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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

86/273

Prueba 2: determinación de la constante del resorte con la ley de Hooke

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

k ≈ 38 N/m (0,38 N/cm). Método de razones F/Δx da 37,1–38,2 N/m (promedio 38,0); la pendiente de la recta F vs Δx da 38,85 N/m; ambos coinciden dentro del error experimental.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 86

Fisica 3° · 2024

1
Ejercicio 1

(literal a de la página)

Enunciado: Determino la constante del resorte mediante cálculos con base en la ecuación de la fuerza elástica, a partir de los resultados de las pruebas 1 y 2.

a
Parte 1.a

Identificar los datos de la tabla (Prueba 2, tomando en cuenta la masa del plato)

Masa (g) Masa (kg) Fuerza F (N) Posición (cm) Alargamiento \Delta x (cm)
20,00 0,0200 0,196 5,52 0,52
25,00 0,0250 0,245 5,66 0,66
30,00 0,0300 0,294 5,77 0,77
35,00 0,0350 0,343 5,90 0,90
40,00 0,0400 0,392 6,03 1,03
b
Parte 1.b

Verificar que la fuerza es el peso de la masa colgada ($F = m\cdot g$)

Usando g = 9{,}8\,\text{N/kg}:

F = m\cdot g = 0{,}0200\,\text{kg}\times 9{,}8\,\text{N/kg} = 0{,}196\,\text{N}

Se repite para los demás valores (0{,}025\times9{,}8=0{,}245\,\text{N}; 0{,}030\times9{,}8=0{,}294\,\text{N}; 0{,}035\times9{,}8=0{,}343\,\text{N}; 0{,}040\times9{,}8=0{,}392\,\text{N}). Todos coinciden, así que la columna "Fuerza" es correcta.

c
Parte 1.c

Aplicar la ley de Hooke: $F = k\cdot \Delta x$

Despejando la constante del resorte: k = \dfrac{F}{\Delta x}. Nota: como la posición de reposo del plato es 5{,}00\,\text{cm} (por eso 5{,}52-5{,}00=0{,}52\,\text{cm}), el alargamiento ya está referido a la posición con el plato, y la fuerza es la aportada por las masas añadidas.

Método 1 — Razón F/\Delta x en cada ensayo (convertir a N/m):

k_1 = \frac{0{,}196\,\text{N}}{0{,}52\,\text{cm}} = \frac{0{,}196\,\text{N}}{0{,}0052\,\text{m}} = 37{,}7\,\text{N/m}

k_2 = \frac{0{,}245\,\text{N}}{0{,}66\,\text{cm}} = 37{,}1\,\text{N/m}

k_3 = \frac{0{,}294\,\text{N}}{0{,}77\,\text{cm}} = 38{,}2\,\text{N/m}

k_4 = \frac{0{,}343\,\text{N}}{0{,}90\,\text{cm}} = 38{,}1\,\text{N/m}

k_5 = \frac{0{,}392\,\text{N}}{1{,}03\,\text{cm}} = 38{,}1\,\text{N/m}

Promedio:

\bar{k} = \frac{37{,}7+37{,}1+38{,}2+38{,}1+38{,}1}{5} = \frac{189{,}2}{5} \approx 38{,}0\,\text{N/m}

Método 2 — Pendiente de la recta F vs. \Delta x (regresión por mínimos cuadrados):

Con \sum x = 3{,}88\,\text{cm}, \sum y = 1{,}470\,\text{N}, \sum xy = 1{,}20246\,\text{N}\cdot\text{cm}, \sum x^2 = 3{,}1698\,\text{cm}^2:

k = \frac{\sum xy - n\bar{x}\bar{y}}{\sum x^2 - n\bar{x}^2} = \frac{1{,}20246 - 5(0{,}776)(0{,}294)}{3{,}1698 - 5(0{,}776)^2} = \frac{0{,}06174}{0{,}15892} = 0{,}3885\,\text{N/cm}

k = 0{,}3885\,\text{N/cm} \times 100\,\text{cm/m} = 38{,}85\,\text{N/m}

La ordenada al origen resulta b = \bar{y} - k\bar{x} = 0{,}294 - 0{,}3885(0{,}776) \approx -0{,}0075\,\text{N} \approx 0, es decir, la recta pasa prácticamente por el origen, confirmando que F \propto \Delta x (zona de deformación elástica, sin desbordamiento de la ley de Hooke).

**Método 3 — Cociente de extremos (verificación):

k = \frac{\Delta F}{\Delta x} = \frac{0{,}392 - 0{,}196}{1{,}03 - 0{,}52}\,\frac{\text{N}}{\text{cm}} = \frac{0{,}196}{0{,}51} = 0{,}3843\,\text{N/cm} = 38{,}4\,\text{N/m}

d
Parte 1.d

Conclusión

Las tres formas de cálculo dan k \approx 38\,\text{N/m}, con valores entre 37{,}1 y 38{,}9\,\text{N/m}: la diferencia proviene del error de medición en la posición con la regla (lectura de 0{,}1\,\text{cm}). Con esta constante se puede predecir cualquier alargamiento: por ejemplo, con una masa de 55{,}00\,\text{g} (0{,}539\,\text{N}), \Delta x = \dfrac{0{,}539}{38{,}4} = 0{,}0140\,\text{m} = 1{,}40\,\text{cm}, posición 5{,}00+1{,}40 = 6{,}40\,\text{cm}.

Respuesta

k \approx 38\,\text{N/m} (equivalente a 0{,}38\,\text{N/cm}).

Contenido de la página

PRUEBA 2

Se añaden las masas de los cuerpos conocidos y se obtienen los siguientes resultados, tomando en cuenta la masa del plato:

Masa (g) Fuerza (N) Posición (cm) Alargamiento (cm)
20,00 0,196 5,52 0,52
25,00 0,245 5,66 0,66
30,00 0,294 5,77 0,77
35,00 0,343 5,90 0,90
40,00 0,392 6,03 1,03

Masas disponibles: 5 g, 10 g, 20 g y una masa desconocida (?). En el esquema se observa un resorte con un plato colgado frente a una regla que va de 0 a 18 cm; con una masa de 20 g el marcador rojo se ubica cerca de 5,5 cm.

a) Determino la constante del resorte mediante cálculos con base en la ecuación de la fuerza elástica, a partir de los resultados reflejados en las pruebas 1 y 2.

Fuente de la simulación: https://n9.clxhvob6

Ejemplos resueltos

Con una masa de 30,00 g el resorte marca una posición de 5,77 cm (posición de reposo 5,00 cm). ¿Cuál es k?

F = m·g = 0,0300 kg × 9,8 N/kg = 0,294 N. Δx = 5,77 − 5,00 = 0,77 cm = 0,0077 m. k = F/Δx = 0,294 N / 0,0077 m = 38,2 N/m.

Tabla

Masa (g) Masa (kg) Fuerza (N) Posición (cm) Alargamiento (cm) k (N/m)
20,00 0,0200 0,196 5,52 0,52 37,7
25,00 0,0250 0,245 5,66 0,66 37,1
30,00 0,0300 0,294 5,77 0,77 38,2
35,00 0,0350 0,343 5,90 0,90 38,1
40,00 0,0400 0,392 6,03 1,03 38,1

Diagrama

graph TD
  A[Datos de la prueba 2] --> B[Calcular F = m · g]
  B --> C[Calcular Δx = x − x₀]
  C --> D[k = F / Δx en cada ensayo]
  D --> E[Promedio y pendiente de la recta]
  E --> F[k ≈ 38 N/m]

Fórmulas y ecuaciones

F = k \cdot \Delta x \;\Rightarrow\; k = \dfrac{F}{\Delta x}

F = m \cdot g

F = k \cdot \Delta x

k = \frac{F}{\Delta x}

k = \frac{\Delta F}{\Delta x}

\Delta x = x - x_0

Glosario (5)

Constante del resorte (k)
Proporcionalidad entre la fuerza aplicada y el alargamiento; mide la rigidez del resorte y se expresa en N/m o N/cm.
Alargamiento (Δx)
Diferencia entre la longitud del resorte con carga y su posición de reposo: Δx = x − x₀.
Fuerza elástica
Fuerza restauradora F = k·Δx que ejerce el resorte en dirección opuesta a la deformación.
Masa del plato
Masa que ya produce una elongación inicial del resorte, considerada al definir la posición de referencia (5,00 cm).
Ley de Hooke
En la zona elástica, la fuerza es directamente proporcional al alargamiento: F = k·Δx.

Preguntas para practicar

¿Por qué la recta F vs Δx debe pasar por el origen para cumplirse la ley de Hooke?

Porque si no hay alargamiento no hay fuerza restauradora (F = 0 cuando Δx = 0); la pendiente de esa recta es exactamente la constante k. Si el ajuste arroja un intercepto distinto de cero, indica error experimental o que la masa del plato no fue correctamente descontada.

¿Qué le ocurriría al resorte si se le añaden masas suficientes como para superar el límite elástico?

La deformación dejaría de ser proporcional a la fuerza, la recta se curvaría y el resorte no recuperaría su longitud original al retirar las cargas: sería una deformación plástica. En ese caso el cálculo con k = F/Δx dejaría de ser válido.

Temas y conceptos clave

Determinación experimental de la constante de un resorteLey de Hooke F = k·ΔxUso de la pendiente de la recta F vs Δx para hallar kConstante elástica k (rigidez del resorte)Alargamiento ΔxFuerza elástica restauradoraPendiente de la recta de ajusteZona de deformación elástica

Fuentes y referencias

  • https://n9.clxhvob6 (simulación PhET tipo fuerza y el resorte)
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Preguntas que la gente también hace

¿Cómo se calcula la constante de un resorte a partir de datos de fuerza y alargamiento?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué es la constante elástica k y qué unidades tiene?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué significa que la recta F vs Δx pase por el origen en la ley de Hooke?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Convertir gramos a kilogramos y centímetros a metros
  • • Calcular el peso: F = m·g
  • • Calcular el alargamiento como posición menos posición de reposo
  • • Entender que la pendiente de una recta de ajuste representa la constante
Siguiente tema sugerido
Aplicaciones de la constante elástica: energía potencial elástica y oscilaciones armónicas de un resorte (pág. 87).
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 532 caracteres

PRUEBA 2

Se añaden las masas de los cuerpos conocidos y se obtienen los siguientes resultados, tomando en cuenta la masa del plato:

Masa Fuerza Posición Alargamiento

(9) (N) (cm) (cm) 20,00 | 0,196 | 5,52 0,52 25,00 | 0,245 | 5,66 0,66 30,00 | 0,294 | 5,77 0,77 35,00 | 0,343 | 5,90 0,90 40,00 | 0,392 | 6,03 1,03

Fuente: https:/in9.clixhvob6

a) Determino la constante del resorte mediante cálculos con base en la ecuación de la fuerza elástica, a partir de los resultados reflejados en las pruebas 1 y 2.

Texto de Física \ gg

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