UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
CURSO: FISICA I
TRABAJO ENERGIA Y POTENCIA AUTOR: Mag. Optaciano L. Vásquez García
HUARAZ - PERÚ
2011
I. OBJETIVOS •
Calcular el trabajo de una fuerza
•
Aplicar el principio trabajo – energía cinética a una partícula o a un sistema de partículas.
•
Diferenciar los diferentes energía potencial
•
Aplicar el principio de conservación de energía a una partícula o un sistema de partículas
tipos
de
II. Introducción Trabajo, potencia y energía son Trabajo, conceptos que a diario utilizamos, pero muchas veces de manera poco clara. La ciencia a través de los años pudo superar esta dificultad y hoy en día se distingue bien un concepto de otro y se ha podido establecer las relaciones cualitativas y cuantitativas entre ellas.
II. Introducción Durante siglos el hombre intentó construir la máquina del movimiento perpetuo, pero pero nadie lo consiguió c onsiguió jamás. Este aparente fracaso, fue motivación para que los científicos Mayer y Joule descubrieran el principio de conservación de la energía.. “La energía no se crea ni se destruye solo se transforma”.
Cuando una máquina entrega energía lo que realmente hace es trasformar una clase de energía a otra.
III. DEFINICIÓN DE TRABAJO MECANICO •
La idea general y frecuente que se tiene del trabajo es muy amplio. Se asocia al hecho de realizar alguna tarea o cumplir con un cierto rol. Incluso se relaciona con toda actividad que provoca cansancio.
En física, sin embargo, el concepto de trabajo es mucho más restringida, más específico. En física se dice que una fuerza realiza trabajo cuando es capaz de desplazar un cuerpo. cuerpo. Aquí encontramos dos conceptos esenciales para el trabajo mecánico, según la física; la fuerza y el F F F movimiento. El motor realiza trabajo mecánico. La fuerza que aplica es capaz de mover el
De acuerdo a lo dicho respecto del trabajo puede darse la siguiente situación... Las fuerzas aplicadas por la persona sobre ambos objetos, son tales que los cuerpos se mantienen en equilibrio (no suben y bajan). Bajo estas condiciones, las fuerzas aplicadas ¡ no realizan trabajo mecánico!...los objetos no se mueven
IV.. TR IV TRAB ABA AJO DE UNA UNA FU FUER ERZA ZA •
Considere una partícula de masa m que se mueve a lo largo de la curva C, bajo la acción de la fuerza F.
En un intervalo de uuuv r tiempo dt la partícula AA ' = dr experimenta un desplazamiento
r r
El trabajo dU =seF .define dr como
=
Usando dU laFdefinición ds cosde θ producto produc to escalar
•
Donde θ es el ángulo entre el desplazamiento y la fuerza
. •
De la ecuación deduce
dU
= F ds
FUERZA se •
cos θ
i. Si θ es agudo el trabajo es positivo. ii. Si θ es ii. es obt obtus uso o el trabajo es negativo. iii. Si θ = 90° el trabajo es nulo.
Donde θ es el ángulo entre el desplazamiento y la fuerza
. FUERZA
Expresando el vector desplazamiento en componentes rectangular rectangulares, es, el trabajo realizado rpor la fuerza F dU = F • dr se expresa = F ds cos α dU = F x dx + Fy dy + Fz dz • El trabajo es una magnitud escalar es decir tiene magnitud y signo pero no dirección. Las dimensiones de trabajo son longitud por fuerza y sus unidades son 1 J ( joule ) = ( 1 N ) ( 1 m ) 1ft ×lb = 1.356 J •
. FUERZAs Cuando sobre la partícula actúan •
varias fuerzas los trabajos de cada fuerza son • •
r r
= F2 dr …………… r r = Fn .dr , El trabajo total denUeln desplazamiento
dU 1
= F1 dr
r r
.
,
dU 2
.
,
será
dU = dU1 + dU 2 + ..... + dU n r r r r r r = F1.dr + F2 .dr + ... + Fn .dr r r r r = ( F1 + F1 + ...... + F1 ). ).dr r r dU = ( ∑ Fi ) .dr
5.2. TRABAJO DE NETO DE UNA FUERZA • El trabajo
neto durante desplazamiento desplazamie nto finito es A2
U1→ 2 =
un
r r F • dr
∫
A1 s2
s2
s1
s1
= ∫ ( F cos α ) ds = ∫ Ft ds •
A2
Por tanto el trabajo puede ser U1→ 2 = ∫ ( F x dx + Fy dy + Fz dz ) representado por el área bajo la A curva fuerza tangencial vs distancia (Ft – s) 1
5.4. TRABAJO DE UNA FUERZA CONSTANTE •
El trabajo de hecho por fuerza constante en magnitud y dirección es definida como la distancia movida por la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento
TRABAJO ABAJO DE UNA FUERZA 5.4. TR •
CONSTANTE
El trabajo de una fuerza constante se expresa matemáticamente se expresa como B r
r
B
B
= ∫ A F .dr = ∫A F cos α dx = F cos α ∫ A dx U1→2 = ( F cos α ) ( x B − x A ) = ( F cos α ) (∆x ) U1→2
5.6.. TR 5.6 TRABA ABAJO JO DE UN UNA A FUER FUERZA ZA CON CONST STANT ANTE E EN EN MAGNITUD Y DIRECCIÓN •
Cuando un partícula se mueve bajo la acción de una fuerza de magnitud y dirección constante el trabajo será
U A¬ B
B r
•
B
r
= ∫ A F .dr = F .∫ A dr r
U A¬ B
r
r
r
= F .(rB − rA )
La ecuación indica que si la fuerza es constante en magnitud y dirección el trabajo es independiente de la trayectoria seguida
5.7. TRABAJO DE LA FUERZA DE GRAVEDAD •
El trabajo realizado por una la fuerza de gravedad (peso) cuando un cuerpo se mueve como se ve en la figura es dU
= −Wˆj.( dxiˆ + dyˆj ) = −Wdy y2
U1→2
= − ∫ y
U1→2
= −W ( y2 − y1 ) = −W ∆y
1
W dy
= Wy1 − Wy2
El
trabajo del peso se obtiene multiplicando el peso W del cuerpo por el desplazamiento desplazamien to vertical ∆y.
El trabajo del peso es positivo cuando ∆y < 0 es decir cuando el cuerpo desciende
. . •
ELASTICA La magnitud de la fuera ejercida por un resorte es proporcional a la deformación esto es Fe
•
= kx
k = constante del resorte ( N/m o lb/in.)
El trabajo hecho por la fuerza f uerza elástica será
dU = ( − Feiˆ).(dxiˆ) = − kx dx x2
• •
∫
2 el cuerpo 2 se 1 1 ElUtrabajo= es positivo cuando − kx dx = 2 kx1 − 2 kx2 1→ 2 encuentra regresando a la posición de equilibrio. x1 El trabajo se define como el negativo del área bajo la grafica fuerza- deformación
U1→ 2
= − 12 ( F1 + F2 ) ∆x
. . GRAVITACIONAL
•
•
Consideremos una partícula de masa m (luna) que se mueve alrededor de una partícula de masa M (tierra). La fuerza gravitacional está dada por r
•
mM −G F g = eˆr es El trabajo hecho por esta 2 fuerza r dU dU
= [−G
= − F .dr
Mm 2
r
eˆr ][ dreˆr + rdθ eˆθ ] r 2
U1→2
GMm
= − ∫ r 1
U 1→2
=
GMm
2
r
−
dr
GMm
. TRABAJO •
En cinética de partículas existen un conjunto de fuerza que no hacen trabajo. Serán fuerzas aplicadas a un punto fijo ( ds = 0) o fuerzas perpendiculares al movimiento (cos ( cos α =0 =0).). Ejem: reacciones en un pasador liso cuando el cuerpo gira; reacción del piso sobre la llanta de un auto cuando este se mueve sobre él y el peso de un cuerpo cuando este se mueve horizontalmente
VI. ENERGÍA CINÉTICA: •
•
Consideremos una partícula de masa m que se mueve en la trayectoria curva bajo la acción de una fuerza resultante F. La segunda ley de Newton en dirección tangencial nos da dv dv ds dv Ft = mat = m =m = mv dt ds d t ds F t ds = mv dv Integrando desde A1 hasta A2 se obtiene s2
∫
s1
•
v2
∫
Ft ds = m v dv = 12 mv22
− 12 mv12
v1
U1→2 = T2 − T 1 Es a la cantidad T que se le denomina energía cinética cinéti ca y está dada por
1 2 T = mv 2
•
•
•
•
Principio Trabajo- Energía Expresa la relación entre elCinética trabajo y la energía cinética esto es U1→2
= T2 − T 1
Ecuación que expresa que cuando una partícula se mueve de A 1 a A2 bajo la acción de una fuerza F, el trabajo es igual igual a la variación variación de la energía cinética. cinética. A esta expresión se llama teorema de las fuerzas vivas. Reordenando la ecuación anterior se tiene
T1 + U1→ 2 = T2 ⇒
1
mv + U 1→ 2 = 2 1
1
mv22
2 sumando la Es decir la energía cinética en la2 posición final se obtiene energía cinética en la posición inicial más el trabajo realizado por la fuerza resultante F. La energía cinética definida como el el trabajo trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad Joule. que posee. Su unidad SI es el Joule.
VII. VI I. PO POTE TENC NCIA IA Y EFI EFICI CIEN ENCI CIA A •
La potencia es el trabajo por unidad de tiempo.
•
La potencia es una base del criterio para elegir un motor, sea térmico o eléctrico.
•
•
Para realizar una cantidad de trabajo dada puede emplearse un motor pequeño o una gran central eléctrica, la diferencia es que el motor más pequeño demora un tiempo más grande que la central eléctrica. Si ∆U es el trabajo realizado en un intervalo de tiempo ∆t
•
•
•
La potencia media desarrollada durante ese intervalo d tiempo es ∆U P m = La potencia instantánea ∆t será
∆U dU P = lim =el producto Remplazando por dU ∆t →0 ∆t dt escalar F.dr F.dr,, se tiene
r dr = F . P = dt dt rr P = F v F .dr
POTENCIA Y EFICIENCIA EFICIENCIA También conocido como rendimiento de una máquina se define como trabajo utilizable η = trabajo consumido J m 1 W (watt) = 1 = 1 N × Esta ecuación es usada cuando s s el trabajo se realiza a ritmo rit mo constante • Existen otros múltiplos como Debido a las perdidas de energía 1kW = 103Watts de salida por fricción Potensia la eficiencia es menor 1 MW = 106Watts η = que 1 potencia de entrada 9 •
•
Como la potencial es el trabajo por unidad de tiempo sus unidades serán el joule/segundo unidad que se llama Watt (W)
1GW
= 10 W
Otra unidad es el caballo de vapor 1CV
= 736Watts
0 < η < 1
Eficiencia Energía de entrada
DISPOSITIVO QUE CONVIERTE ENERGÍA: Por ejemplo motor de Energía de combustión interna salida Energía perdida
Eficiencia =
Energia de salida Energía total de entrada
Ejemplo de eficiencia
Gasoli na
El 25 % de la energía que proporciona la gasolina es usada para mover el carro, el resto se pierde en forma de calor . Es decir existe una eficiencia de 0,25
Ejemplo 01 •
El recipiente A de 180 kg parte del reposo en la posición s = 0 y se encuentra sometido a una fuerza horizontal F = 700 -150s proporcionada por el cilindro hidráulico. El coeficiente de fricción cinética entre el recipiente y el piso es µk = 0,26. Determine la velocidad del recipiente cuando éste ha alcanzado la posición s = 2 m.
Ejemplo 02 •
En el instante mostrado, la caja de 30 N está moviéndose con una rapidez de 2 m/s sobre una superficie inclinada lisa. Si la fuerza aplicada constante es F = 15 N. ¿Cuál será la velocidad alcanzada por la caja cuando se ha movido 1 m hacia arriba sobre dicho plano?. ¿Cuál sería la velocidad del bloque después de haberse movido 1 m, si se considera a la superficie inclinada rugosa µk = 0,26)?. ( µk
Ejemplo 03 •
El resorte de constante k = 20 N/m se encuentra sin deformar cuando s = 0. Si el carro se desplaza a la posición s = - 1 m y se suelta desde el reposo. Determine: (a) la magnitud de la velocidad del carro cuando pasa por la posición s = 0. (b) la máxima distancia que se moverá el carro sobre la pendiente, medida a partir de su posición inicial.
Ejemplo 04 •
La bola de 2 kg es liberada desde el reposo en la posición 1 con la cuerda horizontal. La longitud de la cuerda es L = 1 m. Determine: (a) la magnitud de la velocidad en la posición 2 y (b) la tensión en la cuerda cuando pasa por la posición 2.
Ejemplo 05 •
En un tinglado, se mueven bultos entre distintos niveles haciéndolos deslizar hacia abajo por las rampas, según se indica en la figura. Si el coeficiente de rozamiento entre el bulto y la rampa vale 0,20. El ángulo en la base de la rapa es brusco pero liso y θ = 30°. Si un u n bulto de masa 10 kg en l = 3 m se lanza con una velocidad de 5 m/s hacia abajo. Determine: (a) la celeridad del bulto cuando llega a la posición más bajo de la rampa y (b) la distancia d que recorrerá el bulto sobre la superficie antes de detenerse.
Ejemplo 06 •
Cuando los bultos del problema anterior salgan de la rampa con demasiada velocidad, será necesario un tope como el representado en la figura para pararlos, el coeficiente de rozamiento entre el bulto y el suelo es µk = 0,25, 0,25, la constante del resorte es k = 1750 N/m y la masa del tope B es despreciable. Si la celeridad de un bulto de 2,5 kg es vo = 8 m/s cuando se halle a l = 3 m del tope. Determinar: (a) El máximo acortamiento δ del resorte y (b) la posición final del del bulto bulto en el el reposo. reposo.
Ejemplo 07 •
La dirección de la fuerza F que actúa sobre un bloque de 20 kg de la figura es constante pero su 2 F = 300 xcon magnitud varía de acuerdo la ecuación newton donde x especifica la posición instantánea del bloque en metros. Cuando x = 0,5 m, la velocidad del bloque es 1.0 m/s hacia la derecha. Sabiendo que el coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es µk = 0,15. Determine la velocidad del bloque cuando x = 2,0 m.
Ejemplo 08 •
Un bloque A de 50 kg está montado sobre rodillos de forma que puede moverse con rozamiento despreciable por el carril horizontal bajo la acción de la fuerza constante de 300 N que actúa sobre el bloque. El bloque se abandona en A desde el reposo estando el resorte al que esta unido estirado inicialmente x 1 = 0,233 m. la rigidez del resorte es k = 80 N/m. Determine la velocidad v de bloque cuando llega a la posición B
Ejemplo 09 •
El sistema es liberado desde el reposo cuando el resorte está sin deformar. Sabiendo que la constante del muelle es k = 200 N/m. determine la rapidez de los bloques cuando la masa de 20 kg ha descendido 1 m.
Ejemplo 10 •
El collar de 2 kg esta inicialmente en reposo en la posición 1. Una fuerza constante de 100 N es aplicada al extremo del cable, causando que el collar deslice hacia arriba en la guía vertical lisa. Determine la velocidad del collar cuando pasa por la posición 2
Ejemplo 11 •
El collar de 4 N desliza hacia abajo sobre el alambre liso desde la posición 1 a la posición 2. Sabiendo que el collar adquiere una rapidez de 24 m/s al pasar la posición 2. ¿Cuál es la magnitud de la velocidad en la posición 1?.
Ejemplo 12 Un automóvil de 19,62 kN de peso baja por una pendiente de 5° a una velocidad de 100 km/h cuando el conductor pisa los frenos reduciendo una fuerza constante de frenado (acción de la carretera sobre los neumáticos) de 7 kN. Calcular la distancia que se mueve el vehículo hasta que se detiene
Ejemplo •
En las figuras se muestra las posiciones inicial y final del auto así como su DCL
Calculo de la energía cinética km 1000 m 1 h = 27.78 m s v1 = 100 ÷ ÷ ÷ h 1 km 3600 s 2 2 2 1 1 T1 = 2 mv1 = 2 ( 2000 kg ) ( 27.78 m/ m/ss ) T 1 = 771.73 kJ • Aplicando el teorema de las fuerzas 0 T 2 = 0 vivasv2se=tiene •
U1→2 = ( −7 kN kN ) x + ( 19.62 kN kN ) ( si n 5 ° ) x U1→2 = − ( 5.29kN ) x
T1 + U1→ 2
= T 2 771.73 kJ − ( 5.29 kN ) x = 0 x = 145.9 m
Ejemplo 13 •
Dos bloques están unidos por un cable inextensible como se indica en la figura. Si el sistema parte del reposo. Determinar Determinar la velocidad del bloque A tras haberse desplazado 2 m. Suponer que el coeficiente de rozamiento cinético µk = 0,25 y que la polea es de peso despreciable desprec iable y sin fricción
Solución • Aplicando Aplicando
el principio y trabajo energía separadamente separadament e a cada uno de los bloques se tiene W A
=
0kg g ) ( 9.81m ( 200k
F A = µ k N A
=
T1 + U1
T 2 :
=
→2
µ kW A
0 + FC ( 2 m ) FC ( 2 m ) W B T1
=
−
−
=
) = 1962 N
0.25 ( 1962 N )
=
1 2
mAv
=
490 N
2
( 490 N ) ( 2 m ) = 12 ( 200 kg ) v2 s2 )
=
2940 N
:
0 − Fc ( 2 m ) − Fc
2
FA ( 2 m )
kg ) ( 9.81 m ( 300 kg
+U1→2 = T 2
s
m v ( 2 m) ( 2 m ) ( 2940 N ) ( 2 m ) ( 300 kg ) v +WB
+
=
1 2
2
B
=
1 2
2
Solución •
Cuando las dos ecuaciones son combinadas, el trabajo realizado por el cable se cancela. Obteniendose la velocidad
FC ( 2 m ) − ( 490 N ) ( 2 m ) =
1 2
( 200 kg ) v
2
− Fc ( 2 m ) + ( 2940 N ) ( 2 m ) = 12 ( 300 kg ) v2 ( 2940 N ) ( 2 m )
−
( 490 N ) ( 2 m )
1
2 v 2 0 0 k g 3 0 0 k g + ( )
1 2
kg ) v 2 ( 500 kg
= 2
4900 J =
v = 4.43 m s
•
Ejemplo 14
Para detener un paquete de 60 kg el cual se desliza por una superficie horizontal se emplea un muelle de constante k = 20 kN/m y está inicialmente comprimido 120 mm mediante unos cables. Sabiendo que el paquete lleva una velocidad de 2,5 m/s en la posición mostrada mostrada y que la compresión compresión adicional adicional máxima del muelle es 40 mm. Determine: (a) el coeficiente de rozamiento entre el paquete y la superficie, (b) la velocidad del paquete cuando vuelve a pasar por la posición indicada
Solución
•
Aplicando el principio trabajo-energía cinética entre entre la posición inicial inicial y el punto en el cual el resorte se encuentra completamente comprimido .
T1 = 12 mv12 =
1 2
2
( 60 kg ) ( 2.5 m s ) = 187.5 J
T2 = 0
( U1→2 ) f = − µkW x = −µ k mg x ( U 1→2 ) f = − µk ( 60 kg ) ( 9.81 m s2 ) ( 0.640 m ) = − ( 377 J ) µ k Pmin = kx0 = ( 20k 0kN N m ) ( 0.120m ) = 2400 N Pmax = k ( x0 + ∆x ) = ( 20k 0kN N m ) ( 0.160m ) = 3200 N x ( U1→2 ) = − 12 ( Pmin + Pma max ) ∆ e
3200 N ) ( 0. 0.040m ) = −112.0J = − 12 ( 2400 N + 32
U1→ 2
= ( U1→2 ) f + ( U 1→2 ) e = − ( 377 J ) µ k −112 J
T1 + U1→ 2 = T 2 : 187 5 J ( 377 J ) µ
112 J 0
µ k =
0.20
Solución • Aplicando Aplicando
el principio trabajo - energía cinética entre el punto de rebote y el punto donde partio inicialmente se tiene
T2 = 0
T 3 = 12 mv32 =
2 v 6 0 k g ( ) 3
1 2
= ( U 2→3 ) f + ( U 2→3 ) e = − ( 377 J ) µ k + 112 J U 2→3 = +36.5J U 2→3
T2 + U 2
→3
=
0 + 36.5 J
T 3 : 1 = 2
( 60 kg ) v
2 3
v3 = 1.103m s
Ejemplo 15 •
Una vagoneta de 1000 kg parte del reposo en el punto 1 y desciende, sin fricción, por la vía mostrada. (a) Determine la fuerza que la vía ejerce sobre la vagoneta en el punto 2 en donde el radio de curvatura es de 6 m, (b) determinar el mínimo valor de radio de curvatura del punto 3 para que la vagoneta permanezca sobre la vía
Solución
Se aplica el principio del trabajo y la energía para hallar la velcoidad en el punto 2. 1 W 2 2 1
T1
0
=
U1
T2
=
2 g
v2
W ( 12 m )
T1 + U 1
= →2
•
m v2
2 =+
→
v22
= 2
=
24 g
=
T2 :
1 mv22 2 v2 = 1 5 . 3 m s
0 + mg ( 12 m )
24 ( 9. 9.81)
=
Se aplica la segunda ley de Newton para encontrar la fuerza normal en el punto 2 .
+ ↑ ∑ Fn = m an : − mg + N C = m an = m N C
= 5 mg
v22 ρ 2
=m
2 ( 12 m ) g 6m
N C = 49.1kN
Solución
•
Se aplica el principio Trabajo - energía para determinar la velocidad en el punto punto 3. T1 + U1→3 = T 3 0 + mg ( 12 m − 4.5 m ) =
1 2
mv32
v32 = 15 g = 15 ( 9.81) •
v3 = 12.1m s
Aplicando la segunda ley de Newton para encontrar el radio de curvatura mínimo en el punto 3 de tal manera manera que la normal normal ejercida por la vía sobre la vagoneta sea nula
+ ↓ ∑ Fn = m an : mg
= m an =m
v32
=m
2 ( 15 m ) g
ρ 3 = 15 m
Ejemplo 16 El peso conjunto del montaplatos D y su carga es 300 kg, mientras que el del contrapeso es de 400 kg. Determine: (a) La potencia desarrollada por el motor eléctrico cuando el montaplatos sube a velocidad constante de 2,5 m/s. (b) La potencia desarrollada por el motor eléctrico M cuando posee una velocidad instantánea de 2,5 m/s y una aceleración de 0,75 m/s2
Solución
•
En el primer caso el cuerpo se mueve con movimiento uniforme. Para determinar la fuerza ejercida por el cable del motor se considera su aceleración es nula.
DCL del contrapeso C: + ↑ ∑ F = 0 : 2T − (400) (9.81) N = 0 y
T = 19.62 N
DCL del cuerpo D: 300) 0) (9. 9.81 81)) N = 0 + ↑ ∑ F y = 0 : F + T − (30 F = (300) (9.81 (9.81)) N − T
(300)) (9. (9.81 81)) N − 19.6 19.62 2 N = 9.8 9.81 1N = (300
Potencia = Fv D = (9.81 N)(2.5 m/s) P = 2453J s
Potencia = ( 2453 J s )
1 hp 746 J
= 3.3 hp
SOLUCIÓN
•
En el segundo caso ambos cuerpos se ecuentran acelerados. Por ello se aplica la segunda ley de Newton para determinar la fuerza ejercida por a D =el0.motor. 75 m s 2 ↑ aC = − 12 a D = 0.375 m s 2 ↓ DCL del contrapeso C:
+ ↓ ∑ F y = mC aC :
(400) (9.81) − 2T
= 400 ( 0.375) ⇒ T = 18.87 N
DCL del cuerpo (300 00)) (9 (9.8 .81 1) = 30 300 0 (0 (0.7 .75) 5) + ↑ ∑ F = m aD:: F + T − (3 y
D
D
F + 1887 − (300) (9 (9.81) = 22 225 ⇒ F = 1281 N
Potencia Potenci a = Fv D = (12 1281 81 N) (2 (2.5 .5 m/ m/s) s) = 32 3203 03 J /s Potencia = ( 3203 J s )
1 hp 746 J s
= 4.3 hp
Ejemplo •
El anillo de 2 kg se abandona desde el reposo en A y se desliza por la varilla inclinada fija en el plano vertical. El coeficiente de rozamiento cinético es 0,4 0,4.. Calcular (a) la velocidad v del anillo cuando golpea contra el resorte y ( b) el acortamiento máximo x del resorte
Ejemplo •
Un pequeño bloque desliza con una celeridad v = 2,4 m/s por una superficie horizontal a una altura h = 0,9 m sobre el suelo. Hallar (a) el ángulo θ de despegue de la superficie cilíndrica BCD, (b) la distancia x a la que choca con el suelo. Se desprecian el rozamiento y la resistencia del aire.
•
Ejemplo
El anillo de 0,8 kg se desliza libremente por la varilla circular fija. Calcular su velocidad v cuando choca con el tope B sabiendo que sube bajo la acción de la fuerza constante de 40 N que se ejerce sobre la cuerda. Ésta está guiada por las pequeñas poleas fijas.
Ejemplo Un vehículo de prueba pequeño, propulsado por cohete, con una masa total de 100 kg, parte del reposo en A y avanza, con rozamiento despreciable, a lo largo de la pista en el plano vertical según se indica. Si el cohete propulso ejerce un empuje constante T de 1,5 kN desde A hasta B en que se apaga, hallar la distancia s que rueda el vehículo por la pendiente antes de pararse. La pérd pérdida ida de masa por la expulsión de gases del cohete es pequeña y se puede despreciar
Ejemplo
El bloque de 10 kg está sujeto a la acción de una fuerza que tiene la dirección constante que se indica y una magnitud F = 250(1+x) newton, en donde x se mide en metros. Si el coeficiente de rozamiento cinético entre el bloque y la superficie horizontal es μK = 0,20. Determine el trabajo efectuado por todas las fuerzas que actúan en el bloque durante un movimiento de éste de A hasta B.
Ejemplo
Un bloque de 15 N se desliza por una guía vertical sin fricción, según se indica en la figura. Al extremo del hilo inextensible y sin peso amarrado al bloque, se aplica una fuerza de módulo 60 N. Si el bloque se suelta partiendo del reposo, cuando d = 80 cm, determine la velocidad del bloque cuando d = 45 cm.
Ejemplo Los dos bloques representados en la figura están unidos mediante un hilo inextensible y sin peso. Se sueltan partiendo del reposo, cuando el resorte está sin deformar. Los coeficientes de rozamiento estático y cinético valen 0,30 y 0,20 0,20,, respectivamente. Para el ulterior movimiento, determine: (a) la máxima velocidad de los bloques y el alargamiento que en esa condición sufre el resorte; (b) La máxima distancia que recorrerá el bloque de 10 kg, kg, hacia abajo, por el plano inclinado.
Ejemplo El sistema de la figura, compuesto de una corredera A de 18 kg y un contrapeso B de 9 kg, está en reposo cuando se aplica una fuerza constante de 450 N a la corredera A. (a) Hallar la velocidad de A justo antes de chocar con el tope C. (b) Resolver la parte (a) suponiendo que el contrapeso B se sustituya por una fuerza de 900N dirigida hacia abajo. Desprecie el rozamiento y las masas de las poleas.
Ejemplo
Los bloque A y B pesan 60 N 10 N, y respectivamente. El coeficiente de fricción cinética entre el bloque A y la superficie inclinada es k = 0.2. Despreciando la masa de los cables y poleas, determine la velocidad de del bloque A después de que éste se mueve 3 m hacia abajo del plano inclinado
•
Ejemplo 0,5 kg de
Una pelota de tamaño insignificante es disparada en una pista vertical de radio de 1,5 m con un resorte de émbolo cuyo constante elástica k = émbolo 500 N/m. El mantiene el resorte comprimido 0,08 m cuando s = 0. Encuentre la distancia s que el émbolo debe ser retirado y puesto en libertad para que la pelota comenzara a salir de la pista cuando θ = 135°
Ejemplo •
La esfera parte de la posición A con una velocidad de 3 m/s y oscila en un plano vertical. En la posición más baja, el cordón choca con una barra fija en B y la esfera continua oscilando siguiendo el arco punteado. Determine la velocidad v c de la esfera cuando llega a la posición C.
•
ENERGIA POTENCIAL: De un peso Consideremos un cuerpo de peso W que se mueve sobre una trayectoria curva desde A1 hasta A2. El trabajo de la fuerza de gravedad (peso) es.
•
y2
∫ trayectoria seguida
U dy = Wy1 − W El1→ trabajo independiente dey2la 2 = − es W y1
y depende sólo de los valores inicial y final de la función Wy . Esta función recibe el nombre de ENERGÍA POTENCIAL DEL CURPO respecto a la gravedad W y se representa por Vg.
•
Entonces se tiene
U1→2 •
= ( V g ) 1 − ( V g ) 2
. y = mVgg yse usa VPara medir g = W un nivel referencia
de
ENERGIA ENERG IA POTENCI POTENCIAL AL GR GRA AVIT VITACIONAL ACIONAL •
Cuando se desea evaluar la energía potencial entre cuerpos de gran masa se usa la fuerza gravitacional para determinar la energía potencial
•
El trabajo hecho por Fg será. r 2
U1→ 2
= − ∫ r 1
•
GMm r
2
dr =
GMm r2
−
GMm GM r 1
Una vez más el trabajo es independiente de la trayectoria. Por lo tanto la 2 GMm seráWR energía potencial V = − =− g
•
Donde r es el radio de la tierra
ENERGIA POTENCIAL ELASTICA •
Cuando un cuerpo es sometido a una fuerza elástica, el trabajo realizado por dicha fuerza es x2
U1→ 2 •
= − ∫ kxdx =
1
kx1
2
−
1
kx2 2
2 2 El trabajo es independiente de la trayectoria por tanto dicho trabajo puede expresarse como x1
U1→2 = (Ve )1 − (V e ) 2 y la energí energía a poten potencial cial será Ve =
1 2
kx 2
ENERGIA POTENCIAL ELASTICA •
Debe observarse que el trabajo ejercido por la fuerza elástica es negativo y la energía potencial aumenta.
•
La expresión de la energía potencial depende de la deformación del resorte. Debe señalarse además que dicha ecuación puede usarse aunque el muelle rote. Es decir el trabajo de la fuerza elástica depende solo de las deformaciones inicial y final
FUERZAS CONSERVATIVAS •
Si el trabajo de una fuerza es independiente independie nte de la trayectoria seguida, entonces el trabajo se puede expresar en la forma U1→2 = V ( x1 , y1 , z1 ) − V ( x2 , y2 , z2 )
•
La función V(x,y,z) se llama función potencial o energía potencial. Y a la fuerza se llama fuerza conservativa.
•
Si la partícula se desplaza en una trayectoria cerrada el trabajo de la fuerza conservativa es nulo, es decir
∫ F • dr = 0 Ñ
FUERZAS CONSERVATIVAS Si los puntos están muy próximos A(x, y, z) y A’(x+dx, y+dy, z+dz). El trabajo elemental será dU = V ( x, y , z ) − V ( x + dx, y + dy , z + dz ) dU = − dV ( x, y , z ) • Es decir el trabajo de una fuerza conservativa es una diferencial exacta. •
•
Utilizando la definición de trabajo t rabajo = − ∂V dx + ∂V dy + ∂V dz ÷ ∂y ∂z ∂ x ∂V ∂V ∂V F x = − , Fy = − , F z = − ∂ x ∂y ∂z r v r v ∂V r ∂V v ∂V r F = F x i + Fy j + Fz k = − i + j+ k ÷ ∂y ∂z ∂ x
F x dx + Fy dy + Fz dz
r
grad (
)
CONSERVACI N DE LA ENERGÍA Cuando una partícula se mueve bajo la acción de una fuerza conservativa, la suma de la energía cinética y la energía potencial de la partícula permanece constante
= V1 − V2 = T2 − T1 T1 + V1 = T2 + V2 = E
U1→2
Donde E es mecánica total
T1
= 0, V1 = Wl T1 + V1 = Wl
T2
=
mv 2 2
=
W ( 2 gl ) 2 g T2 + V2
la
= Wl ,
= Wl
energía
V2
= 0
CONSERVATIVAS Si sobre la partícula actúan
Si sobre una partícula actúan fuerzas conservativas y no conservativas como por ejemplo la fuerza de fricción, el trabajo de ésta última depende de la trayectoria seguida. Por tanto para resolver estos problemas se usa la ecuación siguiente U1→2 = T2 −T 1
•
2
∫ 1
2 r
( Fnc r
∫ F ∫ F
nc
1
r
.dr
2 r
1
r
.dr nc '
U nc
r
•
fuerzas elásticas, gravitacionales y fuerzas no conservativas como el rozamiento entonces se tiene
∆• TDonde + ∆V g + ∆Ve = U ' nc
r
+ F ).dr = T2 −T 1
1
∆T = m ( v22 − v12 )
c
2 r
2 ∆V g = mg ( h2 − h1 )
r
+ ∫ F .dr = ( T2 −T 1 ) 1 c
1
+ ( V1 −V2 ) = ( T2 − T 1 )
= ( T2 +V2 ) − ( T1 +V1 )
∆Ve = k ( x22 − x12 )
U'
2 = tr trab aba ajo no cons nseerv rvat ativ ivo o
•
MOVIMIENTO BAJO UNA FUERZA CENTRAL
Cuando sobre una partícula actúa una fuerza central, puede aplicarse los principios de conservación de la energía y del momentun angular. Es decir
= Constant r0 mv0 sin φ0 = rmv sin φ H 0
T0 + V0 2 0
mv 2
−
GMm r
= T +V =
mv 2
2
−
GMm r
•
MOVIMIENTO BAJO UNA FUERZA CENTRAL Las ecuaciones anteriores también pueden utilizarse para determinar los valores máximos y mínimos de r en caso de un satélite lanzado desde Po en la forma mostrada
EJEMPLO •
01
Un collar de 9 kg desliza sin rozamiento a lo largo de una guía vertical como se muestra en la figura. El collar unido al muelle tiene una longitud natural de 100 mm y una constante de 540 N/m. Si el collar parte del reposo e la posición 1, determine la velocidad del collar cuando pasa por la posición 2 tras haberse desplazado 150 mm
Solución
Aplicando el principio de conservación de la energía entre entre las posiciones 1 y 2 tenemos •
Ve = 12 kx1 = 2
Posición 1:
1 2
2
( 540 N m ) ( 0.1 m ) = 2.7 J
V1 = Ve + V g = 2.7 J T 1 = 0
Posición 2: 1 2 Ve = 2 kx2 =
1 2
2
( 540 N m ) ( 0.15 m ) = 6.1J
V g = Wy = ( 9)(9.81 N ) ( − 0.15 m ) = − 13.3 J V2 = Ve + V g = (6.1 J) − (13.35) = − 7.2 J 1
2 2 T2 = mv = 9v2 = 4.5 v2 2 1 2
2 2
Conservación de la + V2 T1 + V1 = T2energía: 0 + 2.7 J = 4.5v22 − 7.2 J v2 = 1.48m s ↓
Ejemplo 02
•
La pastilla de 200 g se comprime contra el muelle de constante k = 540 N/m y luego se suelta desde el reposo en A. Despreciando la fricción. Determine la menor compresión del muelle para que la pastilla recorra el bucle ABCDE sin perder nunca el contacto con el mismo
Solución
Cuando la pastilla pase por D su energía cinética debe ser mínima y su energía potencial es máxima
+ ↓ ∑ Fn = man :
W 2
v D
2
=
man ma
mg = m vD r
=
rg = ( 0.6 m ) ( 9.81m s
2
) = 5.89m
2
2
s
Aplicando el principio de conservación se la energía = Ve + Vg = 12 kx 2 + 0 = 12 ( 540 T 1 = 0
V1
N m ) x2
= 270 x 2
V2 = Ve + Vg = 0 + Wy = (0.2)(9.81)(1.2) = 2.35 J T2 = 12 mv D2 =
T1 + V1
1 2
(0..2) (0 2)(5 (5..89 89)) = 0. 0.58 589 9J
= T2 + V2 0 + 270 x 2 = 0.589 J + 2.35 J
Ejemplo 03 •
Una esfera de masa M = 0,6 kg está unida a un cordón elástico de constante k = 100 N/m, el cual tiene una longitud natural cuando la esfera está en el origen O. si la esfera se desliza sin rozamiento en la superficie horizontal y que en la posición mostrada su velocidad es 20 m/s. Determine: (a) las distancias máxima y mínima de la esfera al origen O y (b) las celeridades correspondientes
SOLUCIÓN
Aplicando el principio de conservación del momentum angular se tiene
= Constant r A mv A sin 600 = rm mvm ( 0.5) ( 0.6 ) ( 20 ) sin 60 0 = rm ( 0.6 ) vm H 0
vm
V A
1 2
=
8.66 r m
(1)
Principio de conservación de la energía. + T =V +T A
1
B
B
1
1
( 100 ) 0.5 + ( 0.6 ) 20 = ( 100 ) r + ( 0.6 ) v 2
2
2
50r
2
2
+ 0.3v
2
= 132.5
2
m
(2)
2
m
2
EJEMPLO 04 •
La corredera de 3 kg se abandona partiendo del reposo en el punto A y se desliza con rozamiento despreciable en un plano vertical a lo largo de una guía circular . El resorte al que está unido tiene una constante k = 350 N/m y su longitud natural es de 0,6 m. Determine la velocidad de la corredera cuando pase por B
•
Ejemplo 05
La corredera A de 10 kg se mueve sin rozamiento en un plano vertical a lo largo de la guía inclinada. El resorte unido a ella tiene una constante de 60 N/m y está sometido a un alargamiento de 0,6 m en la posición A, desde la que se suelta la corredera partiendo del reposo. Se aplica una fuerza constante de 250 N a una cuerda que pasa por una polea pequeña en B. Si la polea no ofrece resistencia al movimiento de la cuerda. Determine la velocidad v de la corredera cuando pasa por el punto C.
Ejemplo 06 •
Un collar que pesa 2,5 N se mueve por un alambre semicircular situado en un plano vertical, según se indica en la figura. La longitud natural del resorte es de 20 cm y el rozamiento es despreciable. Si se suelta el collar partiendo del reposo en la posición A, determine: (a) Su velocidad en la posición B; (b) la fuerza que el alambre ejerce sobre la cuenta en la posición B.
•
EJEMPLO 07
El anillo A de 7 kg se desliza sin rozamiento apreciable por la barra vertical. Cuando el anillo parte del reposo desde la posición más baja, señalada en la figura, se mueve hacia arriba bajo la acción de una fuerza constante F = 250 N aplicada mediante el cable. Determine la constante K del resorte para que la compresión del resorte quede limitada solo a 75 mm. La posición de la polea pequeña B es fija.
•
EJEMPLO 08
Estando en reposo, se suelta un collar de 12 kg sobre una varilla guía lisa, de forma circular, en la posición en que se muestra. El resorte tiene una longitud natural sin deformación de 800 mm y un módulo de 40 N/m. Determine. (a) la velocidad del collar cuando pase por el punto P y (b) La fuerza que la varilla ejerce sobre el collar en P
EJEMPLO 09 •
La esfera de 60 kg representada en la figura está restringida a moverse en la barra lisa BC y está conectado a los resortes R1 y R2. El módulo de R1 es 600 N/m y su longitud libre es 2 m. El módulo de R2 es 300 N/m y su longitud libre es 2,5 m. En la posición A la velocidad de la esfera es 3 m/s en el sentido de descenso. Determine la velocidad de la esfera cuando llega a la posición A’.
EJEMPLO 10 •
Los dos bloques A y B de 20 kg cada uno mostrados en la figura están conectados mediante una barra rígida de 500 mm y masa despreciable, y se mueven en ranuras lisas. En La posición representada el bloque A desciende con una velocidad igual a 0,2 m/s y el resorte de constante k = 3000 N/m está comprimido 100 mm. La magnitud y la dirección de la fuerza F = 500 N no varía durante el movimiento. Determine la velocidad del bloque A cuando se encuentra en el punto A’ o sea después de descender 300 mm.
Ejemplo 11
•
La bola de 4kg y la varilla liviana a ella unida rotan en un plano vertical en torno al eje fijo O. Si el conjunto se abandona desde el reposo en θ = 0 y se mueve bajo la acción de la fuerza de 60N, que se mantiene normal a la varilla, hallar la velocidad v de la bola cuando θ tiende a 90º. La bola puede tratarse como masa puntual.
•
Ejemplo 12
Los dos bloques representados en la figura están unidos mediante un hilo inextensible y sin peso. Se sueltan, partiendo del reposo, cuando el resorte está sin deformar. Los coeficientes de rozamiento estático y cinético valen 0,20 y 0,10, respectivamente, determine: (a) la máxima velocidad de los bloques y el alargamiento que en esa condición, sufre el resorte, (b) la máxima caída del bloque de 25 N.
•
Ejemplo 13
Una varilla circular delgada se mantiene inmóvil en un plano vertical merced a un soporte A. Unido a éste, y arrollado holgadamente alrededor de la varilla, hay un muelle de constante k = 44 N/m y longitud natural igual a la del arco AB. Un cursor C de 225 g, g, no unido al muelle, puede deslizar sin rozamiento por la varilla. Sabiendo que el cursor se suelta desde el reposo cuando θ = 30º, 30º, determine. (a) la altura máxima a la que llega el cursor por encima de B, (b) su velocidad máxima.
Ejemplo 14 •
La masa del anillo es 2 kg y el mismo está unido al resorte de masa despreciable cuya rigidez es 30 N/m y longitud natural 1,5 m. El anillo se suelta en A desde el reposo y sube por el vástago liso bajo la acción de la fuerza constante de 40 N. Determine la velocidad v del anillo cuando pasa por la posición B.
Ejemplo 15 •
Un cursor de 540 gramos puede deslizar por una guía semicircular lisa BCD. El resorte tiene una constante de 320 N/m y su longitud natural es 200 mm. Sabiendo que el cursor se suelta en reposo en B, halle: (a) su velocidad al pasar por C y (b) la fuerza que en C le ejerce la guía.
Ejemplo 16 •
Los bloques A y B están unidos por un cable que tiene una longitud de 6,5 m y pasa por una pequeña polea lisa C. Si el sistema se suelta desde el reposo cuando xA = 4 m, determine la velocidad de A cuando B llega a la posición que se muestra por medio de líneas interrumpidas. Desprecie la fricción.
•
Ejemplo 17
La barra barra liviana está articulada en O a un eje de giro y lleva las dos masas puntuales de 2 kg y 4 kg. Si la barra se abandona desde el reposo con θ = 60º y oscila en el plano vertical. Determine: (a) la velocidad v de la masa de 2 kg inmediatamente antes de chocar con el resorte en la posición marcada a trazos y (b) la compresión máxima x del resorte. Se supondrá que x es pequeña de modo que la posición de la barra cuando comprime el resorte es prácticamente horizontal.
•
Ejemplo 18
El par de bloques representado en la figura están conectados mediante un hilo inextensible y sin peso. El resorte tiene una constante k = 1200 N/m y una longitud natural L0 = 30 cm. El rozamiento es despreciable. Si se suelta el sistema a partir del reposo cuando x = 0, determine: (a) la celeridad de los bloques cuando x = 10 cm y (b) El máximo desplazamiento xmax que alcanzará en el ulterior movimiento
Ejemplo •
Un saquito que contiene 1,5 kg de bolitas está sujeto al extremo de un hilo de 800 mm de longitud, según se indica en la figura. La máxima tensión que puede resistir el hilo es Pmáx = 30 N. Si el muchacho saca lentamente el saco del estante, determine el ángulo θ que girará el saco antes de romper e hilo.
Ejemplo 20 •
Al sistema articulado se aplica una fuerza horizontal constante P = 700N del modo en que se indica. Estando la esfera de 14 kg inicialmente en reposo sobre el soporte cuando θ se aproxima al valor cero y la bola se acerca a su posición más alta.
•
Ejemplo 21
Una corredera de 1,5 kg está unida a un muelle y desliza por una guía circular lisa situada en un plano vertical. El resorte tienen una longitud natural de 150 mm y una constante k = 400 N/m. Sabiendo que la corredera está en equilibrio en A cuando recibe un leve empellón para ponerla en movimiento. Determine su velocidad cuando: (a) pasa por el punto B y (b) pasa por el punto C. Si la corredera se encuentra en un plano horizontal ¿Cuál sería sus respuestas?.
•
Ejemplo 22
El cuerpo A de 300 kg repr representado esentado en la figura se mueve sobre un plano horizontal liso. En la posición mostrada, la velocidad del cuerpo B de 60 kg es de 2,4 m/s hacia abajo y la elongación del resorte es de 0,60 m. La constante del resorte es k = 300 N/m. Determine la velocidad del cuerpo A cuando pasa bajo el tambor liso C.
•
Ejemplo 22
El coeficiente de fricción entre el bloque de 4 kg y la superficie es µk = 0,20. El bloque se encuentra sometido a la fuerza de magnitud y dirección constante P = 30 N y tiene una rapidez v0 = 5 m/s hacia la derecha cuando está en la posición mostrada. Determine la máxima deformación del resorte kB = 2 kN/m en el instante en que el bloque alcanza el reposo. Considere que el resorte pequeño tiene una constante de rigidez kC = 6 kN/m.
