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Como se mide la Gravedad, Apuntes de Geofísica

Explica a detalle como es la medicion de la gravedad

Tipo: Apuntes

2018/2019

Subido el 03/05/2019

starkissy
starkissy 🇵🇪

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bg1
Apuntes de Geodesia Física Curso 2005-2006
Basados en el movimiento libre de graves: cuerpo pequeño o partícula material que se
mueven bajo la acción de la gravedad.
Caída libre
Movimiento libre simétrico (elevación y caída)
Como resultado de una medida absoluta de la gravedad obtenemos un valor de la gravedad en el
punto. Actualmente los métodos pendulares están en desuso, se emplean los basados en el
movimiento libre de graves.
8. Métodos relativos:
Péndulos de relativas: son métodos dinámicos. En desuso.
Gravímetros: métodos estáticos. Todos los utilizados en la actualidad.
6.5.- Péndulo matemático o simple:
Consiste en un punto material de masa m suspendido mediante un hilo inextensible de longitud l
fijo por el extremo opuesto oscilando alrededor de un eje horizontal que pasa por el punto fijo O.
La masa del hilo es despreciable frente a la masa del punto material. Si se desplaza un ángulo
α
de
su posición de equilibrio y se deja libre, se inicia un movimiento oscilatorio en torno a la posición
de equilibrio.
Para saber cuál es la ecuación que rige el movimiento del péndulo, hemos de conocer la fuerza
peso, que se descompone en dos componentes, siendo la tangencial la que nos interesa. Esta
componente es tangente a la trayectoria del péndulo, el cual, describe una circunferencia de radio l.
α= sen.g.mFt
es la fuerza que provoca el movimiento.
tt a.mF =
siendo
l
dt
d
a2
2
t
α
=
la aceleración tangencial = aceleración angular x radio.
La ecuación del movimiento es:
l
dt
d
msen.g.m 2
2α
=α
α=
αsen
l
g
dt
d
2
2
Ecuación diferencial que integrada adecuadamente nos lleva a deducir el periodo de oscilación que
es el intervalo de tiempo transcurrido entre dos posiciones consecutivas idénticas (incluso en la
dirección de su movimiento) o tiempo empleado en una oscilación completa:
+
α
+
α
+π= ...
2
sen
4.2
3.1
2
sen
2
1
1
g
l
2T 4
2
2
2
, siendo
α
el valor máximo que aparezca en la oscilación, se corresponde con la amplitud.
Este es el periodo de oscilación para oscilaciones de cualquier amplitud. Para oscilaciones de
pequeña amplitud se puede confundir el seno de un ángulo con el valor del ángulo en radianes:
.
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  • Basados en el movimiento libre de graves : cuerpo pequeño o partícula material que se

mueven bajo la acción de la gravedad.

  • Caída libre
  • Movimiento libre simétrico (elevación y caída)

Como resultado de una medida absoluta de la gravedad obtenemos un valor de la gravedad en el

punto. Actualmente los métodos pendulares están en desuso, se emplean los basados en el

movimiento libre de graves.

8. Métodos relativos:

  • Péndulos de relativas : son métodos dinámicos. En desuso.
  • Gravímetros : métodos estáticos. Todos los utilizados en la actualidad.

6.5.- Péndulo matemático o simple:

Consiste en un punto material de masa m suspendido mediante un hilo inextensible de longitud l

fijo por el extremo opuesto oscilando alrededor de un eje horizontal que pasa por el punto fijo O.

La masa del hilo es despreciable frente a la masa del punto material. Si se desplaza un ángulo

α

de

su posición de equilibrio y se deja libre, se inicia un movimiento oscilatorio en torno a la posición

de equilibrio.

Para saber cuál es la ecuación que rige el movimiento del péndulo, hemos de conocer la fuerza

peso, que se descompone en dos componentes, siendo la tangencial la que nos interesa. Esta

componente es tangente a la trayectoria del péndulo, el cual, describe una circunferencia de radio l.

F = m.g.sen α

t es la fuerza que provoca el movimiento.

t t

F = m.a siendo l

dt

d

a

2

2

t

α

= la aceleración tangencial = aceleración angular x radio.

La ecuación del movimiento es:

l

dt

d

m. g.sen m

2

2

α

α

sen

l

g

dt

d

2

2

Ecuación diferencial que integrada adecuadamente nos lleva a deducir el periodo de oscilación que

es el intervalo de tiempo transcurrido entre dos posiciones consecutivas idénticas (incluso en la

dirección de su movimiento) o tiempo empleado en una oscilación completa:

α

α

= π + ...

sen

sen

g

l

T 2

4

2

2

2

, siendo

α

el valor máximo que aparezca en la oscilación, se corresponde con la amplitud.

Este es el periodo de oscilación para oscilaciones de cualquier amplitud. Para oscilaciones de

pequeña amplitud se puede confundir el seno de un ángulo con el valor del ángulo en radianes:

sen

α

α

La fórmula práctica para oscilaciones de pequeña amplitud es:

= π + α

2

g

l

T 2

No obstante el período depende de la amplitud por lo que todos los métodos pendulares implicaban

unas correcciones por amplitud, dado que, por muy pequeña que quisiera hacerse esa amplitud,

siempre tenia un valor apreciable. Aplicando estas correcciones se deducía un valor T 0 :

g

l

lim T T 2 0 0

= = π α→

que se acepta como fórmula correcta para oscilaciones de muy pequeña amplitud. En este caso, si

conseguimos medir el tiempo T 0 con precisión (para lo cual medimos el que tarda en oscilar n veces

y promediamos) y conocemos la longitud del péndulo con precisión, se puede obtener valor de la

gravedad: 2

0

2

T

4 l g

π

El péndulo matemático es un ideal. En la realidad se producen deformaciones que afectan al hilo, e

incluso al soporte, por ello en la práctica se han utilizado más los péndulos físicos.

6.6.- Péndulo físico o compuesto:

Es un sólido rígido oscilando en torno a un eje horizontal, siendo esta oscilación debida solamente a

la acción de la gravedad. El cuerpo que se toma como sólido es un cuerpo con un cierto eje de

simetría, como lo puede ser una barra prismática.

La fuerza peso se manifestará actuando sobre el centro de gravedad. El punto de suspensión O es la

intersección del eje de oscilación con el plano perpendicular a él y que contiene a la fuerza peso.

La ecuación de su movimiento de oscilación vendrá dada por la igualdad entre el momento (fuerza

x distancia) respecto al eje de giro, de la fuerza peso, y el de las fuerzas exteriores:

2

2

dt

d

m. g.h.sen I

α

α

sen

I

m.g. h

dt

d

2

2

siendo

2

2

e

dt

d M I

α = −

el momento de las fuerzas exteriores respecto al eje de giro; igual al

momento de inercia respecto al eje de giro I por la aceleración angular

2

2

dt

d α

Comparando esta ecuación de movimiento con la del péndulo simple, vemos que existe gran

semejanza, ya que obtendremos:

=− α

α

sen

I

g

dt

d

e

2

2

Sin más que igualar

m.h

I

l e

= , que dimensionalmente es una longitud dado que m.^ h=^ kg×my

2

I = kg× m. Le es la denominada longitud equivalente del péndulo físico. Representa la longitud que

debiera tener un péndulo matemático para que, colocado en el mismo lugar que el físico, oscilase

g

l

T TT 2

e

1 2 0

= = = π

donde

2

0

e

2

T

4 l

g

π

Se utilizaron mucho. Por ejemplo para dar la gravedad en Postdam.

La primera medida de gravedad absoluta que se realizó en Madrid en 1877, fue hecha por Barraquer

utilizando un péndulo reversible de Repsold, basado en el anterior, pero con las modificaciones

propuestas por Bessel en 1864 y Repsold.

Actualmente los métodos pendulares hace ya tiempo que se encuentran en desuso.

6.8.- Métodos basados en el movimiento libre de graves:

Son los empleados en la actualidad. Se basan en la medición de tiempos y distancias, actualmente

posible con las precisiones necesarias.

6.8.1.- Caída libre:

Se utiliza la ecuación del movimiento uniformemente acelerado:

2

0 0

gt

2

z = z +vt+.

El origen de espacios no ha de coincidir necesariamente con el de tiempos. Cuando t 0 = O

generalmente

z 0 0

. En esta ecuación t 0 y 0

z

son constantes, y también lo será g

Se deja caer el cuerpo, y se miden los tiempos empleados (con relojes de cuarzo,...) y las distancias

recorridas (por métodos de medida interferométricos) por el grave respecto a un instante de

referencia. La precisión en la medida de g avanzará en la medida en que lo hagan los sistemas de

medición de tiempo y de distancias. En la práctica se miden n distancias y n tiempos, y se realiza un

ajuste de observaciones:

2

i 0 0 i i

gt

2

z =z +vt +

El número mínimo de observaciones será de tres:

2

1 0 01 1

gt

2

z =z +v t +

2

2 0 0 2 2

gt

2

z =z +vt +

2

3 0 03 3

gt

2

z =z +v t +

Despejando:

(t t )(t t )(t t )

2 (z z )(t t ) (z z )(t t )

g

1 2 1 3 2 3

1 2 1 3 1 3 1 3

21 2 1

∆g =g −g

21 2 1

∆L =L −L

2 1

H =z −z

1 3 2

T =t −t

2 4 1

T =t −t

6.8.2.- - Movimiento libre simétrico (elevación y caída):

Observamos los instantes de paso del móvil por el nivel I y por el nivel II tanto en el ascenso como

en el descenso. Los niveles están en posiciones intermedias de la trayectoria. No deben elegirse ni

en el punto inicial ni en el punto más alto de la trayectoria.

Utilizando la ecuación del movimiento y considerándolo como un solo movimiento uniformemente

decelerado, y no como un decelerado hasta la posición más alta y uno acelerado desde ésta,

podremos escribir:

Ascenso:

2

1 0 01 1

gt

2

z = z +vt −

2

2 0 0 2 2

gt

2

z =z +vt −

Descenso:

2

2

3 0 0 3 3

gt z

2

z = z +vt − = 1

2

4 0 0 4 4

gt z

2

z =z +vt − =

2

3 2

2

4 1

1 2

(t t) (t t )

8 (z z )

g

2

1

2

2

T T

8 H

g

siendo

Actualmente se fabrican estaciones portátiles para la medida absoluta de la gravedad que consisten

en cámaras de vacío en las que cae el cuerpo y utilizan métodos interferométricos para medir la

distancia. Son caras y grandes.

6.9.- Gravímetros

Un gravímetro en general consiste en un sistema elástico que se deforma bajo la acción de la

gravedad. Los métodos estáticos se utilizan en medidas relativas. El resultado da la medición es

una lectura expresada en divisiones de la escala que utilice el instrumento. La gravedad está

relacionada con la lectura

G = f(L)

donde

f (L)

es una función que debemos conocer. El calibrado

consiste en determinar esta función; es la llamada función de calibrado, que será facilitada por el

constructor del gravímetro.

Estacionando el gravímetro en dos puntos:

Punto 1: 11

gL

Punto 2: 2

g L

Para pasar de diferencias de lecturas a diferencias de gravedad hemos de conocer la constante del

gravímetro:

21 21 21

∆g =cte×∆L =C×∆L las unidades de C son miligales / división de la escala del gravímetro.

g g C(L L ) 2 1 2 1

− = − ( L L)

2 1

− es el número de divisiones

Existen gravímetros con una C única para todo el rango de observación que se pueda realizar con él

0

0

T

2 π

ω =

es la frecuencia angular característica del resorte:

2

0

2

0

T

m

K

 (^) π

ω = =

K

m 2

T

0

0

= π

ω

π

es el periodo característico del sistema. Depende de la constante recuperadora

del resorte y de la masa. El usuario no puede modificar este T 0. Es algo fijo por construcción.

Sensibilidad mecánica del instrumento : depende de la construcción y las características elásticas del

instrumento; de la masa utilizada m y de la constante recuperadora del resorte K y es directamente

proporcional al cuadrado del periodo característico T 0.

m. ∆g =K.∆ L

2

2

0

T

K

m

g

L

π

Se procura construir gravímetros con grandes T 0 para poder apreciar pequeñas variaciones o

incrementos de la gravedad.

Pero la sensibilidad, en la práctica, esta limitada. Por ejemplo: sí queremos que nuestro instrumento

aprecie diferencias de gravedad de una décima de miligal y aproximando el valor de la gravedad g =

lOOO gales

, dividimos la expresión

m. ∆g =K.∆L

por m.g = K(L - Lo) término a término:

0

L L

L

g

g

g

g

L L L

0

Si

L L 0. 5 m 0

− = ⇒ 0. 5 10 metros 0. 05 micras

10 mgal

10 mgal

L 0. 5 m

7

6

1

∆ = = × =

Es decir, para poder medir variaciones de una décima de miligal, deberíamos poder apreciar en

nuestro instrumento un incremento de longitud ∆L de media décima de micra.

Podríamos construir un instrumento en el que L – L 0 fuese muy grande, de manera que el ∆L no

resultase un valor tan pequeño, y por lo tanto tan difícil de apreciar, pero un instrumento de tales

proporciones no sería manejable.

Concluimos que con esta disposición o configuración del instrumento, la sensibilidad tiene un

límite. Debido a esto aparecen los llamados gravímetros no lineales.

6.9.2.- Gravímetros no lineales o astáticos. Astatización

Dentro de éstos están los llamados gravímetros astáticos, también llamados inestables en algunos