360_GUIDOVIA

Giulia Morabito
Classe 2^ C
ESPERIMENTO
OBBIETTIVO
Osservare a livello pratico che nel moto uniformemente accelerato l’accelerazione è costante
utilizzando la guidovia a cuscino d’aria e realizzare un esperimento, sempre utilizzando la
guidovia, che verifichi che la forza di gravità è una forza conservativa (una forza si dice
conservativa se e solo se il lavoro fatto da una forza sul punto materiale che segue un
cammino chiuso è sempre uguale a zero).
BREVE PREMESSA TEORICA
In fisica il moto è definito come il cambiamento di posizione di un corpo al trascorrere del
tempo.
Gli elementi essenziali del moto sono:
- la traiettoria, ovvero la successione dei punti descritti da un corpo in movimento;
- lo spazio percorso;
- il tempo impiegato a percorrere un determinato spazio;
- la velocità, cioè il rapporto fra lo spazio e il tempo;
- L’accelerazione ovvero la variazione della velocità nell’unità di tempo.
Il moto può essere studiato cinematicamente o dinamicamente. Nel primo caso, per
descrivere l’andamento di un moto si utilizza una legge fisica, detta legge oraria, che esprime
lo spazio percorso s in funzione del tempo t. Da essa si ricavano altre grandezze fisiche, la
velocità e l’accelerazione, che consentono di definire il tipo di moto. Così, se la velocità è
costante, si parla di moto uniforme; se la velocità è variabile e l’accelerazione è costante, si
parla di moto uniformemente accelerato; se l’accelerazione è variabile nel tempo, si parla di
moto vario. (Il tipo di moto trattato in questa esperienza il moto uniformemente accelerato).
Per descrivere un moto a partire dalle forze che lo producono, in generale si ricorre alle tre
leggi della dinamica e ai teoremi associati, tra cui anche la legge di conservazione
dell’energia. Noi ci siamo soffermati in particolare sulla seconda legge della dinamica cioè:
F = ma (unità di misura presenti in questa legge: Massa (m) si misura in kg, Accelerazione
(a) si misura in m/s2, Forza (F) si misura in kg m/s2, a cui si da il nome di Newton (N)). La
seconda legge della dinamica ci è stata utile per calcolare l’accelerazione nel seguente modo:
conoscendo la massa m del corpo si calcola il vettore accelerazione a= F/m. Il vettore F è la
somma vettoriale dei vettori forza applicati al corpo. E per finire ci siamo soffermati sulla
legge di conservazione dell’energia che dice che l’energia totale di un corpo soggetto a forze
conservative resta costante durante il suo moto, ovvero l’energia potenziale del corpo si
trasforma in energia cinetica e viceversa, ma il valore della loro somma non varia.
Per studiare il moto uniformemente accelerato e verificare che la forza di gravità è una forza
conservativa, in laboratorio abbiamo utilizzato la guidovia a cuscino d’aria, un sistema in cui
l’attrito è trascurabile.
Si tratta di un dispositivo piuttosto sofisticato composto da un guida cava in cui viene
insufflata aria che poi fuoriesce nella parte superiore a contatto con l’aliante (corpo in moto).
Al di sopra della guida c’è con un filo rigido che, da un lato è collegato all’aliante e,
dall’altro, passando nella gola di una carrucola, è attaccato ad una massa che costituisce la
causa del moto. Sopra suddetto guida vi sono inoltre due fotocellule posizionate (da noi) a
distanze uguali (82,5 cm la prima volta; 63 cm la seconda volta e 43 cm la terza volta) e
collegate ad un Timer che ha il compito di registrare i tempi (T1,T2,T3, T4 ).
MATERIALE UTILIZZATO PER LA REALIZZAZIONE DELL’ESPERIENZA
Guidovia provvista di:
guida a cuscino d’aria con asta graduata [cm]
aliante
filo rigido
carrucola
pompa
pesino causa del moto
gancio traino
due fotocellule poste (da noi) a distanze uguali [cm]
Timer
GRANDEZZE FISICHE MISURATE
Grandezza
Simbolo
Tempo
T
Spazio
s
Accelerazione
a
Massa
Forza peso
m
F
Unità di misura
s
m
m/s^2
kg
N
Strumento
timer
Asta graduata
S=1/2at^2
a=F/m
bilancia
F=gm
DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA
Abbiamo preso un carrellino a cui abbiamo agganciato attraverso un gancio traino un pesino
che costituisce la forza peso e che nel seguente caso è la forza di gravità. Il sistema era quindi
costituito dal carrellino più il pesino che vengono azionati dalla forza di gravità sul pesino
stesso. In questo sistema si è potuta rendere trascurabile l’azione frenante dell’attrito
generato dal contatto fra carrellino e rotaia grazie al cuscinetto d’aria che si è formato tra il
carrellino e l’asta stessa.
FASI OPERATIVE DELL’ESPERIENZA
1. Innanzitutto abbiamo acceso il timer ed abbiamo cominciato a capire come era
strutturato il sistema.
2. Poi abbiamo misurato la massa del pesino, la massa del sistema, lo spazio (s) a cui
avevamo posto le due fotocellule che è stato fissato di 82,5 poi 63 e infine 43 [cm] e il
tempo(t)
3. Azionando la pompa ad aria si è fatto quindi cadere il pesino (m) attaccato alla carrucola in
modo da dare inizio al moto dell’aliante.
4. Abbiamo riportato in una tabella i tempi registrati dal timer effettuando 4 prove di
rilascio dell’aliante in modo da ottenere risultati più attendibili dei tempi.
5. Con i tempi e gli spazi percorsi riportati in tabella abbiamo calcolato le
accelerazioni in vari punti, abbiamo inoltre utilizzato il secondo principio di dinamica per
calcolare l’accelerazione in un altro modo e ne abbiamo calcolato l’errore percentuale.
6. Abbiamo infine calcolato l’energia cinetica e quella potenziale per vedere se
corrispondevano.
7. Abbiamo osservato i dati complessivamente allo scopo di visualizzare meglio i risultati
ottenuti e per capire se e perchè erano stati commessi degli errori.
DATI RACCOLTI ED ELABORATI E TABELLE RELATIVE
- massa carrellino + sistema gancio traino: 204,11 g
- massa pesino: 26,09 g
- massa totale sistema: 230,20 g
Distanza fotocellule [cm]
82,5
82,5
82,5
82,5
N° prove
1
2
3
4
T
1,14s
1,15s
1,14s
1,14s
Distanza fotocellule [cm]
63
63
63
63
N° prove
1
2
3
4
T
0,98s
0,98s
0,99s
0,98s
Distanza fotocellule [cm]
43
43
43
43
N° prove
1
2
3
4
T
0,81s
0,83s
0,79s
0,79s
Spazio
(m)
Media
dei
tempi
(s)
Accelerazione
(m/s^2)
Massa
del
sistema
(kg)
0,825
1,14
1,269621422
0,2302
0,63
0,98
1,311953353
0,2302
0,43
0,805
1,327109294
0,2302
Energia potenziale
0,211152893
Energia cinetica
0,241120152
Forza Er%
peso dell’accelerazio
del
ne sulla rotaia
pesino
(N)
0,2559
2,206159566
429
0,2559
2,206159566
429
0,2559
2,206159566
429
Velocità finale
1,447368421
Accelerazio
ne calcolata
con la legge
della
dinamica
1,11182841
Errore
percentuale
(Er%)
1,11182841
8,256723
1,11182841
8,82683
6,625922
Er%
6,625922149
FORMULE UTILIZZATE PER ELABORARE I DATI
T med.= (T1+T2+T3+T4)/4 [s]
Accelerazione = ½ at^2 => 2s/t^2 [m/s^2]
Accelerazione calcolata con legge della dinamica = F=ma => a=F/m
Forza peso pesino = (massa pesino/ 1000) * accelerazione di gravità
Errore percentuale = (errore assoluto/valore medio) * 100
DEp = P*hi - P*hf
DEc = ½ *m *vf^2 – ½ *m*vi^2
VALUTAZIONE FINALE DELL’ESPERIENZA
Per quanto riguarda l’esecuzione pratica, essa è riuscita poiché l’errore percentuale
dell’accelerazione sulla rotaia è sotto la media. L’esperimento invece in relazione
all’accelerazione calcolata con la legge della dinamica non è riuscito poiché il valore
dell’errore percentuale è maggiore di 5. Il fallimento dell’esperimento è dovuto molto
probabilmente all’imprecisione del timer: più piccolo è il percorso più grande è l’errore che
si compie. Possiamo dire insomma che la misurazione sulla rotaia non ci permette di valutare
correttamente la legge della dinamica.
Inoltre abbiamo fallito anche nel verificare che l’energia potenziale persa del pesino fosse
uguale all’energia cinetica acquisita dal sistema poiché gli errori di misura hanno fatto si che
la relazione Ep = Ec non risultasse uguale e che l’errore percentuale risultasse sopra il 5.
N.B.: riferimento formulario e dati nel file excel esper-Fisica.xlsx