Práctica: el peso frente a la masa y una fuerza eléctrica que gana a la Tierra

Criterios: 1.2, 2.3, 4.1, 4.2

Objetivo

Comprobar que el peso de un cuerpo es proporcional a su masa y obtener la intensidad del campo gravitatorio g como pendiente de una gráfica, con su incertidumbre. Observar los fenómenos de electrización por frotamiento y estimar, con un cálculo de orden de magnitud, cuánto mayor es la fuerza eléctrica que la gravitatoria entre objetos cotidianos.

La práctica no repite la del péndulo de la unidad 1: allí g se obtenía a partir de un movimiento; aquí se mide directamente como fuerza por unidad de masa.

Planteamiento

Antes de medir, cada grupo escribe y justifica dos predicciones:

1. Si se cuelgan del dinamómetro masas de 50 g, 100 g… hasta 300 g, ¿cómo será la gráfica del peso frente a la masa? ¿Qué significado tendrá su pendiente?
2. Un trozo de papel está quieto sobre la mesa porque la Tierra entera tira de él. ¿Podrá un globo frotado levantarlo? ¿Qué os dice eso de la intensidad de las dos fuerzas?

Normas de seguridad específicas

• El soporte debe estar bien sujeto a la mesa, con la base hacia dentro, para que no vuelque al colgar las masas. Mantened los pies y las manos fuera de la vertical de las masas.
• No colguéis del dinamómetro más de lo que indica su escala (5 N, unos 500 g): el muelle se deforma de forma permanente y la masa puede caer. Añadid y retirad las masas con suavidad, sin soltarlas de golpe.
• Preguntad antes si alguien tiene alergia al látex; en ese caso, usad globos de plástico no metalizado (los metalizados conducen y no se cargan). Cada persona infla su propio globo, o se usa un inflador.
• Si usáis la varilla de vidrio, frotadla sobre la mesa y sin presionar en exceso; si se rompe, el profesorado recoge los fragmentos. Cuidado con las tijeras y con el borde de la lata.
• El agua del grifo de la parte B debe caer en una pila, lejos de cualquier enchufe o aparato eléctrico.
• Las pequeñas descargas que se pueden notar al tocar un objeto cargado son inofensivas, pero en esta práctica no se usan generadores electrostáticos (como el de Van de Graaff), que necesitan normas propias.

Procedimiento

Parte A. Peso y masa (sesión 1)

1. Colgad el dinamómetro del gancho del soporte, en vertical, y ajustad su cero sin ninguna masa.
2. Comprobad con la balanza la masa real de cada pesa y anotadla junto a su valor nominal.
3. Colgad la masa de 50 g, esperad a que deje de oscilar y leed el dinamómetro con los ojos a la altura del índice. Anotad la lectura en newtons.
4. Repetid con 100, 150, 200, 250 y 300 g. Si hay tiempo, que otra persona del grupo repita la serie completa sin mirar los valores anteriores.
5. Representad P frente a m (en kg), trazad la recta que mejor se ajuste y calculad su pendiente. Usad una hoja de cálculo si la tenéis.

Parte B. Electrización por frotamiento (sesión 2)

6. Inflad los dos globos y colgadlos del soporte con hilos de la misma longitud, separados unos 10 cm.
7. Frotad uno de ellos con el paño y acercadle el paño. Anotad si hay atracción, repulsión o nada.
8. Frotad los dos globos con el mismo paño y dejad que cuelguen juntos. Anotad lo que ocurre.
9. Acercad el globo cargado (y después el tubo de PVC frotado) a: trozos de papel, la lata vacía tumbada sobre la mesa y un hilo fino de agua del grifo. Anotad lo que observéis.
10. Recortad un cuadrado de papel de 1,0 cm × 1,0 cm. Frotad un globo y acercadlo poco a poco desde arriba hasta que el papel salte. Estimad la distancia a la que se levanta.

Tabla de datos

Tratamiento de datos y cuestiones

1. Calculad P/m para cada masa. ¿Es constante? ¿Cuál de los cocientes es menos fiable y por qué?
2. Obtened g como pendiente de la recta y comparadla con el valor esperado, unos 9,80 m/s². ¿La ordenada en el origen es compatible con cero?
3. ¿Qué gráfica habríais obtenido en la Luna (g = 1,62 m/s²)? ¿Y si hubierais usado una balanza de platillos en lugar del dinamómetro?
4. Explicad con el modelo de cargas por qué dos globos frotados con el mismo paño se repelen y por qué un globo cargado atrae a un papel neutro.
5. Calculad la masa y el peso del cuadrado de papel (80 g/m²). ¿Qué fuerza mínima ha hecho el globo?
6. Calculad la atracción gravitatoria entre el globo (5,0 g) y el papel suponiendo toda la masa del globo a 2,0 cm. ¿Cuántas veces mayor es, como mínimo, la fuerza eléctrica? ¿Se puede concluir que la gravedad es siempre despreciable? Justificadlo.
7. Comparad los resultados con las predicciones iniciales y redactad el informe con la estructura de la unidad 1.

Alternativa virtual

Si no hay dinamómetros o el aire está demasiado húmedo para que funcione la electrización, se pueden usar tres simulaciones en español de PhET (Universidad de Colorado): Lab de Fuerza de Gravedad, para ver cómo cambia la atracción gravitatoria con las masas y la distancia; Ley de Coulomb, para medir la fuerza entre dos cargas a varias distancias y comprobar la dependencia con 1/r²; y Globos y electricidad estática, que muestra el paso de cargas al frotar y la polarización de una pared neutra. Con la segunda, la gráfica de F frente a 1/r² sustituye a la parte A.

Rúbrica