Conservation
23 Feb, 2013
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PDFBallistic pendulum
PRESENTATION: A ball that has been thrown at a particular velocity hits a suspended target. The target reaches a certain height after being hit. By measuring this height, the recoil velocity can be calculated using principles of conservation that are well-known in Classical Mechanics.
- An inexpensive, multipurpose physical pendulum, David Schultz, Phys. Teach. 50, 436 (2012)
- So what else can you do with a ballistic pendulum, Robert K. F. Keefer, Phys. Teach. 28, 495 (1990)
- Modifying the ballistic pendulum apparatus, Lee D. Matthews, Phys. Teach. 14, 245 (1976)
INTRODUCTION: The principles of conservation are fundamental to Physics. By using these principles it is possible to study and predict the evolution over time of many systems. The principle of conservation of mechanical energy and that of linear momentum will be used to study the operation of a ballistic pendulum, which makes it possible to measure the speed at which a projectile is shot.
OBJECTIVE: To determine experimentally using a ballistic pendulum the initial velocity of a launched projectile.
MATERIALS: pendulum with stand, launcher, plastic balls, copper weights, chronometer, scales.
SETUP: The pendulum is placed on the edge of a table and firmly fixed. The launcher is attached to the pendulum with a wing-nut in one of the holes in the pendulum designed for this. The pendulum can be placed so that it has an inelastic impact or elastic impact (simply by turning the pendulum), depending on what is needed.
EXPLANATION: An elastic impact is one in which kinetic energy is conserved. The kinetic energy after the impact is converted into potential energy. Once the angle of deviation of the ballistic pendulum is known, we can calculate the bullet’s initial velocity.
If the impact is inelastic, part of the ball’s kinetic energy is passed to the pendulum, another part is used to move the ball and the rest is dissipated as heat.
CONCEPTS: conservation of mechanical energy, conservation of kinetic momentum, conservation of angular momentum, elastic impact, inelastic impact.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- TIPLER, Paul, Física para la Ciencia y la Tecnología, Reverté, 2010.
STUDENTS 2012-2013: Ángel López, José Ignacio Iglesias, Isabel López
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
16 responses to "Conservation"
Un péndulo balístico é un dispositivo cuxo mecanismo é o seguinte: dispárase horizontalmente unha bala contra un bloque suspendido dunha corda. A través deste, pódese determinar a velocidade da bala medindo o ángulo que se desvía o péndulo despois de que a bala se incrustara nel. Suporemos que o bloque é unha masa puntual suspendido dunha corda inextensible e sen peso.
Mediante a visualización dos seguintes vídeos, nos que é explicada a sinxela montaxe para a construción dun péndulo balístico caseiro, adquirirase un maior coñecemento sobre este.
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El origen de este péndulo data del Siglo XVIII, cuando Benjamin Robins lo describe por primera vez en su tratado New Principles in Gunnery (1742). Como se describe en el experimento, este péndulo nos da una aproximación de la velocidad inicial de un determinado proyectil, lo que ha resultado muy útil para la actividad militar y la criminología. Actualmente este método se encuentra en desuso ante los avances de la tecnología, empleándose una célula fotoeléctrica y un cronómetro de alta precisión. Sería interesante, aunque igual no está al alcance de un centro de enseñanza secundaria, comparar ambos métodos. Algunas experiencias publicadas en la web indican que la diferencia calculada entre ambos métodos es muy variable en función del calibre.
Es un método muy entretenido para calcular la velocidad de un proyectil y una actividad manipulativa que considero que le parecerá interesante a los alumnos de secundaria. En esta presentación en prezi de una práctica del péndulo balístico muy bien explicada y muestra varias aplicaciones.
Se llama péndulo balístico a un dispositivo que mide la velocidad de una bala midiendo el ángulo de desviación del péndulo, una vez la bala se ha incrustado en él. De la conservación del movimiento lineal, obtenemos la velocidad de la bala inmediatamente después del choque del sistema formado por el péndulo y la bala incrustada.
Actividad manipulativa idónea para la asignatura de Física de 1º de Bachillerato para explicar la conservación de la energía. Ver este vídeo de cómo realizar un péndulo balístico.
Una práctica muy parecida de coste reducido, que fácilmente se puede realizar a lo largo de una clase de ciencias de la naturaleza o de física y destinada a alumnos de 12-13 años sería construir un péndulo para medir la velocidad del viento. El objetivo pues sería simplemente determinar la velocidad del viento.
Para ello necesitaríamos una pelota de pimpón, dos transportadores de ángulos, hilo, aguja resistente, regla y pegamento. Para construir nuestro instrumento de medida seguiríamos los siguientes pasos:
1.- Atravesar con aguja e hilo la pelota de pimpón. Sacar la aguja y hacer un nudo para que la pelota no escape.
2.- Colgar el hilo del centro de la parte recta del transportador de ángulos (y pegarlo para que quede sujeto), de forma que la pelota cuelgue por debajo del lado curvo.
3.- Pegar el otro transportador al primero de forma que el hilo quede en el medio de ellos. En este punto es muy importante comprobar que el hilo no quede aprisionado y que se pueda mover con facilidad.
4.- Pegar la regla a uno de los lados del transportador para que haga la función de mango por el que sujetar el instrumento construido.
5.- Sujetar el aparato nivelado y paralelo al viento. Cuando la pelota sea empujada hacia arriba, apuntar el ángulo alcanzado por el hilo y calcular la velocidad según alguna tabla calibrada previamente como la que se muestra:
Angulo (º) = Velocidad del viento (km/h)
90 = 0
85 = 8-11
80 = 12-14
75 = 15-17
70 = 18-20
65 = 21-23
60 = 24-25
55 = 26-27
50 = 28-30
45 = 31-33
40 = 34-36
35 = 37-39
30 = 40-43
25 = 44-48
20 = 49-54
Tal y como se observa en la tabla anterior, cuanto mayor es la velocidad del viento, mayor es la fuerza que actúa sobre la pelota de pimpón, por lo que mayor será el ángulo de inclinación del hilo con respecto a la vertical.
Otro dispositivo similar que demuestra la conservación de la energía y de la cantidad de movimiento es el péndulo de Newton. Es probable que el alumnado de ESO y Bachillerato lo haya visto uno como artículo ornamental sin conocer su verdadera función fuera de la decoración. En este tutorial se muestra como hacer fácilmente un péndulo de Newton que los alumnos y alumnas podrían hacer para complementar los contenidos de física y química de 3º o 4º de la ESO.
En la industria textil, existen varios métodos de ensayo aceptados para la determinación de la resistencia al desgarre de un material. El principal elemento del ensayo de desgarre dinámico es el péndulo balístico (tipo Elmendorf), mediante el cual la fuerza se aplica de forma súbita a una muestra adecuadamente preparada. Esta se monta entre 2 mordazas: una fija y otra móvil. La mordaza móvil esta conectada a un péndulo, que cae debido a la fuerza de la gravedad, y la muestra se rompe por el desplazamiento de la mordaza móvil.
Este experimento me parece muy apropiado para alumnos de 1º y 2º de bachillerato. Despertará el interés de los alumnos porque es una actividad manipulativa que se puede relacionar con el campo de la criminología (balística) muy en auge últimamente con las series de moda (CSI, Mentes Criminales…). Un vídeo que explica muy bien el péndulo balístico es el siguiente.En este experimento se recrea el péndulo balístico, donde una bala impacta contra una caja y se adhiere a ella desplazándola hasta un ángulo máximo. Además va explicando las ecuaciones y las fórmulas utilizadas para calcular la velocidad inicial del proyectil.
Un experimento moi visual para entender o concepto de conservación da enerxía mecánica. No seguinte enlace móstrase ademais de unha explicación e varios exercicios, un simulador de péndulo balístico, moi práctico para poder levar á aula.
Muy interesante y buen material para el alumno. El péndulo balístico se usa principalmente para medir la velocidad de la bala que es disparada y activa el péndulo. En consecuencia, es un experimento que ha sido muy utilizado por las agencias policiales durante años.
Este experimento del péndulo balístico también se puede simular utilizando Algodoo, una aplicación gratuita muy interesante que permite dibujar e interactuar con múltiples sistemas físicos. A modo de ejemplo, en este vídeo se muestra una representación del péndulo balístico en Algodoo, la representación gráfica de variables y los cálculos a realizar empleando el principio de conservación de la energía mecánica y del momento lineal.
Para a obtención da velocidade de saída da bala aplícanse dous principios, o de conservación do momento lineal e o de conservación da enerxía (cinética e potencial, neste caso). Neste enlace proponse un cálculo alternativo da velocidade da bala medindo a deformación dun resorte. Vendo os cálculos que conleva, creo que me quedo co método do péndulo.
Este experimento paréceme moi apropiado para explicar os principios de conservación da enerxía mecánica e do momento lineal. Nas metodoloxías de ensino tradicionais, este tipo de contidos adoitan presentárselles ao alumnado dun xeito meramente teórico. Porén, a manipulación do péndulo por parte do propio alumnado e a proposta de cuestións e cálculos sinxelos sobre esta experimentación poden contribuír moi favorablemente á comprensión destes principios físicos. Resultaría interesante traballar tanto choques elásticos como inelásticos. No caso dos ineslásticos, paréceme unha boa opción empregar unha cámara termográfica para observar o aumento de temperatura que ten lugar no medio debido a que parte da enerxía cinética da bóla se disipa en forma de calor. Deste xeito, o alumnado podería comprobar visualmente como a enerxía non se destrúe, senón que se transforma.
Me parece un experimento interesante y llamativo para explicar al alumnado los principios de la conservación de la energía mecánica y del momento lineal. Indagando un poco más en la web, encontré esta página de un “laboratorio virtual” en la que trae recogido un simulador, así como toda la explicación paso a paso, de otro experimento acerca del estudio del choque elástico de dos cuerpos (vehículos) y la aplicación de los principios asociados al experimento anterior (la conservación de la energía mecánica y del momento lineal), que puede ser útil para trabajar con los estudiantes estos contenidos.
Trabajar las fuerzas elásticas a través de la balística me parece una aproximación que puede interesar y captar la atención del alumnado. Contextualizaría este experimento en la asignatura de Física y Química de 1º de Bachillerato, para tratar el contenido de “Relación da mecánica vectorial aplicada sobre unha partícula ou un sólido ríxido co seu estado de repouso ou de movemento. Aplicacións estáticas ou dinámicas da física noutros campos de interese” del Bloque 6 (estática y dinámica) del currículo de la LOMLOE. Además del cálculo de la velocidad inicial del proyectil, adjunto este documento en el que se proponen preguntas para realizar durante el experimento.
Buen experimento donde los alumnos pueden ver y calcular un choque inelástico (también conocido como colisión inelástica) que es un tipo de choque en el que la energía cinética no se conserva. Como consecuencia, los cuerpos que colisionan pueden sufrir deformaciones y aumento de su temperatura. Este experimento suele ser muy útil porque el requerimiento de que la energía cinética se conserve le impone una restricción adicional a nuestras ecuaciones de movimiento, lo que nos permite resolver problemas en los cuales, de lo contrario, tendríamos demasiadas incógnitas. A menudo, la solución será muy adecuada porque el choque es ‘suficientemente cercano’ a ser perfectamente elástico.