• Asignatura: Física
  • Autor: iren90
  • hace 7 años

la velocidad maxima a la que una motocicleta de 130 kg puede tomar una curva sin derraparse es de 36 m/s. Si el coeficiente de friccion entre el pavimento y las llantas de moto es de 0.8 ¿cual es el radio de la curvatura de la pista?

Respuestas

Respuesta dada por: fabianmolinam1523
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Respuesta:

Consideremos un vehículo que está describiendo una curva de radio R, con velocidad constante v. Debido a la distribución de la carga, el centro de masas está situado en la posición xc, yc tal como se señala en la figura. Si el coeficiente de rozamiento entre las ruedas del vehículo y la carretera es μ. Vamos a determinar si

El vehículo está en equilibrio

Si desliza hacia fuera, saliéndose de la curva

Si vuelca, girando alrededor de un eje que pasa por las ruedas de la parte derecha, cuando el automóvil describe una curva hacia la izquierda.

Si desliza y vuelca a la vez

 

Descripción

Para un observador no inercial, que viaja con el vehículo, las fuerzas que actúan sobre el  mismo, son:

 

N1 y N2 son las reacciones o fuerzas que ejerce la carretera sobre las ruedas del vehículo

F1 y F2 son las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento del vehículo a lo largo de la dirección radial y hacia fuera

El peso mg del vehículo actúa en el centro de masas

La fuerza centrífuga Fc actúa en el centro de masas.

Si el vehículo permanece en reposo a lo largo de la dirección radial, tendremos que

N1+N2=mg

Fc=F1+F2

Tomando momentos respecto de O. La condición de equilibrio se expresa

-N1·a-Fc·yc+mg·xc=0

Siendo a la distancia entre las ruedas. Despejamos N1 en esta última ecuación

Examinamos las distintas situaciones:

El vehículo vuelca

A medida que aumenta la velocidad v del vehículo, aumenta la fuerza centrífuga Fc=mv2/R, hasta que N1 se haga cero. Un incremento de la velocidad hace que el vehículo empiece a volcar.

La condición para que empiece a volcar es N1=0 ó v2/R=gxc/yc

El vehículo desliza

La fuerza de rozamiento F1+F2=Fc no puede superar el valor máximo μN1+μN2= μmg

La condición para que el vehículo empiece a deslizar es que v2/R=μg

Si mgxc>Fcyc el vehículo no vuelca

Si Fc< μmg el vehículo no desliza

Si mgxc>μmgyc, es decir, si μ<xc/yc el vehículo empieza a deslizar en el momento en el que se cumple que v2/R= μg

Si μ>xc/yc el vehículo empieza a volcar en el momento en el que se cumple que v2/R=gxc/yc

Ejemplo 1:

Posición del c.m. xc=0.7, yc=1.0

Sea μ=0.5

Estamos en el caso μ<xc/yc

El vehículo empieza a deslizar cuando se cumple que v2/R= μg, es decir, cuando v=49.5 m/s

Comprobación:

El máximo valor de la fuerza de rozamiento es μmg=0.5·9.8·m=4.9·m

Sea v=49 m/s.

La fuerza centrífuga vale Fc=mv2/R=m·492/500=4.8·m. La fuerza de rozamiento F1+F2=Fc es menor que su valor máximo, el vehículo no desliza

Calculamos el valor de N1

Como N1>0 el vehículo no vuelca

Sea v=50 m/s.

La fuerza centrífuga vale Fc=mv2/R=m·502/500=5·m. La fuerza de rozamiento F1+F2=Fc es mayor que su valor máximo, el vehículo desliza

Calculamos el valor de N1

Como N1>0 el vehículo no vuelca

Ejemplo 2:

Posición del c.m. xc=0.7, yc=1.0

Sea μ=0.8

Estamos en el caso μ>xc/yc

El vehículo empieza a volcar cuando se cumple que v2/R=gxc/yc, es decir, cuando v=58.6 m/s

Comprobación

El máximo valor de la fuerza de rozamiento es μmg=0.8·9.8·m=7.84·m

Sea v=58 m/s.

La fuerza centrífuga vale Fc=mv2/R=m·582/500=6.73·m. La fuerza de rozamiento F1+F2=Fc es menor que su valor máximo, el vehículo no desliza

Calculamos el valor de N1

Como N1>0 el vehículo no vuelca

Sea v=60 m/s.

La fuerza centrífuga vale Fc=mv2/R=m·602/500=7.2·m. La fuerza de rozamiento F1+F2=Fc es menor que su valor máximo, el vehículo no desliza

Calculamos el valor de N1

Como N1<0 el vehículo vuelca

A partir de la velocidad v2/R= μg, es decir v2/500=0.8·9.8,  v=62.6 m/s el vehículo desliza y vuelca a la vez

 

Actividades

Se introduce

La distribución de carga en el vehículo, es decir la posición (xc, yc) del c.m., moviendo con el puntero del ratón el pequeño círculo de color rojo, en el interior del rectángulo del mismo color.

El coeficiente de rozamiento μ, actuando en la barra de desplazamiento titulada Coef. rozamiento.

El radio R, de la curva se ha fijado en el programa interactivo en el valor R=500 m.

La anchura del vehículo (distancia entre ruedas) se ha fijado en el valor a=2.0 m

Se pulsa el botón titulado Nuevo

La velocidad del vehículo v (en m/s), actuando en la barra de desplazamiento titulada velocidad.

Se pulsa el botón titulado Empieza

Se observa el comportamiento del vehículo:

Si está en equilibrio

Si desliza

Si vuelca

Si desliza y vuelca a la vez.

Se dibujan las fuerzas sobre el vehículo, y se da el valor (de la fuerza por unidad de masa) de algunas de ellas.

 

stokesApplet aparecerá en un explorador compatible con JDK 1.1.

Arrastrar con el puntero del ratón el pequeño círculo de color rojo

 

Referencias

Para el segundo apartado, Estabilidad de un vehículo

Cross R. Role of the centrifugal force in vehicle roll. Am. J. Phys. 67 (5) May 1999, pp. 447-448.

Explicación:

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