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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Constante elástica de un muelle y relación masa-alargamiento

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

b) Alargamientos: 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,10; 0,12; 0,14 m (masas 2 a 14 kg). c) Fuerza externa: Peso (F = m·g). d) K = mg/x = 19,6 N / 0,02 m = 980 N/m (constante en todas las pruebas).

📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 83

Fisica 3° · 2024

1
Ejercicio 1

(literal b)

Enunciado: Con base en los resultados del laboratorio, completo la tabla de pruebas con la masa y el alargamiento.

  1. En el simulador (PhET "Resortes") el muelle tiene una rigidez fija, así que el alargamiento es proporcional a la masa colgada.
  2. La ley de Hooke dice F = K \cdot x, y la fuerza aplicada es el peso: F = m \cdot g.
  3. De la prueba 1 conocemos los datos: m_1 = 2 \, \text{kg} y x_1 = 0{,}02 \, \text{m}. Como F = m g, se deduce que por cada kilogramo extra el muelle se alarga la misma cantidad: \Delta x = \frac{x_1}{m_1} = \frac{0{,}02 \, \text{m}}{2 \, \text{kg}} = 0{,}01 \, \text{m/kg}.
  4. Por lo tanto las masas sucesivas del simulador (incrementos de 2 \, \text{kg}) producen: m_2 = 4 \, \text{kg} \Rightarrow x_2 = 4 \times 0{,}01 = 0{,}04 \, \text{m}, y así sucesivamente.
PRUEBA MASA ALARGAMIENTO
1 2 \, \text{kg} 0{,}02 \, \text{m}
2 4 \, \text{kg} 0{,}04 \, \text{m}
3 6 \, \text{kg} 0{,}06 \, \text{m}
4 8 \, \text{kg} 0{,}08 \, \text{m}
5 10 \, \text{kg} 0{,}10 \, \text{m}
6 12 \, \text{kg} 0{,}12 \, \text{m}
7 14 \, \text{kg} 0{,}14 \, \text{m}

Respuesta

los alargamientos son 0{,}02; 0{,}04; 0{,}06; 0{,}08; 0{,}10; 0{,}12; 0{,}14 \, \text{m} para masas de 2 a 14 \, \text{kg}.

2
Ejercicio 2

(literal c)

Enunciado: Selecciono la fuerza externa que altera el estado inicial del resorte en la simulación.

  1. La "Normal" es la fuerza que ejerce la superficie sobre un cuerpo; no es la que estira el muelle.
  2. La "Tensión" no aparece como fuerza externa aplicada en el simulador de resortes.
  3. La masa suspendida del muelle ejerce una fuerza hacia abajo igual a su peso: F = m \cdot g.
  4. Al colgar la masa, el peso deforma el muelle hasta que m g = K x: el equilibrio se alcanza cuando ambas fuerzas se anulan.

Respuesta

Peso** (F = m \cdot g, hacia abajo).

3
Ejercicio 3

(literal d)

Enunciado: Calculo la constante elástica del muelle (K) y completo la tabla.

  1. Fórmula de la ley de Hooke: F = K \cdot x \Rightarrow K = \dfrac{F}{x}.
  2. Como la fuerza aplicada es el peso: F = m \cdot g con g = 9{,}8 \, \text{m/s}^2.
  3. Sustituyo los datos de la prueba 1: F_1 = m_1 \cdot g = 2 \, \text{kg} \times 9{,}8 \, \text{m/s}^2 = 19{,}6 \, \text{N}.
  4. Calculo K: K = \dfrac{F_1}{x_1} = \dfrac{19{,}6 \, \text{N}}{0{,}02 \, \text{m}} = 980 \, \text{N/m}.
  5. Repito el cálculo con la prueba 3: F_3 = 6 \, \text{kg} \times 9{,}8 \, \text{m/s}^2 = 58{,}8 \, \text{N}; K = \dfrac{58{,}8}{0{,}06} = 980 \, \text{N/m}. El mismo valor se obtiene en todas las pruebas: K es constante y no depende de la masa ni del alargamiento.
MASA ALARGAMIENTO K
2 \, \text{kg} 0{,}02 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
4 \, \text{kg} 0{,}04 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
6 \, \text{kg} 0{,}06 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
8 \, \text{kg} 0{,}08 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
10 \, \text{kg} 0{,}10 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
12 \, \text{kg} 0{,}12 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
14 \, \text{kg} 0{,}14 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
Respuesta

K = \dfrac{m g}{x} = \dfrac{2 \times 9{,}8}{0{,}02} = 980 \, \text{N/m} en todas las pruebas.

Contenido de la página

Laboratorio: Constante elástica de un muelle

b) Con base en los resultados del laboratorio, completo la siguiente tabla:

PRUEBA MASA ALARGAMIENTO
1 2 \, \text{kg} 0{,}02
2
3
4
5
6
7

c) En la simulación se puede observar una fuerza externa que altera el estado inicial del resorte. Selecciono dicha fuerza: Normal | Tensión | Peso | Ninguno.

d) Calculo la constante elástica del muelle (K) y completo la siguiente tabla a partir de los resultados de la simulación:

MASA ALARGAMIENTO K
2 \, \text{kg} 0{,}02

(Página 82, Texto de Física)

Ejemplos resueltos

Con una masa de 6 \, \text{kg} suspendida, el muelle se alarga 0{,}06 \, \text{m}. Calcula la constante elástica.

F = m g = 6 \, \text{kg} \times 9{,}8 \, \text{m/s}^2 = 58{,}8 \, \text{N}. Luego K = \dfrac{F}{x} = \dfrac{58{,}8 \, \text{N}}{0{,}06 \, \text{m}} = 980 \, \text{N/m}.

Con K = 980 \, \text{N/m}, ¿qué masa produce un alargamiento de 0{,}10 \, \text{m}?

F = K x = 980 \times 0{,}10 = 98 \, \text{N}. Como F = m g, m = \dfrac{F}{g} = \dfrac{98}{9{,}8} = 10 \, \text{kg}.

Tablas (2)

PRUEBA MASA ALARGAMIENTO
1 2 \, \text{kg} 0{,}02 \, \text{m}
2 4 \, \text{kg} 0{,}04 \, \text{m}
3 6 \, \text{kg} 0{,}06 \, \text{m}
4 8 \, \text{kg} 0{,}08 \, \text{m}
5 10 \, \text{kg} 0{,}10 \, \text{m}
6 12 \, \text{kg} 0{,}12 \, \text{m}
7 14 \, \text{kg} 0{,}14 \, \text{m}
MASA ALARGAMIENTO K
2 \, \text{kg} 0{,}02 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
4 \, \text{kg} 0{,}04 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
6 \, \text{kg} 0{,}06 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
8 \, \text{kg} 0{,}08 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
10 \, \text{kg} 0{,}10 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
12 \, \text{kg} 0{,}12 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}
14 \, \text{kg} 0{,}14 \, \text{m} 980 \, \text{N/m}

Fórmulas y ecuaciones

K = \dfrac{m \cdot g}{x}

F = K \cdot x

F = K \cdot x

K = \dfrac{F}{x}

F = m \cdot g

K = \dfrac{m \cdot g}{x}

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

\Delta x = 0{,}01 \, \text{m/kg}

Glosario (5)

Alargamiento
Cambio de longitud del muelle respecto a su longitud de reposo, simbolizado por $x$ y medido en metros.
Constante elástica (K)
Fuerza necesaria para alargar o comprimir el muelle en una unidad de longitud; se expresa en newtons por metro (N/m).
Ley de Hooke
Principio que establece que la fuerza elástica es directamente proporcional al alargamiento: $F = K \cdot x$.
Límite elástico
Máximo alargamiento que sufre un cuerpo sin dejar de recuperar su forma original.
Peso
Fuerza con que un cuerpo es atraído por la gravedad: $F = m \cdot g$, medida en newtons.

Preguntas para practicar

¿Por qué la constante elástica K permanece igual en todas las pruebas?

Porque K es una propiedad del muelle (depende de su material, diámetro y número de espiras), no de la carga aplicada. Al variar la masa cambian tanto la fuerza como el alargamiento, de modo que el cociente F/x se mantiene constante mientras el muelle trabaje dentro de su límite elástico.

¿Qué ocurriría con la relación masa–alargamiento si se sobrepasa el límite elástico?

El muelle dejaría de cumplir la ley de Hooke: el alargamiento aumentaría más rápido que la masa, la relación no sería lineal y el muelle quedaría deformado de forma permanente, sin recuperar su longitud de reposo.

¿Cómo influiría usar la gravedad terrestre en la Luna (g = 1,6 m/s²) sobre los resultados?

Al bajar g disminuye el peso de la misma masa, por lo que el alargamiento sería menor (por ejemplo, 2 kg produciría F = 3,2 N y x = 3,2/980 ≈ 0,0033 m). Sin embargo, la constante K = 980 N/m sería la misma, ya que es una propiedad del muelle.

Temas y conceptos clave

Laboratorio virtual de muelleLey de HookeConstante elástica KFuerza de restauraciónRelación masa-alargamientoLey de Hooke $F = K \cdot x$Constante elástica $K$ en N/mAlargamiento $x$Fuerza aplicada igual al peso $m \cdot g$Carácter lineal de la relación $F$ vs $x$ dentro del límite elástico

Fuentes y referencias

  • Simulador PhET 'Resortes' (Springs) - University of Colorado Boulder
  • Simulador PhET 'Movimiento de resortes' usado como apoyo laboratorial
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Preguntas que la gente también hace

¿Cómo se calcula la constante elástica K de un muelle con la ley de Hooke?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué es el alargamiento de un muelle y cómo se relaciona con la masa suspendida?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Por qué la constante elástica K se mantiene igual aunque cambie la masa?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Diferenciar masa y peso: $F = m \cdot g$
  • • Convertir gramos a kilogramos y centímetros a metros
  • • Despejar una ecuación algebraica (ley de Hooke $F = Kx$)
  • • Trabajar con unidades del SI: N, m, kg, N/m
Siguiente tema sugerido
Fuerza elástica en resortes: energía potencial elástica y movimiento armónico simple
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 397 caracteres

b) Con base en los resultados del laboratorio, completo la siguiente tabla:

1 2 kg 0,02

c) En la simulación se puede observar una fuerza externa que altera el estado inicial del resorte. Selecciono dicha fuerza.

Normal Tensión Peso Ninguno

d) Calculo la constante elástica del muelle (K) y completo la siguiente tabla a partir de los resultados de la simulación:

2 kg 0,02

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