ \text{s}^{2}/\text{m}.
Respuesta

el experimento confirma que a mayor longitud del péndulo, mayor período de oscilación, según T = 2\pi\sqrt{L/g}; el gráfico T vs. \sqrt{L} resulta lineal y su pendiente permite determinar g.

2
Ejercicio 2
a
Parte 2.a

Reflexión del libro: "¿Cómo afecta la longitud del péndulo al período de oscilación?"

A medida que aumenta la longitud, el período aumenta, pero de forma no lineal: al doble de longitud el período solo crece en un factor \sqrt{2} \approx 1{,}41, es decir, un 41 %. Esto se explica porque a mayor L la aceleración angular \omega = \sqrt{g/L} disminuye y el péndulo tarda más en completar cada oscilación.

Respuesta

el período es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la longitud; duplicar L incrementa T solo en un 41 %.

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Parte 2.b

Reflexión: "¿Los resultados experimentales concuerdan con la relación teórica?"

Respuesta orientativa: sí, en general los datos se ajustan a una recta al graficar T frente a \sqrt{L} y la pendiente cercana a 2{,}01\ \text{s}/\sqrt{\text{m}} arroja un g próximo a 9{,}8\ \text{m/s}^{2}. Las pequeñas diferencias se explican por errores de medición, por no asegurar oscilaciones pequeñas (el ángulo debe ser menor que unos 5°) y por la masa del hilo, que el modelo del péndulo simple desprecia. Además, la frecuencia no depende de la masa, por lo que cambiar el peso suspendido no debería alterar el período.

3
Ejercicio 3
a
Parte 3.a

Metacognición: "¿Qué he aprendido?"

Aprendí que el período de un péndulo depende únicamente de su longitud y de la gravedad del lugar, y no de la masa del cuerpo oscilante ni, en la aproximación de oscilaciones pequeñas, de la amplitud.

b
Parte 3.b

"¿Cómo lo he aprendido?"

Lo aprendí diseñando y realizando un experimento paso a paso: montando el aparato, midiendo longitudes, cronometrando 20 oscilaciones y comparando los datos experimentales con la fórmula teórica.

c
Parte 3.c

"¿Para qué me ha servido?"

Me sirvió para comprender el Movimiento Armónico Simple en un sistema real, para practicar la medición del tiempo y el cálculo del período, y para entender cómo se verifica una ley física mediante datos.

d
Parte 3.d

"¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?"

En el diseño de péndulos de reloj, en el cálculo de la gravedad de un planeta con un péndulo (por ejemplo, los péndulos de Cavendish y los de relojes de péndulo), en el estudio de oscilaciones en estructuras y en ingeniería sísmica, donde se modelan oscilaciones con el mismo formalismo del MAS.

Respuesta

el experimento confirma T = 2\pi\sqrt{L/g}; el período crece con la longitud según la raíz cuadrada y no depende de la masa ni de la amplitud (para oscilaciones pequeñas).

Contenido de la página

A que no te atreves

Tema: Movimiento Armónico Simple (MAS) con Péndulo

Desafío: diseño un experimento para investigar y comprender el Movimiento Armónico Simple (MAS) utilizando un péndulo simple, centrándome en cómo la longitud del péndulo afecta el período de oscilación.

Apoyo:

Recursos:

  • Hilo liviano.
  • Peso suspendido (pequeña masa en el extremo del hilo).
  • Regla o cinta métrica.
  • Cronómetro o reloj con función de temporizador.

Pasos del Experimento:

  1. Montaje del Péndulo: cuelgo el hilo de una superficie fija de manera que el peso pueda oscilar libremente y ajusto la longitud del hilo para determinar diferentes condiciones experimentales.
  2. Medición de la Longitud del Péndulo: mido y registro la longitud del hilo desde el punto de suspensión hasta el centro de masa.
  3. Desplazamiento Inicial: desplazo el peso desde su posición de equilibrio y lo suelto para iniciar el MAS; registro el tiempo cuando comienza el movimiento.
  4. Registro de Datos: mido y registro el tiempo necesario para que el péndulo complete varias oscilaciones.
  5. Varía la longitud del péndulo y repite las mediciones.
  6. Análisis de Datos: calculo el período del MAS para cada longitud y analizo cómo la longitud afecta el período; verifico si se cumple la relación teórica.

Reflexión: evalúo cómo la longitud del péndulo afecta al período de oscilación. Reflexiono sobre si los resultados experimentales concuerdan con la relación teórica.

METACOGNICIÓN

  • ¿Qué he aprendido?
  • ¿Cómo lo he aprendido?
  • ¿Para qué me ha servido?
  • ¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

Página 110 · Texto de Física

Ejemplos resueltos

Calcular el período teórico y el tiempo cronometrado para N = 20 oscilaciones cuando el péndulo tiene L = 0,50 m (g = 9,8 m/s²).

  1. L/g = 0{,}50/9{,}8 = 0{,}05102. 2. \sqrt{0{,}05102} = 0{,}2259\ \text{s}. 3. T = 2\pi(0{,}2259) = 1{,}42\ \text{s}. 4. t = N\,T = 20 \times 1{,}42 = 28{,}4\ \text{s}. Respuesta: T \approx 1{,}42\ \text{s} y t \approx 28{,}4\ \text{s}.

Duplicar la longitud de un péndulo simple. ¿En qué factor cambia el período?

T = 2\pi\sqrt{L/g}, luego T_{2}/T_{1} = \sqrt{L_{2}/L_{1}} = \sqrt{2} = 1{,}41. Respuesta: el período aumenta 41 %, no se duplica.

Un péndulo de L = 1,00 m tarda 20 s en completar 10 oscilaciones. Determinar g.

  1. T = t/N = 20/10 = 2{,}0\ \text{s}. 2. T^{2} = 4\pi^{2}L/g \Rightarrow g = 4\pi^{2}L/T^{2}. 3. g = (4)(9{,}87)(1{,}00)/(2{,}0)^{2} = 39{,}48/4{,}0 = 9{,}87\ \text{m/s}^{2}. Respuesta: g \approx 9{,}9\ \text{m/s}^{2}, valor muy cercano al teórico.

Tablas (2)

L\ (\text{m}) \sqrt{L}\ (\sqrt{\text{m}}) T = 2\pi\sqrt{L/g}\ (\text{s}) t = 20\,T\ (\text{s})
0,25 0,500 1,004 20,1
0,50 0,707 1,419 28,4
0,75 0,866 1,738 34,8
1,00 1,000 2,007 40,1
1,25 1,118 2,244 44,9
2,00 1,414 2,839 56,8
Fase Acción del estudiante Verificación
Montaje Cuelgo el hilo y ajusto L El peso oscila libremente
Medición Mido L hasta el centro de masa Regla o cinta métrica
Lanzamiento Desplazo menos de 5° y suelto Sin empujar el peso
Cronometraje Cronometro 20 oscilaciones T = t/N
Análisis Calculo T y grafico T vs \sqrt{L} Recta de pendiente 2\pi/\sqrt{g}

Diagrama

flowchart TD
  A[Montaje del péndulo: hilo y peso] --> B[Medir la longitud L hasta el centro de masa]
  B --> C[Desplazar el peso menos de 5 grados y soltar]
  C --> D[Cronometrar t para N = 20 oscilaciones]
  D --> E[Calcular T = t/N]
  E --> F{Varia la longitud?}
  F -- No --> G[Calcular T teorico = 2 pi raiz de L/g]
  F -- Si --> B
  G --> H[Graficar T vs raiz de L]
  H --> I[Obtener pendiente m = 2 pi / raiz de g]
  I --> J[Calcular g = (2 pi / m)^2]
  J --> K[Comparar g con 9,8 m/s^2 y concluir]

Fórmulas y ecuaciones

T = 2\pi\sqrt{L/g}

\omega = \sqrt{g/L}

T = t/N (medición experimental del período)

g = 4\pi^{2}L/T^{2} (gravedad a partir del péndulo)

T = 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}

\omega = \sqrt{\dfrac{g}{L}}

T = \dfrac{2\pi}{\omega}

T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}}{g}\,L

T = \dfrac{t}{N}

F = -\dfrac{mg}{L}\,\theta

g = \left(@@MATH_0@@\right)^{2}

Glosario (6)

Péndulo simple
Sistema formado por una masa puntual suspendida por un hilo inextensible y de masa despreciable, que oscila bajo la acción de la gravedad.
Período (T)
Tiempo que tarda el oscilador en completar una oscilación completa; para el péndulo simple T = 2π√(L/g).
Oscilaciones pequeñas
Régimen en el que el ángulo de desplazamiento es menor que unos 5°, lo que permite aproximar sen(θ) ≈ θ y obtener el MAS.
Frecuencia angular (ω)
Radianes recorridos por unidad de tiempo; en el péndulo simple vale ω = √(g/L).
Centro de masa
Punto donde se considera concentrada la masa de un cuerpo; la longitud del péndulo se mide hasta ese punto.
MAS
Movimiento Armónico Simple: movimiento oscilatorio en el que la aceleración es proporcional al desplazamiento y de signo contrario (a = -ω²x).

Preguntas para practicar

¿Cómo afecta la longitud del péndulo al período de oscilación?

El período es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la longitud: a mayor L, mayor T, pero de forma no lineal. Duplicar la longitud incrementa el período en un factor √2 ≈ 1,41 (41 %), porque la frecuencia angular ω = √(g/L) disminuye.

¿Concuerdan los resultados experimentales con la relación teórica?

Sí, si la gráfica T vs √L es una recta por el origen con pendiente cercana a 2,01 s/√m, se recupera g ≈ 9,8 m/s². Las pequeñas diferencias se deben a errores de medición del tiempo y de la longitud, al ángulo de desplazamiento no ser lo suficientemente pequeño y a la masa del hilo.

¿Qué he aprendido en esta actividad?

Aprendí que el período de un péndulo simple depende únicamente de su longitud y de la gravedad del lugar, y no de la masa del cuerpo oscilante ni de la amplitud, para oscilaciones pequeñas.

¿Cómo lo he aprendido?

Lo aprendí a través de la práctica experimental: monté el péndulo, medí longitudes, cronometré veinte oscilaciones para cada condición y comparé los datos con la fórmula teórica T = 2π√(L/g).

¿Para qué me ha servido?

Me sirvió para comprender el Movimiento Armónico Simple en un sistema real, para desarrollar habilidades de medición y registro de datos, y para entender cómo se verifica una ley física mediante el método científico.

¿En qué otras ocasiones puedo usar lo aprendido?

Puedo usarlo en el diseño de péndulos de reloj, en la determinación de la gravedad de un planeta, en el estudio de oscilaciones en estructuras y puentes, y en sismología, donde las oscilaciones se modelan con el mismo formalismo del MAS.

Temas y conceptos clave

Movimiento Armónico Simple (MAS)Péndulo simplePeríodo de oscilaciónRelación T = 2π√(L/g)Diseño experimental y análisis de datosMetacognición del aprendizajepéndulo simpleperíodo Tlongitud Lfuerza restauradorafrecuencia angular ωgravedad g = 9,8 m/s²oscilaciones pequeñaspendiente de la gráfica T vs √L

Fuentes y referencias

  • Laboratorio de física escolar: péndulo simple y determinación de g.
  • Texto de Física 2, Bachillerato General Unificado, Ecuador, 2024, pág. 110.
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Preguntas que la gente también hace

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¿Qué relación hay entre la longitud del péndulo y su período?
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¿Por qué el período del péndulo no depende de la masa?
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📌 Antes de leer esto
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A que no te atreves

Tema: Movimiento Armónico Simple (MAS) con Péndulo

Desafío: diseño un experimento para investigar y comprender el Movimiento Armónico Simple (MAS) utilizando un péndulo simple, centrandome en cómo la longitud del péndulo afecta el período de oscilación.

Apoyo:

Recursos:

e Hilo liviano.

e Peso suspendido (puede ser una pequeña masa en el extremo del hilo).

e Regla o cinta métrica.

e Cronómetro o reloj con función de temporizador.

Pasos del Experimento:

e Montaje del Péndulo: Cuelgo el hilo de una superficie fija de manera que el peso pueda oscilar libremente y ajusto la longitud del hilo para determinar diferentes condiciones experimentales.

e Medición de la Longitud del Péndulo: Mido y registro la longitud del hilo desde el punto de suspensión hasta el centro de masa.

e Desplazamiento Inicial: Desplazo el peso desde su posición de equilibrio y suéltalo para iniciar el MAS y registro el tiempo cuando comienza el movimiento.

e Registro de Datos: Mido y registro el tiempo necesario para que el péndulo complete varias oscilaciones.

e Varia la longitud del péndulo y repite las mediciones.

e Análisis de Datos: Calculo el período del MAS para cada longitud del péndulo y analizo cómo la longitud afecta el período y verifico si se cumple la relación teórica.

Reflexión: evalúo cómo la longitud del péndulo afecta el período de oscilación. Reflexiono sobre si los resultados experimentales concuerdan con la relación teórica.

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¿En qué otras ocasiones puedo usarlo?

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¿Qué he aprendido?

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