Tubo de Lenz

Tubo de Lenz
Resumen
Se estudió el comportamiento de un imán que cae por un tubo de aluminio y se llegó a la conclusión de que aparece una fuerza que actúa en sentido opuesto al movimiento. Dicha fuerza se crea por la interacción electromagnética entre el imán y el tubo de aluminio. Se comprobó que esta fuerza es linealmente proporcional a la velocidad del imán cuando está cayendo por dentro deltubo. Se utilizaron dos sensores (uno de posición y otro de rotación) para medir la posición del imán en función del tiempo a lo largo de su caída.
Introducción
¿Qué pasa si se dejan caer dos cuerpos cilíndricos de igual volumen, uno metálico y otro magnetizado, dentro de un tubo de aluminio ubicado verticalmente? ¿Caerán de la misma manera? A simple vista parecería que sí, pero la respuesta es“No, el imán tardará más en caer”.
Teniendo en cuenta que el movimiento sólo se realiza verticalmente, por la Segunda Ley de Newton se tiene:

En la caída del objeto metálico sólo está involucrada una fuerza (su peso), mientras que en la del objeto magnetizado, además de su peso, está involucrada una fuerza opuesta al movimiento. A continuación, se muestra el diagrama de fuerzas sobre ambosobjetos. (A la izquierda el objeto metálico, a su derecha el objeto magnetizado).


Figura 1: Diagramas de fuerzas aplicadas sobre los cuerpos cayendo dentro del tubo (Metálico - Magnetizado)
Lo que sucede es que, a pesar de que el aluminio no es un metal magnético (por lo que el imán no se “pega” a él), se crea un campo magnético que retrasa la caída del imán y hace queéste caiga de forma más lenta que el cuerpo no magnetizado.
Este conjunto de elementos (tubo de aluminio y cuerpos cilíndricos) es conocido como el “Tubo de Lenz”. El objetivo de esta experiencia, será modelar las fuerzas que actúan en contra de la dirección del movimiento.
Método Experimental
Modelo A:
Para estudiar el comportamiento del imán I (masa: 52,9 gr 0,1 gramos) durante su caída dentrodel tubo de aluminio, habiendo partido del reposo, se utilizó en un principio, un sensor de posición.
Dicho sensor se dispuso sobre el tubo, en un travesaño anexado a un pie metálico. A su vez, el pie sujetaba al tubo con un telgopor de por medio, como se observa en la Figura 2.

Figura 2: Esquema de la primer toma de datos, con un sensor de posición
El imán I se soltó desde una posición superioral borde del tubo, como se ve en la Figura 2.
También se probó soltando el imán I desde adentro del tubo. Para ello se sujetó al imán con un hilo y se lo dejó caer, soltando el hilo.
Luego se utilizó, con el mismo método anterior, otros dos imanes: Imán II (masa: 64,2 gramos 0,1 gramos) e Imán III (masa: 28,0 gramos 0,1 gramos). Los tres imanes poseían distintas magnetizaciones, siendo el ordende magnetización: Imán I > Imán II > Imán III.
Para un mejor análisis de las medidas, se probó igualar las masas de estos agregando peso mediante un hilo sujeto en sus extremos inferiores.
Modelo B:
Como el sensor de posición tenía baja resolución (tomaba pocos puntos por segundo), se decidió utilizar otro método de medición. Se dispuso entonces un sensor de rotación con una polea anclada porsobre el tubo, esta vez sostenido por un soporte de aluminio, como se ve en la Figura 3.

Figura 3: Esquema de la segunda toma de datos, con un sensor de rotación
Para obtener una mayor resolución en la toma de datos del movimiento del imán dentro del tubo, se le agregó un contrapeso de menor magnitud que la del imán I (masa del contrapeso: 15,0 gramos 0,2 gramos) en uno de los extremos de lapolea y se dejó caer al imán por el tubo desde el reposo. De esta forma la resultante de las fuerzas sobre el imán es menor, por lo que este cae con menor aceleración y su tiempo de caída es mayor.


Figura 4: Diagrama de fuerzas aplicadas sobre el imán dentro del tubo de aluminio, sujeto en su extremo superior por un hilo.

Resultados y análisis de datos
Modelo A:
Una vez realizada una serie de...