Práctica - Momentos de inercia

Objetivos

• Determinar la constante recuperadora de un muelle espiral.

• Determinar, experimentalmente, el momento de inercia de diferentes cuerpos y comparar éstos con los correspondientes valores teóricos.

• Comprobar el teorema de Steiner.

Material

• Soporte con muelle espiral.

• Barra (66,0 ± 0,1 cm) con dos masas móviles (210,0 ± 0,1 g).

• Esfera (m = 733,1 g; " = 14,0 cm)

• Cilindro macizo (m = 370,1 g; " = 10,0 cm)

• Cilindro metálico hueco (m = 375,9 g; " = 10,0 cm)

• Disco (m = 283,5 g; " = 21,6 cm)

• Disco con agujeros.

• Regla (precisión de 0,1 cm).

• Soporte adicional.

• Cronómetro (precisión, con el tiempo de reacción, de 0,1 s).

• Dinamómetros de 1 N (precisión 0,02 N).

Nota: La incertidumbre en las características de los cuerpos es del último orden de magnitud, a saber: 0,1 g en las masas y 0,1 cm en las longitudes.

Fundamentos

Muelle espiral

Un sistema elástico que cumple la ley de Hooke es el muelle espiral. Cuando desplazamos el sistema de la posición de equilibrio, aparece un par recuperador, que en primera aproximación y para desplazamientos pequeños, es proporcional al desplazamiento, de forma análoga a la ley de Hooke para muelles lineales:

(1)

Donde M es el momento de la fuerza recuperadora que se produce,  el ángulo que giramos el sistema y R es la constante de proporcionalidad, denominada constante recuperadora del muelle espiral.

El periodo de oscilación del sistema sujeto al muelle espiral viene dado, y seguimos con la aproximación de pequeñas oscilaciones, por:

(2)

Siendo I el momento de inercia del sistema respecto al eje de rotación.

Esto nos proporciona una forma de conocer el momento de inercia de un sistema, ya que si lo ponemos a oscilar en un muelle espiral de R conocida, el periodo que obtengamos nos permitirá calcular el momento de inercia, e incluso compararlo con el valor teórico de éste que podemos calcular en algunos cuerpos de geometría sencilla:

Teorema de Steiner

Se enuncia de la siguiente manera: El momento de inercia de un cuerpo respecto de un eje cualquiera es igual al momento de inercia respecto a un eje paralelo al dado que pase por su centro de gravedad, más es producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de la distancia que separa ambos ejes:

(3)

Realización

Determinación de R

Para determinar la constante del muelle espiral utilizaremos la expresión (1). Para ello montamos la varilla en el muelle espiral y a continuación, mediante un dinamómetro y empleando el soporte adicional para su correcta posición se hace girar la varilla un ángulo , anotando la lectura de la fuerza que registra el dinamómetro y la distancia al eje de giro. Repetimos la operación para ángulos sucesivamente crecientes, ð/2, ð, 3ð/2, ...

De la representación de M = f() ajustada por mínimos cuadrados, podemos calcular la constante de recuperación de nuestro muelle.

Momento de inercia de una masa puntual

El momento de inercia de dos masas móviles dispuestas en forma simétrica respecto al centro de una barra, respecto a un eje perpendicular a la barra que pase por su centro es:

(4)

siendo Ib el momento de inercia de la barra respecto al eje que pasa por su centro de gravedad, y d la distancia desde éste al centro de cada una de las masas (que consideramos puntuales).

Dispondremos la varilla con las masas móviles y determinaremos el momento de inercia del sistema para diferentes posiciones de las masas (simétricas respecto el eje).

Colocamos éstas en diferentes posiciones de la varilla, determinamos el periodo de las oscilaciones, midiendo el intervalo de tiempo empleado en n oscilaciones. Emplearemos la siguiente expresión para el momento de inercia del sistema,
que es la (2):

Llevamos los resultados a una gráfica I = f(d2), que debe presentar un comportamiento lineal, y de la que podemos deducir el momento de inercia de la barra (de la ordenada en el origen) y el valor de las masas (de la pendiente).

Momentos de inercia de un sólido

Vamos a comparar los momentos de inercia de ciertos cuerpos obtenidos por la expresión teórica con los deducidos experimentalmente.

Para hallar el momento de inercia de un cuerpo experimentalmente, lo ponemos a oscilar en el muelle espiral de constante R conocida y medimos el periodo (midiendo varias oscilaciones y dividiendo), que llevaremos a la expresión (2).

Teorema de Steiner

Para comprobar el teorema de Steiner, utilizaremos el disco con agujeros, haciendo que oscile respecto a los ejes que pasan por los diferentes orificios, midiendo en cada caso el periodo de oscilación y calculando la correspondiente I en cada caso (momento de inercia respecto aleje que pasa por el orificio correspondiente).

Llevamos estos pares de datos a otra gráfica I = f(d2), que debe tener un comportamiento lineal. Interpretaremos los valores de la ordenada en el origen y de la pendiente.

Resultados

a) Gráfica M = f() y valor de la constante R del muelle espiral.

Mediante el procedimiento descrito anteriormente, medimos para diferentes ángulos el momento recuperador del muelle (midiendo la fuerza y teniendo en cuenta la longitud del brazo). Estos datos los agrupamos en la Tabla I, a continuación. En ella ya está indicado lo que serán las variables x e y en la posterior Gráfica 1.

En este caso hemos pasado todos los valores a unidades del SI (mks).

Tabla I - Cálculo de la constante recuperadora del muelle.

En la página siguiente vemos la gráfica a que se hace referencia en este apartado, de la cual, mediante su ajuste obtenemos los siguientes datos:

m = 0,0222 ± 0,0003

n = -0,002 ± 0,003

r = 0,9991

Como vemos en el coeficiente de correlación, tenemos el comportamiento fuertemente lineal que habíamos predicho. Sabiendo que la recta es reflejo de la expresión (1), y comparándolas, podemos dar como resultado:

R = 0,0222 ± 0,0003 N·m/rad = (222 ± 3)·103 din·cm/rad

El resultado en dinas por centímetros por radián corresponde al sistema cegesimal (cgs), que utilizaremos en esta práctica porque es similar al SI pero a menor escala (gramos y cm en lugar de kilos y metros, y la dina que es 1/100000 N).

Y dado que la expresión (1) no tiene término independiente, la ordenada en el origen debe (tal y como ocurre) aproximarse a cero, de forma que como el cero está dentro de su límite de incertidumbre podemos afirmar que n es cero y hemos obtenido un valor fruto de fluctuaciones aleatorias.

b) Gráfica I=f(d2) para las masas móviles y valor deducido de Ib y m.

Después de haber hecho las medidas que corresponden a la determinación de periodos de oscilación, que como siempre que se trata de medir tiempos implican varias repeticiones y los cálculos de las dispersiones y errores pertinentes, y como en el caso particular de las oscilaciones que además implica medir varias para dividir posteriormente, podemos presentar la Tabla II, con la que se construye la Gráfica 2 de la página siguiente:

Tabla II - Momento de inercia de una masa puntual

En la gráfica hemos quitado tres de los puntos porque teníamos demasiados valores y se alejaban mucho de pasar por la recta.

En el ajuste por mínimos cuadrados obtenemos los siguientes resultados

m = 382 ± 8

n = (63 ± 6)·103

r = 0,9986

Los puntos siguen un comportamiento lineal. Debemos comparar la ecuación de la recta con la expresión (4):

Podemos ver que la ordenada en el origen es el valor de Ib, y que la pendiente nos da el valor de las dos masas juntas, de forma que dividiendo la pendiente y su error por dos podemos dar los resultados:

Ib = (63 ± 6)·103 g·cm2

m = 191 ± 4 g

Observamos que el valor obtenido para las masas es inferior al que pesamos en la balanza (210,0 ± 0,1 g). Esto se puede deber a imprecisiones en nuestro experimento, o probablemente por la aproximación de haber considerado las masas como puntuales.

c) Valor teórico y experimental del momento de inercia de los diversos objetos de que disponemos.

A continuación vemos las Tablas III y IV con los valores teóricos y experimentales de los momentos de inercia:

Tabla III - Momentos de inercia teóricos

Tabla IV - Momentos de inercia experimentales

Vemos que los valores difieren, excepto en el caso del cilindro macizo, que encajan perfectamente. En la esfera la diferencia es de 1300 ± 700 g·cm2, en el disco tenemos 1000 ± 900 g·cm2 de diferencia y con el cilindro hueco nos desviamos
1400 ± 600 g·cm2. El que mas desajustado está es el del cilindro hueco, que tiene una diferencia apreciable y del mismo orden de magnitud que los valores, ya que los otros dos cuerpos tienen diferencias pequeñas en comparación con el error de la diferencia e inferiores al 10% de la magnitud.

d) Valores del momento de inercia del disco perforado según las diversas posiciones del mismo y comprobación del teorema de Steiner.

Colocamos el disco con el eje en sus distintos orificios y medimos el periodo de las oscilaciones que se dan en cada posición. Estos datos los vemos en la Tabla V:

Tabla V - Momentos de inercia del disco perforado

A continuación construiremos la Gráfica 3 - I = f(d2), que adjuntamos en la página siguiente, y de la que obtenemos los siguientes valores por ajuste de mínimos cuadrados:

m = 500 ± 20

n = (48 ± 2)·103

r = 0,9976

Se observa que es lineal, como lo es la ecuación de Steiner respecto a d2. Y de la expresión del teorema de Steiner, I = Icm + md2, de educimos que la ordenada en el origen es el momento de inercia del disco respecto al eje del centro de masas, y la pendiente es la masa del disco, que es el coeficiente de d2 en la ecuación.

Icm = (48 ± 2)·103 g·cm2

m = 500 ± 20 g

En efecto el valor obtenido para Icm es comparable al que vemos en la primera entrada de la Tabla V, en la que el disco está pinchado en su orificio central, y difiere porque el del ajuste viene de considerar la evolución de todos los puntos y extrapolarlos hasta el origen, mientras que la medida de la tabla puede haber fluctuado más, al venir de la medida de un tiempo, siempre problemática, o tener que utilizar además un valor de la constante R del muelle que determinamos anteriormente también por nuestros medios.

Conclusiones

En esta práctica nos ha sorprendido que al contrario que en la mayoría de las demás nos hemos empezado a encontrar con resultados discordantes. Pensamos que la razón, además de todas las que podamos haber dado en los diferentes apartados está en que nuestro muelle espiral no estaba en perfectas condiciones, y aunque a simple vista no lo parecía, y no empezamos a sospecharlo hasta prácticamente el final de las medidas, debía rozar por algún sitio y de vez en cuando nos obsequiaba con una oscilación frenada al mas puro estilo de envolvente exponencial de una sinusoide que disminuye su amplitud.