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BOLETÍN PROBLEMAS DE DINÁMICA RESUELTOS: NOTA: La mayoría de los problemas son del libro, siempre que sea así estará indicado entre paréntesis la numeración del libro. PROBLEMAS DE FUERZAS GRAVITATORIAS Formula vectorial
Modulo
M m F 12 G 1 2 2 u1 d
M m F 12 G 1 2 2 d
g G
M
g G
u d 2
Mm P G 2 u1 m g d
d 2
Mm P G 2 mg d
M
Descripción Fuerza gravitatoria que una masa M 1 ejerce sobre otra m2 Campo gravitatorio creado por una masa M en un punto a una distancia r Peso de un cuerpo m en un planeta de masa M (d M (d es la distancia al centro del planeta)
Problema 3 (Problema 7, pag. 89). Calcula el módulo del campo gravitatorio de la luna en la superficie. ¿Qué fuerza gravitatoria actúa sobre un cuerpo de 3Kg que se halla en la superficie de la Luna? Solución: Datos: M L = 7,47·10 22 Kg (masa de la luna) L=7,47·10 R L = 1740Km=1,74·10 6 m (radio de la luna, es la L=1740Km=1,74·10
letra “d” -distancia- de la fórmula) G=6,67·10 -11 N·m 2 /Kg 2 m=3Kg (Masa del objeto objeto del apartado b) b) (en el dibujo es el principito))
g
F g
Apartado a): M 6,67·10 11·7,42·1022 g G 2 d (1,74·106 ) 2 g
6,67·7,42 (1,74)
2
·101 1,65 N Kg
La dirección y el sentido de g está pintado en la figura . Mm
Apartado b): F G
d 2
mg 3·1,65 4,95 N
15
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Problema 4 (Problema 8, pag 89). Halla la masa de cierto planeta sabiendo que el campo gravitatorio que crea a una distancia de 1·10 10m de su centro es de 5N/Kg. ¿Qué fuerza gravitatoria actúa sobre una nave espacial de 6000Kg de masa que se halla en ese punto? Solución: Datos: M? d=1·10 10 m G=6,67·10 -11 N·m 2 /Kg 2 g=5N/Kg m=6000Kg (Masa de la nave espacial)
d
Apartado a): M g G 2 d
M
F g
g
d 2 g G
(1·1010 ) 2 ·5 6,67·10
11
7,50·1030 Kg
Apartado b): Mm
La fórmula para fuerza gravitatoria es : F g G
d 2
Pero como ya conocemos el campo gravitatorio (g) en ese punto es más fácil utiliza la siguiente relación: Mm F g G 2 mg 5·3000· 3·104 N d
La dirección y el sentido de F g está pintado en la figura.
Problema 5 (Problema 9, pag 89). Calcula el campo gravitatorio en el punto medio del segmento que une los centros de la Tierra y la Luna. Luego, calcula la fuerza gravitatoria que actúa sobre un satelite artificial de 1200Kg de masa situado en ese punto. Datos:
MT =5,98·1024Kg (masa de la tierra) ML=7,47·1022Kg (masa de la luna) dT-L=3,84·108m (distancia media tierra-luna) G=6,67·10-11N·m2/Kg2 m=1200Kg (Masa del satélite en el apartado b))
Solución: Apartado a):
g Luna d
A
g Total
g Tierra
16
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M Luna 6,67·10 11·7,47·1022 6,67·7,47·1011 G 2 2 2 8 d 16 3 , 84 3,84·10 ·10 2 2
g Luna
g Luna 13,52·101116 13,52105 1,35·104 N / Kg g Tierra G
M Tiera 2
6,67·10 11·5,98·10 24 2
10,82·1013 16 10,82·10 3 1,08·10 2 N / Kg
3,84·108 2 Como g Luna y g Tierra tienen sentidos contrarios el módulo del campo gravitatorio total ( g Total ) en el punto A vendrá dado por la resta de los módulos de g Luna y g Tierra : d
g Total g Tierra g Luna g Tierra g Luna 1, 08 ·10 2 1,35 ·10 4 1, 07 ·10 2 N / Kg
g Total 1, 07 ·10 2 N / Kg
La dirección y sentido de g Total está pintada en la figura.
Apartado b):
F g ?? Tenemos dos opciones:
La más rápida y fácil: Utilizar el campo gravitatorio que ya hemos calculado: F g m· g Total F g m· g Total 1200 1,0710 2 12 ,84 N
Si tenemos ganas de repetir cálculos: M m F Luna G Luna 0,162N d 2
F Tierra G
M Tierra m d 2
12,96N
F Total F Tierra F Luna 12 ,96 0 ,162 12 ,8 N / Kg
Problema 6 (Problema 12, pag 90). Calcula el peso de un avión de 7000Kg de masa que vuela a una altura de 9000m de la superficie de la tierra. Datos:
MT =5,98·1024Kg (masa de la tierra) RT =6370Km=6,37·106m (radio de la tierra) h=9000m (altura sobre la superficie terrestre) G=6,67·10-11N·m2/Kg2 m=7000Kg (Masa del avión)
g
F g
h
Solución: Mm Mm P ???? P G 2 G d ( RT h) 2
P
6,67·10
11
24
·5,98·10 ·7·10
6,37·10
6
9·10
3 2
3
d RT
68615 N
La dirección de P será la recta que une el avión y el centro de la tierra y el sentido será hacia dicho centro (tal y como se indica en la figura) 17
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Problema 7 (Problema 13, pag 90). Determina a qué altura respecto a la superficie de la tierra debe subir un cuerpo de 50Kg de masa para que su peso sea 491N. Datos:
MT =5,98·1024Kg (masa de la tierra) RT =6370Km=6,37·106m (radio de la tierra) G=6,67·10-11N·m2/Kg2 m=50Kg (Masa del cuerpo) P=491N h? (altura sobre la superficie terrestre)
Solución: ¿Altura para que el peso de un cuerpo de 50Kg sea P=491N? Mm Mm P G 2 G d ( RT h) 2 h
( RT h) G
Mm P
6,67·1011·5,98·10 24 ·50 491
Mm
h G
P
RT
6,37·106 3200m
Nota: El peso en la superficie de la tierra tendría un valor aproximado de: Mm Mm P G 2 G 2 491,49 N d RT (Subiendo a una altura de 3200 solo disminuimos nuestro peso en aproximadamente un 0,1%)
PROBLEMAS DE FUERZAS SOBRE CUERPOS Y LEYES DE NEWTON (PLANOS INCLINADOS, ETC) Problema 8 (Problema 7, pag 115). Un monitor de ordenador está apoyado sobre una mesa. Dibuja en un diagrama todas las fuerzas que actúan sobre el monitor y sobre la mesa.
N ordenador mesa
N mesa suelo
P ordenador
P mesa
N ' ordenador mesa N ordenador mesa ( reacción ) N ' ordenador mesa ( acción )
18
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Nota: Como se ve en la figura las fuerzas N ordenador mesa y N ' ordenador mesa son fuerzas de acción y reacción debido a la “presión” que el ordenador ejerce sobre la mesa y la reacción con que ésta reacciona (de acuerdo a la 3ª ley de Newton). Por lo tanto son iguales en módulo y dirección pero de sentido contrario. Si aplicamos la 2ª ley de Newton a cada cuerpo:
P ordenador mordenador ·a 0
Ordenador: N ordenador mesa
N ordenador mesa P ordenador mordenador · g
N ' ordenador mesa P mesa mmesa ·a 0
Mesa: N mesa suelo
N mesa suelo N ' ordenador mesa P mesa P ordenador P mesa
N mesa suelo P ordenador P mesa
Problema 9 (Problema 8, pag 115) Calcula el valor de la fuerza normal ejercida por la superficie de la Luna sobre un astronauta de 80Kg de masa, si en la Luna el valor de g es 1,6m/s2. Solución: Datos: m=80 Kg (masa astronauta) g=1,6 m/s 2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la luna)
N
Solo hay fuerzas en la dirección vertical o normal (o Y). Aplicamos la 2ª ley de Newton en esa dirección: F T
En dirección y:
F ma
F ma Y
Y
0
ya que no hay movimiento en la dirección vertical, por lo tanto:
F N P 0 Y
N P mg 80·1,6 128 N
Nota: En esta ecuación hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Problema 11 (Problema 9, pag 115) Determina el valor de la fuerza normal que actúa sobre un automóvil de 1200Kg de masa en los siguientes casos: 19
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a. El automóvil circula por una carretera horizontal b. El automóvil sube una rampa inclinada 30º respecto de la horizontal. Datos: m=1200Kg (masa coche) g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la tierra)
Solución: Apartado a): Solo hay fuerzas en la dirección vertical o normal (o Y). Aplicamos la 2ª ley de Newton ( F T F ma ) en esa dirección:
En dirección y:
F ma Y
Y
0
Caso a)
N
porque no hay movimiento en la dirección vertical, por lo tanto:
F N P 0 Y
N P mg 1200·9,8 11760 N Apartado b):
Dato: α =30º
Caso b)
Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto, descomponemos todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y:
Y
N
P x Psen mgsen P : P y P cos mg cos
X
P X
N x 0 N : N y N
α α
Y a continuación aplicamos la 2ª ley de Newton en cada dirección: F T
En la dirección y:
Y
Y
0
X
X
P X ma X
(no hay movimiento en la dirección y)
N P Y mg cos 1200·9,8·cos 30 10184 N
Y
F
F ma
F N P 0 En la dirección x: F ma Y
F ma
P Y
X
(en la dirección x si puede haber movimiento) a X
P X m
mgsen m
gsen 4,9 m / s 2
Nota 1: El
segundo punto, el cálculo de la aceleración en la dirección X, no se pedía en el ejercicio. Nota 2: En este ejercicio hemos tomado como criterio de signos (para las componentes de las fuerzas) el siguiente: 20
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En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo En la dirección X: positivo hacia la derecha, negativo hacia la izquierda.
(todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Problema 12 (Problema 10, pag 115). Calcula el peso de un cuerpo que experimenta una fuerza normal de 35N cuando está apoyado sobre una superficie inclinada 45º respecto a la horizontal. Datos: N=35N g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad en la tierra) α=45º
Y
N
F R
Solución:
P X
¿¿¿ P ??? Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto tendríamos que descomponer todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y. Pero en este caso nos basta con ocuparnos de la dirección Y
X
α α
P Y
P x Psen mgsen P : P y P cos mg cos
N x 0 N : N y N
Y a continuación aplicamos l a 2ª ley de Newton ( F T F ma ) (nos basta hacerlo
en la dirección y): En la dirección y:
F ma Y
Y
F Y N P Y 0
P
0
(no hay movimiento en la dirección y)
N P Y P cos P 35 cos 45
35 2
2
2·35 2
N cos
49,50 N
Nota: En
este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Problema 13 (Problema 11, pag 115). Sobre una silla de 2,5Kg de masa apoyada en el suelo ejercemos una fuerza F=10N, hacia arriba y que forma un ángulo de 45º con la horizontal. Calcula: a. La fuerza normal sobre la silla. 21
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b. El valor mínimo de F para que la silla se separe del suelo. Datos: F=10N g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad en la tierra) m=2,5Kg α=45º
Y
N
F
F Y
Solución:
α
Apartado a): ¿¿¿ N ???
F X
Hay fuerzas actuando en más de una dirección, lo tanto tendríamos que descomponer todas las fuerzas que existen en sus componentes según dos ejes principales X e Y. Pero en este caso basta con ocuparnos de la dirección Y P x 0 P : P y P mg
por los nos
N x 0 N : N y N
X
F x F cos F : F y Fsen
Y a continuación aplicamos la 2ª ley de Newton ( F T F ma ) (es suficiente con
hacerlo en la dirección y): En la dirección y:
F ma 0 (no hay movimiento en la dirección y) F N F P 0 N P Fsen Y
Y
Y
Y
N P Fsen45 mg F
2 2
9,8·2,5 5 2 17,43 N
Nota: En
este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Apartado b): Valor mínimo de F para que la silla se separe del suelo. En el momento que la silla se separe del suelo la normal se hará cero (el cuerpo deja de presionar la superficie). Para que la silla se separe del suelo la mínima fuerza (el caso límite) que debemos hacer será aquella que equilibre el resto de fuerzas exceptuando N. Aplicando la 2ª ley de Newton en la dirección y:
F N F P 0 Y
Y
F
N F Y P 0 F Y P 0 Fsen P P sen
mg sen
2,5·9,8 sen45
2,5·9,8 2
34,65 N
2
22
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Problema 14 (Problema 12, pag 115). Sobre una roca apoyada en el suelo ejercemos
una fuerza (F) hacia arriba y que forma un ángulo de 30º con la horizontal. Calcula la masa de la roca si el valor mínimo de F para que la roca se separe del suelo es de 392N. Datos: F=392N (fuerza mínima) g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad en tierra) α=30º m????
N
Y
F
F Y
α
F X
Solución: Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto tendríamos que descomponer todas las fuerzas que existen sus componentes según los dos ejes principales X e Y. Pero en este caso nos basta con ocuparnos de la dirección Y P x 0 P : P y P mg
N x 0 N : N y N
la
X
en
F x F cos F : F y Fsen
En el momento que la silla se separe del suelo la normal se hará cero (el cuerpo deja de presionar la superficie). Para que la silla se separe del suelo la mínima fuerza (el caso límite) que debemos hacer será aquella que equilibre el resto de fuerzas exceptuando N. Aplicando l a 2ª ley de Newton en la dirección y:
F N F P 0 Y
Y
N F Y P 0 F Y P 0 P Fsen
mg Fsen
m
Fsen g
392· sen30 9,8
392· 1 9,8
2 20 Kg
Nota: En
este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Problema 16 (Problema 13 (pag 117)) ¿Es posible que un cuerpo se mantenga en reposo sobre una superficie inclinada? Solución: Si, es posible si aplicamos una fuerza que contrarreste o equilibre la componente x (también llamada componente tangencial) del peso. O bien, si la fuerza de rozamiento estático es lo suficientemente grande
23
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Problema 20 (Problema 14, pag 117) Un cuerpo de 20Kg está en reposo sobre un plano horizontal. Calcula los coeficiente de rozamiento estático y cinético si hay que aplicar una fuerza de 78,4N paralela al plano para que empieze a deslizar y otra de 39,2N para que mantengasu MRU.
NOTA IMPORTANTE!!: En clase no hemos estudiado dos tipos diferentes de coeficiente de rozamiento. Hemos supuesto que ambos coeficiente (estático y dinámico) son iguales. Para evitar confusiones, el que no tenga claro este punto que solo intente hacer el apartado a). Si los coeficientes fueran iguales las fuerzas del apartado a) y del b) tendrían que ser iguales.
Datos:
N
m=20Kg F=78,4N (fuerza mínima para que empiece deslizar) F=39,2N (fuerza mínima para que se mueva MRU) g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad en la tierra)
Y
v
a
con
F
F R
X
Solución:
¿Coeficientes de rozamiento? Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto, descomponemos todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y: P x 0 P : P y P mg
N x 0 N : N y N
F x F F : F y 0
F Rx F R F R : F Ry 0
Coeficiente de rozamiento estático μ e: La fuerza límite para mover el cuerpo se dará en el momento que está sea igual a la fuerza de rozamiento estática máxima. Aplicando la 2ª ley de Newton ( F T F ma )
en cada dirección: En la dirección y:
F ma Y
Y
0
F N P 0 En la dirección x: F ma 0 Y
X
(no hay movimiento en la dirección y) N P Y mg 20·9,8 196 N
X
(estamos justo en la situación límite donde no hay movimiento en la dirección x)
F
X
F F Re_ máxima 0
e
F F Re_ máxima e N e mg F mg
78,4 196
0,4
Coeficiente de rozamiento dinámico (o cinético) μ d: Para que el cuerpo se mueva con MRU (velocidad constante) la fuerza aplicadaa de ser igual a la fuerza de rozamiento dinámico, para que así no haya aceeración en la dirección X. La parte de la dirección y es igual que en el apartado anterior, solo cambia la dirección x:
24
Boletín problemas Dinámica En la dirección y:
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F ma Y
Y
0
(no hay movimiento en la dirección y)
F N P 0 En la dirección x: F ma 0
N P Y mg 20·9,8 196 N
Y
X
(hay movimiento en la dirección x, pero es un MRU sin
X
aceleración)
F
X
F F Rd
F F Rd 0
d
F mg
39,2 196
N
d
e
mg
0,2
Nota: En
este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas, el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo En la dirección X: positivo hacia la derecha, negativo hacia la izquierda. (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros)
Problema 18 (Problema 15, pag 117). Un cuerpo baja a velocidad constante (MRU) por una superficie inclinada 31º con respecto a la horizontal. Calcula el coeficiente de rozamiento. Datos: g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la tierra) α=31º El cuerpo se mueve con MRU (a=0)
Solución: ¿Coeficiente de rozamiento dinámico (o cinético) μ d ? Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto, descom-ponemos todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y: P x Psen mgsen P : P y P cos mg cos
Y
N v
P X
F R
X
(+)
α α
P Y
N x 0 N : N y N
(-)
F Rx F R F R : F Ry 0
Y a continuación aplicamos la 2ª ley de Newton ( F T F ma ) en cada dirección:
En la dirección y:
F ma 0 (no hay movimiento en la dirección y) F N P 0 N P mg cos F ma 0 (hay movimiento en la dirección x, pero es un MRU sin Y
Y
Y
En la dirección x:
X
Y
Y
X
aceleración)
25
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F
X
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P X F Rd 0 P X F Rd
d
m g sen m g cos
mgsen sen cos
N
P
d
mg cos
d y
d
tg tg 31 0,6
En este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo En la dirección X: positivo hacia la izq en el sentido del movimiento, negativo hacia la derecha. (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros) Nota:
Problema 19 (Problema 16, pag 117). Se deja caer un cuerpo por un plano inclinado 30º con respecto a la horizontal. Calcula la aceleración del cuerpo si a. No hay rozamiento b. El coeficiente de rozamiento vale 0,5 Datos:
Y
g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la tierra) α=30º
Solución: ¿Aceleración? Apartado a): (no hay rozamiento) Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto, descomponemos todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y:
N
(-)
v
P X
F R
X
(+)
α α
P Y
P x Psen mgsen P : P y P cos mg cos
N x 0 N : N y N
F Rx 0 F R : F Ry 0
Y a continuación aplicamos la 2ª ley de Newton ( F T F ma ) en cada dirección:
En la dirección y:
F ma 0 (no hay movimiento en la dirección y) F N P 0 N P mg cos F ma (hay movimiento en la dirección x) F P ma mgsen ma Y
Y
Y
En la dirección x:
X
Y
X
X
a
Y
X
mgsen m
· 30 4,9m / s 2 gsen 9,8 sen
Apartado b): (hay rozamiento, μ d =0,5) 26
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Hay fuerzas actuando en más de una dirección, por lo tanto, descom-ponemos todas las fuerzas que existen en sus componentes según los dos ejes principales X e Y: P x Psen mgsen P : P y P cos mg cos
N x 0 N : N y N
F Rx F R F R : F Ry 0
Y a continuación aplicamos la 2ª ley de Newton en cada dirección: F T
En la dirección y:
F ma 0 (no hay movimiento en la dirección y) F N P 0 N P mg cos (hay movimiento en la dirección x) F ma Y
Y
Y
En la dirección x:
F ma
X
F X P X F Rd ma
Y
Y
X
a
P X F Rd m
P X d N m
m gsen
m g cos
d
m
1 3 0,66m / s 2 0,5 2 2
a gsen d g cos g ( sen30 d cos 30) 9,8
En este ejercicio hemos tomado como criterio de signos para las componentes de las fuerzas el siguiente: En la dirección Y: positivo hacia arriba, negativo hacia abajo En la dirección X: positivo hacia la izq en el sentido del movimiento, negativo hacia la derecha. (todos los problemas se pueden hacer eligiendo el criterio contrario, es una decisión que depende de vosotros) Nota:
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PROBLEMAS CON POLEAS Problema 21 (Problema 17, pag 118) (MAQUINA DE ATWOOD). De los extremos de la cuerda de una polea cuelgan dos cuerpos de 0,5Kg y 0,4Kg. Calcula: a. La aceleración del sistema b. La tensión de la cuerda. Datos: g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la tierra) m1=0,5Kg m2=0,4Kg
T 1
Solución a1
Es el sistema de poleas más simple (una sola polea fija).
m1
T 2
m2
P 1
Aceleración? Tensión en la cuerda?
a2
P 2
Aplicamos la 2ª ley de Newton en cada cuerpo: Masa1: P 1 T 1 m1a1 Masa 2:
T 2 P 2 m 2 a 2
(I) (II)
Las tensiones y las aceleraciones están relacionadas de la siguiente forma: a1 a2 a T 1 T 2 T
(un bloque se desplaza lo mismo que el otro pero en sentido contrario) (las tensiones son iguales porque suponemos una cuerda inextensible, a partir de ahora ya sabemos que las tensiones en cualquier punto de una misma cuerda tienen el mismo valor)
NOTA: En
las ecuaciones I y II se ha tomado un criterio de signos diferente en cada cuerpo, se toma como positivo las fuerzas en el sentido de la aceleración o el movimiento Con lo que las ecuaciones (I) y (II) y quedan: m1 g T m1a
Problema 21 T m2 g m2 a Sumando ambas ecuaciones: m1 g m2 g ( m1 m2 ) a
Tensión??
a
( m1 m2 ) g ( m1 m2 )
(0,5 0,4) (0,5 0, 4)
·9,8 1,09 m / s 2
T m1 g m1a m1 ( g a ) 0,5(9,8 1,09 ) 4,36 N
Esta maquina se usa para levantar grandes pesos usando un cuerpo adicional (llamado contrapeso, m 2 en la figura) podemos levantar un peso elevado sin apenas realizar fuerza.
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Problema 22 (Problema 18, pag 118) (MAQUINA DE ATWOOD)
Datos: m1=4Kg m2=3Kg a=1,4 m/s2 Este problema es análogo al anterior, aunque en este caso nos piden g y nos dan a como dato: ( m1 m2 ) ( m2 m1 ) ( 4 3) a g g a ·1,4 9,80 m / s 2 ( m1 m2 ) ( m1 m2 ) ( 4 3)
Problema 23 (Problema 19, pag 125) Calcula la aceleración del sistema de la figura y la tensión de la cuerda si el coficiente de rozamiento entre el primer cuerpo (m1) y la superficie es 0,5 . Datos:
g=9,8 m/s2 (aceleración de la gravedad o campo gravitatorio en la superficie de la tierra) m1=20Kg m2=12Kg μd=0,5
N 1
F R
T
m1
P 1
T
Solución: Aceleración? ¿Tensión en la cuerda? Aplicamos la 2ª ley de Newton en cada cuerpo:
m2
P 2
Ecuaciones: Masa1: o
En la dirección y:
F ma Y
Y
0
F N P 0 N P m g 20·9,8 196 N En la dirección x: F ma (hay movimiento en la dirección x) F T F ma T N T m g m a Y
o
(no hay movimiento en la dirección y)
X
X
Rd
T
Masa 2:
Y
e
m1 g m1a1
P 2 T m2 a2
X
d
1
1
e
1
1 1
(I)
(II)
Las tensiones y las aceleraciones están relacionadas de la siguiente forma: a1 a2 a
(un bloque se desplaza lo mismo que el otro)
T 1 T 2 T (las tensiones son iguales porque suponemos una cuerda inextensible)
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NOTA: En
las ecuaciones I y II se ha tomado como criterio de signos el siguiente: en cada cuerpo, se toma como positivo las fuerzas en el sentido de la aceleración o el movimiento
Con lo que las ecuaciones (I) y (II) y quedan: T d m1 g m1a
m2 g T m2 a
Sumando ambas ecuaciones: m2 g
m1 g ( m1 m2 ) a
d
Tensión??
a
( m2
m1 ) g
d
( m1 m2 )
(12 10 ) (12 20 )
·9,8 0,61 m / s 2
T m2 g m2 a m2 ( g a ) 12 (9,8 0,61) 110 , 28 N
PROBLEMAS UN POQUITO MÁS DIFÍCILES PARA EL QUE TENGA CURIOSIDAD (NO ENTRAN EN EXAMEN). Problema 1: Un bloque de madera de 3 Kg de masa se desplaza sobre un plano inclinado 30º por la acción de una masa de 7 kg que cuelga verticalmente. Si el coeficiente de rozamiento es μ=0,2. a. Dibuja todas las fuerzas actuando sobre cada uno de los bloques b. ¿Con qué aceleración se mueven los cuerpos? c. ¿Cuánto vale la tensión de la cuerda?
Problema 2: Determinar la magnitud de la fuerza F con que se debe tirar la cuerda que pasa por la polea inferior para que el cuerpo de masa m=1kg adquiera una aceleración a=0,2·g hacia arriba (g=aceleración de la gravedad, las poleas son de masa despreciable). Solución: (en página siguiente)
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NOTA: D.C.L. es el acrónimo de diagrama de cuerpo libre, chicas esto es una gilipollez que a veces utilizan en los libros para referirse al diagrama de fuerzas sobre cada cuerpo.
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Problema 3: Usando los datos que se indican, calcular la magnitud de la fuerza F de modo que el bloque de masa mA suba con aceleración de magnitud aA=g/5 (g=aceleración de la gravedad). Las poleas son de masa despreciable. Datos: mA=2mB , θ=60º, μc=0.2, mB=1Kg. Considere g=10m/s2.
Solución:
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