• Asignatura: Física
  • Autor: 67482325639
  • hace 6 años

Una part´ıcula material pesada M, de masa m, y cuya carga el´ectrica es q, est´a obligada a moverse sin rozamiento por un plano horizontal OXY. La part´ıcula m est´a unida al punto O mediante un muelle OM, cuya longitud sin deformar, y constante el´astica son respectivamente a y mω 2 , de forma que la fuerza que el muelle ejerce sobre el punto M ser´a: F = −mω 2 (r −a) ur en donde r representa la distancia OM y ur es el versor de la direcci´on y sentido de OM. Se considera finalmente un campo magn´etico definido por: B = mω q k siendo k el versor de la vertical ascendente. La posici´on de la part´ıcula M en el plano quedar´a determinada indistintamente por sus coordenadas cartesianas (x,y) y por sus coordenadas polares (r,θ). Se pide: 1. Determinar, en funci´on de x, y, y sus derivadas, las componentes seg´un los ejes OX y OY de las fuerzas que act´uan sobre M. 2. Plantear, utilizando las coordenadas x, y, las ecuaciones de movimiento de M. 3. Plantear, utilizando las coordenadas r, θ, las ecuaciones de energ´ıa cin´etica y de momento cin´etico respecto a O. 4. Reducir la cuadraturas las ecuaciones determinadas en el apartado anterior con objeto de determinar la trayectoria y la ley horaria de M. 5. Suponiendo que M se encuentra inicialmente a una distancia a de O, ¿en qu´e direcci´on se deber´a lanzar y cu´al debe ser el valor de la velocidad de M, con objeto de que el movimiento de dicho punto sea uniforme? 6. Suponiendo que el punto se encuentra inicialmente a una distancia a de O y que se lanza en direcci´on radial, ¿cu´al ser´a el valor m´ınimo de la velocidad inicial con objeto de que M llegue a una distancia 2a de O

Respuestas

Respuesta dada por: jdavidvilla1986
0

Respuesta:

Ejercicio 1.1.1: Una part´ıcula de masa M se coloca en reposo sobre un plano inclinado un ´angulo α

con la horizontal. El coeficiente de rozamiento es µ < tanα. Razonar si hay velocidad l´ımite. Obtener la

ley horaria del movimiento.

N

R

mgsinα

mgcosα

Ec. del movimiento:

mgsinα −R = mx¨

−mgcosα +N = 0

¿Desliza? |R|

|N| ≤ µ ?

|mgsinα|

|mgcosα| = tanα > µ

Desliza con resistencia f(v) = R = µ mgcosα < mgsinα

Es obvio que no existe VL/ f(vL) = mgsinα, pues la resistencia es constante y menor que la

componente tangencial del peso.

La ley horaria es trivial, pues se mueve con aceleraci´on constante g(sinα −µ cosα) partiendo del reposo:

x =

1

2

g(sinα −µ cosα) t

2

1

Ejercicio 1.1.2: Seg´un la ley de Stokes, la resistencia sobre una esfera de radio r que se mueve en un

fluido de coeficiente de viscosidad η es F(v) = 6πη r v. Calcular la velocidad l´ımite de una esfera de

densidad ρ, doble de la del fluido, y la ley horaria cuando se deja caer desde el reposo.

R

mag

meg

Las fuerzas que act´uan sobre la esfera son:

• Peso de la esfera: ρ

4

3

πr

3 g

• Flotaci´on (peso del agua desalojada): ρ

2

4

3

πr

3 g

• Resistencia: f(v) = 6πηrv

La velocidad l´ımite se alcanza cuando la resistencia equilibra al peso menos la flotaci´on:

ρ

2

4

3

πr

3

g = 6πηr vL ⇒ vL =

1

9

ρg

η

r

2

La ecuaci´on del movimiento la podemos escribir como:

mv˙ = f(vL)− f(v) ⇒ v˙ =

6πηr

ρ

4

3

πr

3

(vL −v) = c(vL −v) ⇒

Z v

0

dv

vL −v

= c

Z

dt

−L(vL −v) = ct +C; −LvL = C; L

vL

vL −v

= ct ⇒ v = vL

1−e

−ct

Siendo c =

2ρr

2

. Integrando otra vez, se obtiene la ley horaria.

x = vL

t +

e

−ct

c

+C; 0 = vL

0+

1

c

+C ⇒ x =

vL

c

ct +e

−ct −1

v

vL

t

vL t

x

t

Ejercicio 1.1.3: Una esfera de masa m, radio r y coeficiente de resistencia aerodin´amica CD cae en el

aire de densidad ρ. Calcular la velocidad l´ımite y la ley horaria.

Aplicarlo al caso de un bal´on de f´utbol: m = 410 − 450 g, CD = 0,5, 2πr = 68 − 70 cm, ρ =

1,225 kg/m3

.

NOTA: Al superar una velocidad entre 20 y 25 m/s, seg´un la rugosidad de las superficie, el r´egimen pasa de

laminar a turbulento, y CD cae bruscamente a un valor de aproximadamente 0,1. Si la velocidad l´ımite calculada

con el primer valor es mayor que esta, habr´a que calcularla de nuevo con el CD menor. Este efecto lo us´o David

Beckham en el mundial de 2002: Tira a gran velocidad por encima de la barrera; al acercarse a la porter´ıa parece

que se va alto. Pero ya se ha frenado lo suficiente para entrar en r´egimen laminar, con lo que de pronto sube la

resistencia, cae bruscamente y entra en la porter´ıa.

Como en el caso anterior, las fuerzas son:

• Peso de la esfera: mg = ρe

4

3

πr

3 g

• Flotaci´on (generalmente despreciable): ρa

4

3

πr

3 g

• Resistencia: f(v) = 1

2

ρaCD A v2

; A = πr

2

Velocidad l´ımite: 4

3

πr

3

g(ρe −ρa) = 1

2

ρaCDπr

2

v

2

L ⇒ v

2

L =

8

3

gr(ρe −ρa)

ρaCD

Para calcular la ley horaria, podemos poner la ecuaci´on del movimiento en la forma

mv˙ = f(vL)− f(v) = mc

v

2

L −v

2

y recordar que Z

dx

x

2

0 −x

2

=

1

x0

argtanh x

x0

donde c =

1

2m

CDρaπr

2

(dimensiones de L

−1

). As´ı se obtiene,

dv

c

v

2

L −v

2

= dt, t +C =

1

cvL

argtanh v

vL

Imponiendo condiciones iniciales: v(0) = 0 ⇒ C = 0. En este caso se puede despejar

la velocidad:

v = vL tanhvLct

que tiende asint´oticamente a vL. Recordando que R

tanhxdx = lncoshx, se puede integrar otra

vez para obtener

x =

1

c

lncosh(vLct)+C

Condiciones iniciales: x(0) = 0 ⇒ C = 0

El espacio recorrido tiende asint´oticamente a vL t. Sustituyendo los valores del bal´on m´as pesado, se tiene:

vL = 19,065 m/s, muy pr´oxima paso de laminar a turbulento. En 6 segundos de ca´ıda la velocidad es ya muy

pr´oxima a la l´ımite. Otra cosa ser´ıa la velocidad alcanzada de una patada. 0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

m/s

s

vL

v(

Explicación:

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