SEMANA 11 12 y 13 energia y ENERGÍA MECÁNICA UNAC 2009 B

ENERGÍA MECÁNICA / FÍSICA I

ENERGÍA MECÁNICA Semanas 11, 12 y 13 1. CONCEPTO DE ENERGÍA. La energía es uno de los conceptos más importantes de la Física, y tal vez el término “energía” es uno de los que más se utilizan ahora en nuestro lenguaje

cotidiano. Así, a pesar de que es muy difícil de definir, en pocas palabras, lo que es energía, ya estamos acostumbrados a emplear esta palabra y ya se tiene, por tanto, cierta comprensión de su significado. En la Física el concepto suele introducirse diciendo que “la energía representa la capacidad de realizar trabajo ”. Así, diremos que un cuerpo posee energía cuando es capaz de realizar trabajo. Por ejemplo, una persona es capaz de realizar trabajo de levantar un bloque debido a la “energía” que le proporcionan los alimentos que

ingiere. Del mismo modo, el vapor de agua de una caldera posee “energía”, puesto que es capaz de efectuar trabajo de mover las turbinas de una planta de generación eléctrica. Como la energía se puede relacionar con el trabajo, también es una cantidad escalar. En consecuencia, la energía se mide con las mismas unidades de trabajo, es decir la energía se mide en joules. La ENERGÍA, es la medida cuantitativa del movimiento en todas sus formas. Movimiento mecánico (energía cinética), movimiento de electrones (energía eléctrica), movimiento molecular (energía calorífica), movimiento de iones (energía química), etc.

2. FÍSICA AMBIENTAL. Estudia la utilización de los Recursos Naturales en la obtención de nuevas formas de energía, como la energía: Eólica, Solar, Biodiesel, Biomásica y otras que no conocemos por el momento. Esto sirve de motivación a los jóvenes estudiantes a investigar y luego aplicar, para resolver los problemas de la sociedad. El estudio de la Física como ciencia básica debe estar orientada a obtener soluciones inmediatas de nuestra sociedad, no olvidemos el trinomio Ciencia, Tecnología y Sociedad (C.T.S.) para encontrar sentido al estudio de las ciencias básicas (física, química y biología) y aplicarlas al desarrollo de la Ingeniería Ambiental. La Energía Nuclear se obtiene en grades cantidades que logran mover barcos y submarinos, pero el problema serio está en que los residuos o desechos nucleares dañan nuestro medio ambiente, es por eso que debemos buscar energías limpias como la energía Eólica, Solar, Biodiesel y Biomásica. 3. ENERGÍA CINÉTICA (E K). Es la magnitud física escalar que sirve para expresar la medida cuantitativa del movimiento mecánico de los cuerpos o partículas en virtud a su velocidad respecto de un sistema de referencia, entonces la energía cinética es relativa. 2

La cantidad de energía cinética está dada por la siguiente ecuación: E K 

Unidades: Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

m.V

2

…. (1)

Página 1


m : masa del cuerpo ( kg ) v : módulo de la velocidad o rapidez ( m/s ) cinética ( J )

Ek : energía

EJEMPLO 01: Calcule la cantidad de energía cinética asociada a una piedra de 200 gramos con una rapidez de 3 m/s. Resolución La masa se reemplaza en kilogramos: m = 200 gramos = 0,2 kg Cálculo de la cantidad de energía cinética: E k

m.v m.v

2

2

E k

0 , 2. 3

2

2

0 9, J

Respuesta: la cantidad de energía cinética es 0,9 J. 4. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA ( E pg ). Es la magnitud física escalar definida como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar trabajo mecánico en virtud a su posición dentro del campo gravitatorio, respecto de un sistema de referencia, entonces la energía potencial es relativa. Se define como el trabajo hecho por un agente externo sobre un punto material, para trasladar lentamente desde A hasta B en contra del Campo Gravitatorio. La fuerza externa  F ext  m.g  tiene el mismo valor que la fuerza de gravedad y el desplazamiento vertical d  h es la altura. Fext E pg  W A B  F ext  d  m. g.h

E pg  m. g. h …. (2)

La cantidad de energía potencial gravitatoria es igual al producto la fuerza de gravedad (mg) por la altura (h). Unidades: m: masa del cuerpo ( kg ) g : módulo de la aceleración de la gravedad (en m/s2 ) h: altura o distancia vertical (m) Epg : energía potencial ( J ) Observación: Si la altura “h” es tomada por debajo de la línea de r eferencia, eferencia, la energía potencial gravitatoria será negativa.

EJEMPLO 02: Calcule la cantidad de energía potencial gravitatoria de una roca de 2 toneladas que se encuentra a 200 m de la superficie terrestre. (g = 10 m/s2) V=0 P.E. Resolución La masa se reemplaza en kilogramos: m = 2 Tn = 2 000 kg. Cálculo de la cantidad de energía potencial: E pg  m. g. h

A

X1

V

E pg  2 000 10 200 J

Respuesta: la cantidad de energía potencial gravitatoria es 4 M J.

X2

B

ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA

5. ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA ( E PE ). Es la magnitud física escalar, que nos expresa aquella energía de los cuerpos elásticos (resortes) cuando se les deforma parcialmente al estirarse Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

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o comprimirse longitudinalmente. Se define como el trabajo hecho por un agente externo sobre un resorte, para deformarlo lentamente desde A hasta B en contra de la fuerza elástica. La fuerza ext externa tiene el mismo valor que la fuerza de elástica en el resorte  F  k .x  y la misma dirección que el desplazamiento. E

 W Fext A B  F ex.td x 

reemplazando el valor de la fuerza:

pg

A

E pe 

K .x

x

 k .x 2  E pg   k. x. d x    2  0 A B

B

2

2

…(3)

La cantidad de energía potencial elástica acumulada por el resorte, es directamente proporcional al cuadrado de la deformación “x” del resorte.

Unidades: K: constante elástica, depende del material y de la forma del resorte. x : deformación del resorte por alargamiento o aplastamiento (m) Epe: energía elástica (J)

6. ENERGÍA MECÁNICA (E.M.). La energía mecánica de una partícula o un sistema de partículas en cada instante de tiempo es igual a la suma de la cantidad de energía cinética más la cantidad de energía potencial (gravitatoria y/o elástica), respecto de un sistema de referencia. En la figura, el cilindro de masa

V

g

K h O NIVEL DE REFERENCIA

“m” se mueve sobre una guía vertical (barra) con velocidad “v”, asociado a un resorte de constante elástica “K” cuya longitud cambia en cada instante, entonces el sistema (masa +

resorte) tiene energía potencial (gravitatoria y elástica) y energía cinética respecto del sistema de referencia “O”. EM  EK  EP 

EM 

m.v 2

2

 m. g. h

k .x 2

2

…. (4)

7. PRINCIPIO GENERAL DE CONSERVACIÓN DE LA MASA Y ENERGÍA. La energía se puede transformar de una forma a otra, pero no puede ser creada ni destruida. De manera que la energía total es constante. A

“La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma”

C1

Principio de conservación de la masa:

”La masa no se crea ni se destruye sólo se redistribuye” Acerca de la materia, los filósofos Democrito y Leucipo decían:

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C2 B

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ENERGÍA MECÁNICA / FÍSICA I ”Nada se crea de la nada y nada se destruye sin dejar nada”.

8. FUERZA CONSERVATIVA. Si el trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo, entre dos puntos A y B, no depende de la trayectoria que el cuerpo sigue par ir desde A hasta B, entonces la fuerza es conservativa. Por ejemplo: la fuerza de gravedad, fuerza elástica y fuerza eléctrica son conservativas. W AC1

B

W AC 2

B

9. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA. Si sólo fuerzas conservativas actúan sobre un punto material en movimiento, su energía mecánica total permanece constante para cualquier punto de su trayectoria y en cualquier instante de tiempo.

A g Fe

Fg EM ( en en A)  EM ( en en B)

m.g.h A 

m.V

2



A

2

K .X

B

2

 m.g.hB 

A

2

m.V

2

2

B

2



K .X B

2

10. FUERZA NO CONSERVATIVA: La fuerza cuyo trabajo realizado sobre un cuerpo, depende de la trayectoria o camino recorrido por el cuerpo se denomina “fuerza disipativa”, o “fuerza no conservativa”. Un ejemplo típico de fuerza no conservativa es la fuerza de rozamiento. Si se hace

desplazar un cuerpo sobre una superficie, llevándolo desde el punto A hasta el punto B, el trabajo realizado por la fricción tendrá valores distintos, de acuerdo al camino seguido. C

W A1

C

B

W A 2

B

11. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA. “Si la única fuerza que realiza

trabajo sobre una partícula o sistema de partículas, es su propio peso (fuerza de gravedad) y/o la fuerza elástica y libre de todo tipo de rozamiento, entonces la energía mecánica del sistema

VA A VB hA

se conserva en el tiempo”. EM in inicial

B Liso

hB

EM final

LÍNEA DE REFERENCIA EM( en en A)  EM ( en en B)

EK A

EP A

EK B

EP B …(5)


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12. TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA MECÁNICA. “La cantidad de trabajo realizado por las fuerzas diferentes a la fuerza de gravedad (peso) y a la fuerza elástica, sobre un cuerpo o sistema de partículas, es igual a la variación de la energía mecánica”.

W

Fuerza externa

 W Normal  W friccion  EM

… (8)

13. TEOREMA DE LA ENERGÍA CINÉTICA. Analicemos un punto material de masa “m” que bajo la acción de un sistema de fuerzas se

mueve en línea recta, con rapidez inicial v A en el punto B y luego de un desplazamiento s tiene una rapidez v B en el punto B. Para obtener la relación buscada recorrimos a la ley fundamental



de la dinámica, ley de aceleración, m.a  F n El valor de la aceleración tangencial se puede expresar de la forma: a

dv dt



dv ds  dv  .    .v ds dt  ds 

 dv  .v   F n   ds 

Reemplazando tenemos, m. 

Multiplicamos ambos miembros por la misma cantidad: ds y se obtiene, m..v.dv 

F

V B

n



.ds luego hacemos la integración, m. v.dv  V A

m.V B

2



m.VA

2

n

  F .ds n

1

neto

 W A

B

La cantidad de trabajo neto, realizado por todas las fuerzas, es igual a la variación de la energía cinética entre dos puntos de la trayectoria. 2 2 m.VB m.VA NETO W

 E K 

2

Otra forma de expresar:



2

…. (9)

W Fuerza externa  W Normal  W friccion  W PESO  W RESORTE  EK

“ La variación de la energía cinética del punto material en un desplazamiento desplazamiento cualquiera es igual a la suma algebraica de los trabajos de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo durante dicho desplazamiento ”.

Se recomienda utilizar este teorema en los problemas, en reemplazo del teorema del trabajo y la energía mecánica.


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PROBLEMAS PROPUESTOS DE ENERGÍA MECÁNICA 1. En la figura AO es horizontal y OB es vertical. Si el bloque de masa “m” se desliza sin fricción, partiendo del reposo en A, resbala por O A la rampa ABC y luego g realiza un movimiento parabólico en el tramo 30° CD, determine la distancia L. D

C 2. Sobre un bloque de 4 B kg en reposo actúa una L fuerza F = 6,4 i N hasta Para el problema 01 que el bloque adquiera cierta rapidez. Luego el bloque avanza libremente sobre la superficie sin fricción, llega al resorte de constante elástica 256 N/m y lo F comprime 40 cm quedando el bloque m con rapidez nula. ¿Durante que intervalo de tiempo, en segundos, ha actuado la Para el problema 02 fuerza F sobre el bloque? (g = 10 m/s2)

3. La esfera de un péndulo se suelta desde una altura 2h respecto del piso. En el punto más bajo de su trayectoria circunferencial se rompe el hilo del

K

g

A

péndulo. La distancia “x” que recorre

h

la esfera en su trayectoria parabólica desde que se rompe el hilo hasta que llega al piso es:

B

h

C 4. En cierta zona del malecón de Chorrillos tiene 55 m de altura y desde el se lanza una piedra con una rapidez X Para el problema 03 de 50 m/s formando un ángulo de 37° respecto de la horizontal. Despreciando la fricción del aire, determine la rapidez (en m/s) con que llega la piedra a la superficie libre del agua. (g = 10 m/s2)

5. La figura siguiente muestra un bloque de 1,0 kg que se desliza sobre una superficie sin rozamiento con rapidez V = 10 m/s en dirección del resorte de constante elástica K = 400

V K O 0,8 m

N/m colocado el eje “X”. Si se

desprecia la masa del resorte, entonces el punto de reposo del bloque será:

X (m)

Para el problema 05


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6. Un bloque de 100 kg inicialmente en reposo tiene al cabo de 5 segundos en movimiento sobre una plana horizontal sin fricción una cantidad de A energía cinética de 20 kilojoules. Entonces el modulo de la fuerza constante que provoca este movimiento (en N) es: B

7. Una bala de 20 gramos atraviesa un bloque de madera de 10 cm de espesor. Si la bala ingresa con rapidez de 100 m/s y sale con 60 m/s, ¿qué fuerza promedio (módulo en N) ejerció la madera sobre la bala en su recorrido? Desprecie las perdidas por calentamiento. 8. Una piedra de 2 kg cae desde el reposo de cierta altura. La caída dura 1,6 segundos. Despreciando la resistencia del aire, la energía cinética y la energía potencial gravitatoria de la piedra en el punto medio del camino recorrido serán iguales a (en J). (g = 10 m/s2)

R 

Para el problema 09

A

Para el problema 10

1,5 m

0,5 m

B

C

9. Un bloque pequeño de masa “m”, se encuentra sobre la

superficie hemisférica como se muestra en la figura. El cuerpo resbala a partir del reposo desde A, sabiendo que no hay rozamiento, determine la medida del ángulo  que determina la posición donde el bloque abandona la superficie hemisférica.

A

Para el el problema problema 11

6m

11,1

10. Un bloque de 2 kg partiendo del reposo en A se desliza por un plano inclinado, luego por una barra horizontal homogénea, cuya masa es 1 kg y longitud 2 metros que se encuentra apoyada en B y C, tal como muestra la figura. Si la barra puede rotar alrededor de C, determine el tiempo que el bloque se desliza sobre la barra horizontal hasta que la reacción en el apoyo B sea cero. Desprecie todo tipo de rozamiento. (g = 10 m/s2)

K B

C

10 cm K

10 m

P.E.

g

Para el problema 12

11. Un bloque de 10 kg se deja caer en A desde una altura de 11,1 m tal como se muestra. Debido al resorte de constante elástica K = 2000 N/m el bloque comienza a subir y bajar repetitivamente hasta que finalmente se detiene. La trayectoria sólo presenta fricción en el Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

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tramo BC y el resorte queda comprimido por primera vez 0,9 m con respecto al sentido del movimiento del bloque. La posición y distancia donde se detiene el bloque es: (g = 10 m/s2) g 12. El resorte de la figura, de longitud natural 50 cm y A B constante K = 2000 N/m, está comprimido la longitud de 10 cm. Al recuperar su longitud natural empuja a la esfera de 100 gramos. La rapidez (en 60° 60° m/s) de ésta esfera, luego de descender una altura h = 10 m es:

13. Sobre un cuerpo de 10 kg actúa una fuerza de módulo F = 294 N vertical hacia arriba. Si la aceleración de la gravedad es 9,8 m/s2, la razón del cambio de la energía cinética al cambio de la energía potencial gravitatoria del cuerpo, en cualquier tramo del recorrido es: 14. Un bloque de 2 kg se suelta del punto A de un aplano inclinado, como se muestra en la figura. Si en el punto B su rapidez es 8 m/s, determine la cantidad de trabajo (en J) realizado por la fuerza de fricción. (g = 10 m/s2)

R

Para el problema 15

A g 5m

15. Un bloque pequeño de masa desliza sin fricción sobre un carril B circunferencial abierto, colocado en un plano vertical cono muestra la figura. Para el problema 14 ¿Cuál debe ser su rapidez (en m/s) en el punto A para que salte en el punto B, por el aire, y justo ingrese nuevamente por el punto A y continúe su movimiento circunferencial. Los puntos A y B se encuentran a la misma altura. (g = 10 m/s2) A

A

Para el problema 17

g

g R

2m

B Para el problema 18

C

X

B

16. Se suelta una piedra desde una altura de 200 m. El rozamiento con el aire hace que su energía cinética, al momento de llegar al suelo, sea el 90 % de lo que sería si no hubiese rozamiento con el aire. Entonces, la rapidez de la piedra (en m/s) m/s) al momento de llegar al suelo 2 es: (g = 10 m/s )


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17. Un bloque pequeño de masa “m” se deja caer libremente desde A sobre una superficie AB en forma de arco deslizándose sin fricción, hasta llegar a la superficie horizontal BC rugosa con coeficiente de rozamiento cinético 0,5. La distancia X (en m) que recorre el bloque antes de detenerse es: (g = 10 m/s2) B O L g



g

A

O L

B Para el problema 20 A

V

Para el problema 21 O

18. Un bloque de masa “m” se mueve dentro de un aro situado en un plano vertical. En el punto más alto A su rapidez es 4 m/s y en el punto más bajo B es de 6 m/s. Si se desprecia la fricción entre la pista circunferencial y el bloque, calcular el radio del aro (en m). (g = 10 m/s2) 19. Un péndulo formado por una pequeña esfera de 500 gramos en el extremo de una cuerda de longitud 1,0 m oscila formando un ángulo de A 37° con la vertical. Determine la rapidez máxima de la esfera (en m/s) durante su movimiento. 20. Se muestra un péndulo de masa “m” y longitud L, que se abandona

en la posición A, de modo que la cuerda forma un ángulo  respecto de la línea vertical. Determina el módulo de la tensión en la cuerda cuando adquiere la esfera adquiere su máxima rapidez.

L 

g

A

Para el problema 22

H

g

B

B

O

R

Para el problema 23

21. La figura muestra un péndulo de masa “m” y longitud L. Determinar la rapidez mínima V que de tener en su posición de equilibrio, tal que, puede describir por lo menos una vuelta en el plano vertical. 22. Una bola colgada de un hilo, se balancea en el plano vertical de modo que, el módulo de sus aceleraciones en las posiciones A y B son iguales. Determina la medida del ángulo  en la posición límite. 23. Un carro de masa “m” se abandona en la posición A. Determinar la altura mínima H, tal que, el móvil puede pasar por el rizo en B. Desprecie el rozamiento y considere R el radio del rizo.


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PROBLEMAS PROPUESTOS DE ENERGÍA MECÁNICA (segunda (s egunda parte) CANTIDAD DE ENERGÍA 1. Calcule la cantidad de energía cinética asociada a un auto de 1000 kg con una rapidez de 20 m/s. 2. Calcule la cantidad de energía cinética asociada a una piedra de 200 gramos con una rapidez de 3 m/s. 3. Calcule la cantidad de energía potencial gravitatoria de una roca de 2 toneladas que se encuentra a 200 m de la superficie terrestre. (g = 10 m/s2) 4. Calcule la cantidad de energía potencial gravitatoria de una pelota de 400 gramos que se encuentra a 2,5 cm de la superficie terrestre. (g = 10 m/s2) 5. Un móvil de masa

m

se mueve con velocidad constante, con una energía cinética de 400 J.

Determine la cantidad de energía cinética (en kJ) de otro móvil cuya masa es el triple.

m

2

y su rapidez es

6. Calcule la cantidad de energía cinética (en kJ) de una bala de fusil de masa 50 gramos que sale del cañón del arma con rapidez de 900 m/s. (g = 10 m/s2) 7. Calcule la cantidad de energía potencial elástica asociada a un resorte de constante elástica elástica 1000 N/m que se encuentra deformada 20 cm. 8. Un resorte de constante elástica K = 20 N/cm se encuentra estirado 10 cm. Determine la cantidad de energía potencial elástica almacenada en el resorte (en J): 9. Se lanza un proyectil de 0,2 kilogramo desde el suelo con velocidad inicial 30 i 40 j (m/s). ¿Cuál es la cantidad de la energía cinética (en J) en el punto que alcanza la altura máxima máxima respecto del suelo? ˆ

ˆ

10. Se lanza un proyectil de 0,3 kilogramo desde el suelo, en el instante t = 0, con velocidad 30 i 70 j (m/s). ¿Cuál es la cantidad de la energía cinética (en J) en el instante t = 4 s? ˆ

ˆ

11. Se lanza un proyectil de 1 kilogramo de masa desde el suelo con velocidad inicial 3 i + 4 j (m/s). ¿Cuál es la variación de la cantidad de energía cinética (en J) entre el punto de lanzamiento hasta que alcanza la altura máxima? 12. Suponga una persona de 75 kg viajando dentro de un auto a 72 km/h y sin cinturón de seguridad. De pronto se produce un accidente de tránsito y la persona salió disparada con consecuencias fatales, esto es debido a que equivale caer verticalmente desde una altura de (en m): 13. Se lanza un proyectil de 0,8 kilogramo desde el suelo con velocidad inicial 15 i 20 j (m/s). ¿Cuál es la cantidad de trabajo hecho por la fuerza de gravedad gravedad (en J) desde el punto de de lanzamiento hasta alcanzar la altura máxima? (g = 10 m/s2) ˆ


ˆ

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ENERGíA MECANICA 14. Se muestra una partícula de 200 gramos en movimiento, con rapidez 4 m/s y a 3 metros del piso en un instante. Determine la cantidad de energía mecánica de la partícula respecto del nivel de referencia. (g = 10 m/s2) A V

h

N.R.

15. Un avión de papel de 50 gramos tiene rapidez 8 m/s en el instante que se encuentra a 3 metros del piso. Determine la cantidad de energía mecánica (en J) del avión respecto del piso. (g = 10 m/s2) TEOREMA DE LA ENERGÍA CINÉTICA 16. Un bloque de 8 kg resbala por un plano inclinado con rozamiento. Si parte del reposo y llega al pie del plano con rapidez de 2 m/s, ¿Cuál es la cantidad de trabajo neto realizado sobre el bloque? 17. Se muestra el movimiento de un pequeño bloque cuya rapidez cambia VA = 4 m/s; VB = 30 m/s; VC = 20 m/s. Sabiendo que no hay rozamiento, determine la diferencia de alturas entre A y C. (g = 10 m/s 2) A

µ=0

C

L.R. B

18. Un cuerpo de masa 0,4 kg cambia su rapidez de 20 m/s a 10 m/s. Determine la cantidad de trabajo neto (en J) realizado sobre el cuerpo por fuerzas externas. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA 19. Se muestra el movimiento de un pequeño bloque cuya rapidez cambia VA = 2 m/s; VB = 10 m/s. Sabiendo que no hay rozamiento, determine la diferencia de alturas entre A y B. (g = 10 m/s2) A liso B L.R.

20. Un avión vuela horizontalmente a 2 km de altura con rapidez de 60 m/s y deja caer un objeto, ¿Cuál es la rapidez vertical con la que toca el suelo? Suponga que no hay resistencia del Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

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aire durante la caída.

21. Una cadena uniforme de longitud “L” m, se abandona sobre una superficie horizontal lisa sin fricción. Calcule la rapidez de la cadena en el instante que el último eslabón se desprende de la superficie.

m X

22. Si el péndulo mostrado se abandona en la posición “A”, determine una expresión para la máxima rapidez que alcanza. L

 A m

23. El cilindro se suelta desde la posición mostrada, con el resorte sin deformar. Determine una expresión para la máxima deformación del resorte si el cilindro rueda sin deslizar.

K

M



24. Si el dispositivo no presenta fricción y la argolla de 99 kg se deja en libertad en la posición mostrada. Determine la rapidez máxima que alcanza. La longitud del resorte sin deformar es de 5 m y K = 4 N/m. (g = 10 m/s2) K 

4 N/m m 7

24 m

25. Si el bloque de 4 kg se detiene luego de recorrer 2 m a lo largo del plano, halle la máxima deformación del resorte. Se sabe que K = 2000 N/m. (g = 10 m/s2) m K

30º


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26. Para el dispositivo que parte del reposo y alcanza una aceleración de módulo “a”, determine una expresión para la máxima deformación del resorte. Hay rozamiento entre la superficie del carrito y el bloque. a



K m

27. Si el sistema se mueve a partir del reposo, ¿Cuál es el módulo de la velocidad de los bloques al cruzarse? (g = 10 m/s2)

4 kg m 4 2

1 kg

28. Una piedra de 2 kg, cae libremente desde cierta altura y le toma 1,6 segundos llegar al suelo. Despreciando la resistencia del aire, determine la cantidad de energía cinética y potencial que posee en la mitad de su recorrido. 29. Un objeto de 200 gramos cae libremente a partir del reposo; si su rapidez es de 15 m/s después de recorrer 20 metros, ¿Cuánta energía se perdió debido a la fricción del aire? (g = 9,8 m/s2) 30. Se abandona la esfera de 2 kg de en posición mostrada. Sabiendo que la longitud de la cuerda es 1 metro, determine el módulo de la tensión en la cuerda en su posición más baja. (g = 10 m/s2)

60°

31.

Se abandona la esfera de 2 kg de en posición mostrada. Sabiendo que la longitud del

radio “R” es 1 metro, determine el módulo de la fuerza de reacción sobre la esfera en su

posición más baja. (g = 10 m/s2)

32. Se muestra el lanzamiento de una esfera de 0,5 kg en la posicion A con rapidez de 20 m/s. Si el radio del rizo es 2 m, determine la fuerza de reaccion normal en la posicion B sobre la Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

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esfera. (g = 10 m/s2)

B

Liso

A

33.

Se abandona el bloque de 2 kg en posición mostrada (A). Sabiendo que la longitud del

radio “R” es 1 metro, determine el módulo de la fuerza de reacción sobre la esfera en su

posición C. No hay rozamiento. (g = 10 m/s2) O A

B 127o C

34. Se abandona la esfera de 0,5 kg de en posición mostrada. Sabiendo que la longitud de la cuerda es 1,0 metro, determine el módulo de la tensión en la cuerda en su posición más baja. (g = 10 m/s2)

TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA MECÁNICA 35. Se abandona un bloque de 4 kg en la posición A y pasa por B con rapidez de 15 m/s. Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento desde A hasta B. (g = 10 m/s2) A

20 m

B

36. Se abandona un niño de 20 kg en la posición A de un tobogán y pasa por B con rapidez de 6 m/s. Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento desde A hasta B. (g = 10 m/s2) Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

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ENERGÍA MECÁNICA / FÍSICA I A

4m

B

37. Se abandona un bloque de 3 kg en la posición A y pasa por B con rapidez de 8 m/s. Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento desde A hasta B. (g = 10 m/s2) A

5 m B

38.

Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento entre los puntos “A” y “B”, si el bloque de 1 kg parte kg parte del reposo y alcanza una rapidez de 3 m/s en “B”. (g = 10 2 m/s ) A

 m 2 , 1

B m 4 , 0

39. Calcule la máxima altura que alcanza el bloque que se abandona en el punto “A”, si solo hay rozamiento en el tramo recto de 2 metros. El coeficiente de rozamiento cinético es de 0,4 y el radio de los arcos de 1 m. A

R

B R



h

40. Se deja caer una piedra de 2 kg, bajo la acción de la gravedad (g = 10 m/s2), desde una altura de 20 m. Si debido a la resistencia del aire se disipa 10 J por cada metro que recorre la piedra, determinar la energía mecánica (en J) de esta en el instante que su energía cinética es igual a la mitad su energía potencial. 41. El bloque de 4 kg cambia su rapidez desde 5 m/s hasta 20 m/s en el tramo AB. Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento desde A hasta B. (g = 10 m/s2)


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ENERGÍA MECÁNICA / FÍSICA I A

20 m

B

42. El bloque de 4 kg cambia su rapidez desde 5 m/s hasta 20 m/s en el tramo AB. Determine la cantidad de trabajo realizado por la fuerza de rozamiento desde A hasta B. (g = 10 m/s2) A

30 m

B

43. Un ladrillo de 3 kg parte del reposo realizando un M.R.U.V. con una aceleración cuyo módulo es 2 m/s2. Determine la energía cinética del ladrillo al cumplirse 10 segundos de su partida. 44. En el instante mostrado en la figura el bloque de 7 kg está a 22 m de “A”. Respecto de este punto determine su energía potencial gravitatoria 4 segundos después, si dicho bloque se desliza con rapidez constante de 3 m/s. (g = 10 m/s2). V =

/ s 3 m

3 7°

A

45. Determine la energía potencial de la esfera 3 kg y de la barra homogénea de 6 kg y 4 m 2 de longitud respecto de “A”. (g = 10 m/s ).

A

30 °

46. Identifique los casos en que se conserva la energía mecánica del cuerpo de masa “m”. (I)

(II)

(III)

m liso rugoso

47. Un objeto de 300 gramos es lanzado en “A” con rapidez de 40 m/s tal como se nuestra. Determine su energía cinética en “B”.


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B 20 m V=40 m/s

A

48. Una pelota es lanzada desde “A” con rapidez de 5 m/s, tal como se muestra. Si luego impacta en el foco del poste con una rapidez de 11 m/s, determine a qué altura del suelo está el foco. (g=10 m/s2).

V= 5m/s

49. Una canica es lanzada en “A” como se muestra. Si luego de alcanzar una altura máxima de 7,2 m, en “B” inicia su regreso, determine la rapidez “V” en A. (g = 10 m/s2). B

liso

V A

50. En el instante mostrado el resorte unido al bloque de 4 kg no está deformado. Determine la rapidez del bloque al pasar por “B”. (AB = 10 cm). k= 300N/m

V= 1m/s liso

B

A

51. Una esfera se abandona en “A” desde 125 cm de altura, deslizándose sin fricción tal 2 como se muestra. Determine su rapidez al pasar por “B”. (g=10 m/ s ). A

B

52. Un ladrillo de 3 kg que fue impulsado sobre el plano inclinado al pasar por “P” posee una energía mecánica de 180 J. Si en “Q” inicia su regreso determine “h”. (g = 10 m/ s2).


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ENERGÍA MECÁNICA / FÍSICA I liso

Q

P

V

N.R.

53. Una moneda se lanza en “A” con rapidez de 4 m/s, tal como se muestra. Si a pasar por “B” su rapidez es 6 m/s, determine el radio de la cavidad esférica. (O: centro). (g=10 ms2). g

A

O

V

30°

B

liso

54. Una teja se lanza en “A” tal como se muestra. Si sólo llega hasta “B” determine su rapidez al pasar por “P” la segunda vez. (g=10 m/s2). B

P

A

55. Un melón de 1 kg es lanzado verticalmente hacia arriba con una rapidez de 30 m/s. ¿Cuál es su energía mecánica respecto del piso luego de 4 s? Desprecie la resistencia del aire (g=10 m/s2). 56. Si la energía mecánica de sistema esfera-resorte, respecto de “A”, en el instante mostrado es 39 J, determine la deformación del resorte en dicho instante. Además, la masa de la esfera es m =1,0 kg; y la constante elástica del resorte es K = 200 N/m. k

4 m/s g

A


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Taller Número 6 Pregunta N° 1

Responda las siguientes preguntas, JUSTIFICANDO su respuesta. a) Usted y su amigo se asoman por la orilla de la azotea de un edificio alto. En el mismo instante en que usted lanza verticalmente hacia arriba una moneda con rapidez inicial v o, su amigo lanza una canica verticalmente hacia abajo con la misma rapidez v o. Si despreciamos la resistencia del aire, ¿cuál de los dos objetos lanzados tendrá mayor rapidez cuando llegue al suelo? ¿Cuál de ellos tiene mayor energía mecánica en el lanzamiento? b) La rapidez de un cuerpo no cambia. ¿Qué puede afirmar acerca del trabajo de todas las fuerzas que actúan sobre dicho cuerpo? ¿Es posible que su energía mecánica sea cero? c) Imagine que conduce su auto por un camino rural y una paloma se estrella con el parabrisas. ¿Cuál fuerza tiene mayor magnitud: la fuerza que el auto ejerció sobre la paloma o la que la paloma ejerció sobre el auto? d) Una pelota se mueve mueve del punto 1 al al punto 2. La energía energía potencial gravitatoria gravitatoria en el punto punto 2 es mayor que en el punto 1. ¿Cuándo la pelota se desplaza del punto 1 al punto 2, la gravedad efectúa trabajo positivo o negativo?

Pregunta N° 2

A. Desde el suelo se lanza lanza hacia arriba un objeto con con rapidez vertical de 20 m/s alcanzando alcanzando una altura máxima H . Cuando el objeto está de bajada a una altura H /2 su rapidez es de 5 m/s. La fricción del aire es constante en módulo y se opone al movimiento del objeto. Hallar H usando métodos de energía. B. Un objeto de 2 kg va y viene viene horizontalmente horizontalmente entre entre dos paredes paredes verticales verticales A y B separadas 2 m. Cada vez que choca con una de las paredes la rapidez con la que llega es la misma con la que sale. Inicialmente, el objeto se encuentra junto a la pared A y se dirige hacia la pared B con rapidez de 6,3 m/s. Si el objeto se detiene a la mitad de camino la segunda vez que se dirige de A hacia B, determinar el coeficiente de fricción cinético entre el objeto y el piso.

Pregunta N° 3

Un paquete de 8 kg, en reposo en el punto A, es empujado por una fuerza constante P entre las posiciones A y B. Luego el paquete continúa moviéndose por la trayectoria BCD. En todo el trayecto ABCD hay fricción y el coeficiente de fricción cinético correspondiente vale 0,1. El tramo CD es un plano inclinado que forma un ángulo de 25º con la horizontal. Determinar el valor de la fuerza P para que el paquete llegue al punto D con velocidad final igual a cero. (Sug: Use métodos de energía).

Pregunta Nº 4

En la figura la masa m 2 baja con una rapidez v 0 en el instante en que se rompe la cuerda que une a ambas masas. Entre el plano inclinado y la masa m 1 hay fricción y los coeficientes de fricción cinético y estático son µ c y µe , respectivamente. Determinar la distancia que subirá la masa m 1 a lo largo del plano inclinado desde que se rompe la cuerda hasta que se detiene: a) Empleando métodos de cinemática cinemátic a y dinámica. b) Empleando métodos de trabajo y energía. Profesor: Walter PEREZ TERREL / www.didactika.com /997089931

v 0

v 0

m 2

e,

m 1



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Pregunta Nº 5

El sistema mostrado en la figura consta de dos bloques conectados por una cuerda ideal que pasa a través de una polea también ideal. Los bloques se sueltan del reposo cuando el bloque de 12 kg está a una altura de 2 m sobre el piso. a) Utilice sólo métodos de energía para determinar la rapidez con la que el bloque de 12 kg golpea el piso. b) Utilice cinemática cinemática y dinámica para determinar determinar la rapidez rapidez con la que el bloque de 12 kg golpea el piso.

Pregunta Nº 6

Un pequeña aro de 0,25 kg de masa se suelta del reposo en el punto A y se desliza a lo largo de un alambre liso que tiene un tramo vertical de 0,6 m de longitud y un tramo circular de 0,15 m de radio. a) Hallar la velocidad del aro al finalizar el tramo vertical. b) Hallar la velocidad del aro al llegar al punto B del tramo circular. c) Si el tramo circular es rugoso y la rapidez en B es 1,5 m/s, hallar la pérdida de energía.

Pregunta Nº 7

Un bloque de masa m = 0,50 kg se mueve por un tubo cerrado con rapidez inicial v 0 = 4 m/s. El tubo tiene una altura de 3 m y es liso en todos sus tramos a excepción de un tramo recto AB de 4 m en la parte inferior. Usando sólo métodos de energía determinar: a) El coeficiente de fricción cinético en el tramo rugoso, rugoso, si el bloque llega al punto inicial en la primera vuelta con rapidez de 3 m/s. b) ¿Cuántas veces más pasa el bloque por el tramo rugoso? c) ¿En qué parte se detiene el bloque con respecto al punto A?

4

3m A

B 4m

BIBLIOGRAFÍA VIRTUAL Y FUENTES DE INFORMACIÓN: http://grups.es/didactika/yahoo.com http://grups.es/albert_einstein_koch/yahoo.com www.didactika.com [email protected] [email protected]


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SEMANA 11 12 y 13 energia y ENERGÍA MECÁNICA UNAC 2009 B

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