temas selectos de física 1

Temas Selectos de Física I

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Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de junio de 2008. Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Blvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, México La edición consta de 3,468 ejemplares.

COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE SONORA Director General Lic. Bulmaro Pacheco Moreno Director Académico Profr. Adrián Esquer Duarte Director Administrativo C.P. Gilberto Contreras Vásquez Director de Planeación Dr. Jorge Ángel Gastélum Islas Director Financiero Lic. Oscar Rascón Acuña TEMAS SELECTOS DE FÍSICA I Módulo de Aprendizaje. Copyright ©, 2008 por Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Todos los derechos reservados. Primera edición 2008. Impreso en México. DIRECCIÓN ACADÉMICA Departamento de Desarrollo Curricular Blvd. Agustín de Vildósola, Sector Sur Hermosillo, Sonora. México. C.P. 83280 Registro ISBN, en trámite. COMISIÓN ELABORADORA: Elaboración: José Alejandro Álvarez Yáñez José Puga Tovar Corrección de Estilo: Antonia Sánchez Primero Supervisión Académica: Jesús Arely Meza León Diseño de Portada: María Jesús Jiménez Duarte Edición: Jesús Arely Meza León Coordinación Técnica: Martha Elizabeth García Pérez Coordinación General: Profr. Adrián Esquer Duarte

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COMPONENTE:

FORMACIÓN PROPEDÉUTICA

GRUPO:

FÍSICO-MATEMÁTICO

Esta asignatura se imparte en el V Semestre; tiene como antecedente Física

II, la asignatura consecuente es Temas Selectos de Física II, y se relaciona

con Cálculo Diferencial e Integral I, Dibujo I y Economía.

HORAS SEMANALES:

03

CRÉDITOS:

06

DATOS DEL ALUMNO Nombre: ______________________________________________________

Plantel: _________________________________________________________

Grupo: ____________ Turno: _____________ Teléfono:_______________

Domicilio: _____________________________________________________

______________________________________________________________

Ubicación Curricular

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TEMAS SELECTOS DE FÍSICA I

ESTÁTICA DINÁMICA DEL

SÓLIDO Í

MÁQUINAS SIMPLES

SÓLIDO RÍGIDO

EQUILIBRIO EN DOS

DIMENSIONES

VECTORIAL

DESCOMPOSICIÓN DE FUERZAS

FORMA VECTORIAL

IDEALES

REALES

CINÉTICA CINEMÁTICA

2ª LEY DE NEWTON

TRABAJO

ENERGÍA MECÁNICA

MOVIMIENTOS DE

TRASLACIÓN

MOVIMIENTOS DE ROTACIÓN

VELOCIDAD CONSTANTE

ACELERACIÓN CONSTANTE

Mapa Conceptual de la Asignatura

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Recomendaciones para el alumno.............................................................. 7 Presentación .... ........................................................................................... 8 UNIDAD 1. ESTÁTICA. ........................................................................ 9 1.1. Introducción y generalidades ............................................................... 10 1.2. Vectores .... ........................................................................................... 12 1.2.1. Diferencia entre vectores y escalares ................................................ 12 1.2.2. Suma de vectores por el método analítico ....................................... 13 1.3. Equilibrio del sólido rígido en dos dimensiones .................................. 17 1.3.1. Definición de conceptos .................................................................... 17 1.3.2. Condiciones generales de equilibrio ................................................. 18 1.3.3. Fuerzas coplanarias no paralelas...................................................... 19 1.3.4. Fuerzas coplanarias paralelas. .......................................................... 21 1.4. Máquinas simples ................................................................................. 24 1.4.1. Definición de conceptos .................................................................... 24 1.4.2. Máquinas simples tradicionales ........................................................ 25 Sección de tareas ........................................................................................ 39 Auto evaluación ........................................................................................... 53 Ejercicio de reforzamiento ............................................................................ 57 UNIDAD 2. CINEMÁTICA DEL CUERPO RÍGIDO. ............................ 61 2.1. Traslación y rotación pura .................................................................... 62 2.1.1. Posición angular ................................................................................ 63 2.1.2. Desplazamiento angular .................................................................... 63 2.1.3. Velocidad angular ............................................................................. 65 2.1.4. Aceleración angular .......................................................................... 66 2.2. Traslación y rotación uniformes y uniformemente aceleradas. ........... 68 Sección de tareas ........................................................................................ 75 Auto evaluación ........................................................................................... 83 Ejercicio de reforzamiento ............................................................................ 85 UNIDAD 3. CINÉTICA DEL CUERPO RÍGIDO. ................................... 87 3.1. Leyes de Newton o leyes del movimiento ............................................ 88 3.1.1. Aplicaciones de las leyes de Newton ................................................ 91 3.2. Fricción ...... ........................................................................................... 94 3.2.1. Coeficiente de fricción ....................................................................... 95 3.2.2. Diagrama de cuerpo libre .................................................................. 98 3.2.3. Fuerza de fricción estática ................................................................. 99 3.2.4. Fricción cinética ................................................................................. 104 3.2.5. Principio fundamental de la dinámica de traslación ........................ 105 3.3. Energía cinética de rotación ................................................................. 106 3.3.1. Trabajo de un peso ............................................................................ 106 3.3.2. Ley de la conservación de la energía ................................................ 107 3.4.Ímpetu e impulso angular. ..................................................................... 110 3.4.1. Momento de inercia de figuras regulares ......................................... 110

Índice

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Sección de tareas ....................................................................................... 115 Auto evaluación .......................................................................................... 119 Ejercicio de reforzamiento ........................................................................... 121 Bibliografía General ..................................................................................... 125

Índice (continuación)

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El presente Módulo de Aprendizaje constituye un importante apoyo para ti; en él se manejan los contenidos mínimos de la asignatura Temas Selectos de Física I. No debes perder de vista que el Modelo Académico del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora propone un aprendizaje activo, mediante la investigación, el análisis y la discusión, así como el aprovechamiento de materiales de lectura complementarios; de ahí la importancia de atender las siguientes recomendaciones: Maneja el Módulo de Aprendizaje como texto orientador de los contenidos

temáticos a revisar en clase. Utiliza el Módulo de Aprendizaje como lectura previa a cada sesión de clase. Al término de cada unidad, resuelve la autoevaluación, consulta la escala de

medición del aprendizaje y realiza las actividades que en ésta se indican. Realiza los ejercicios de reforzamiento del aprendizaje para estimular y/o

reafirmar los conocimientos sobre los temas ahí tratados. Utiliza la bibliografía recomendada para apoyar los temas desarrollados en

cada unidad. Para comprender algunos términos o conceptos nuevos, consulta el glosario

que aparece al final del módulo. Para el Colegio de Bachilleres es importante tu opinión sobre los módulos de

aprendizaje. Si quieres hacer llegar tus comentarios, utiliza el portal del Colegio: www.cobachsonora.edu.mx

Recomendaciones para el alumno

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El presente Módulo de Aprendizaje tiene un enfoque estratégico basado en la resolución de problemas de carácter formativo, ya que relaciona la teoría con la práctica y la actividad científico-investigadora. Trata los siguientes temas: Estática, el cual proporciona los conceptos que serán empleados en los temas subsecuentes; Cinemática del sólido rígido, en el que se analizan los movimientos de los cuerpos sin considerar las causas que lo ocasionan; Cinética del sólido rígido, en el que se analizan problemas en los cuales se consideran las causas que provocan el movimiento, así como la energía cinética y potencial, el ímpetu y el momento. Estos temas pretenden que el estudiante acceda a los contenidos científicos que le posibiliten alcanzar una cultura científica, de tal manera que valore la relación de la física con el desarrollo científico-tecnológico, en su vida cotidiana.

Presentación

UUnniiddaadd 11 EEssttááttiiccaa..

Objetivos: El alumno: Demostrará mediante la resolución de problemas relacionados con la Estática, que se ha apropiado de los conceptos fundamentales de Fuerza, Equilibrio, Centro de gravedad, Momento de una fuerza, Brazo de palanca y de las condiciones de equilibrio para sistemas de fuerzas coplanarias concurrentes y paralelas, así como su aplicación práctica en la construcción de máquinas simples y estructuras arquitectónicas; participando con una actitud crítica metodológica de forma individual o por equipos.

Temario: 1.1. Introducción y generalidades 1.2. Vectores. 1.3. Equilibrio del sólido rígido en dos

dimensiones. 1.4. Máquinas simples.

Organizador anticipado: “Denme un punto de apoyo y moveré al mundo”. ¿Te has puesto a pensar alguna vez en qué es “el equilibrio”? ¿En lo hermoso y útil que es?


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Evaluación Diagnóstica. Por escrito da respuesta a los siguientes cuestionamientos y entrégalos a tu profesor. ¿Te has preguntado alguna vez: ¿Cómo es que un esquiador equilibra su vuelo? ¿Por qué vuelan los aviones? ¿Por qué no se cae la Torre Pisa? Las fuerzas y principios físicos que intervienen en la caída de un gato. El equilibrio en el vuelo de un Bumerang. El equilibrio en el baile. El equilibrio de una plataforma sostenida por una columna, etcétera. En general, tus curiosidades e incertidumbres acerca de los anteriores aspectos, los podrás comprender si estudias los principios de la Física. Al final quedarás convencido que la Física no es solamente abstracta, sino que es también práctica y ocurre en la vida diaria.

INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES

De entrada, entenderemos la Estática como parte de la mecánica que estudia las leyes del equilibrio. Muchas veces nos confundimos entre lo que es Estática y lo que es Dinámica, por eso antes de empezar con el estudio del equilibrio de cuerpos es necesario diferenciar entre dichas ramas de la Mecánica. La Estática estudia el equilibrio de los cuerpos; es decir, aquellos cuerpos que se encuentran tanto en reposo como en movimiento con velocidad constante; mientras que la Dinámica estudia el comportamiento de los cuerpos con movimientos acelerados. En ambos casos es necesario que dos o más cuerpos interactúen entre sí. En equipo de máximo cuatro integrantes, resuelve los cuestionamientos que se te hacen a continuación, comenta tus opiniones con los demás compañeros y con tu profesor. 1.- ¿Qué entiendes por interacción? ______________________________________________________________________________________________________________ 2.- Observa las interacciones de las imágenes e indica, en cada situación: cuáles son los cuerpos que interactúan y en qué consiste la interacción. CUERPOS QUE

INTERACTÚAN INTERACCIÓN ENTRE ELLOS

1.1.

EJERCICIO 1

11

Estática

En efecto; la fuerza es una magnitud Física que sirve para explicar las interacciones entre cuerpos, las cuales pueden darse por contacto o a distancia. De forma individual resuelve el siguiente ejercicio, compara tus resultados con los de tus compañeros y enseguida preséntalos a tu profesor. Dentro del paréntesis que aparece a la derecha de cada cuestionamiento que se te hace escribe una C si el fenómeno físico que se te presenta es producto de la acción de una fuerza que actúa por contacto, o una D si la fuerza actúa a distancia. 1.- La caída de un cuerpo. ( ) 2.- El encendido de un foco cuando oprimes el interruptor. ( ) 3.- La sensación que siente tu mano cuando cierras en refrigerador. ( ) 4.- El derrape de un auto con un frenado brusco. ( ) 5.- El que una brújula te indique la ubicación del norte y el sur. ( ) 6.- El por qué se te erizan los vellos del brazo cuando pasas por la tele.( ) Los efectos de las interacciones entre los cuerpos son muchos; sin embargo, nosotros nos vamos a centrar, inicialmente, en la capacidad que tienen las fuerzas para producir EQUILIBRIO. Como las fuerzas son magnitudes vectoriales y su medición nos da como resultado una cantidad también vectorial, es necesario recordar cómo se operan matemáticamente este tipo de cantidades. Equilibrio

EJERCICIO 2


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VECTORES

11..22..11.. Diferencia entre magnitudes y cantidades Escalares y Vectoriales. Una magnitud Escalar es el nombre de un concepto fundamental de algunas de las ciencias exactas o naturales. En el caso específico de la Física son ejemplos de magnitudes escalares el tiempo, la masa, el volumen, la distancia, la rapidez, etcétera. Se le llama Cantidad Escalar o “MÓDULO” al resultado de medir una magnitud escalar. Dicho resultado estará completo si se le representa a través de un número acompañado de la unidad que se utilizó para efectuar la medición. Ejemplos:

a) 25 hr. b) 53 Kg. c) 18 lt. d) 122 m. e) 250 Km/hr

Magnitudes vectoriales. Para la Física son aquellos conceptos que además de contar con un módulo, al ser medidos nos encontramos que al actuar sobre su medio lo hacen con cierta dirección y sentido. Las principales magnitudes vectoriales son el desplazamiento, la velocidad y la fuerza. Las cantidades vectoriales también son al resultado de la medición de una magnitud física, pero en este caso para que dicho resultado quede bien definido además de expresar su módulo hay que indicar la dirección y sentido que tiene la magnitud física medida. Ejemplos: 1) EL DESPLAZAMIENTO: Un borrego que camina 18 metros hacia el sur de su corral. 2) LA VELOCIDAD: Un alumno del COBACH que vive al oeste, y cerca de su plantel, corre a una velocidad de 3 metros sobre segundo para no llegar tarde a su primera clase; y es de Educación Física. 3) FUERZA: Para sacar un carro que cayó a una zanja, la grúa que se contrate para sacarlo debe de jalar de él con una fuerza de 450 Newton hacia el norte.

1.2.Distancia

Rapidez

Tiempo

13

Estática

Si relacionamos y sobreponemos los puntos cardinales con los ejes cartesianos de la siguiente forma: Los ejemplos anteriores se pueden expresar simbólicamente como: 1) d =18 m 270° 2) v = 3 m /s 180° 3) f = 450 n 90° Como recordarás en el curso de Física 1, aprendiste a sumar cantidades vectoriales gráficamente y analíticamente; a la estática le sirven particularmente para la solución de algunos problemas los procedimientos empleados para sumar cantidades vectoriales por el método analítico y específicamente en lo que se refiere a la acción que un sistema de fuerzas ejerce sobre un cuerpo si queremos que este se encuentre en equilibrio. Por lo tanto, deberemos refrescar nuestra memoria, recordando los pasos a seguir si queremos sumar fuerzas analíticamente. 1.2.2. Suma de vectores por método analítico. Si utilizamos como sistema de referencia los ejes cartesianos, podemos obtener

sobre ellos los componentes ortogonales FX y FY de una fuerza como se ilustra en la

figura.

Cuyo módulo se obtiene mediante las funciones seno y coseno del ángulo θ, de la siguiente forma. Fx = F Cos. θ Fy = F Sen. θ

X

F

FY

Y

FX

N

E O

S

900

00 1800

2700

900

00 1800

2700

S

N

E O


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Para sumar las Fuerzas A, B y C tendríamos: Ax = A Cos θ Bx = B Cos θ Cx = C Cos θ Ay = A Sen θ By = B Sen θ Cy = C Sen θ A continuación se suman por separado los componentes ortogonales en “X” y “Y” de los vectores. Obteniéndose de esta forma dos nuevos vectores perpendiculares entre sí,

llamados vector resultante en “X” Rx y vector resultante

En “Y” Ry

Con estos vectores se puede formar un triángulo rectángulo. R es el módulo o valor numérico de la suma de los vectores A, B y C. Su magnitud se obtiene mediante el teorema de Pitágoras.

x

y

C

Cx

Cy θ x

y

A

Ax

Ay θ x

y

B

By

Bx

θ

Ry

Cy

By

Ay

Cx Bx Ax

X

Y

Ry

Rx

R

θ

Rx y Ry son los catetos del triángulo y R; llamado vector resultante es la hipotenusa.

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Estática

Por último se calcula la abertura del ángulo θ con respecto al lado positivo del eje “x”. Lo anterior se obtiene mediante el inverso de la función tangente; de la siguiente forma: θ = tan-1 Como la abertura del ángulo θ con respecto al lado positivo del eje “X” nos informa la dirección y sentido del vector resultante Rx. Hay que tomar en cuenta que se presentan cuatro casos para determinar el valor real de dicho ángulo θ. Para facilitar su comprensión se ilustran con figuras cada uno de esto casos. En dichas figuras los significados de los símbolos “θc” y “θr” serán: θc = El valor del ángulo obtenido con el uso de la calculadora al sustituir los valores correspondientes en la formula del inverso de la función tangente. θr = al valor real del ángulo que indica la dirección y sentido del vector resultante y el cual es el que debe expresarse al escribir el resultado final. NOTA: Es muy importante dibujar un croquis como los siguientes al momento de determinar el valor real del ángulo θr. Las figuras se obtienen mediante los signos POSITIVO o NEGATIVO de los vectores

resultantes Rx y Ry. Se presentan los siguientes cuatro casos.

PRIMER CASO: Tanto Rx como Ry son de signo positivo.

RY

RX

En este caso el ángulo real y el obtenido con la calculadora son iguales. θR = θC

X 0o

Y 90o

Ry (+)

Rx (+)

R

θR=θC

R = Rx 2 + Ry

2


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SEGUNDO CASO: Rx Es de signo negativo y Ry de signo positivo. TERCER CASO: Tanto Rx como Ry son de signo negativo.

Para obtener el valor real del ángulo a 180° se le resta el valor obtenido con la calculadora.

θr = 180°- θc

El valor real del ángulo se obtiene sumándole a 180 ° el valor obtenido con la calculadora. θr = 180° + θc

Rx (-)

Ry (+)

X 0o

Y 90o

180o

R

θR

(-)�C

Rx (-)

Ry (+)

X 0o

Y 90o

180o

R

θR

(-)θC

17

Estática

CUARTO CASO: Rx es de signo positivo y Ry de signo negativo.

EQUILIBRIO DEL SÓLIDO RÍGIDO EN DOS DIMENSIONES

1.3.1. Definición de conceptos. Idealizaciones: Los modelos o idealizaciones se utilizan en el estudio del equilibrio con la finalidad de simplificar la aplicación de la teoría, para ello se definirán algunas de las idealizaciones más importantes. Partícula: Una partícula posee masa pero de tamaño poco significativo. Por ejemplo, el tamaño de la Tierra es insignificante comparado con el tamaño de su órbita, y por lo tanto la Tierra se puede tomar como una partícula cuando se estudia su movimiento orbital en un modelo. Cuando un cuerpo se idealiza como una partícula, los principios de la Mecánica se simplifican de manera importante, debido a que la geometría del cuerpo no se tomará en cuenta en el análisis del problema. Cuerpo Rígido: Un cuerpo rígido puede ser considerado como un conjunto formado por un gran número de partículas que permanecen separadas entre sí por una distancia fija antes y después de aplicar la carga. Como resultado, las propiedades del material de que está hecho cualquier cuerpo que se suponga rígido no se tendrá que considerar cuando se analicen las fuerzas que actúan sobre éste. En la mayoría de los casos, las deformaciones reales que se presentan en estructuras, máquinas, mecanismos, etcétera, son relativamente pequeñas, y la suposición de cuerpo rígido es apropiada para efectos de análisis.

1.3.

Para obtener el valor real del ángulo, a 360° se le resta el valor que proporciona la calculadora. θr =360°- θc

X 180o

Ry (-)

360o 0o

Rx (+) θR

(-)θC

270o

Y

R TAREA 1

Página 39.


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Fuerza Concentrada: Una fuerza concentrada representa el efecto de una carga la cual se supone que actúa en algún punto de un cuerpo. Podemos representar este efecto por medio de una fuerza concentrada, siempre y cuando el área sobre la cual se aplica la carga sea relativamente pequeña comparada con el tamaño del cuerpo. Masa punto. Al punto de concurrencia del sistema de fuerzas no paralelas se le da el nombre de masa punto. Debido a que teóricamente se considera que todo el peso del cuerpo sobre el que actúa el sistema se concentra en dicho punto. Peso uniforme. Se dice que un cuerpo es de peso uniforme cuando cada unidad de su volumen tiene el mismo peso. En este caso se considera teóricamente que todo el peso del cuerpo se encuentra concentrado en el centro geométrico del mismo. Inercia. Es la propiedad de los cuerpos de no modificar su estado de reposo o movimiento si no es por la acción de una fuerza no equilibrada. Equilibrio. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando se encuentra en estado de reposo o con movimiento rectilíneo uniforme. Para lo cual es indispensable que la suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre él sea igual a cero. En este caso se dice que la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es una fuerza equilibrada. Un cuerpo en equilibrio estático, si no está sujeto a la acción de una fuerza no equilibrada, no tendrá aceleración de traslación o de rotación, porque la suma de todas las fuerzas o la suma de todos los momentos que actúan sobre él son cero. Sin embargo, si el cuerpo se desplaza ligeramente, son posibles tres resultados: 1) El objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en

equilibrio estable. 2) El objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en

equilibrio inestable. 3) O bien, el objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice

que está en equilibrio neutro o indiferente 1.3.2. Condiciones Generales de Equilibrio. La suma algebraica de las componentes rectangulares ∑FX y ∑FY de todas las fuerzas que actúen sobre un cuerpo debe ser igual a cero. La suma algebraica de los momentos ∑M de todas las fuerzas coplanarias que se ejercen sobre un cuerpo debe de ser igual a cero en cualquier punto del plano. Existen tres clases de sistemas de fuerzas que actúan en el mismo plano. En equipos de tres, deduce cómo se aplican estas condiciones generales de equilibrio en cada caso. Fuerzas Colineales. Fuerzas Coplanarias Concurrentes. Fuerzas Coplanarias, No Concurrentes y Paralelas

EJERCICIO 3

19

Estática

1.3.3. Fuerzas Coplanarias no paralelas. Cuando un sistema de fuerza no paralelas actúan sobre un cuerpo en el mismo plano, éstas concurren en un punto, por lo que también se les llama fuerzas coplanarias concurrentes. Otras herramientas matemáticas indispensables pera el estudio del equilibrio de sistemas de fuerzas coplanarias concurrentes son: Las funciones trigonométricas seno, coseno y tangente, el teorema de Pitágoras, las leyes de los senos y de los cósenos y la semejanza de triángulos. La solución de problemas donde intervengan tres fuerzas concurrentes se puede efectuar de dos formas, las cuales se ilustran con el siguiente ejemplo. Un cuerpo que tiene un peso W=100N se mantiene en equilibrio suspendido por dos cuerdas como se muestra en la figura. Una de las cuerdas tira del cuerpo en forma horizontal; la otra, amarrada de un gancho anclado en un techo, formando un ángulo de 30° con la vertical. Calcular las fuerzas de tensión T1 y T2 que experimentan las cuerdas. Solución por el método de las componentes. Para la solución de problemas por este método es indispensable tomar en cuenta lo que se le conoce como: PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO. La suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo debe ser igual a cero. Es decir: ∑ F = 0 Esto equivale a decir que la suma algebraica de las componentes de la fuerza que actúan sobre un cuerpo en cualquier dirección, debe cumplir con:

a) La suma algebraica de las componentes horizontales es cero; esto es: ∑ Fx = 0 b) La suma algebraica de las componentes verticales también es cero. ∑ Fy = 0 Las componentes horizontales de las fuerzas que se dirijan hacia la derecha serán positivas y hacia la izquierda negativas. Las componentes verticales de las fuerzas que se dirijan hacia arriba serán positivas, y hacia abajo, negativas.

W=100 N

T2Y

T2X

0

T2

T1

30o

TAREA 2

Página 41.


20

Para la resolución del presente tendremos: Sean T1 y T2 las fuerzas de tención buscadas y w = 100 N el peso. El punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas: PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO.

1) Las fuerzas que actúan horizontalmente (ver figura) son T1 y T2X. Entonces: ∑ Fx = 0

T2x – T1 = 0 ó sea T2x = T1 2) Las fuerzas que actúan verticalmente (ver figura) son W y T2y. Entonces: ∑ Fy = 0

T2y – w = 0 ó sea T2y = w = 100 N por lo tanto tenemos que: T1 = T2x = T2y tan 300 = 100 N (0.577) = 57.5 N y

T2y = T2 Cos. 300 Despejando y sustituyendo obtenemos: T2 =T2 y/ Cos. 300. = 100 N/ 0.866 = 115 N Solución por el método del triángulo vectorial. En la figura el punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas w, T1 y T2, por lo tanto, se puede dibujar un triángulo rectángulo cuyos catetos son T1 y T2. Siendo w la hipotenusa del mismo. De esta forma los valores de T1 y T2 se obtienen como sigue: T1 = w tan 300 = 100 N ( 0.577 ) = 57.7 N. y T2 = w / Cos. 300 = 100 N / 0.866 = 115 N Te habrás dado cuenta que este método es mucho más sencillo, pero debes tener presente que sólo se puede utilizar en los casos en que con el sistema de fuerzas se pueda construir un triángulo.

30o w

T1

T2

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Estática

En equipo de máximo tres miembros, o de forma individual, resuelve el siguiente problema y preséntale a tu profesor la solución encontrada. 1.- La figura representa la forma en que se saca un automóvil de una zanja. El extremo A de la cuerda AOB se amarra al tronco de un árbol y el B al carro. En el punto medio O de la cuerda, con un tractor, se ejerce una fuerza F = 100 N perpendicular a la distancia AB. Calcular la tensión T en la cuerda Sabiendo que el ángulo AOB mide 1700.

1.3.4. Fuerzas coplanarias paralelas. Si sobre un cuerpo rígido actúan dos o más fuerzas cuyas líneas de acción sean paralelas, la Fuerza resultante FR tendrá un valor igual a la suma algebraica de ellas con su línea de acción también paralela a las de las fuerzas. El punto de aplicación de FR debe ser determinado con exactitud para que produzca el mismo efecto que las fuerzas originales. En este caso el punto de aplicación y la magnitud o módulo de la fuerza resultante FR y de la fuerza equilibrante FE son los mismos pero tienen sentidos contrarios. Por lo que: FR = FE y entonces FR – FE = 0 y habrá Equilibrio. Las fuerzas paralelas tienden a producir un movimiento de rotación o giro alrededor de un eje del cuerpo rígido sobre el cual actúan. Un Par. Las fuerzas paralelas son aquellas que actúan sobre un cuerpo rígido con sus líneas de acción en forma paralela, como se ve en las figuras siguientes.

F=100N

B

T2 170o

T1

A

F1 =30 N

F2 =30 N

P1 =10 Kg P2 =10 Kg

EJERCICIO 4

TAREA 3

Página 43.


22

Cuando dos fuerzas paralelas que actúan sobre un cuerpo; son de la misma magnitud, de sentido contrario y no son colineales, se produce el llamado par de fuerzas en el que la resultante del sistema es igual a cero y su punto de aplicación está en el centro de la línea que une a los puntos de aplicación de las fuerzas componentes. No obstante que su resultante es cero, un par de fuerzas produce siempre un movimiento de rotación, tal como sucede con el volante de un automóvil, o como en las figuras anteriores. Momento de una fuerza. El momento de una fuerza M se define como la medida de la efectividad de una fuerza para producir el giro o rotación de un cuerpo alrededor de un eje. Su magnitud es el producto del módulo de la fuerza F por la distancia d que hay del eje de rotación, de forma perpendicular a la línea de acción de la fuerza. A dicha distancia se le da el nombre de brazo de palanca Bp. M = F Bp En la figura, d1 y d2 son los brazos de palanca de las fuerzas F1 y F2 respectivamente.

El momento de una fuerza se considera positivo (+) cuando el giro que produce tiene sentido contrario al del movimiento de las manecillas de un reloj y negativo (-) si tiene el mismo sentido. o F o F Los momentos para las fuerzas F y P de la figura de abajo son: MF = (-) F d y MP = (+) P x

d2 d1

F1

F2

Eje

Momento negativo Momento positivo

23

Estática

De forma individual deduce las unidades utilizadas para medir el momento de una fuerza en los sistemas Internacional, C.G.S. e Inglés. Comenta con tus compañeros tus conclusiones y reporta al profesor tu resultado final. Equilibrio de una barra o viga. Vigas. Se les da el nombre genérico de vigas a los elementos estructurales que se utilizan para soportar cargas y fuerzas en dirección perpendicular a su eje longitudinal. Siempre la longitud de una viga es mucho mayor que las dimensiones de su sección transversal. En la figura se representan las vigas de uso más común.

Viga en Cantilever Viga en Voladizo Viga Simplemente Apoyada

Supongamos que la viga analizada en un ejemplo anterior es de peso despreciable y que está sujeta a una bisagra por su extremo O, el cual es el eje de rotación. Si colocamos un peso P a una distancia x del eje y en el otro extremo se ejerce la fuerza F. Para que esta se encuentre en equilibrio, debe de cumplirse que:

EJERCICIO 5


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Primera condición de equilibrio. La suma algebraica de todas las fuerzas que intervienen, incluida la fuerza equilibrante FE, debe ser igual a cero. ∑F = 0 Esto es: F – P + FE = 0 Segunda condición de equilibrio. La suma algebraica de los momentos de dichas fuerzas también debe ser cero. ∑M = 0 Esto es: - MF + MP + ME = 0 Ahora consideremos el caso en el que la fuerza F utilizada para soportar el peso P no tenga la misma dirección de éste y que su brazo de palanca sea y, como se ilustra en la siguiente figura. Entonces las condiciones de equilibrio se expresarían de la siguiente forma: Primera condición de equilibrio. ∑ F = 0 O sea: F Cos. � + FR = 0 Segunda condición de equilibrio. ∑ M = 0 O sea: - F Cos � y + P x + FE Bp = 0

MÁQUINAS SIMPLES

1.4.1. Definición de conceptos. MÁQUINA: Es todo dispositivo o artefacto que sea capaz de transformar la dirección, el sentido e incluso la forma de aplicar una fuerza cuando se pretende facilitar el trabajo humano. A las máquinas cuyo diseño, construcción y manejo sean fáciles se les da el nombre de máquinas simples. Las primeras máquinas simples que el hombre utilizó fueron la palanca, el plano inclinado y la rueda. Y derivados de éstas, la polea, los mecanismos de biela y manivela, los gatos mecánicos, la rampa, el hacha, el corta uñas, la carretilla, el diablito, etcétera. CONSERVACIÓN: Este principio se debe de tomar como una consecuencia de la ley universal de la conservación, cuya interpretación más general se da en la conservación de la energía, y en lo particular lo debemos de tomar como:

Trabajo de entrada = Trabajo de salida.

1.4.

TAREA 4

Página 45.

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Estática

Si tomamos en cuenta que la ENERGÍA se define como la capacidad para realizar TRABAJO, y que de acuerdo con las leyes de la mecánica cuando se le aplica una fuerza a un cuerpo el trabajo que se efectúa es igual al producto del módulo de la fuerza por el desplazamiento trasnacional o rotacional que el cuerpo experimenta, estamos en condiciones de comprender el concepto de: VENTAJA MECÁNICA. ES MUY IMPORTANTE NO CONFUNDIR DINÁMICA CON ESTÁTICA. Si llamamos R a la fuerza de resistencia que un cuerpo opone a cambiar su estado de reposo, la cual es generalmente igual a su peso, y F a la fuerza de potencia necesaria para vencer o contrarrestar a dicha resistencia, tomando en cuenta que en este caso ideal podemos considerar a las fuerzas de fricción como despreciables. Siendo así: Se puede definir a la ventaja mecánica VM como el resultado de dividir al módulo de la resistencia o peso R entre el modulo de la fuerza F. VM = R / F Cuando la fuerza de resistencia R es el peso de una carga, hay que calcular su valor a partir de la masa m de la carga y de la aceleración de la gravedad g, resultando: R = m.g Esta ventaja puede ser de dos tipos, ventaja mecánica teórica (VMT) y ventaja mecánica práctica (VMP). La primera es obtenida de las supuestas condiciones ideales cuerpos rígidos provistos de peso y ausencia de fricción, y se puede deducir a partir de la ley de equilibrio de la máquina. Siempre es mayor a la segunda, ya que en la práctica no existe el rendimiento de una máquina del 100%. 1.4.2. Máquinas simples tradicionales.

La palanca

El plano inclinado

La polea

El torno La biela manivela


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LA PALANCA. Es una barra rígida la cual puede girar alrededor de un punto de apoyo, llamado fulcro F bajo la acción de dos fuerzas paralelas coplanarias que actúan en la misma dirección con el mismo sentido o en sentido contrario. Su principal aplicación es el de vencer fuerzas, que por lo general son PESOS, para obtener un desplazamiento del mismo o su equilibrio. Técnicamente, para el uso de la palanca se deben de considerar los siguientes elementos.

POTENCIA “P“. Es la fuerza que se aplica en uno de los extremos de la barra rígida .

RESISTENCIA “R”. Es la fuerza a vencer, la cual se coloca en el otro extremo. Equivale a la fuerza que hace la palanca debido a la potencia “P” aplicada.

FULCRO “F”. Es el PUNTO DE APOYO de la PALANCA

BRAZO DE POTENCIA “BP”. Es la distancia que hay desde el punto donde se aplica la potencia P hasta el fulcro. BRAZO DE RESISTENCIA “BR”. Distancia del fulcro al punto donde se localiza la resistencia. LEY DE LA PALANCA. Con los cuatro elementos antes descritos, se puede enunciar la Ley de la palanca de la siguiente forma: La "potencia" por su brazo de palanca es igual a la "resistencia" por el suyo. Matemáticamente se puede expresar como: POTENCIA x BRAZO DE POTENCIA = RESISTENCIA x BRAZO DE RESISTENCIA. P x BP = R x BR

Esta expresión matemática representa una proporción inversa entre la potencia y su brazo de palanca por un lado y la resistencia y el suyo, por el otro. Por tanto, para una resistencia dada, aumentos de la potencia obligan a disminuir su brazo, mientras que aumentos del brazo de potencia supondrán disminuciones de su intensidad. Si en vez de considerar la intensidad de las fuerzas de la potencia y la resistencia consideramos su desplazamiento, esta ley la podemos enunciar de la forma siguiente: El desplazamiento de la "potencia" es inversamente proporcional a su brazo, como el de la "resistencia" al suyo.

27

Estática

Ejercicio 6. De forma individual deduce la ecuación matemática que corresponde a esta nueva forma de simbolizar a la Ley de la palanca. Revisa con el profesor tu resultado. TIPOS DE PALANCAS. De acuerdo con la posición relativa de las fuerzas de potencia y resistencia con respecto al fulcro, las palancas se clasifican en tres tipos o géneros. PALANCAS DE PRIMER GÉNERO. En este caso, el punto de apoyo o fulcro se localiza intermedio de los puntos sobre los cuales actúan la potencia y la resistencia. Por ejemplo, son palancas de primer género las tijeras, el balancín y las tenazas, y en el cuerpo humano el formado por el tríceps, el codo y antebrazo. La palanca de primer grado permite situar la carga R (resistencia) a un lado del fulcro y el esfuerzo P (potencia) al otro, lo que puede resultar muy cómodo para determinadas aplicaciones por ejemplo en los alicates, las patas de cabra, los balancines, etcétera. Esto nos permite conseguir que la potencia P y la resistencia tengan movimientos contrarios cuya amplitud (desplazamiento de la potencia y de la resistencia) dependerá de las respectivas distancias al fulcro. Con estas posiciones relativas se pueden obtener tres posibles soluciones: 1.- Fulcro centrado, lo que implicaría que los brazos de potencia y resistencia sean iguales BP=BR Este montaje hace que el esfuerzo y la carga sean iguales P=R, como también lo serán los desplazamientos de la potencia y de la resistencia DP=DR. Es una solución que solamente aporta comodidad, pero no ganancia mecánica. 2.- Fulcro cercano a la resistencia, con lo que el brazo de potencia sería mayor que el de resistencia BP>BR

EJERCICIO 6


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Esta solución hace que se necesite un menor esfuerzo potencia para compensar la resistencia P<R, al mismo tiempo que se produce un mayor desplazamiento de la potencia que de la resistencia DP>DR. Este sistema aporta ganancia mecánica y es el empleado cuando necesitamos vencer grandes resistencias con pequeñas potencias. 3.- Fulcro cercano a la potencia, por lo que el brazo de potencia sería menor que el de la resistencia BP<BR. Solución que permite que sea mayor la potencia que la resistencia P>R y, recíprocamente, menor el desplazamiento de la potencia que el de la resistencia DP<DR. Esta solución no aporta ganancia mecánica, por lo que solamente se emplea cuando queremos amplificar el movimiento de la potencia. La palanca de primer grado se emplea siempre que queramos invertir el sentido del movimiento. Además, podemos mantener la amplitud del movimiento colocando los brazos de potencia y resistencia iguales. Al ser una disposición que no tiene ganancia mecánica, su utilidad se centra en los mecanismos de comparación o simplemente de inversión de movimiento. Esta disposición se emplea, por ejemplo, en balanzas, balancines de los parques infantiles, etcétera. Podemos reducir la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de potencia sea mayor que el de resistencia. Este montaje es el único de las palancas de primer grado que tiene ganancia mecánica, por tanto es de gran utilidad cuando queremos vencer grandes resistencias con pequeñas potencias, a la vez que invertimos el sentido del movimiento. Se emplea, por ejemplo, para el movimiento de objetos pesados, balanzas romanas, alicates de corte, patas de cabra, timones de barco, etcétera. Podemos aumentar la amplitud del movimiento haciendo que el brazo de la resistencia BR sea mayor que el de la potencia BP. Esta solución presenta la ventaja de que a pequeños desplazamientos de la potencia se producen grandes desplazamientos de la resistencia, por tanto su utilidad se centra en mecanismos que necesiten amplificar e invertir el

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Estática

movimiento. Se utiliza, por ejemplo, en barreras elevables, timones laterales, pinzas de cocina, etcétera. PALANCAS DE SEGUNDO GÉNERO. En el segundo tipo de palancas la resistencia se encuentra en medio de la fuerza de potencia y el fulcro. Los ejemplos más comunes de este caso son el cascanueces, la carretilla y los remos. La palanca de segundo grado permite situar la carga R (resistencia) entre el fulcro F y el esfuerzo P (potencia). Con esto se consigue que el brazo de potencia siempre sea mayor que el de resistencia BP>BR y, en consecuencia, el esfuerzo es menor que la carga P<R. Este tipo de palancas siempre tiene ganancia mecánica. Esta disposición hace que los movimientos de la potencia y de la resistencia se realicen siempre en el mismo sentido, pero la carga siempre se desplaza menos que la potencia DR<DP; por lo tanto, es un montaje en el que atenúa principalmente el movimiento de la potencia. Al ser un tipo de máquina cuya principal ventaja es su ganancia mecánica, su utilidad principal aparece siempre que queramos vencer grandes resistencias con pequeñas potencias. Se emplea en cascanueces, carretillas, cortaúñas, remos, etcétera. PALANCAS DE TERCER GÉNERO. La palanca de tercer grado permite situar la potencia P, entre el fulcro F y la resistencia R. Con esto se consigue que el brazo de la resistencia siempre será mayor que el de la potencia BR>BP y, en consecuencia, el esfuerzo es mayor que la carga P>R. Este tipo de palancas nunca tiene ganancia mecánica. Esta disposición hace que los movimientos de la potencia y de la resistencia o carga, se realicen siempre en el mismo sentido, pero la carga siempre se desplaza más que la potencia DR>DP. Es un montaje, por tanto, que amplifica el movimiento de la potencia, lo que constituye su principal ventaja.


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Al ser un tipo de máquina que no tiene ganancia mecánica, su utilidad práctica se centra únicamente en conseguir grandes desplazamientos de la resistencia con pequeños desplazamientos de la potencia. Se emplea en pinzas de depilar, cortauñas, cañas de pescar, etcétera. Es curioso que está palanca sea la única presente en la naturaleza, pues forma parte del sistema mecánico de los vertebrados. En el cuerpo humano abundan las palancas, sobre todo las de tercer género, pues favorecen la resistencia y por consiguiente, la velocidad de los movimientos. EL PLANO INCLINADO El plano inclinado es una superficie llana o plana que aparece de forma natural como rampa o cuesta, la cual forma un ángulo muy agudo con respecto a un plano horizontal. El hombre al darse cuenta que esta disposición de superficies le facilitaba el trabajo, la empezó a construir de acuerdo a sus necesidades, de esta manera el plano inclinado construido artificialmente tiene dos manifestaciones. En forma de rampa o en forma de cuña. En el primer caso, la mayoría de los planos inclinados construidos fueron fijos, en la actualidad dada su utilidad abundan los que son móviles ya que facilitan grandemente el subir o bajar objetos muy pesados.

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Estática

Podemos definir a la rampa por su grado de inclinación, lo que puede expresarse por medio del ángulo que forma, con respeto al plano horizontal o en forma de porcentaje, este último caso es muy utilizado en la construcción de carreteras en aquellos lugares que deban tener cierta inclinación. Matemáticamente, el porcentaje de inclinación de una rampa se expresa como la relación que hay entre la altura de un determinado punto de la rampa y el avance o desplazamiento horizontal que tendría un cuerpo al ser subido por dicha rampa y una vez obtenido dicho resultado se multiplica por cien.

LA RUEDA. La rueda es un disco con un orificio central por el que penetra un eje que le guía en el movimiento y le sirve de sustento. La parte operativa de la rueda es la periferia del disco, que se recubre con materiales o terminaciones de diversos tipos con el fin de adaptarla a la utilidad correspondiente. Algunas de las ruedas más empleadas son la que se ilustran en la figura de la izquierda. Composición de la rueda. La rueda es un operador dependiente. Nunca puede usarse sola y siempre ha de ir acompañada de un eje que le guía y sirve de sustento y de un soporte o armadura que es el operador que controla la posición del eje y sirve de sostén a todo el conjunto.

TAREA 5

Página 47.


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El eje es una barra, normalmente cilíndrica, que guía el movimiento giratorio de la rueda. El soporte es un operador cuya misión es mantener al eje solidario con la máquina. En muchas aplicaciones suele tener forma de horquilla (patinetes, bicicletas, carros, etcétera). Aun cuando todas las aplicaciones que el hombre le ha encontrado a la rueda para facilitar su trabajo son de suma importancia, en este curso le prestaremos atención sólo a cuando se le utiliza como POLEA. Las poleas son ruedas que tienen el perímetro exterior diseñado especialmente para facilitar el contacto con cuerdas o correas. En toda polea se distinguen tres partes: Cuerpo, cubo y garganta. El cuerpo es el elemento que une el cubo con la garganta. En algunos tipos de poleas está formado por radios o aspas para reducir peso y facilitar la ventilación de las máquinas en las que se instalan. El cubo es la parte central que comprende el agujero, permite aumentar el grosor de la polea para aumentar su estabilidad sobre el eje. Suele incluir un chavetero que facilita la unión de la polea con el eje o árbol, para que ambos giren unidos y al mismo tiempo. La garganta o canal es la parte que entra en contacto con la cuerda, correa o banda y está especialmente diseñada para conseguir el mayor agarre posible en la parte más profunda. Básicamente, la polea se utiliza para dos fines: Cambiar la dirección de una fuerza mediante bandas o transmitir un movimiento giratorio de un eje a otro, utilizando también correas o bandas. En el primer caso tenemos una polea de cable que puede emplearse bajo la forma de polea fija, polea móvil o de polipasto Su utilidad se centra en la elevación de cargas como grúas, ascensote, cierre de cortinas, movimiento de puertas automáticas, etcétera. Polea fija Polea móvil Polipasto o aparejo

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Estática

En el segundo caso tenemos una polea de correa, que es de mucha utilidad para acoplar motores eléctricos a otras máquinas, como compresores, taladros, ventiladores, generadores eléctricos, sierras, etcétera, pues permite trasladar un movimiento giratorio de un eje a otro. Con este tipo de poleas se construyen mecanismos como el multiplicador de velocidad, la caja de velocidad y el tren de poleas. Polipastos y aparejos. Los polipastos o aparejos son sistemas de poleas que nos permiten la elevación o movimiento de cargas realizando un esfuerzo menor que si tuviéramos que mover a pulso la carga. Por definición, cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo F y lo desplaza una cierta distancia d se dice que se realiza un trabajo mecánico W. W = F d El polipasto es la configuración más común de polea compuesta. En un polispasto, las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas. La carga se une al grupo móvil. La ventaja de utilizar poleas fijas viene del hecho que podemos ayudarnos de nuestro propio peso corporal para ejercer la fuerza de tiro y de esta forma cambiar el sentido de un movimiento. Es por esto que las poleas fijas se utilizan solamente para modificar la dirección del movimiento y reducir el rozamiento de la cuerda en los cambios de sentido. Con este tipo de poleas no se disminuye la fuerza de potencia P, sólo se desvía. En este caso, la distancia que recorre el peso R, técnicamente llamado resistencia es el mismo que la distancia de tiro o jalón que se le da a la cuerda. P = R A diferencia de las poleas fijas, las poleas móviles tienen movimiento de traslación y la carga R se reparte por igual entre los dos segmentos de la cuerda que salen de la misma, por lo que el esfuerzo con que hay que aplicar al tirar de una cuerda se reduce a la mitad; en cada polea móvil que forme parte del polipasto. Tomando en cuenta lo anterior, la ventaja mecánica de un polipasto puede determinarse contando el número de segmentos de cuerda que llegan a las poleas móviles que soportan la carga. En este caso tendríamos que la fuerza de potencia P es igual al peso R de la carga dividido entre dos veces el número de poleas móviles Np con que cuente el aparejo que quieras construir. P = R / 2 Np


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Ejemplo: en la siguiente figura, se representa un polipasto compuesto por dos poleas fijas y dos móviles. Notarás que para levantar el peso de 100 N solamente necesitas jalar a la cuerda con otra fuerza de 25 N. De acuerdo a las instrucciones que te dé tu profesor, resuelve de manera individual o por equipos el siguiente problema y compara tus resultados con los de tus compañeros. F es la fuerza necesaria con la que hay que jalar a la cuerda de un polipasto compuesto por dos poleas móviles y dos fijas para levantar un peso de 120 N. Calcular la fuerza con que se debe tirar de la cuerda para elevar al peso representado en la siguiente figura. LA BIELA. Consiste en una barra rígida diseñada para establecer uniones articuladas en sus extremos. Permite la unión de dos operadores que transforman el movimiento rotativo de uno en otro que es lineal. El lineal es alternativo del rotativo, o viceversa.

EJERCICIO 7

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Estática

En la biela se distinguen tres partes básicas: cabeza, pie y cuerpo. La cabeza de biela es el extremo que realiza el movimiento rotativo. Está unida mediante una articulación a un operador excéntrico dotado de movimiento giratorio. El pie de biela es el extremo que realiza el movimiento lineal alternativo. El hecho de que suela estar unida a otros elementos, normalmente un émbolo, hace que también necesite de un sistema de unión articulado. El cuerpo de biela es la parte que une la cabeza con el pie. Está sometida a esfuerzos de tracción y compresión y su forma depende de las características de la máquina a la que pertenezca. Como se mencionó anteriormente, una de las principales aplicaciones de la biela consiste en convertir un movimiento giratorio continuo en uno lineal alternativo, o viceversa. La amplitud del movimiento lineal alternativo depende de la excentricidad del operador al que esté unido. Este operador suele estar asociado siempre a una manivela o también a una excéntrica o a un cigüeñal. La biela se emplea en multitud de máquinas que precisan de la conversión entre movimiento giratorio continuo y lineal alternativo. Son ejemplos claros: Trenes con máquina de vapor, motores de combustión interna (empleados en automóviles, motos o barcos); máquinas movidas mediante el pie (máquinas de coser, ruecas, piedras de afilar), bombas de agua, etcétera. LA MANIVELA. Es un eje acodado, conceptualmente derivado de la palanca y la rueda. En ella se pueden distinguir tres partes principales: Eje, Brazo y Empuñadura. El eje determina el centro de giro de la manivela. El brazo determina la distancia entre eje y empuñadura. Es similar al brazo

de una palanca. La empuñadura es la parte adaptada para ser agarrada con las manos, en el

caso de los pedales esta se adapta a las características del pie. La manivela y la excéntrica son la misma cosa. Esto se puede entender fácilmente si partimos de una rueda excéntrica a la que le quitamos todo el material excepto el radio que une los dos ejes. La manivela se comporta como una palanca, y por tanto cumplirá la ley de la palanca: R x BR = P x BP. Y puesto que BP > BR , se tendrá que R > P R = Fuerza de Resistencia que casi siempre es el peso de un objeto.


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De lo anterior se puede deducir que cuando ejercemos una fuerza " P" sobre la empuñadura, aparece un par de fuerzas "R" en el eje. Como la distancia "BP" es mucho mayor que "BR" resulta que la fuerza que aparece en el eje será mayor que la ejercida en la empuñadura. Aquí se cumple el principio de la palanca. A este descubrimiento se le da el nombre de excéntrica. . Además de las utilidades propias de la excéntrica, la manivela es el operador manual más empleado para disminuir la fuerza necesaria para imprimir un movimiento rotativo a una eje, cuando se mueve empleando los pies recibe el nombre de pedal. Se emplea en multitud de objetos, siendo uno de los principales el torno. TORNO. Permite convertir un movimiento giratorio en uno lineal continuo, o viceversa. Este mecanismo se emplea para la tracción o elevación de cargas por medio de una cuerda o cadena. Este mecanismo se comporta exactamente igual que una palanca, donde el brazo de potencia BP es el brazo de la manivela (radio de la manivela) y el brazo de resistencia BR es el radio del cilindro en el que está enrollada la cuerda. Para que el sistema tenga ganancia mecánica P < R es necesario que el brazo de potencia (brazo de la palanca) sea mayor que el brazo de la resistencia (radio del cilindro). Si la manivela tuviera el mismo radio que el tambor, tendríamos que hacer la misma fuerza que si tiráramos directamente de la cuerda P = R. Ejemplos de uso podrían ser: Obtención de un movimiento lineal a partir de uno giratorio

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Estática

¡Ojo! Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer

los temas vistos en

clase.

Obtención de un movimiento giratorio a partir de uno lineal. Para la construcción de este mecanismo necesitamos, al menos: Dos soportes, un eje, un cilindro o tambor y una manivela (el eje y el cilindro han de estar unidos, de forma que ambos se muevan solidarios). A todo esto hemos de añadir una cuerda, que se enrolla alrededor del cilindro manteniendo un extremo libre. Los soportes permiten mantener el eje del torno en una posición fija sobre una base; mientras que la manivela es la encargada de imprimirle al eje el movimiento giratorio.

TAREA 7

Página 51.

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Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes problemas y entrégalos a tu profesor. 1.- Dos, vectores A y B forman entre si un ángulo de 45°. El módulo de A vale 3 N. Calcular cuál debe ser el módulo de B para que A - B sea perpendicular a A. 2.- Sobre la cubierta de un barco, y en dirección normal al movimiento del barco, se mueve un pasajero con velocidad de 3 m/s. Calcular la velocidad total del pasajero si la del barco es de 6 m/s.

Nombre ____________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________

Núm. de Expediente _____________________ Fecha _____________________

TAREA 1


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3.- Un pasajero recorre un tren con movimiento uniforme de velocidad V = 1,2 m/s en la dirección de movimiento del tren. El tren recorre un tramo rectilíneo con velocidad de 6 m/s. Calcular: a) La velocidad total del pasajero. b) Dicha velocidad si el pasajero se moviera en sentido contrario al movimiento del tren.

4.- Suma los siguientes vectores por el método analítico. A = 75 N 1300. B = 69 N 380. C = 270 N 2860.

Revisión: _____________________________________________________ Observaciones:________________________________________________

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Estática

INSTRUCCIONES: De manera individual da respuesta a los planteamientos que se te hacen a continuación y

entrégalos a tu profesor 1.- Ilustra con imágenes y comentarios, dando dos ejemplos en cada caso, los sistemas de Fuerzas: a) Colineales. b) Coplanarias concurrentes. c) Coplanarias paralelas. ______________________________________________________________________________________________

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2.- Explica brevemente en qué consisten: a) Las funciones seno, coseno y tangente b) El teorema de Pitágoras. c) La Ley de los senos. d) La Ley de los cósenos. e) La semejanza de triángulos.

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Nombre ____________________________________________________________



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3.- Investiga y explica en qué consisten, el equilibrio: a) Estable. b) Inestable. c) Neutro.

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Estática

INSTRUCCIONES: De manera individual resuelve los siguientes problemas y entrégalos a tu profesor. 1.- De dos ganchos empotrados en un techo horizontal se amarran los extremos de una cuerda de 11 m de longitud. Los ganchos se encuentran separados por una distancia de 9 m. A los 4 m del extremo izquierdo de la cuerda se cuelga un peso de w = 100 N. Calcular las fuerzas de tensión T1 y T2 en los extremos de la cuerda.

2.- Una estructura metálica construida en forma de triángulo isósceles, esta formada por la barras AC y BC, el tirante AB las mantiene en la posición indicada en la figura. El ángulo formado por las barras es de 700. Los pies de las barras descansan sobre dos soportes en un plano horizontal. En el punto de unión de las barras C se cuelga un peso de w = 120 N. Calcular la fuerza de tensión T a que está sometido el tirante y las de compresión P1 y P2 que soportan las barras.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 3

7 4

0

α

9

θα

w=100N

120 N

C

B A

α


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3.- Se suspende un peso w = 600 N del poste BC representada en la figura utilizando para ello la barra OA de 4 m de longitud, articulada en el punto A y sostenida por la cuerda OB amarrada al poste en el punto B situado a 3m por arriba del punto A. Calcular la fuerza de tensión T en la cuerda y la de compresión P en la barra.

4.- Con los datos de la figura determina el peso del cuerpo suspendido si la tensión de la cuerda diagonal es de 20 N.


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C

A

B

O

w= 600N

3 m

4 m

θ

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Estática

INSTRUCCIONES: Da respuesta a los cuestionamientos que se te hacen, resuelve los problemas que se te

plantean y entrega por escrito el resultado de tu trabajo al profesor. 1.- Acompañado de dibujos propios, imágenes o fotografías, por lo menos con tres ejemplos para cada caso, explica qué son y qué utilidad tienen las vigas:

a) En Cantilever. b) En voladizo. c) Simplemente apoyada.

2.- Determina la intensidad de la fuerza F4 según los datos de la figura.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 4


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3.- Con los datos de la figura, determina a qué distancia del fulcro debe colocarse la fuerza F2.

4.- La barra AB tiene un peso uniforme de 50 N y una longitud de 10 m. El bloque D pesa 30 N y dista 8 m de A. La distancia entre los puntos de apoyo de la barra es de AC = 7 m .Calcule la reacción en el extremo A.


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Estática

INSTRUCCIONES: Da respuesta a los planteamientos que se hacen y resuelve los problemas. Entrega los resultados a tu profesor. 1.- Da por lo menos cuatro ejemplos de cómo utilizamos en la vida diaria la Ley de la Palanca explicado la ventaja de su uso. ______________________________________________________________________________________________

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2.- Describe las características y principales usos que se le dan a: a) La rueda dentada. b) La rueda de transporte. c) La rueda de palas. ______________________________________________________________________________________________

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3.- En la figura está representada una barra rígida apoyada en P. En el extremo está colgado un cuerpo de 1[Kg] de masa. ¿Cuál debe ser la masa X del otro cuerpo, que está colgado en el otro extremo, para que el sistema quede en equilibrio en la posición indicada en la figura? (Consideren despreciables la masa de la barra y los rozamientos y adopte g = 10[m/s2] )

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 5


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4 .- Una barra homogénea AB tiene 10[m] de longitud y 200 N de peso .A 2m del extremo A se coloca un cuerpo Q de 100N. Suspendida por el punto O, la barra queda en equilibrio en la posición horizontal. La distancia en metros del punto O al extremo A de la barra vale:

5.- En un taller mecánico, se levanta el motor de un automóvil, cuyo peso es de 350 N, por medio de un aparejo diferencial. Si los radios de las poleas son R = 15 cm y r = 12 cm respectivamente, ¿cuál es la magnitud de la fuerza que equilibra ese peso? 6.- El sistema de la figura está en equilibrio y los pesos de la barra y de las poleas pueden ser ignorados .La razón entre las masas M/m es :


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Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes problemas y entrégale a tu profesor los resultados de la manera que él te indique.

1. Se levanta un cuerpo de 200 N mediante un plano inclinado de 2,8 m de largo y 1,5 m de altura. El extremo de la cuerda que sube el cuerpo, se adapta a un torno, cuya manivela es de 0,8 m y el radio del torno es de 0,2 m. Calcular la potencia aplicada al torno, para mantener el sistema en equilibrio.

2. En un taller mecánico, se levanta el motor de un automóvil, cuyo peso es de 350 N, por medio de un aparejo diferencial. Si los radios de las poleas son R = 15 cm y r = 12 cm, ¿cuál es la fuerza que equilibra ese peso?

3. Los radios de un aparejo diferencial son R = 20 cm y r = 15 cm. Si se aplica una fuerza de 80 N, Calcular el peso del cuerpo que la equilibra.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 6


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4. En un aparejo potencial de 4 poleas móviles, se aplica una fuerza de 30 N para mantener el sistema en equilibrio, se desea saber cuál es el valor de la resistencia.

5. Un cuerpo es sostenido mediante un aparejo potencial de 5 poleas. Si la potencia aplicada es de 60 N, ¿cuál es el peso del cuerpo?

6. Mediante un torno cuyo radio es de 12 cm y su manivela es de 60 cm, se levanta un balde que pesa 3.5 N, cargado con 12 litros de agua. Calcular la fuerza de potencia aplicada.


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Estática

INSTRUCCIONES: El mapa conceptual que se te presenta a continuación fue elaborado por un alumno de

Secundaria y es muy hermoso; sin embargo, tiene algunos errores. DESCÚBRELOS. En hojas blancas tamaño carta, has tu propio mapa mejorando el que se presenta y entrégalo a tu profesor.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 7


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______________________________________________________________

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Estática

INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de la opción que consideres correcta. 1. Es la fuerza que experimentamos durante toda nuestra vida y en todo momento.

Masa. Trabajo. Peso.

Presión. 2. ¿En cuál de las siguientes propuestas existe alguna magnitud que no es vectorial?

Área de una superficie, Campo eléctrico. Momento de inercia, Campo magnético Momento angular, Fuerza Momento de una fuerza, Campo gravitatorio.

3. Dos bloques en posición vertical están unidos por una cuerda. Otra cuerda es amarrada al bloque

superior. La fuerza F necesaria para mantener el sistema en equilibrio vale.

8 Kgf. 12 Kgf. 6Kgf.

2Kgf. 4. Elige la respuesta que indique correctamente las componentes y el módulo de la fuerza representada en

el siguiente diagrama:

Componentes 3,4; módulo 5N. Componentes 3,-4; módulo 5N. Componentes -4,3; módulo 5N. Componentes -4,3; módulo 25 N.

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________

Núm. de Expediente ___________________ Fecha ____________________

AUTOEVALUACIÓN


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5. Tres de los siguientes diagramas representan dos fuerzas actuando sobre un objeto. Los otros tres

representan sus correspondientes fuerzas resultantes. La relación por parejas correcta es: 1 2 3 4 5 6

1-4, 3-5, 2-6. 1-3, 4-5, 6-2. 6-1, 2-3, 4-5. 1-2, 3-4- 5-6.

6. Para la fuerza F de la figura se cumple que el módulo de su momento es:

F d. Fy d. Fx d. Cero.

7. Para la siguiente figura podemos afirmar que:

El momento de las dos fuerzas con respecto al punto O es el mismo. El módulo del momento de la fuerza F2 con respecto al punto O es F2 El módulo del momento de la fuerza F2 con respecto al punto O es igual al módulo del momento de la fuerza F1 con respecto al punto O e igual a F1 d Cos. a = F2 d Cos. b.

El módulo del momento de las dos fuerzas con respecto al punto O es el mismo por tener el mismo punto.

8. Si fueras un náufrago en una isla solitaria y necesitaras derribar un árbol ¿Qué máquina simple utilizarías?

Una rueda. Una biela. Una cuña. Una motosierra.

9. La fuerza que es necesario aplicar a una polea fija, para levantar un peso de 80 N, es de:

160 N. 30 N. 20 N.

80 N.

55

Estática

10. La potencia que se necesita aplicar para equilibrar una resistencia de 90 N, mediante una polea móvil, es

de: 45 N. 90 N. 30 N.

180 N.

11. Un señor emplea una caña de pescar de 2 m de longitud. Si la pieza lograda tiene un peso de 50 N. La fuerza que tiene que aplicar para mantener en equilibrio al pescado, tomando en cuenta que el pescador toma la caña a 1.20 m del apoyo, es de: 83.33 N. 125 N. 50.5 N.

No es posible mantener el equilibrio.

12. El valor de la potencia aplicada a una palanca, cuyos brazos de potencia y resistencia, son respectivamente, 120 m y 30 cm, siendo la resistencia de 80 N, es de: 120 N. 40 N. 20 N.

30 N.

13. En una palanca interfija, una fuerza de potencia de 2 N equilibra una resistencia de 50 N. Si el brazo de la potencia mide 2.5 m; la longitud del brazo de la resistencia es: 1 m. 5 m. 0.1m.

125 m.

14. Un cuerpo de 200 N se levanta mediante un aparejo potencial de 3 poleas móviles. El valor de la fuerza de potencia es: 100 N. 25 N. 66.66 N.

50 N.

15. En el esqueleto humano aparecen multitud de palancas ¿de qué grado son?

Primer grado. Segundo grado Tercer grado Cuarto grado


56

16. De los siguientes inventos humanos ¿cuál puede ser considerado como "máquina"? Puente Sacacorchos

Silla Árbol

17. Los tres bloques esquematizados en la figura tienen el mismo peso y están inicialmente en reposo unidos por cuerdas ligeras e inelásticas. El bloque 2 se halla sobre una superficie horizontal sin rozamiento. Al dejar el sistema en libertad:

Este permanece como está. El bloque 1 desciende. El bloque 3 desciende. Lo que suceda depende de la longitud de las cuerdas.

57

Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes cuestionamientos y problemas. Entrégalos a tu profesor para su revisión.

I.- PREGUNTAS DE RAZONAMIENTO.

1.- ¿Puede estar un cuerpo en equilibrio cuando sobre él actúa una fuerza?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

2.- Un globo se mantiene en el aire sin ascender ni descender. ¿Está en equilibrio? ¿qué fuerzas actúan sobre él?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

3.- Si se tira de los extremos de una cuerda en equilibrio con dos fuerzas iguales y de dirección opuesta, ¿por qué la tensión total en la cuerda es cero?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

4.- Un caballo está enganchado a un carro. Como el carro tira del caballo hacia atrás con la misma fuerza que éste tira del carro, ¿por qué no permanece el carro en equilibrio, independientemente de lo que jale el caballo?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

5.- ¿Cómo se puede empujar hacia abajo el pedal de una bicicleta y lograr que la bicicleta se mueva hacia adelante?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

EJERCICIO DE REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________




58

6.- Para empujar una caja hacia arriba por una rampa, ¿es mejor empujarla horizontal o paralelamente a la rampa?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

7.- ¿De qué depende el coeficiente de rozamiento entre dos superficies?

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

8.- ¿Puede el coeficiente de rozamiento ser mayor que la unidad? En caso afirmativo dé un ejemplo; de lo contrario, explica por qué no puede serlo.

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

II.- PROBLEMAS.

1.- Un peso de 5 N cuelga de una cuerda de 1 m de longitud que se encuentra sujeta al techo. Calcular la fuerza horizontal que se debe aplicar al peso para que éste se desvíe 30 cm de la vertical y se mantenga en esa posición.

2.- Un peso w = 5 N se encuentra suspendida como se muestra en la figura. Si el sistema está en equilibrio, Calcular los valores para las tensiones T1 y T2 de las cuerdas. � = 40º.

59

Estática

3.- Determinar las tensiones T1 y T2 de las cuerdas del sistema mostrado en la figura si el peso suspendido es w = 5.5 N. El sistema está en equilibrio.

4.- En la figura se representa a La Tierra apoyada sobre la palanca AB; en el punto A. Suponiendo que el punto de apoyo O fuera la luna. Y si hipotéticamente Arquímedes aplicara una fuerza de potencia de 2 x 1096 N en el punto B de la palanca, calcular cuanto tendría que medir el brazo de la potencia OB para poder mover a la tierra.

A Fuerza aplicada por Arquímedes.

B

O

Tierra


60

5.- Investiga los nombres de las partes de la locomotora que están señalados con números en la figura y escríbelos sobre la línea correspondiente. 1.-__________________ 2.-__________________ 3.-__________________ 4.-__________________ 5.-__________________ 6.-__________________ 7.-__________________ 8.-__________________ 6.- En la siguiente figura se representa un mecanismo construido para soportar un peso de 900 N. Con los datos que ésta te presenta, calcula la magnitud de la fuerza de tención T en el cable CB y la de la fuerza de compresión P en la barra AB.

7.- El sistema de la figura está en equilibrio y los pesos de la barra y de las poleas pueden ser ignorados. Calcular la razón entre las masas M/m.

900 N

UUnniiddaadd 22 CCiinneemmááttiiccaa ddeell CCuueerrppoo RRííggiiddoo..

Objetivos: El alumno:

Resolverá problemas prácticos relacionados con la cinemática del sólido rígido, aplicando los conceptos sobre movimiento de traslación y rotación en dos dimensiones, mediante ejercicios de notación científica y actividades experimentales, con una actitud crítica y responsable.

Temario: 2.1. Traslación y rotación pura. 2.2. Traslación y rotación uniforme y

uniformemente acelerado.

Organizador anticipado: La Luna es el cuerpo celeste (astro) más cercano a la Tierra. Gira alrededor de ella a una velocidad de 3664 km/hr. Tarda 27 días con 7.716 horas en dar una vuelta alrededor de la Tierra (traslación) y es exactamente el mismo tiempo que tarda en girar sobre su propio eje (rotación).

Temas Selectos de Fìsica I

62

Evaluación Diagnóstica: Anotar en el siguiente espacio lo que se entiende por cuerpo rígido, traslación y rotación de un cuerpo. _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TTRRAASSLLAACCIIÓÓNN YY RROOTTAACCIIÓÓNN PPUURRAA..

No hay cuerpo que sea completamente rígido, pero podemos considerar como ejemplo las moléculas, las viguetas de acero y los planetas, como lo suficientemente rígidos para pensar que se tuercen, se doblan o vibran. Un cuerpo rígido se mueve en una traslación pura, si cada partícula del cuerpo experimenta el mismo desplazamiento que todas las demás partículas en un intervalo de tiempo dado. Algunos consideramos que los cuerpos tienen únicamente un movimiento traslacional, pero hay casos como las ruedas, ejes, poleas, giroscopio y muchos otros dispositivos mecánicos, que giran sobre su eje sin que haya movimiento traslacional. En la figura 2.1 se muestra una bicicleta fija de ejercicio. El eje de la rueda delantera que gira está fijo en el espacio; definimos el eje z de nuestro sistema coordenado como eje de la rueda. Un punto arbitrario P en la rueda, es una distancia perpendicular r respecto al punto A en el eje z. La línea AB se traza desde A a través de P. El movimiento del punto P traza el arco de un círculo a medida que la rueda gira. No necesariamente lo hace con rapidez constante, porque el sujeto podría cambiar la velocidad con que pedalea. El movimiento de la rueda es un ejemplo de rotación pura de un cuerpo rígido, que se define así: Un cuerpo rígido se mueve en rotación pura si todos sus puntos (como en la figura 2.2) lo hacen en una trayectoria circular. El centro de estos círculos ha de estar en una línea recta común denominada eje de rotación (eje z en la figura). y B P A x r z Fig. 2.2

22..11..

Fig. 2.1 Bicicleta estacionaria donde la rueda gira sobre el eje (rotación).

63

Cinemática del Cuerpo Rígido

En este tema abordaremos el movimiento rotacional puro. Nos ocuparemos sólo de objetos rígidos en los cuales no se observa movimiento relativo de las partes a medida que el objeto gira; se excluye, por ejemplo, un líquido dentro de un contenedor que gira. 2.1.1. Posición angular. v P r θ s C O Fig. 2.3 Si hemos acordado llamar movimiento al cambio de la posición con el tiempo, será necesario establecer un criterio para determinar qué posición ocupa un cuerpo en un instante. En el instante t el móvil se encuentra en el punto P. Su posición angular viene dada por el ángulo θ, que hace el punto P, el centro de la circunferencia C y el origen de ángulo O. En el instante t´ el móvil se encontrará en la posición P´ dada por el ángulo θ´. El móvil se habrá desplazado ∆θ = θ´- θ en el intervalo de tiempo ∆t = t´- t comprendido entre t y t´. 2.1.2. Desplazamiento angular El desplazamiento angular de un cuerpo describe la cantidad de rotación. Si un punto en el disco giratorio de la figura anterior gira sobre su eje de O a P, el desplazamiento angular se denota por el ángulo θ. 1 rev = 3600 Ninguna de estas unidades es útil para describir la rotación de los cuerpos rígidos. Una medida mas fácil de aplicar al desplazamiento angular es el radián (rad). Un ángulo de 1 rad es un ángulo central cuyo arco s es igual a la longitud del radio R. Es más común que el radián se defina por la siguiente ecuación:

Rs=θ ecuación 2.1

Donde s es el arco de un círculo descrito por el ángulo θ. Puesto que el cociente s entre R es la razón de dos distancias, el radián es una cantidad sin unidades. El factor de conversión que permite relacionar radianes con grados se encuentra considerando un arco de longitud s igual a la circunferencia de un círculo 2πR. Dicho ángulo en radianes se obtiene de la ecuación.

ππθ 22 ==RR

rad

Para saber más y enriquecer el tema, visita el

sitio http://lefmvespertino.usach.cl/flash/radianes_ene2006.

swf y encontrarás una

explicación sobre la definición de radián


64

Así tenemos,

1 rev = 3600 = 2π rad de donde observamos que

oo

3.5723601 ==

πrad

Ejemplo 2.11 Si la longitud del arco s es de 2 m y el radio es de 3 m, calcular el desplazamiento θ en radianes, grados y revoluciones. Solución 1.- Datos 2.- Fórmula 3.- Sustituyendo

s = 2 m Rs=θ 66.0

32 ==mmθ rad

θ = 3 m 4.- Convirtiendo a grados nos queda:

o8.3713.57)66.0( ==

radradθ

5.- Como 1 rev = 3600

10505.03601)8.37( ==

o

o revθ rad

Ejemplo 2.12 Un punto situado en el borde de un disco giratorio cuyo radio es de 6 m se mueve a través de un ángulo de 400. Calcular la longitud del arco descrito por el punto. Solución: Como el ángulo debe estar en radianes, primero debemos convertir los 400 en radianes

698.03.57

1)40( ==o

o radθ rad

La longitud del arco está dada por

radradmRs 19.4)698.0(6 === θ La unidad radián desaparece porque representa una relación de longitud a longitud (m/m = 1). 1.- Convertir: a) 65 rev a radianes b) 50π rad a revoluciones c) 900 rps a rad/seg 2.- Un punto localizado en el borde de una rueda cuyo radio es de 0.5 m se mueve en un ángulo de 370. Calcular la longitud del arco descrito por ese punto.

EJERCICIO 1

Fig. 2.4 Ana Gabriela Guevara, como cualquier atleta, debe tomar la salida en la prueba corta de 400 m por su propio carril, las corredoras salen desde posiciones escalonadas. La ecuación 2.1 nos dice que los corredores más alejados del centro tendrían que recorrer una distancia mayor en las curvas de la pista que los carriles interiores.

65


2.1.3. Velocidad angular A la razón de cambio del desplazamiento angular con respecto al tiempo se le llama velocidad angular. Por lo tanto, si un objeto gira a través de un ángulo θ en un tiempo t, su velocidad angular media está dada por:

tθω = ecuación 2.2

El símbolo ω, (letra griega omega), se usa para denotar la velocidad rotacional. Aun cuando la velocidad angular puede expresarse en revoluciones por minuto o revoluciones por segundo, en la mayoría de los problemas físicos en necesario utilizar radianes por segundo para adaptarse a fórmulas más convenientes. Puesto que la velocidad de rotación en gran número de problemas técnicos se expresa en términos de frecuencia de revoluciones, la siguiente relación será de utilidad:

fπω 2= ecuación 2.3 Donde ω se mide en radianes por segundo y f se mide en revoluciones por segundo o ciclos por segundos. Ejemplo 2.13 La rueda de una bicicleta tiene un diámetro de 66 cm y da 40 revoluciones en 1 min. a) ¿cuál es su velocidad? b) ¿qué distancia lineal se desplazará? Solución: a) Como 1 rev = 2π radianes, entonces

segrevseg

revf /667.060min1

min40 =

=

sustituyendo la frecuencia en la fórmula de la velocidad angular

ω = 2πf = (2π rad)(0.667 rev/seg) = 4.188 rad/seg

b) El desplazamiento lineal s se puede calcular a partir del desplazamiento angular θ en radianes.

( ) radrevrevrad 3.25140

12 =

Π=θ

de la ecuación Rs=θ

despejamos s, quedando: mmradRs 93.82)33)(3.251( ===θ

Es importante observar que la velocidad angular representa una velocidad media.


66

Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con el grupo. 1.- Un motor eléctrico gira a 900 rpm. ¿Cuál es su velocidad angular? y ¿cuál es el desplazamiento angular después de 6 s? 2.- Encontrar la velocidad angular de un disco de 45 rpm, así como su desplazamiento angular, si su movimiento duró 2.5 minutos. 2.1.4. Aceleración angular El movimiento rotacional puede ser uniforme o acelerado. La rapidez de la rotación puede aumentar o disminuir bajo la influencia de un momento de torsión resultante. Por ejemplo, si la velocidad angular cambia constantemente de un valor inicial 0ω a un valor final fω en un tiempo t, la aceleración angular es

constante y:

tf 0ωω

α−

=

La letra griega α (alfa) denota la aceleración angular y las unidades típicas son rad/seg2, rev/min2, etcétera. Las ecuaciones empleadas para el movimiento circular acelerado son las mismas que se utilizan para el rectilíneo uniformemente acelerado con las siguientes variantes: 1.- En lugar de desplazamiento en metros hablaremos de desplazamiento angular en radianes (θ en lugar de d). 2.- La velocidad en m/seg se dará como velocidad angular en rad/seg (ω en lugar de v). 3.- La aceleración en m/seg2 se cambiará a aceleración angular en rad/seg2 (α en lugar de a). Tabla 2.1. Comparación de la aceleración lineal y la aceleración angular.

Aceleración lineal constante Aceleración angular constante

tvvd o

2+= to

2ωωθ +=

atvv o += to αωω +=

2

21 attvd o += 2

21 atto +=ωθ

advv o 222 += αθωω 222 += o

tvd prom= tpromωθ =

EJERCICIO 2

TAREA 1

Página 75.

67


Ejemplo 2.14 Una rueda que gira a 4 rev/seg aumenta su frecuencia a 20 rev/seg en 2 segundos. Determinar el valor de su aceleración angular. Datos Fórmulas fo = 4 rev/seg fo πω 2=

f = 20 rev/seg fπω 2=

t = 2 seg t

oωωα −=

α = ¿? Sustitución y resultado

ωo = 2π(4) = 25.12 rad/seg ω = 2π(20) = 125.6 rad/seg

2/24.502

/12.25/6.125 segradseg

segradsegrad =−=α

Ejemplo 2.15 Una rueda de la fortuna gira inicialmente con una velocidad angular de 2 rad/seg, si recibe una aceleración angular de 1.5 rad/seg2 durante 5 segundos, calcular: a) Su velocidad angular a los 5 seg. b) Su desplazamiento angular. c) El número de revoluciones al término de los 5 seg. Solución a) Datos: Fórmula: ωo = 2 rad/seg to αωω +=

α = 1.5 rad/seg2 Sustitución: t = 5 seg ω = 2 rad/seg + (1.5rad/seg2)(5seg) ω= 9.5 rad/seg Solución b) El desplazamiento angular está dado por:

2

21 tto αωθ +=

Sustitución:

22 )5)(/5.1(21)5)(/2( segsegradsegsegrad +=θ

radsegsegradrad

75.28)25(/75.010 22

=+=

θθ

Solución c) Puesto que 1 rev = 2π rad, obtenemos

revradrevrad

5757.421)75.28(

=

=

θπ

θ

Fig. 2.5 Rueda de la fortuna


68

Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con el grupo. 1.- Un engrane adquirió una velocidad angular de 2512 rad/s en 1.5 s. ¿Cuál fue su aceleración angular? 2.- Un carrete circular de 50 cm de radio gira a 450 rev/min. Luego se detiene por completo después de 60 revoluciones. Calcular: a) La aceleración angular. b) El tiempo en detenerse.

TTRRAASSLLAACCIIÓÓNN YY RROOTTAACCIIÓÓNN UUNNIIFFOORRMMEE YY UUNNIIFFOORRMMEEMMEENNTTEE AACCEELLEERRAADDAASS..

Con frecuencia se encuentran dos casos especiales de rotación: 1.- Rotación uniforme. Este caso se caracteriza por el hecho de que la aceleración angular es cero (α = 0). La velocidad angular es por lo tanto constante y la coordenada angular está dada por la fórmula

tωθ = . 2.- Rotación uniformemente acelerada. En este caso la aceleración angular es constante. Las fórmulas que se utilizan para este tipo me movimiento se mostraron en el tema anterior (tabla 2.1), haciendo hincapié que se utilizan estas fórmulas cuando α = constante. En el caso de la traslación, se presenta la traslación rectilínea y traslación curvilínea, en los dos puede suceder que sea uniforme su velocidad (a = 0, α = 0), entonces v = d/t, o bien ω = θ/t respectivamente; sí el movimiento uniformemente acelerado, en este ultimo se utilizará, las fórmulas del cuadro 2.1 de aceleración lineal constante. Relación entre los movimientos rotacional y lineal Cuando más lejos se encuentre una partícula del eje de rotación, mayor es su velocidad lineal según la siguiente fórmula.

fRv π2= donde f es la frecuencia de rotación y R el radio de curvatura. Como s=θR entonces

tR

tsv θ==

22..22..

EJERCICIO 3

TAREA 2

Página 77.

69


Puesto que θ/t = ω, la velocidad lineal se puede expresar como una función de la velocidad angular.

Rv ω=

La aceleración tangencial en términos de de un cambio en la velocidad angular quedaría:

Rtt

RRa ooT

ωωωω −=−=

RaT α=

α representa la aceleración angular. No hay que confundir la aceleración tangencial (cambio de velocidad lineal) con la aceleración centrípeta (cambio en la dirección del movimiento)

Rvac2

=

Ejemplo 2.16 Una rueda de 80 cm de radio gira sobre un eje estacionario. Si la velocidad aumenta uniformemente desde el reposo hasta alcanzar 1900 rpm en un tiempo de 30 s, calcular: a) La aceleración angular de la rueda. b) La aceleración tangencial de la rueda Datos: Fórmula

stmcmR

rpm

o

308.080

01900

===

==

ωω

Rat

o

α

ωωα

=

−=

a)

207.130

32

30

060

1920

srevs

revsrev

srev

a ==−

=

b)

( ) ( ) 222 37.58.072.68.01207.1 s

mmsradm

revrad

srevRa =

=

== πα

recordemos que α debe estar en rad

Para saber más y

enriquecer el tema, visita el sitio

http://newton.cnice.mec.es/4eso/mcu/mcu421.htm


70

Traslación uniforme. Para abordar este tema es necesario definir algunos conceptos como: Trayectoria: Es la línea formada por las sucesivas posiciones por las que pasa el móvil. Distancia: Es la longitud de la trayectoria y se trata d una magnitud escalar. Desplazamiento: Es una magnitud vectorial cuyo módulo es la línea recta entre la posición final y la inicial. El vector que representa al desplazamiento tiene su origen en la posición inicial y su extremo en la posición final. En el lenguaje ordinario los términos distancia y desplazamiento se utilizan como sinónimos aunque en realidad tienen un significado diferentes. Lo mismo ocurre con las definiciones de rapidez y velocidad en la cual se suele confundir con frecuencia ya que rapidez es una magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida con el tiempo ( tdr /= ) y la velocidad es una magnitud vectorial que

relaciona un cambio de posición (desplazamiento) con el tiempo (tdv = ).

Para una traslación rectilínea uniforme, tenemos el siguiente ejemplo: Ejemplo 2.17 Determinar el desplazamiento en m que realizará un ciclista al viajar hacia el sur a una velocidad de 35 km/hr durante 1.5 minutos. Datos Fórmula

v = 35 km/hr al sur tvdtdv =∴=

t = 1.5 min d = ¿? m Conversión de unidades

segm

seghrx

kmmx

hrkm 7.9

36001

1100035 =

segsegx 90min160min5.1 =

Sustitución y resultado

msegxsegmd 873907.9 == al Sur

Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con el grupo. 1.- Determinar el desplazamiento en metros de un automóvil que va a una velocidad de 80 km/hr al Este, durante 3.5 min. 2.- Calcular el tiempo en segundos que tardará un tren en desplazarse 3 km en línea recta hacia el Norte con una velocidad de 90 km/hr.

EJERCICIO 4

71


Traslación rectilíneo uniformemente acelerado Como la aceleración es un cambio de velocidad en un intervalo de tiempo

(tvva o−= ), entonces podemos utilizar las fórmulas de la tabla 2.1 para realizar

los siguientes ejercicios: Ejemplo 2.18 Un camión de carga viaja con una velocidad de 70 km/h, aplica bruscamente los frenos y se detiene en 15 segundos pues se le atravesó una vaca a 150 m. Calcular: a) La aceleración. b) La distancia total recorrida desde que aplicó los frenos para detenerse. c) ¿Atropelló a la vaca? Datos a)

Vo = 70 km/h = sms

hkmm

hkm /44.19

36001

1100070 =

t = 15 s v = 0 Fórmula Sustitución Resultado

tvva o−=

ssma

15/44.190−= a = -1.29 m/s

b) Fórmula Sustitución Resultado

tvvd o

+=2

( )ssmd 152

/44.190

+= d = 145.8 m

c) No, pero que susto se llevó. Sí se trata de un proyectil que se lanza verticalmente o se deja caer su aceleración será la gravedad que es de 9.8 m/s2 y su desplazamiento será vertical (altura = h). Ejemplo 2.19 Una piedra se deja caer desde la azotea de un edificio y tarda en llegar al suelo 4 segundos. Calcular: a) La altura del edificio. b) La velocidad con que choca con el suelo. a) Datos Fórmula

v = 0 2

2gttvh o += Como vo = 0; la ecuación queda:

t = 4 s

g = - 9.8 m/s2 2

2gth =

Fig. 2.6 Camión de carga


72

h = ? Sustitución

mmssmssmh 4.7828.156

2)16(/8.9

2)4(/8.9 2222

−=−=−=−=

El signo menos de la altura es porque se mide desde la azotea hasta el suelo. Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con el grupo. 1.- Un camión de pasajeros arranca desde el reposo manteniendo una aceleración constante de 0.6 m/s2. Calcular: a) El tiempo recorrido en 0.3 Km. b) La rapidez en ese tiempo. 2.- Un niño deja caer una pelota desde una ventana que está a 60 m de altura sobre el suelo. Calcular: a) El tiempo que tarda en caer b) La velocidad con que chocará con el suelo. En el caso de movimientos de proyectiles cuya trayectoria es parabólica como por ejemplo el movimiento de la pelota cuando Lorena Ochoa la golpea lanzándola al aire, cuando Guillermo Ochoa despeja el balón de fútbol desde la portería, cuando se lanza un proyectil de un avión, etcétera, la velocidad se tendrá que descomponer y tratarse horizontal y verticalmente con:

αcos0 ox vv = velocidad horizontal

αsenvv ooy = velocidad vertical

donde α es el ángulo que forma la vo con la horizontal. Ejemplo 2.21: Un jugador de fútbol golpea un balón con un ángulo de 37o con respecto a la horizontal, comunicándole una velocidad inicial de 20 m/s. Calcular: a) El tiempo que dura la pelota en el aire. b) La altura máxima alcanzada. c) El alcance horizontal. a) Datos Fórmulas Sustitución vo = 20m/s αcosoox vv = smsmvox /9.1537cos/20 ==

α = 370 αsenvv oox = smsensmvoy /1237)/20( ==

gvvt o−= 2/8.9

/12/12sm

smsmt−

−−=

ssmsmt 45.2/8.9/242 =

−−=

EJERCICIO 5

Fig. 2.6 Lorena Ochoa al golpear la pelota, ésta sale disparada con una trayectoria parabólica

Fig. 2.7 Guillermo Ochoa al despejar la pelota, el balón sigue una trayectoria parabólica

73


¡Ojo! Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer

los temas vistos en

clase.

b)

gvvh o

2

22 −= 2

22

2

2

/6.19/144

)/8.9(2)/12(0

smsm

smsmh

−−=

−−=

h = 7.34 m c) tvS xx = mssmSx 95.38)45.2)(/9.15( ==

Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con el grupo. 1.- Una pelota es lanzada horizontalmente desde una ventana con una velocidad inicial de 10 m/s y cae al suelo después de 4 segundos. Calcular: a) La altura en que se encuentra la ventana b) La distancia horizontal desde la base del edificio 2.- Un proyectil es lanzado con una velocidad inicial de 400 m/s y un ángulo de elevación de 300. Calcular: a) El tiempo que dura en el aire. b) La altura máxima alcanzada por el proyectil. c) El alcance máximo.

EJERCICIO 6

TAREA 3

Página 79.


74

75


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor 1.- Encontrar la velocidad angular y lineal de un cuerpo que tiene un radio de giro de 0.2m y un periodo de 0.5 s. 2.- Un móvil con trayectoria circular recorrió 820o ¿Cuántos radianes fueron? 3.- Determinar el valor de la velocidad angular y la frecuencia de una piedra atada a un hilo si gira con un periodo de 0.5 s. 4.- Hallar la velocidad angular y el periodo de una rueda que gira con una frecuencia de 500 rpm.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 1


76

5.- Un motor eléctrico gira a 900 rpm. Calcular: a) La velocidad angular, b) El desplazamiento angular después de 5 s y c) Si en el eje del motor se encuentra una polea de 7 cm de radio, ¿cuál es la velocidad lineal en la periferia de la polea? 6.- Cuál es la rapidez angular de: a) En el segundero, b) En el minutero y c) El horario de un reloj. 7.- Un clavadista efectúa dos vueltas y media de la plataforma de 10 m al agua de la alberca. Suponiendo que la velocidad inicial sea cero, calcular la velocidad angular promedio de su clavado.


______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

77


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor. 1.- Una cuerda gira inicialmente a 6 rev/s y después se somete a una aceleración angular constante de 4 rad/s2. a) ¿Cuál es su velocidad angular después de 5 s? b) ¿Cuántas revoluciones completará la rueda? 2.- Un mezclador eléctrico incrementó su velocidad angular de 20 rad/s a 120 rad/s en 0.5 s. Calcular el valor de su: a) Aceleración media b) Desplazamiento angular en ese tiempo 3.- Una rueda que gira a 4 rev/s aumenta su frecuencia a 20 rev/s en 2 s. Determinar el valor de su aceleración angular. 4.- Una banda gira con una velocidad angular inicial cuyo valor es de 15 rad/s y recibe una aceleración angular de 5 rad/s2 durante 12 s. Calcular: a) La velocidad angular en 12 segundos. b) Su desplazamiento angular.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2


78

5.- Una rueda gira a razón de 1200 r.p.m. y mediante la acción de un freno se logra detenerla después de dar 50 vueltas. Deducir la aceleración angular de frenado y el tiempo empleado en el fenómeno. 6.- Un volante necesita 3 segundos para conseguir un giro de 234 radianes. Si su velocidad angular al cabo de ese tiempo es de 108 rad/s, ¿cuál fue su aceleración angular, supuesta constante? ¿Y su velocidad angular inicial? 7.- Un volante gira a razón de 60 rpm y al cabo de 5 segundos posee una velocidad angular de 37,7 rad/s. ¿Cuántas vueltas dio en ese tiempo?


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INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor 1.- ¿Cuál es el valor de la aceleración lineal de una partícula cuya aceleración angular es de 3 rad/s2 y su radio de giro es de 20 cm? 2.- Un automóvil adquiere una velocidad de 6 Km/h al norte en 6 s. ¿Cuál es su aceleración en m/s2? 3.- Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad de 30 m/s. Calcular: a) La máxima altura. b) La velocidad a los 2 s. c) El tiempo cuando alcance 40 m de altura.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 3


80

4.- Un avión vuela horizontalmente con una velocidad de 800 km/h y deja caer un proyectil desde una altura de 600 m respecto al suelo. Calcular: a) El tiempo que tarda en caer. b) La distancia horizontal del proyectil después de iniciar su caída. 5.- Un jugador batea una pelota con una velocidad inicial de 25 m/s y con un ángulo de 40o sobre la horizontal. Calcular: a) La altura máxima alcanzada por la pelota. b) El alcance horizontal de la pelota.


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INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de la opción que consideres correcta.

1. La Tierra da una revolución completa sobre su eje en 24 h. Si el radio medio de la Tierra es de 6373 km, la

velocidad lineal de un punto sobre la superficie de la Tierra es:

265.54 m/s 266.37 m/s 463.45 m/s 4425.6 m/s

2. Se caracteriza por el hecho de que la aceleración angular es cero:

Rotación Uniforme Rotación Uniformemente acelerado Traslación Uniforme Traslación Uniformemente acelerado

3. Una llanta lleva una velocidad angular de 3 rad/seg y se detiene 10 seg después. Su aceleración angular es:

-300 rad/seg2 -3.3 rad/seg2 -0.3 rad/seg2

+0.3 rad/seg2 4. Un cuerpo que parte del reposo comienza a girar con aceleración uniforme dando 3600 revoluciones durante

dos minutos. ¿La aceleración angular es?

0.3 π rad/seg2

1 rad/seg2 π rad/seg2

2 rad/seg2 5. Un ventilador gira a 1200 rpm. La rapidez angular en un punto del aspa del ventilador es:

7539.8 rad/seg 125.6 rad/seg 40 rad/seg 20 rad/seg

Nombre _________________________________________________________



AUTOEVALUACIÓN


82

6. Un disco de acetato con 30 cm de radio da 400 rev en 8 seg. Su aceleración centrípeta en el extremo es:

50 rev/seg2 29578.8 m/seg2 94.2 m/seg2 1500 m/seg2

7. Una rueda de 80 cm de radio gira sobre un eje estacionario. Si parte del reposo hasta 1800 rpm en un

tiempo de 30 seg su aceleración tangencial es:

1 rev/seg2 1 m/seg2 5.024 m/seg2 5.024 rev/seg2

8. La celeración normal de un punto de la periferia de un volante de 1.5 m de radio es constante e igual a 15

m/seg2. Su velocidad lineal es:

150 rad/seg 75 rad/seg 3.16 rad/seg 4.74 rad/seg

9. Las revoluciones que dará una rueda que parte del reposo hasta alcanzar su velocidad de 2000 rpm en 20

seg es:

2030 rev 333 rev 33.3 rev 3.33 rev

10. Un automóvil parte del reposo y alcanza 95 km/h en 28 seg. Su desplazamiento durante ese tiempo fue de:

369.4 m 738.8 m 9576 m 2660 m

11. Un globo se está elevando con una velocidad de 2 m/s cuando se le cae una pelota. Si su altura en ese

instante es de 100 m. El tiempo en llegar al suelo es:

4.73 seg 9.46 seg 20.4 seg 30.4 seg

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12. Un balón sale con una velocidad de 20 m/seg y una dirección de 300 con la horizontal. Su alcance es de:

17.32 m 8.49 m 25.34 m 35.34 m

13. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?

Para mover un cuerpo hay que aplicarle una fuerza Si un cuerpo se mueve en línea recta, no hay fuerzas actuando sobre él Si un cuerpo se mueve en línea recta con velocidad constante, no interactúa ningún otro Cualquier cuerpo en trayectoria curvilínea está sujeto a una fuerza neta

14. Un disco que gira a ω = constante, con una frecuencia de 6 Hz. ¿Cuántas revoluciones realiza y que

longitud de arco recorre un punto localizado a 10 cm del centro en 10 segundos? 15 rev y 37.7 m 60 rev y 37.7 m 37.7 rev y 15 m 37.7 rev y 60 m


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85


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas, compáralos con tus compañeros y entrégaselos a tu profesor. 1. Convertir: a) 60 revoluciones en radianes b) 20π radianes en revoluciones c) 1520 rpm a rad/seg d) 4π rad/seg en rpm. 2. Una rueda de 90 cm de radio gira a 500 rpm. Calcular: a) La velocidad angular en un punto cualquiera de la misma b) La velocidad lineal de un punto situado en su periferia. 3. Una rueda que gira a razón de 120 rpm incrementa uniformemente su velocidad hasta 660 rpm en 6 segundos. Calcular: a) La aceleración angular en rev/seg2 y en rad/seg2 b) La aceleración lineal en un punto situado a 90 cm del eje c) Su desplazamiento angular durante ese tiempo


Nombre _________________________________________________________




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4. Una pelota de masa m está amarrada a un extremo de un cordel de 30 cm de longitud, y el otro extremo se encuentra sujeto a un punto fijo P. La pelota se mueve en un círculo horizontal como se muestra en la figura. Encontrar la rapidez de la pelota en su trayectoria circular si el cordel forma un ángulo de 30o con la vertical. 5. Una manguera de bomberos descarga agua con una velocidad de 25 m/seg. Sabiendo que la boquilla se localiza a 30 m de un edificio, determínese: a) La altura a la que puede llegar el agua b) El ángulo correspondiente 6. Una partícula de polvo cae de un ascensor que se está elevando a una velocidad de 2.5 m/seg. Si la partícula llega al piso en 2 seg. ¿A qué altura del piso estaba el ascensor cuando la partícula empezó a caer?

Figura del problema 4

θ

P

m

d

UUnniiddaadd 33 CCiinnééttiiccaa ddeell

CCuueerrppoo RRííggiiddoo

Objetivos: El alumno: Resolverá ejercicios y problemas relacionados con las leyes de Newton y los movimientos de traslación y rotación pura, mediante la aplicación experimental de los conceptos de las leyes de Newton.

Temario: 3.1 Aplicación de las Leyes de Newton, movimiento de traslación. 3.2 Fricción. 3.3 Energía cinética de rotación. 3.4 Ímpetu e impulso angular.

Organizador anticipado: A menor velocidad de rotación, mayor inercia. Si hay mayor velocidad de rotación hay menor inercia.


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LEYES DE NEWTON O LEYES DEL MOVIMIENTO

1a Ley de Newton. 2a Ley de Newton. 3a Ley de Newton. Inercia. Fuerza y aceleración. Acción y Reacción.

Se le llama fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración modificando la velocidad, la dirección y/o el sentido de su movimiento.

Las siguientes figuras ilustran las dos formas más comunes en las que utilizamos fuerzas para mover cuerpos, desplazándolos sobre superficies planas.

1a Ley. Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o con movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza no equilibrada actúe sobre él. El que la fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su velocidad sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza no equilibrada, incluido el rozamiento, en este caso un objeto en movimiento seguirá desplazándose a velocidad constante.

33..11..

EJERCICIO 1

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Cinética del Cuerpo Rígido

2a Ley. La aceleración a que adquiere un cuerpo cuando esta sujeto a la acción de un sistema de fuerzas no equilibrado, es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza resultante Fr e inversamente proporcional a su masa m. a = Fr/m Para entender cómo y por qué se aceleran los objetos, hay que definir la fuerza y la masa. La fuerza es la acción que al serle aplicada a un cuerpo permite que éste permanezca en reposo o con movimiento. Una fuerza neta cuyo valor sea diferente de cero ejercida sobre un objeto, lo acelerará; es decir, el cuerpo cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza resultante y tendrá la misma dirección y sentido que ésta. La constante de proporcionalidad es la masa m del objeto. La masa es la medida de la cantidad de sustancia o materia de un cuerpo y es universal. Ejemplo: Una masa de 3 kg se somete a una aceleración cuyas componentes ortogonales son ax = 6 m/seg2 y ay = 15 m/seg2. Calar la magnitud de la fuerza FR que produce dicha aceleración y la dirección de la misma. Datos:

M = 3 Kg.

ax = 6 m/seg2 .

ay = 15 m/seg2.

FR = ?.

F = m a

F = 3 * (2 i + 5 j)

F = (6 i + 15 j) Newton

De acuerdo a las indicaciones de tu profesor, resuelve el siguiente problema: Un lanzador tira horizontalmente hacia el frente una pelota de béisbol de 1.4 N de peso a una velocidad de 32 m/seg acelerando uniformemente a la pelota con su brazo durante 0.09 seg. Si la bola parte del reposo, calcular: a) La distancia se desplaza la pelota antes de acelerarse. b) La fuerza ejerce el lanzador sobre la pelota.

EJERCICIO 2


90

3a Ley. Si un cuerpo actúa sobre otro con una fuerza de acción FA (+), éste reaccionara contra el primer cuerpo con otra fuerza FR(-) de igual valor y dirección, pero de sentido contrario. FA = FR Es decir: FA – FR = 0

Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza (acción o reacción), este devuelve una fuerza de igual magnitud, igual dirección y de sentido contrario (reacción o acción). Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor. La tercera ley de Newton también implica la conservación del momento lineal, el producto de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no actúan fuerzas externas, el momento debe ser constante. En el ejemplo del adulto y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iniciales son cero, por lo que el momento inicial del sistema es cero. Durante la interacción operan fuerzas internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero. Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo. Después de que el adulto empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña del adulto debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño. Los momentos respectivos son iguales en magnitud pero de sentido opuesto, por lo que su suma es cero. Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento angular de un objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su distancia al eje. Cuando un patinador da vueltas cada vez más rápido sobre el hielo, prácticamente sin rozamiento, el momento angular se conserva a pesar de que la velocidad aumenta. Al principio del giro, el patinador tiene los brazos extendidos. Parte de la masa del patinador tiene por tanto un radio de giro grande. Cuando el patinador baja los brazos, reduciendo su distancia del eje de rotación, la velocidad angular debe aumentar para mantener constante el momento angular. Un libro colocado sobre una mesa es atraído hacia abajo por la atracción gravitacional de la Tierra y es empujado hacia arriba por la repulsión molecular de la mesa. Como se ve, se cumplen todas las leyes de Newton.

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3.1.1. Aplicaciones de las leyes de Newton. Aplicación de la 2a. Ley de Newton en la solución de problemas que implican movimiento de traslación y movimiento de rotación pura. Cuando se aplican las leyes de Newton, sólo debe de interesar el estudio de las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo.

Ejemplo, si un cuerpo está en reposo sobre una mesa, las fuerzas que actúan sobre él son: La fuerza normal n y el peso del cuerpo w, como se ilustran. La reacción a la fuerza normal n es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la mesa n'. La reacción al peso w es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la Tierra w'. En otro ejemplo se tiene una caja que se jala hacia la derecha sobre una superficie sin fricción, como se muestra en la figura de la izquierda. En la figura de la derecha se tiene el diagrama de cuerpo libre que representa a las fuerzas externas que actúan sobre la caja. Cuando un objeto empuja hacia abajo sobre otro objeto con una fuerza F, la fuerza normal n es mayor que el peso del objeto w. Esto es, n = w + F.


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En un tercer ejemplo se tiene un cuerpo de peso w suspendido del techo por una cuerda de masa despreciable. Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son el peso w y la fuerza ejercida por la cuerda T. Las fuerzas que actúan sobre la cuerda son la fuerza ejercida por el peso T' y la fuerza ejercida por el techo T''.

A continuación, se hace una serie de sugerencias que te serán útiles para la solución de problemas en los cuales intervienen las leyes de Newton.

1. Dibuja un diagrama sencillo y claro del sistema. 2. Aísla el objeto cuyo movimiento se analiza y dibuja un diagrama de

cuerpo libre para el sistema de fuerzas; es decir, un diagrama que muestre todas las fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo. Para sistemas que contienen más de un objeto, dibuja diagramas de cuerpo libre independientes para cada uno de ellos.

3. Establece ejes de coordenadas convenientes para cada objeto y determina las componentes de las fuerzas sobre estos ejes. Aplica la segunda ley de Newton, en la forma de componentes. Verifica sus dimensiones, para asegurarte que todos los términos tengan unidades de fuerza.

4. Resuelve las ecuaciones planteadas recordando que estas debe se tantas como incógnitas debas de resolver.

5. Verifica los resultados ya que es posible que hayas cometido errores de cálculo.

Ejemplo. Un bloque se desliza hacia abajo por un sin fricción que tiene una inclinación de θ = 150. Si el bloque parte del reposo en la parte superior y la longitud de la pendiente es 2 metros. Calcular: a) La magnitud de la aceleración del bloque. b) Su velocidad cuando alcanza el pie de la pendiente.

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Datos: θ = 15°

d = m.

g = 9.8 m/s2

Σ FY = 0

WY – N = 0

WY = N como: WY = W cos

W cos θ = N

Σ FX = m a

WX = m a

Pero: WX = W sen

g sen = a

a = 9.8 sen 15 = 9.8 ( 0.258)

a = 2.536 m/seg2


94

FFRRIICCCCIIÓÓNN..

Antes abordar el estudio de la fuerzas de rozamiento, es indispensable tener presentes los siguientes conceptos. La fuerza llamada PESO. Cada partícula de un cuerpo es atraída por la Tierra con una fuerza igual al peso de esa partícula. El sentido de cada una de esas fuerzas está dirigido hacia el centro de la Tierra y se las considera paralelas entre sí. De tal manera, se considera a la fuerza Peso del cuerpo como la resultante de todas esas fuerzas paralelas. El Peso de un cuerpo es la fuerza con que el cuerpo es atraído por La Tierra en dirección a su centro. El vector Peso de un cuerpo sigue la dirección de la vertical, y su punto de aplicación se denomina teóricamente centro de gravedad o baricentro. En los cuerpos de forma regular y con peso uniforme su baricentro coincide con su centro geométrico. La fuerza normal. Supongamos que un bloque de masa m está en reposo sobre una superficie horizontal como se muestra en la figura, las únicas fuerzas que actúan sobre él son su peso w = mg y la fuerza de contacto de la superficie. La fuerza ejercida por la superficie soporta el bloque, manteniéndolo en reposo. Ya que la aceleración del bloque es cero, y esto significa que la fuerza de contacto es la fuerza normal N, porque tiene dirección perpendicular, o normal, a la superficie, así en la figura N = mg a fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce el plano sobre el bloque depende del peso del bloque, la inclinación del plano y de otras fuerzas que se ejerzan sobre el bloque. Si ahora, el plano está inclinado un ángulo θ, el bloque está en equilibrio en sentido perpendicular al plano inclinado por lo que la fuerza normal N es igual a la componente del peso perpendicular al plano, w = mg Cos θ Por lo que en este caso el valor del vector fuerza normal N se obtiene de la siguiente forma: N=mg Cos θ Es también muy importante tomar en cuenta que: Siempre que se pretende que un cuerpo en estado de reposo se empiece a mover o si este se mueve través de una superficie o a través de un medio viscoso, como el aire o el agua, hay una fuerza que se opone al movimiento debido a que el cuerpo interactúa con sus alrededores. Dicha resistencia recibe el nombre de fuerza de fricción.

33..22..

95


La Fricción se define como fuerza de rozamiento entre dos superficies en contacto, y es la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra, fuerza de fricción cinética, o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento, fuerza de fricción estática. Se genera debido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo, que simbolizaremos con la letra griega φ para diferenciarlo de otros ángulos, con la normal; llamado ángulo de rozamiento. Por tanto, esta fuerza resultante se compone de la fuerza normal N, la cual es perpendicular a las superficies en contacto y de la fuerza de rozamiento, paralela a las superficies en contacto. Como se mencionó anteriormente existen dos tipos de fuerzas de rozamiento o fricción, la fricción estática y la fricción cinética. La primera es una resistencia que se debe superar para poner movimiento a un cuerpo con respecto a otro cuando se encuentran en contacto. La segunda es una fuerza de magnitud constante que se opone al movimiento una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro es que el estático actúa cuando el cuerpo está en reposo y el cinético cuando está en movimiento. No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento cinético y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es mayor que el cinético, porque al permanecer en reposo ambas superficies, pueden aparecer enlaces iónicos, o incluso micro soldaduras entre las superficies. Este fenómeno es tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común es el del interior del motor que por estar mucho tiempo parado diferentes factores como la temperatura, la humedad y el polvo provocan que al permanecer las superficies del pistón y los cilindros durante largo tiempo en contacto y en reposo, se pueden llegar a soldar entre sí. Y un ejemplo bastante simple de fricción cinética es la ocurrida con las llantas de un auto al frenar. 3.2.1. Coeficiente de de fricción o de rozamiento. La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas, son extremadamente rugosas a escala microscópica.

Rozamiento por deslizamiento. (a) El cuerpo de arriba va deslizando hacia la derecha sobre el cuerpo de abajo en este diagrama amplificado. (b) Un diagrama más amplificado mostrando dos sitios en donde ha ocurrido adherencia superficial. Se requiere una fuerza para separar estas soldaduras y conservar el movimiento.


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Cuando dos superficies son puestas están en contacto, el movimiento de una respecto a la otra, genera fuerzas tangenciales que definimos anteriormente como fuerzas de fricción, las cuales tienen sentido contrario a la fuerza aplicada. La naturaleza de este tipo de fuerza esta ligada a las interacciones de las partículas microscópicas de las dos superficies que se encuentran en contacto. El coeficiente de fricción es una cantidad adimensional que expresa la oposición que ofrecen dichas superficies al movimiento relativo de una con respecto a la otra. Usualmente se representa con la letra griega µ. El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales, y no una propiedad intrínseca de un material en especial. Depende además de muchos factores como la temperatura, el acabado o rugosidad de las superficies en contacto, la velocidad relativa entre las superficies, el tiempo que las superficies duran en contacto, etcétera, por lo que su valor se determina experimentalmente. Sin embargo, existen manuales especializados en los que se pueden consultar un gran número de coeficientes de fricción de los materiales mas utilizados. EJEMPLO. Coeficiente de rozamiento de algunas sustancias:

Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias

Materiales en contacto Fricción estática Fricción cinética

Hielo // Hielo 0,1 0,03

Vidrio // Vidrio 0,9 0,4

Vidrio // Madera 0,2 0,25

Madera // Cuero 0,4 0,3

Madera // Piedra 0,7 0,3

Madera // Madera 0,4 0,3

Acero // Acero 0,74 0,57

Acero // Hielo 0,03 0,02

Acero // Latón 0,5 0,4

Acero // Teflón 0,04 0,04

Teflón // Teflón 0,04 0,04

Caucho // Cemento (seco) 1,0 0,8

Caucho // Cemento (húmedo) 0,3 0,25

Cobre // Hierro (fundido) 1,1 0,3

Esquí (encerado) // Nieve (0ºC) 0,1 0,05

Articulaciones humanas 0,02 0,003

Coeficientes de fricción estática y dinámica. Usualmente se distinguen dos valores. Como se ilustra en la tabla anterior. Coeficiente de rozamiento estático µe: se mide cuando ambas superficies en contacto están en reposo.

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Coeficiente de rozamiento dinámico µd: se mide cuando ambas superficies están en movimiento relativo el uno respecto del otro, puede moverse una sola superficie o ambas. El coeficiente de rozamiento dinámico es, para la mayoría de los pares de materiales, menor que el estático, cosa que puede comprobarse fácilmente. Cuando intentamos empujar un objeto pesado comprobamos que la fuerza que tenemos que realizar para que se comience a mover es mayor que la fuerza necesaria para mantenerlo movimiento. Parece como si el bloque estuviera inicialmente pegado al suelo de modo que una vez que lo despegamos se desliza con cierta facilidad. Cálculo de la fuerza de rozamiento Conocido el valor del coeficiente de rozamiento aplicable a nuestro caso, la fuerza de rozamiento FR máxima que puede ejercer una superficie sobre la otra se expresa como el producto del coeficiente de rozamiento µ por la fuerza normal N, perpendicular, a ambas superficies. Leyes del rozamiento para cuerpos sólidos. La fuerza de rozamiento es paralela a la dirección de la superficie de apoyo. El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de la superficie de contacto. El coeficiente de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies. La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto. Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes del movimiento que cuando se está en movimiento. En el primer caso el fenómeno recibe el nombre de fricción estática o fricción seca, en el segundo el de fricción cinética o fricción viscosa. Para comprender mejor la forma que actúan las fuerzas de fricción se tienen las siguientes leyes empíricas: La dirección de la fuerza de fricción estática Fe entre cualesquiera dos superficies en contacto se opone a la dirección de cualquier fuerza aplicada y su valor se puede obtener mediante: Fe eN En donde la constante adimensional e recibe el nombre de coeficiente de fricción estática, y N es la magnitud de la fuerza normal. La dirección de la fuerza de fricción cinética Fc que actúa sobre un objeto es opuesta a la dirección de su movimiento y está dada por: Fc = cN En donde c es el coeficiente de fricción cinética.


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Los valores de c y e dependen de la naturaleza y rugosidad de las superficies y se obtienen experimentalmente, aunque c es, por lo general, menor que e. Los valores característicos de varían de casi siempre de 0.05 hasta 1.5. Antes de resolver problemas de aplicación de las leyes de Newton es muy importante aprender a dibujar diagramas de cuerpo libre. 3.2.2. Diagrama de Cuerpo Libre. Con el fin de tener buenos resultados al aplicar la segunda ley de Newton a un sistema mecánico, se debe ser capaz, primero, de saber y reconocer todas fuerzas que actúan sobre el sistema. Es decir, debemos poder construir el diagrama de cuerpo libre correcto. Cuando se hace un diagrama de cuerpo libre se deben de tomar en cuenta cada uno de los elementos que interactúan en el sistema. A continuación, se muestran algunos ejemplos de diagramas de cuerpo libre, para eso se debe saber que: F denota cierta fuerza aplicada, w = mg es el peso o fuerza que la gravedad ejerce sobre los cuerpos, n es la fuerza normal, f es la fuerza de fricción y T es la fuerza de tensión en la cuerda que jala al objeto. A la izquierda se ilustran varios sistemas mecánicos y a la derecha los diagramas de cuerpo libre correspondientes. El término rugoso significará únicamente que la superficie tiene fricción.

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3.2.3. Fuerza de fricción estática. Existe una fuerza de fricción entre dos objetos que no están en movimiento relativo. Tal fuerza se llama fuerza de fricción estática. En la siguiente figura aplicamos una fuerza F que aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como en todos estos casos la aceleración es cero, la fuerza F aplicada es igual y opuesta a la fuerza de fricción estática Fe , ejercida por la superficie.

La máxima fuerza de fricción estática Fe max , corresponde al instante en que el bloque está a punto de deslizar. Los experimentos demuestran que: Fe máx = eN. Donde la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción estática. Por tanto, la fuerza de fricción estática varía, hasta un cierto límite para impedir que una superficie se deslice sobre otra: Fe máx <= e.

Ejemplo. El objetivo de este ejemplo, es analizar el movimiento de los tres cuerpos que forman el sistema que aparece en la figura. Un cuerpo A cuelga de una cuerda que pasa a través de una polea de masa despreciable y que está unida a un bloque B que puede deslizar a lo largo de un plano horizontal. Sobre el bloque B se coloca un cuerpo C. Se supone que el rozamiento entre el cuerpo B y el plano horizontal es despreciable. Mientras que existe un rozamiento entre el cuerpo C y el cuerpo B.


100

Este ejemplo puede servir como experiencia simulada para medir el coeficiente de rozamiento estático. Se va variando la masa del cuerpo A; es decir, la aceleración del sistema, hasta observar que el cuerpo C comienza a deslizar sobre el cuerpo B. Con los datos de las masas de los tres cuerpos calculamos la aceleración del sistema y a partir de este dato determinamos el coeficiente de rozamiento estático. De la siguiente forma: En la figura, vemos el diagrama de fuerzas, a partir del cual obtenemos las ecuaciones del movimiento de cada uno de los cuerpos en las distintas situaciones Cuando el cuerpo C está en reposo sobre el cuerpo B. Ambos tienen la misma aceleración a que la del cuerpo A

mAg-T=mA·a Movimiento del cuerpo A T-Fr=mB·a Movimiento del cuerpo B Fr=mC·a Movimiento del cuerpo C La fuerza de rozamiento Fr es la que hace que el cuerpo C esté ese mueva con el cuerpo B: el cuerpo B ejerce una fuerza Fr sobre el cuerpo C dirigida hacia la derecha. Por el Principio de Acción y Reacción el cuerpo C ejerce una fuerza igual y de sentido contrario sobre el cuerpo B. De estas ecuaciones obtenemos la aceleración a y la fuerza Fr de rozamiento entre los cuerpos B y C.

Cuando el cuerpo C va a empezar a deslizar sobre el cuerpo B Cuando Fr=mC·a alcance el valor máximo sN o bien, smCg, el cuerpo C va a empezar a deslizar sobre el cuerpo B. s es el coeficiente de rozamiento estático.

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Incrementando la masa de A, incrementamos la aceleración, en el momento en el que el cuerpo C va a empezar a deslizar se cumple que a= sg Calculamos la aceleración crítica a, a partir de los valores de las masas mA, mB y mC en la fórmula anterior y a continuación, obtenemos el valor del coeficiente de rozamiento estático. Cuando el cuerpo C desliza sobre el cuerpo B

Cuando se incrementa aún más la masa de A, se incrementa la aceleración a, el cuerpo C desliza sobre el cuerpo B, el valor de la fuerza de rozamiento disminuye y vale ahora Fr= kmC·g Donde k es el coeficiente de rozamiento por deslizamiento. Las aceleraciones a del cuerpo B y la aceleración a' del cuerpo C ya no son las mismas mAg-T=mA·a Movimiento del cuerpo A T-Fr=mB·a Movimiento del cuerpo B Fr=mC·a’ Movimiento del cuerpo C

Fr= kmC·g Fuerza de rozamiento

Como la aceleración a de B, es mayor que la aceleración a’ de C, la aceleración relativa de C respecto de B, es a’-a. Desde el punto de vista de un observador situado en B, el cuerpo C se mueve hacia atrás con una aceleración |a’-a|.


102

El cuerpo C tarda en llegar alfinal del cuerpo B un tiempo t,dado por

donde x es la distancia recorridadel cuerpo C sobre el cuerpo B.

La velocidad con respecto al Laboratorio del cuerpo C cuando abandona el cuerpo B será

donde t es el tiempo que C está deslizando sobre B. En el momento en el que el cuerpo C abandona el bloque B, la aceleración del sistema formado por los bloques A y B cambia,

mAg-T=mA·a Movimiento del cuerpoA

T=mB·a Movimiento del cuerpoB

El cuerpo C abandona el cuerpo B

Ahora el cuerpo C quetiene una velocidad inicialvC dirigida hacia laderecha, se mueve bajo lasola influencia de supeso. Describe, por tanto,un movimiento curvilíneobajo la aceleraciónconstante de la gravedad,o un tiro parabólico.

El tiempo que tarda en llegar al plano horizontal es

donde h es la altura del bloque B. La distancia que recorre horizontalmente es x=vCt

103


El cuerpo C desliza sobre el plano horizontal

Una vez que elcuerpo C entra encontacto con elplano horizontal,sobre el cuerpo Cactúa una fuerza derozamiento que haceque se pare al cabode un cierto tiempo.

Suponemos que la fuerza de rozamiento entre el plano horizontal y el bloque C, es la misma que entre el bloque C y el bloque B. El cuerpo C, con una velocidad inicial horizontal vC, se parará después de haber recorrido una distancia x, dada por

Fuerza de fricción cinética En la siguiente figura mostramos un bloque de masa m que se desliza por una superficie horizontal con velocidad constante. Sobre el bloque actúan tres fuerzas: el peso mg , la fuerza normal N, y la fuerza de fricción Fk entre el bloque y la superficie. Si el bloque se desliza con velocidad constante, la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de fricción Fk.

Podemos ver que si duplicamos la masa m, se duplica la fuerza normal N, la fuerza F con que tiramos del bloque se duplica y por tanto Fk se duplica. Por tanto la fuerza de fricción cinética Fk es proporcional a la fuerza normal N. Fk = k N La constante de proporcionalidad k es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de fricción cinético. FRICCIONES. Ejemplo: Una mujer en el aeropuerto jala su maleta de 20 kg con una rapidez constante. La correa de la maleta forma un ángulo θ con respecto a la horizontal. La mujer jala la correa con una fuerza de 35N. La fuerza de fricción que hay entre la maleta y el piso es de es 20 N. Dibuja un diagrama de cuerpo libre para la maleta y calcula:


104

a) El ángulo que forma la correa con la horizontal. b) La fuerza normal que ejerce el piso sobre la maleta.

Datos:

m = 20 Kg.

F = 35 N.

FR = 20N.

a) θ =?

b) N =?

a) ∑ FX = 0 (No existe aceleración por que se desplaza a velocidad constante)

FX – FR = 0

FX = FR

Como: FX = F cos θ Tenemos que:

F cos θ = FR

35 cos θ = 20N

θ = cos-1 0.5714

θ = 55.150

b) ∑ FY = 0

N + FY – W = 0

N = W - FY

Como: FY = F sen θ

FY = 35 N sen 55.150

FY = 28.7227 N

N = W - FY N

N = m g – FY

N = 20 Kg. ( 9.8 m/s2) – 28.7227 N

N = 196 N – 28.7227 N

N = 167.27 N

105


Ejercicio 2.De acuerdo con las indicaciones de tu profesor resuelve el siguiente problema. Un bloque de 3 kg parte del reposo en la parte superior de un plano inclinado que tiene una pendiente de 300. Y se desliza 2 metros hacia abajo en 1.5 seg. Dibuja una figura que ilustre el enunciado del problema y el diagrama de cuerpo libre correspondiente que te ayuden a calcular lo siguiente: a) La magnitud de la aceleración del bloque. b) El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano. c) La fuerza de fricción que actúa sobre el bloque. d) La rapidez del bloque después de que se ha deslizado 2 metros. 3.2.4. Principio Fundamental de la Dinámica de Traslación: El cambio de movimiento, llamado cantidad de movimiento p, que experimenta un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que se ejerce sobre él. Tiene la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada. Actualmente a la cantidad de movimiento también se le da el nombre de momento lineal. La cantidad de movimiento o momento lineal p se define como el producto de la masa m de un cuerpo en movimiento por su velocidad v. p = mv Al ser la masa una magnitud escalar y la velocidad una magnitud vectorial, la cantidad de movimiento ha de ser necesariamente vectorial de dirección y sentido iguales las del vector velocidad. Si se modifica la velocidad de un cuerpo por la acción de una fuerza externa, ya sea en valor, dirección y/o sentido, se modifica, y en consecuencia, su cantidad de movimiento. Este cambio no es inmediato, sino que lleva instantes de tiempo. Así pues podemos relacionar la variación de momento lineal con el tiempo y la fuerza de la siguiente forma: F = p/ t Por lo tanto. F = p-po /t-to Tomando en cuenta que. a = v/ t De esta manera reobtiene otra forma de representar matemáticamente la 2a Ley de Newton, que es la expresión conocida como Ecuación de la Dinámica de Traslación, como se estudia en cinemática. F = ma De esta forma podemos redefinir esta ley como: Si sobre un cuerpo actúan una o varias fuerzas cuya resultante sea diferente de cero, este adquiere una aceleración con un valor que es directamente proporcional al valor de la o las fuerzas e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. a = F/m Los sistemas de fuerzas en los que esta ley no se verifica se llaman sistemas no inerciales.


106

ENERGÍA CINÉTICA DE ROTACIÓN.

Las leyes de Newton facilitan la comprensión y el análisis de muchos problemas de mecánica. Ahora vamos a examinar otro método basado en uno de los conceptos verdaderamente fundamentales y universales de la Física: la energía. Hay muchas clases de energía, por ahora abordaremos principalmente la energía cinética rotacional, que se relaciona con un cuerpo rígido en movimiento. 3.3.1. Trabajo de un peso. En el curso de Física I (tema 3.2) se definió el trabajo como el producto de un desplazamiento por la componente de la fuerza en la dirección del

desplazamiento. θCosdFT→→

= . El trabajo del peso de un cuerpo, es decir, el que la gravedad ejerce sobre ese cuerpo, se obtiene al sustituir peso (P) por fuerza, por lo tanto el trabajo será:

hPTrabajo ⋅−= Donde h es la altura que se desplazará el cuerpo. Ahora consideremos el trabajo realizado en el desplazamiento rotacional bajo la influencia de un momento de torsión resultante. Considerando la fuerza F que actúan al borde de una polea de radio r, como se muestra en la figura 3.4. El efecto de dicha fuerza es hacer girar la polea a través

de un ángulo θ mientras el punto en el que se aplica la fuerza se mueve una

distancia “s”. La distancia del arco “s” se relaciona con un θ mediante.

θrs =

Así, el trabajo de la fuerza F es por definición

θFrFsTrabajo ==

pero Fr es el momento de torsión debido a la fuerza, por lo tanto

τθ=Trabajo

La energía mecánica generalmente se transmite en forma de trabajo rotacional. Cuando hablamos de la potencia de salida que desarrollan las máquinas, lo que nos interesa es la rapidez con que se realiza el trabajo rotacional. Por lo tanto, la potencia rotacional puede determinarse dividiendo ambos lados de la ecuación por el tiempo t requerido para que el momento de torsión τ lleve a cabo un

desplazamiento θ .

ttTrabajoPotencia τθ==

Puesto que tθ representa la velocidad media angular ϖ , escribimos

33..33..

t=0 s θ F r t=t F

Figura 3.x. Movimiento de rotación

El ángulo θ debe expresarse en radianes en cualquier sistema de unidades de modo que el trabajo pueda expresarse en Joule, Ergios o libras-pie.

107


τϖ=Potencia Observe la similitud entre esta relación y su análoga υFP = . Ejemplo 3.x Calcular el trabajo para levantar verticalmente una escalera de 2.5 m de longitud cuya masa es de 20 kg, si ésta tiene su centro de gravedad a 1.6 m del nivel inferior y se encuentra horizontalmente El trabajo que se realiza contra la gravedad para poner verticalmente la escalera es igual al peso de la escalera por la distancia al centro de gravedad.

αPhCosT = Como el ángulo es cero y P=mg, entonces:

10 =Cos y P=(20kg)(9.8m/seg2) = 196 Nw

JoulesmNwT 6.313)6.1)(196( == 1. Una gata decide trasladar su camada de 6 gatitos, cada una de 200 gr de

tal manera que los lleva (uno por uno) 10 m por el piso horizontal con rapidez constante y luego los sube a una caja situada a 3 m sobre el piso, por una escalera. Calcular el trabajo realizado por la gata.

2. Una lámpara de 2 kg se desprende del techo y cae sobre el piso, desde

una altura de 2.5 m. Calcular la Energía potencial y cinética antes de soltarse. Obtener el trabajo que realiza la lámpara al caer.

3.2.2 Ley de la conservación de la energía V m5 m m4 m3 θ r m2 m1

Una partícula que se mueve en un círculo de radio R tiene una velocidad lineal Rων = Si la partícula tiene una masa m tendrá una energía cinética igual a

Figura del ejemplo3.x

EJERCICIO 3

TAREA 1

Página 115.


108

222

21

21 Rmmk ωυ ==Ε

Un cuerpo rígido se puede considerar formado por muchas partículas de diferentes masas localizadas a diversas distancias del eje de rotación 0. La energía de cinética total de un cuerpo será entonces la suma de las energías cinéticas de cada partícula que forma el cuerpo.

22

21 rmk ω∑=Ε

Puesto que la constante ½ y la velocidad angular w son las mismas para todas las partículas, se puede reorganizar la ecuación anterior y obtener:

( ) 22

21 ω∑=Ε mrk

La cantidad entre paréntesis, ∑ 2mr tiene el mismo valor para un cuerpo dado

independientemente de su estado de movimiento. Se define esta cantidad como “el momento de inercia” y se representa por I:

...332211 +++=Ι rmrmrm

O bien

∑=Ι 2mr

La unidad del SI para la I es el kilogramo- metro al cuadrado. Utilizando esta definición, podemos expresar la energía cinética rotacional de un cuerpo en términos de su momento de inercia y de su velocidad angular. Nota la similitud entre los términos m para el movimiento lineal e I para el movimiento rotacional. La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Se mide en Joule que corresponde a 1 Nw m. Energía cinética: el trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo es igual a una variación de su energía cinética:

c∆Ε=ω

2

21 υmc =Ε

Energía potencial: el trabajo realizado por una fuerza conservativa sobre un cuerpo es igual a la disminución de la energía potencial:

p∆Ε−=ω

mghp =Ε

Si es la fuerza conservativa la única fuerza que actúa sobre el cuerpo podemos decir que:

pc ∆Ε=∆Ε

0=∆Ε+∆Ε pc

Si sobre un cuerpo sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica se conserva en todos los puntos de su trayectoria.

109


Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza para trasladar una partícula material de un punto A a otro B o depende del camino seguido sino tan sólo de los puntos inicial y final. El trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la suma del trabajo realizado por las fuerzas conservativas más el trabajo realizado por las fuerzas no conservativas.

cncct ∆Ε=+= ωωω

pcnc ∆Ε+∆Ε=ω

∆Ε=ncω

Ejemplo3.2x En un esfuerzo por ser estrelle del espectáculo durante el intermedio, una bastonera hace girar un bastón hecho con 4 esferas sujetas a los extremos de varillas ligeras, a una altura inusual (fig. 3.2x). Cada varilla mide 1.0 m de largo. Determine el momento de inercia del sistema alrededor de un eje perpendicular a la página y que pase por el punto donde se cruzan las varillas. Solución:

Al aplicar la ecuación 2mrI Σ= obtenemos 2

442

332

222

112 rmrmrmrmmrI +++=Σ=

2222 )5.0)(3.0()5.0)(2.0()5.0)(3.0()5.0)(2.0( mkgmkgmkgmkgI +++= 225.0 mkgI ⋅=

1. Calcular el momento de inercia del sistema que se muestra en la figura 3.2. Considerando que el peso de las barras que sostienen las masas es despreciable y el sistema gira con una velocidad angular de 5 rad/seg. Calcular la Energía Cinética rotacional (Considerar que las masas están concentradas en un punto).

Figura del ejemplo 3.2

EJERCICIO 4


110

ÍÍMMPPEETTUU EE IIMMPPUULLSSOO AANNGGUULLAARR..

Como decíamos la cantidad de movimiento angular es un vector cuya magnitud es

ωIL = y que está dirigido a lo largo del eje de rotación. Si la torca resultante sobre el cuerpo es cero, la cantidad de movimiento angular permanece constante tanto en magnitud como en dirección. A esta ley se le conoce como Ley de conservación de momento angular. De acuerdo con la ecuación fundamental del movimiento angular, ατ I= y

tof ωω

α−

= por lo tanto la segunda ley de Newton quedaría:

tI of ωω

τ−

=

Multiplicando por t, obtenemos:

of IIt ωωτ −=

Impulso angular = cambio en cantidad de movimiento angular 3.4.1. Momento de inercia de figuras regulares El momento de inercia es una magnitud cuyo valor depende de la distribución de la masa respecto del eje considerado, por lo tanto un mismo cuerpo puede tener infinitos momentos de inercia. Si los elementos de masa de un objeto se distribuyen paralelos al eje de rotación, el momento de inercia del objeto no cambia. Por lo tanto, la expresión I = MR2 se puede usar con igual eficiencia para calcular el momento de inercia axial de un anillo de bordado o de un largo tubo de drenaje. De igual modo, una puerta que gira en sus bisagras se describe con la misma expresión de momento de inercia que la tabulada para una varilla larga y delgada que gira alrededor de su extremo. A continuación tenemos algunas figuras regulares con su momento de inercia CILINDRO MACIZO Respecto a su eje Respecto a eje por su centro

(deducción) (deducción)

33..44..

El trompo gira

sobre un eje

111


CAPA CILÍNDRICA

Respecto a su eje Respecto a eje por su centro


CILINDRO HUECO RESPECTO A SU EJE

(deducción) VARILLA DELGADA

Respecto a eje perpendicular por centro Respecto a eje perpendicular porextremo



112

ESFERA Maciza respecto a un diámetro Corteza respecto a diámetro

(deducción) (deducción) DISCO

Respecto a un diámetro Respecto a eje perpendicular en sucentro

(deducción) (deducción) PARALELEPÍPEDO RECTANGULAR MACIZO Eje por su centro y perpendicular a una cara

(deducción)

113


PLACA PLANA RECTANGULAR Eje por centro de masa paralelo a unlado Eje por un lado

(deducción)

(deducción)

Ejemplo Una esfera uniforme de 600 g y de 8 cm de radio gira a 40 rev/seg a través del eje que pasa por el centro. Calcular su: a) Energía cinética rotacional b) Cantidad de movimiento angular, y c) Radio de giro Solución El momento de inercia de una esfera uniforme alrededor de un eje que pasa por su centro se calcula con:

2

52MrI =

Sustituyendo

mkgmkgI ⋅== 001536.0)08.0)(6.0(52 2

a) Como segrev /40=ω = 251.3 rad/seg, entonces

JoulessegradmkgIEcr 5.48)/3.251)(001536.0(21

21 222 =⋅== ω

b) La cantidad de movimiento angular se obtiene con:

segmkgsegradmkgIL /3859.0)/3.251)(001536.0( 22 ⋅=⋅== ω


114

¡Ojo! Recuerda que debes resolver la autoevaluación y los

ejercicios de reforzamiento; esto te ayudará a enriquecer los

temas vistos en clase.

c) Para cualquier objeto, 2MkI = , donde k es el radio de giro o bien es la distancia a la cual se debe colocar una masa puntual M, si la masa va a tener la misma I que tiene el cuerpo real. Por lo tanto:

MIk = =

kgmkg

6.0001536.0 ⋅

mk 05.0= = 5 cm Ejemplo Un disco sólido rueda sobre una pista; en la parte alta de una colina su rapidez es de 0.9 m/seg. Eliminando las fuerzas disipativas, ¿Cuál será la rapidez cuando se encuentre a 20 cm por debajo de la cima? En la cima, el disco posee Ect y Ecr además de la Epg relativa al punto 20 cm abajo. En el punto final, se elimina la Epg quedando la Ect más la Ecr; por lo tanto, con h=20cm

finalrtinicialrt EcEcmghEcEc )()( +=++

2222

21

21

21

21

ffii ImvmghImv ωω +=++

Como se trata de un disco sólido, 2

21mrI = . También rv /=ω . Al sustituirse

se obtiene

2222

41

21

41

21

ffii vvghvv +=++

Si sustituimos la v0 = 0.9 m/seg y la h = 0.2 m en la fórmula anterior para despejar vf nos quedaría:

segmv f /85.1=

1. Un disco sólido de 15 kg rueda sobre una superficie horizontal a razón de 5 m/s. Calcular su Energía cinética. 2. Un anillo de 5 cm de radio parte del reposo y rueda hacia debajo de una colina hasta un punto que se encuentra 2.0 m por debajo del punto inicial. Calcular la rapidez en ese punto. 3. Una rueda de 5.0 kg que tiene 30 cm de radio de giro, está rodando a 420rpm. La torca debida a la fuerza de fricción es de 0.2Nw·m. Calcular el tiempo necesario para llevar la rueda hasta el reposo.

TAREA 2

Página 117.

EJERCICIO 5

115


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor. 1. Una saco de cemento de 50 kg se eleva hasta una altura de 30 m en 1.0 min, calcular la potencia

necesaria en Hp. 2. Un motor de 50 Hp hace funcionar un ascensor de masa igual a 1000 kg. Calcular el tiempo

requerido para que el ascensor suba 35 m.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 1


116

3. Calcular el trabajo realizado al elevar un cuerpo de 10 kg hasta una altura de 5 m en 2 seg.

Expresarla en Joules y en Ergios.


______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

117


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor. 1. Una cuerda enrollada en un disco de 4 kg y 20 cm de diámetro recibe una fuerza de tracción de 50 N

que la desplaza una distancia lineal de 4 m. Calcular el trabajo lineal realizado por la fuerza de 50 N y el trabajo rotacional realizado sobre el disco.

2. Una barra delgada de 90 cm de largo tiene una masa de 5 kg. Si la barra se apoya sobre su centro y gira

con una velocidad de 20 rad/seg., calcular su cantidad de movimiento

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2


118

3. Una varilla de 400 gr y 40 cm de longitud oscila sobre su centro y gira a 200rpm. Calcular el momento

angular. 4. Un motor de 1500 W impulsa en 6 seg una rueda cuyo momento de inercia es 3 kg·m2. Si la rueda parte

del reposo, ¿qué rapidez angular media llegó a adquirir?


______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

119


INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de la opción que consideres correcta. 1. Selecciona la afirmación verdadera.

Las columnas que sostienen el aula realizan mucho trabajo al sostener carga. Un alumno que carga su mochila en el trayecto de su casa realiza trabajo. Juan, que empuja su carro hasta el taller, realiza trabajo. Todas las anteriores.

2. Una pelota de softbol, un balón de voleibol y uno de basketball se suelta al mismo tiempo desde la cima de

un plano inclinado. ¿Quién llega primero?

La pelota de softbol El balón de voleibol El balón de basketball Llegan todos iguales

3. Una patinadora disminuye su velocidad angular al extender los brazos por:

Perder la mayor parte de su energía al hacer actuar fuerzas no conservativas. Aumentar el rozamiento de sus patines. Aumentar su momento de inercia. Aumentar el rozamiento de sus brazos con el aire.

4. Un volante de masa 20 kg gira a 600 rpm alrededor de su eje. Si el radio de giro del volante es de 0.5 m, su

energía cinética de rotación es:

9869.6 J 10000 J 9354.6 J 8754.5 J

5. ¿Cuál de las siguientes ecuaciones dimensionales es falsa?

Momento de una fuerza: m·l2 ·t-2 Momento angular: m·l2 ·t-1 Impulso angular: m·l·t-2 Cantidad de movimiento: m·l·t-1

Nombre _________________________________________________________



AUTOEVALUACIÓN


120

6. Es el caso de traslación, rotación y de ambos al mismo tiempo.

Un carro desplazándose, nuestro planeta y un disco, tocando en el estéreo Un carro desplazándose, un disco, tocando en el estéreo y nuestro planeta Nuestro planeta, un carro desplazándose y un disco, tocando en el estéreo Un disco, tocando en el estéreo, un carro desplazándose y nuestro planeta

7. Si el calentamiento global continúa, es probable que parte del hielo de los casquetes polares de nuestro

planeta se derrita y el agua se distribuya más cerca del ecuador. Si esto sucede, la duración del día (una revolución):

Aumentaría. Disminuiría. Seguiría igual. Aumentaría en verano solamente.

8. Dos esferas, una hueca y otra sólida, giran con la misma rapidez angular alrededor de sus centros. Ambas

esferas tienen la misma masa y radio.

La esfera hueca tiene mayor energía. La esfera sólida tiene mayor energía. Ambas esferas tienen la misma energía. Falta mas información.

9. Las unidades en que se expresan la energía son:

Newton y Dinas Ergios y Dinas Joule y Newton Ergios y Joules

121


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas, compáralos con tus compañeros y entrégaselos a tu profesor. 1. Un motor de 1600 W impulsa durante 6 seg una rueda que parte del reposo y cuyo momento de inercia es 2

kg·m2. ¿Cuál será su rapidez angular final? 2. Un disco rectificador de 8 kg tiene 50 cm de diámetro y gira a 800 rev/min. ¿Qué fuerza de frenado se

deberá aplicar tangencialmente al disco para detener su movimiento de rotación en 6 seg?


Nombre _________________________________________________________




122

123

ALONSO, M. y Finn, E. Física. Volumen I: Mecánica. Addison–Wesley Iberoamericana. 1986.

BUECHE, Federico. Física para estudiantes de ciencia e ingeniería, Mc. Graw Hill. México. 1978.

CARNAP, R, La estructura lógica de la Física. Editorial Sudamérica. Buenos

Aires. 1965. RESNICK, R. y HALLIDAY, D., Física. Tomo I, Compañía Editorial

Continental, 7a. impresión, México. 1984.

RUSELL C. Hibbeler, Ingeniería mecánica: Estática. 7a. edición. 1996.

SERWAY, Raymond, Física. Tomo I, Mc Graw-Hill, 4a. edición, México. 1998.

SHAMES, Irving H. Mecánica vectorial: Estática, The George Washington University. 4a. edición, 1998.

TIPLER, P.A. Física universitaria (2 volúmenes), Editorial Reverté, Barcelona, 1991.

Consulta bibliográfica por internet

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Vínculos de internet relacionados http://www.fisicanet.com. http://www.tutoria.com. http://www.Cuerpo Conciente Pilates – Método http://www.MecanESO. http://www.es.wikipedia.org/wiki/Palanca - 25k. http://www.ib.edu.ar/bib2007/Szklarz.pdf. http://www.wiki.gleducar.org.ar/wiki/El cuerpo humano como sistema de

palancas. http://apuntes.rincondelvago.com/coeficiente-de-friccion.html Pertenece a

grupos. http://www.itc.edu.co/carreras_itc/mantenimiento/lubricacion/friccion.htm. http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n. http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente de rozamiento. http://es.www.kalipedia.com.

Bibliografía General

temas selectos de física 1

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