Guía para prácticas experimentales de física

Mecánica

Daniel Abdón Varela Muñoz

• Editorial: Universidad de La Salle
• Año: 2019
• ISBN:
  9789588939063
• Edición: 1
• Categoría: Technology & Engineering
• Categoría: Mechanical Engineering

La presente Guía recoge más de cuarenta años de experiencia en la enseñanza de la física dentro del contexto experimental universitario, cuyos propósitos y tendencias pedagógicas han evolucionado a la par con los avances tecnológicos en la medición y la computación. Por tal razón, las metas generales del texto son aproximar al estudiante a la praxis experimental en el ámbito de la física y reproducir dentro del proceso mismo de la mediación educativa una actitud similar a la profesional, a la manera rigurosa y exhaustiva con la cual un investigador profesional, ya en el campo de la ciencia, ejecuta su labor de indagación y generación de conocimiento por supuesto, en su justa proporción.

Capítulo 1

Incertidumbre de la medida

Un factor para considerar en un procedimiento de medición riguroso es el nivel de confianza del valor de la cantidad. Cuando una ciencia se desarrolla, sus métodos experimentales tienden a hacerse más elaborados y precisos y, con estos, apunta hacia valores medidos cada vez más exactos. Sin embargo, siempre quedan reductos dentro de la disciplina experimental en los que la precisión sigue siendo relativamente baja y otros en los cuales es mínimamente aceptable. En ramas de desarrollo tecnológico de frontera como la física de partículas o espaciales (la nanotecnología es un buen ejemplo) no solamente debe ser posible, sino necesaria, una alta precisión y, aun así, subsisten obstáculos que impiden alcanzar valores confiables al 100 % para ciertos órdenes de magnitud.

Uno de los aspectos más importantes del trabajo experimental en física y, en general, en cualquier rama de las ciencias, es que conlleva una incertidumbre y es necesario reconocer que el resultado de un experimento no puede ser absoluto, ya que tiene asociado un grado de imprecisión.

Con frecuencia un observador principiante se inclina por aceptar el valor de las indicaciones del instrumento sin más, desconociendo que la exactitud de estas no necesariamente garantiza la precisión. Una técnica favorable en cualquier labor de medición es asumir en primera instancia, una postura crítica frente a los datos que van surgiendo y acompañarla de una toma que implique conjuntos independientes de mediciones realizadas con diferentes instrumentos o técnicas de medición, obviando en lo posible todos las factores de desacierto involucrados. Ello exige asegurarse de que los instrumentos funcionen apropiadamente, que estén calibrados y que no existan influencias externas que afecten la toma de datos.

1.1. MARCO CONCEPTUAL

En la física, la ingeniería y, en general, en todas las ciencias basadas en la medida, se establecen sistemas de cantidades base que en su esencia fundamental son la longitud (L), la masa (M) y el tiempo (T). Para la presente práctica de laboratorio, el estudiante debe operar los instrumentos que están a su disposición y que implican mediciones de longitud, de masa y de tiempo. Recuerde que cada instrumento de medición tiene su propia incertidumbre, la cual se debe precisar antes de hacer cualquier medición, lo que por otra parte se explicará más adelante.

Tal vez le habrá pasado que quiere medir su peso o el tamaño de algo y cada vez que lo hace el resultado de la medición es diferente. En ese caso, no sabría cuál de los datos obtenidos es el verdadero. Desde las ciencias este fenómeno es normal y sucede en cada ejercicio de medición. Unas veces las diferencias son más acentuadas y otras los valores son más cercanos entre sí. Estas diferencias pueden deberse a varios factores que van desde el aparato de medición hasta llegar a ser causadas por el mismo observador. En este caso, el experimentador debe usar herramientas de la estadística para encontrar el valor más cercano a lo que él desea conocer, es decir, a lo que se llamaría el valor real.

Cuando es posible repetir una medida varias veces, se recomienda hacerlo y reportar el dato haciendo uso de la estadística, las medidas de tendencia central y dispersión que generalmente corresponden al promedio aritmético (media) y a su desviación estándar.

Asimismo, este valor promedio debe estar acompañado de una cantidad que cuantifique la seguridad que se tiene de esta medición, a esto se le denomina la incertidumbre experimental.

Para que una medición tenga significancia desde el punto de vista estadístico, se recomienda medir al menos tres veces la misma variable, preferiblemente con las mismas condiciones espaciales, ambientales, y de cualquier otra índole, incluso se recomienda que sea el mismo manipulador del aparato de medición.

Suponga que tiene n medidas de una variable, de modo tal que X_k representa la k-ésima medición, se define la media o valor promedio de la medida como:

Donde n es el número de mediciones realizadas.

La incertidumbre experimental relativa o simplemente incertidumbre relativa está dada por:

Donde d_k es la desviación del valor promedio y σ es la desviación estándar, cuyas expresiones se muestran a continuación, respectivamente:

Cada instrumento de medición conlleva su propia incertidumbre, la cual debe establecerse previamente a cualquier medición. Esta se llama incertidumbre del aparato de medición. En el caso en que solo sea posible tomar un dato en una determinada acción de medición, de cualquier magnitud física, la incertidumbre que deberá reportarse es la incertidumbre del aparato de medición. Esta corresponde a la mitad de la mayor precisión con la que se puede medir con dicho aparato. Por ejemplo, si se usa una regla milimetrada, la incertidumbre será medio milímetro (0,5 mm). Si se mide el tiempo con un cronómetro con precisión hasta la centésima de segundo, la incertidumbre será media centésima de...

Índice

• Cubierta
• Portada
• Créditos
• Contenido
• Prefacio
• Recomendaciones para el maestro
• Objetivos generales
• 1. Incertidumbre de la medida
• 2. Relación lineal
• 3. Relación no lineal
• 4. Análisis de un experimento
• 5. Prácticas sobre movimiento
• 6. Movimiento en un plano
• 7. Ley de Hooke
• 8. Fuerzas concurrentes
• 9. Fuerzas de rozamiento
• 10. Conservación de la energía
• 11. Fuerzas paralelas
• 12. Momentos de inercia
• Anexo 1. Uso del calibrador o nonio
• Anexo 2. Uso del tornillo micrométrico
• Bibliografía general