• Asignatura: Física
  • Autor: iefazjulianaramirez
  • hace 8 años

Un mismo objeto se deja caer en el vacío y en el aire. ¿Qué parametros varían (distancia, velocidad,aceleración)y cuales permanecen constantes durante la caída?

a) en el vacío
b) en el aire cuando se ha alcanzado la velocidad terminal debido a la resistencia del aire​

Respuestas

Respuesta dada por: JBarnett
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En realidad cambian todos

si cae en el vacio no hay rozamiento y la única fuerza presente es la de la gravedad, es decir la única fuerza será f = m*g (la fuerza es constante e igual a la masa multiplicada por la gravedad)

y por la ley de newton:

f = m*a =>

m*g = m*a => a = g (constante)

y como la a celeración es constante e igual a g, el movimiento es un mrua con aceleración igual g, es decir se cumple::

d = 1/2gt2

v = gt

a = g (constante)

en resumen el objeto acelerará constantemente durante toda la caida

pero si hay rozamiento habrá además una fuerza de rozamiento frenando la caida, y dicha fuerza en el caso más simple (flujo de aire laminar, no turbulento) será proporcional a la velocidad, es decir, por newton tendremos:

f - fr = m*a

y sustituyendo f = m*g y fr = k*v (siendo k la constante de rozamiento)

m*g - k*v = m*a

es decir que ahora ya no tenemos un mrua sino un movimiento con aceleración decreciente, de tal forma que al principio, cuando v=0, a=g, pero a medida que aumente la velocidad la aceleración irá disminuyendo hasta que la caida se estabilice, la aceleración se haga 0 y la velocidad llegue a la velocidad límite, vlim, y se estabilice la caida

cuando lleguemos a la vlim, la aceleración será cero, luego podemos calcular vlim facilmente:

m*g - k*vlim = 0 => vlim = m*g/k

así que la vlim será mayor cuanto más grande sea la masa del objeto y menor el coeficiente de rozamiento

respecto a las expresiones de v (velocidad), a (aceleración) y d (distancia), tenemos que resolver la ecuación diferencial:

m*g - k*v = m*a =>

m*g - k*v = m*dv/dt

la forma general de la solución será:

v = V*[1-e^(-ct)] siendo V y c constantes:

derivando esta expresión de v:

a =dv/dt = V*c*e^(-ct)

y sustituyendo en la ecuación diferencial:

m*g - k*v = m*dv/dt =>

m*g - k*V*[1-e^(-ct)] = m*V*c*e^(-ct)

haciendo t= infinito, e^(-ct) = 0, y obtenemos V:

m*g - k*V*[1-0] = m*V*c*0 =>

m*g - k*V = 0 =>

V = m*g/k, es cecir V es la vlim que habíamos calculado antes

y haciendo t = 0, entonces e^(-ct) = 1, y tenemos:

m*g - k*V*(1-e^(-ct)) = m*V*c*e^(-ct) =>

m*g - k*V*(1-1) = m*V*c*1 =>

m*g = m*(m*g/k)*c

dividiendo entre m*g en ambos lados:

1 = m/k*c =>

c = k/m

así que finalmente nos queda:

v = m*g/k*[1 - e^(-k/m*t)] =>

v = vlim*[1 - e^(-k/m*t)]

es decir v empieza en cero y aumenta constantemente cada vez más despacio tendiendo a vlim

a = m*g/k*k/m*e^(-k/m*t) =>

a = g*e^(-k/m*t)

es decir la aceleración desciende constantemente empezando en g y tendiendo a cero

y para calcular la fórmula de la distancia tendremos que integrar v:

d = integral (v) =>

d = vlim*t + vlim*m/k*e^(-k/m*t) + K siendo K una constante

y finalmente, considerando que en t=0 la distancia recorrida es cero y que en t=0, e^(-k/m*0) = e^0 = 1, la constante K cumplirá:

0 = vlim*m/k + K => K = -vlim*m/k

es decir la expresión de d será:

d = vlim*t + vlim*m/k*e^(-k/m*t) - vlim*m/k =>

d = vlim*t - vlim*m/k*[1 - e^(-k/m*t)]

Saludos! JBarnett


iefazjulianaramirez: muchas muchas gracias❤
JBarnett: Fue un placer ayudarte:)
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