lunes, 20 de mayo de 2013

DINÁMICA


RESUMEN
CONCEPTOS
APLICACIÓN
Momento lineal o cantidad de movimiento (p): vector relacionado con la resistencia que ofrece un cuerpo o partícula a variar su movimiento.
p=m.v   (kg.m/s)

Momento lineal de un sistema material formado por varios cuerpos o partículas.
Es la suma de los momentos de cada uno de sus componentes

p=p1+p2+p3+……

Conservación del momento lineal : Si sobre un sistema no actúan fuerzas externas su cantidad de movimiento se conserva
p0=p

Impulso mecánico  Vector que mide la variación en la cantidad de movimiento
I=p=p-p0  (kg.m/s)


1. Un trozo de plastilina de 250 g es lanzado con una velocidad de 10 m/s contra un bloque de madera de 500 g situado sobre una mesa horizontal. Tras el impacto la plastilina queda adherida al bloque. Calcular la velocidad con la que se inicia el deslizamiento del conjunto.
(Sol: 3.33m/s)

2. Un patinador de 60 kg se encuentra situado sobre un monopatín de 3 kg en reposo. En determinado momento el patinador se impulsa hacia la derecha con una velocidad de 1 m/s. ¿Qué ocurrirá con el monopatín?
(Sol:-20 m/s)

3. Dos bolas de billar iguales chocan frontalmente con velocidades de  4,2m/s y 2,8m/s. Después del choque, la primera se mueve en una dirección que forma 15º con su dirección inicial y la 2ª 210º con la dirección inicial de la primera. Calcula los módulos de las velocidades de ambas (2,7 y 1,4m/s)
LEYES DE LA DINÁMICA
  1. Primera Ley de Newton: Principio de Inercia: Si la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es nula, éste cuerpo está en reposo o moviéndose con M.R.U.
  2. Segunda Ley de Newton: Principio fundamental de la dinámica: La resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o partícula mide la variación (instantánea)  de la cantidad de movimiento en la unidad de tiempo, lo que equivale al producto de su masa por la aceleración.
Para fuerzas constantes:
F= ∆p/∆t=I/∆t;   ∑F=m.a
  1. Tercera Ley de Newton: Principio de acción y reacción: Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este último ejerce una fuerza sobre el primero de igual intensidad y dirección y en sentido opuesto.
4. Un avión de 75 T necesita una pista de 2 km para conseguir la velocidad de 180 km/h. ¿Qué fuerza han de ejercer los motores para conseguirla? ¿Qué tiempo transcurre desde que inicia el recorrido hasta que despega? (46875 N, 80 s)
5. La rapidez de un móvil varía uniformemente desde 18 km/h hasta 32,4 km/h en untiempo de 2 segundos. Si la fuerza constante que produce esa aceleración es de 196 N,calcular la masa del móvil, expresada en kilogramos.(98 kg)
6. Una pelota de tenis de 100 g de masa lleva una rapidez de 20 m/s. Al ser golpeada por una raqueta, se mueve en sentido contrario con una rapidez de 40 m/s. Calcular:(a) Variación del módulo del momento lineal.(b) Si le pelota permanece en contacto con la raqueta 10−2s, cuál es el módulo de lafuerza media del golpe.(6 kg·m/s; 600 N)
7. Con una fuerza de 10N impulsamos una caja de 5kg que a su vez empuja una caja de 15 kg situadas ambas sobre un plano horizontal sin rozamiento. Calcula las fuerzas que actúan sobre cada una de las cajas y la aceleración del sistema.  (a= 0,5m/s2; Sobre la primera caja actúan: P=49N; N=49N; Fm =10N; F=-7,5N; Sobre la segunda caja actúa F=7,5N P=N=147N)

CONCEPTOS
APLICACIÓN
Ley de la gravitación universal  Dos cuerpos cualesquiera se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa
F=-G.m1m2/R2ur
En el caso de movimientos cuerpos celestes orbitando alrededor de un cuerpo de mayor tamaño, igualamos la fuerza de atracción gravitatoria a la fuerza centrípeta Fc=mv2/R
En el caso de la fuerza peso, la aceleración gravitatoria (g) depende de las características del planeta (su masa y su radio) g=GM/R2
G=6,62.10-11 Nm2/kg2
8. La tercera Ley de Kepler dice que el cuadrado del periodo orbital de un planeta es directamente proporcional al cubo del radio de su órbita. Demuéstralo mediante la LGU
9. La masa de la Luna es 1/81 de la masa de la Tierra y su radio es 1/4 del radio de la Tierra. Calcula lo que pesará en la Luna una persona que tiene una masa de 70 kg (135,5N)
Calcula el periodo de la estación espacial internacional (ISS), sabiendo que gira en una órbita situada a una distancia media de 400 km sobre la superficie de la Tierra. Datos:RT = 6370 km; g0 = 9,8 m/s2 (93min)
10. Calcular el valor de la aceleración dela gravedad a una altura de la superficie terrestre  igual a 2 veces el radio de la Tierra (1,09m/s2)
Fuerza de rozamiento (Fr): Fuerza que se opone al movimiento de los cuerpos.
Fr=μN
µ es el coeficiente de rozamiento que depende de la naturaleza de las superficies en contacto. Puede ser estático (el cuerpo no se mueve) y dinámico.
N es la fuerza normal: Fuerza de reacción de las superficies que es igual a la fuerza de acción sobre las mismas y perpendicular a ellas.
Ejemplos: Si sólo actúa el peso de los cuerpos:
-      En una superficie horizontal N=mg
-      En un plano inclinado N=mgcosθ

11. Calcula el coeficiente rozamiento en los siguientes casos
a)     Empujamos una caja de 200kg sobre una superficie horizontal con una fuerza de 1000N y no conseguimos moverla.
b)     Un coche de 2000kg se desplaza a velocidad constante por una carretera horizontal cuando el motor ejerce una fuerza de 5000N
c)      Un hombre tira de una caja de 200kg que reposa sobre una superficie horizontal, tirando de una cuerda que forma un ángulo de 60º con la horizontal. Para conseguir que se mueva la caja debe ejercer una fuerza de 1000N
d)     Un bloque de 15Kg se desliza con velocidad constante por un plano inclinado 30º respecto a la horizontal.
e)     Para evitar que  un cuadro de 500g caiga al suelo mientras lo clavamos debemos presionar contra la pared con una fuerza de  12N
(0,51; 0,26; 0,46; 0,58; 0,4)

CONCEPTOS
APLICACIÓN
APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE NEWTON
Consideramos en todos los casos, positivas las fuerzas que actúan en sentido al movimiento y negativas  en sentido opuesto.
Plano inclinado: Debemos descomponer el peso en su componente paralela al plano Px=mgsenθ y perpendicular al mismo Py=mgcosθ
Sistemas de poleas Teniendo en cuenta que todos los componentes del sistema tienen la misma aceleración, e aplica la segunda ley de Newton sobre cada uno de ellos. De este modo obtendremos un sistema de tantas ecuaciones como incógnitas tengamos (a, T1, T2…..)
Cuerpos dentro de sistemas no inerciales (que poseen determinada aceleración): ascensores, móviles girando o acelerando, etc)
-      Desde el punto de vista de un observador inercial (fuera del sistema) La suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo es igual a la masa del mismo por la aceleración del sistema.
-      Desde el punto de vista de un observador no inercial (dentro del sistema) : Se tiene en cuenta la fuerza ficticia que es igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración del sistema y con sentido contrario a esta. En este caso la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo (incluida la ficticia) es igual a cero.
12. Un bloque de 5 Kg. se pone en movimiento ascendente en un plano inclinado con una velocidad inicial de 8 m/s. El bloque se detiene después de recorrer 3 m a lo largo del plano, el cual está inclinado un ángulo de 30° respecto a la horizontal. Determine: (a)La fuerza de fricción ejercida sobre él (b) El coeficiente de fricción cinético (29 N; 0,68)
13. Un bloque de 3 Kg. parte del reposo en la parte superior de una pendiente de 30º y se desliza 2 metros hacia abajo en 1,5 s. Encuentre: (a) La magnitud de la aceleración del bloque. (b) El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano. (c) La fuerza de fricción que actúa sobre el bloque. (d) La velocidad del bloque después de que se ha deslizado 2 metros.(1,77m/s2; 0,369; 9,4N; 2,66m/s)
14. Dos cuerpos de 10 y 30Kg descansan sobre un plano horizontal y uno inclinado 30º respectivamente, unidos por una cuerda que pasa por una polea. Los coeficientes de rozamiento son µ1=0,15 y µ2=0,3. Hallar la aceleración del sistema y la tensión de la cuerda (1,4m/s2; 28,7N)
15. Un hombre de 70 kg de masa se encuentra en la cabina de un ascensor, cuya altura es de 3 m. Calcular su masa aparente cuando ascienda con una aceleración constante de 2m/s2, cuando descienda con una aceleración del mismo valor, y cuando suba o baje con velocidad constante.( 84,3 kg; 55,7 kg; 70 kg)
16. Un cubo de masa 1.000 gramos está atado a una cuerda. Se le impulsa para que describa una circunferencia de radio 1m en un plano vertical.
(a) ¿Cuál será la velocidad mínima a la que debe girar para que la cuerda tenga tensión cero en la parte más alta de la trayectoria?
b) ¿Qué tensión soportará la cuerda cuando el cubo pasa por la parte más baja?
c) ¿Qué tensión soportará la cuerda cuando pase por una posición 45º por debajo de la horizontal?
(3,1m/s; 19,6N; 13,9N)


Problemas resueltos



EJERCICIOS DEL RESUMEN RESUELTOS
1. Un trozo de plastilina de 250 g es lanzado con una velocidad de 10 m/s contra un bloque de madera de 500 g situado sobre una mesa horizontal. Tras el impacto la plastilina queda adherida al bloque. Calcular la velocidad con la que se inicia el deslizamiento del conjunto.

p0=p
0,25.10+0,5.0=0,75.v
v=2,5/0,75= 3,33m/s

2. Un patinador de 60 kg se encuentra situado sobre un monopatín de 3 kg en reposo. En determinado momento el patinador se impulsa hacia la derecha con una velocidad de 1 m/s. ¿Qué ocurrirá con el monopatín?

63.0=60.1+3.v;   v=- 60/3= -20m/s
Se deslizará hacia la izquierda a 20m/s

3. Dos bolas de billar iguales chocan frontalmente con velocidades de  4,2m/s y 2,8m/s. Después del choque, la primera se mueve en una dirección que forma 15º con su dirección inicial y la 2ª 210º con la dirección inicial de la primera. Calcula los módulos de las velocidades de ambas

p0= (4,2m-2,8m)i= 1,4mi
p= (v1cos15+v2cos210)mi + (v1sen15 + v2sen 210)mj

1,4= v1cos15+v2cos210
0= v1sen15+v2sen210

Resolviendo el sistema: v1=2,7m/s y v2= 1,4m/s.

4. Un avión de 75 T necesita una pista de 2 km para conseguir la velocidad de 180 km/h. ¿Qué fuerza han de ejercer los motores para conseguirla? ¿Qué tiempo transcurre desde que inicia el recorrido hasta que despega?
v= 180km/h= 50m/s
m=75Tm=75000kg
s=2km=2000m
F=ma
v2-v02= 2as;   a=v2/2s;  a= 502/4000; a= 0,625m/s2
F=75000.0,625= 46875N
v=v0+at;  t=v/a;  t=50/0,625= 80s

5. La rapidez de un móvil varía uniformemente desde 18 km/h hasta 32,4 km/h en un tiempo de 2 segundos. Si la fuerza constante que produce esa aceleración es de 196 N, calcular la masa del móvil, expresada en kilogramos.
v0= 18km/h=5m/s
v= 32,4km/h= 9m/s
a=(v-v0)/t= (9-5)/2=2m/s2
F=m.a;  a=F/m= 196/2=98kg

6. Una pelota de tenis de 100 g de masa lleva una rapidez de 20 m/s. Al ser golpeada por una raqueta, se mueve en sentido contrario con una rapidez de 40 m/s. Calcular:(a) Variación del módulo del momento lineal.(b) Si le pelota permanece en contacto con la raqueta 10−2s, cuál es el módulo de lafuerza media del golpe.

I=Δp=m(v-v0)=0,1(20-(-40))= 6N.s
I=F.t;   F=I/t= 6/10-2= 600N

7. Con una fuerza de 10N impulsamos una caja de 5kg que a su vez empuja una caja de 15 kg situadas ambas sobre un plano horizontal sin rozamiento. Calcula las fuerzas que actúan sobre cada una de las cajas y la aceleración del sistema. 

F= Fuerza de acción de la caja de 5kg sobre la de 15kg
-F= Fuerza de reacción de la caja de 15 kg sobre la de 5kg.
Aplicando el segundo principio sobre cada caja:
10-F=5a
F=15a
10=20a; a=10/20=0,5m/s2
F=15a=15.0,5=7,5N
Sobre la primera caja actúan: La fuerza motriz= 10N; La fuerza de reacción= 7,5N; su peso y la normal que valen: 49N
Sobre la segunda caja actúa la fuerza de acción de 7,5N; su peso y la normal que valen 147N

8. La tercera Ley de Kepler dice que el cuadrado del periodo orbital de un planeta es directamente proporcional al cubo del radio de su órbita. Demuéstralo mediante la LGU

En este caso la fuerza de atracción gravitatoria será igual a la fuerza centrípeta que hace girar al planeta en torno al Sol.
F=GmM/R2
F=mv2/R
Igualando ambas expresiones y simplificando las masas y los radios
GM/R2=v2/R; GM=v2R
Como v=ωR=(2π/Τ)R
GM=((2π/Τ)R)2R
GM= (4π2/ Τ2)R3
GM Τ2= 4π2R3   q.e.d.


9. La masa de la Luna es 1/8 1de la masa de la Tierra y su radio es 1/4 del radio de la Tierra. Calcula lo que pesará en la Luna una persona que tiene una masa de 70 kg

igualando la fuerza de atracción gravitatoria en la superficie de un planeta al peso:
GmM/R2=mg; y simplificando las masas (m)
g=GM/R2
Sustituyendo M por M/81 y R por R/4
gL=G(M/81):(R/4)2= G.M/R2.(16/81)= g.0,2= 9,8.0.2= 1,94m/s2
Por lo que el peso será P=mg=70.1,94= 135,5N


Calcula el periodo de la estación espacial internacional (ISS), sabiendo que gira en una órbita situada a una distancia media de 400 km sobre la superficie de la Tierra. Datos:RT = 6370 km; g0 = 9,8 m/s2

Para averiguar la masa de la tierra(M) utilizamos el valor de g=9,8m/s2
g=GM/R2;   M=gR2/G
El radio de la órbita será :R+400000
Sustituyendo el la expresión GM Τ2= 4π2R3   

G.(gR2/G)T2=2(R+400000)3  
T2= 4π2(R+400000)3 /gR2=  2(6370000+400000)3/(9,8.63700002)
T2=30804971s2;   T= 5550s= 93min


10. Calcular el valor de la aceleración dela gravedad a una altura de la superficie terrestre  igual a 2 veces el radio de la Tierra
a=10a
a.o el segundo principio sobre cada caja:
g=GM/R2= G(gR2/G)/(3R)2= gR2/9R2=g/9= 1,09m/s2

11. Calcula el coeficiente rozamiento en los siguientes casos
a)     Empujamos una caja de 200kg sobre una superficie horizontal con una fuerza de 1000N y no conseguimos moverla.
b)     Un coche de 2000kg se desplaza a velocidad constante por una carretera horizontal cuando el motor ejerce una fuerza de 5000N
c)      Un hombre tira de una caja de 200kg que reposa sobre una superficie horizontal, tirando de una cuerda que forma un ángulo de 60º con la horizontal. Para conseguir que se mueva la caja debe ejercer una fuerza de 1000N
d)     Un bloque de 15Kg se desliza con velocidad constante por un plano inclinado 30º respecto a la horizontal.
e)     Para evitar que  un cuadro de 500g caiga al suelo mientras lo clavamos debemos presionar contra la pared con una fuerza de  12N


a)    Fr= -Fm= -1000N
N=mg= 200.9,8= 1960N;  m= Fr/N= 1000/1960= 0,51
b)    Fr=-Fm= -5000N
N=mg= 2000.9,8= 19600N;  m= 5000/19600= 0,26
c)    Fr=-Fm= -1000cos60= -500N
N=mg-Fsen60= 200x9,8-1000sen60= 1094N; m=500/1094= 0,46N
d)    Fr=-Fm= mgsen30
N=mgcos30   m=mgsen30/mgcos30=tg30= 0,58
e)    Fr=P= mg= 0,5.9,8=4,9N
N= 12N;   m=4,9/12= 0,4

12. Un bloque de 5 Kg. se pone en movimiento ascendente en un plano inclinado con una velocidad inicial de 8 m/s. El bloque se detiene después de recorrer 3 m a lo largo del plano, el cual está inclinado un ángulo de 30° respecto a la horizontal. Determine: (a)La fuerza de fricción ejercida sobre él (b) El coeficiente de fricción cinético

a)    -(Fr+Px)=ma
-Fr=ma+Px; Fr=-(ma+Px)
a=(v2-v02)/2s= (0-82)/(2.3)=-10,7m/s2
Px=mgsen30= 5.9,8.sen30= 24,5N
Fr=-(5(-10,7)+24,5)= -29N  
b)    m=Fr/N=Fr/mgcos30= 0,68

13. Un bloque de 3 Kg. parte del reposo en la parte superior de una pendiente de 30º y se desliza 2 metros hacia abajo en 1,5 s. Encuentre: (a) La magnitud de la aceleración del bloque. (b) El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano. (c) La fuerza de fricción que actúa sobre el bloque. (d) La velocidad del bloque después de que se ha deslizado 2 metros.

a) s=1/2at2;   a=2s/t2= 2.2/1,52= 1,77m/s2
b) Px-Fr=m.a;  Fr=Px-ma= mgsen30-ma= m(gsen30-a)= 3(9,8.sen30-1,77)= 9,39N; m=Fr/N= 9,39/mgcos30= 0,369
c) Fr=9,39N
d) v=at= 1,77.1,5= 2,66m/s


14. Dos cuerpos de 10 y 30Kg descansan sobre un plano horizontal y uno inclinado 30º respectivamente, unidos por una cuerda que pasa por una polea. Los coeficientes de rozamiento son µ1=0,15 y µ2=0,3. Hallar la aceleración del sistema y la tensión de la cuerda

a) Sobre el bloque 1:  T-Fr1=m1a;                      T- µ1m1g= m1a

Sobre el bloque 2: Px-T-Fr2= m2a                 m2gsen30-T- µ2m2gcos30=m2a
Sumando ambas expresiones                   m2gsen30- µ2m2gcos30- µ1m1g= (m1+m2)a
g(m2sen30- µ2m2cos30- µ1m1)= (m1+m2)a;
 a= g(m2sen30- µ2m2cos30- µ1m1)/(m1+m2)= = 1,4m/s2

b)  T= m1a+ -µ1m1g= m1( a + µ1g)= 28,7N


15. Un hombre de 70 kg de masa se encuentra en la cabina de un ascensor, cuya altura es de 3 m. Calcular su masa aparente cuando ascienda con una aceleración constante de 2m/s2, cuando descienda con una aceleración del mismo valor, y cuando suba o baje con velocidad constante.
 a) Cuando sube N-P= ma;  N=P+ma;  N=mg+ma=m(g+a)
m´=N/g=m(g+a)/g= 70.11,8/9,8= 84,3kg.
b)  Cuando baja P-N=ma;   N=P-ma; N=mg-ma=m(g-a);
m´= N/g= m(g-a)/g= 70.7,8/9,8= 55,7 kg
c) cuando va con velocidad constante P-N=0;  P=N  y m´=m=70kg.


16. Un cubo de masa 1.000 gramos está atado a una cuerda. Se le impulsa para que describa una circunferencia de radio 1m en un plano vertical.
a) ¿Cuál será la velocidad mínima a la que debe girar para que la cuerda tenga tensión cero en la parte más alta de la trayectoria?
b) ¿Qué tensión soportará la cuerda cuando el cubo pasa por la parte más baja?
c) ¿Qué tensión soportará la cuerda cuando pase por una posición 45º por debajo de la horizontal?

a) En la parte más alta tensión y peso tienen la misma dirección
T+P=Fc ; Si T=0
Fc=P;   mv2/R=mg;  v2= gR= 9,8.1= 9,8;  v= 3,13m/s

 b) En la parte más baja T y P tienen direcciones opuestas
T-P= Fc;   T=Fc+P= m(v2/R+g)= 1(9,8/1+9,8)= 19,6N

c) En este caso la tensión tiene una componente Ty= Tsen45 que debe compensar al peso;  Tsen45=mg; T= mg/sen45= 1.9,8/sen45= 13,9N







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