Teoría - Canek

CAP ÍTULO
1
Aplicaciones de la integral
3.7 Momentos y centro de una masa
3.7.1
Centro de masa de un sistema unidimensional
Considerar el sistema unidimensional, tal como se muestra en la siguiente figura, formado por una varilla
(de masa despreciable) y las masas m1 & m2 .
m1 D 60 kg
b
m2 D 90 kg
d1 D 0:6 m
A
d1 D 0:4 m
b
Como se puede apreciar, la varilla tiene una longitud de un metro y se encuentra apoyada en el punto
A. En un extremo se encuentra la masa m1 y en el otro la masa m2 a una distancia de 0:6 m y 0:4 de A,
respectivamente.
La varilla se encuentra en equilibrio lo cuál implica que se cumple:
(ley de la Palanca)
.m1 /.d1 / D .m2 /.d2 /
Se dice que el punto A sobre la varilla es el centro de masa del sistema unidimensional formado por las
masas y la varilla.
Cuando se tiene una masa en cada uno de los extremos de una varilla, ¿cómo se determina el centro de masa
del sistema? En otras palabras, ¿dónde debe estar el punto sobre la varilla para que se logre el equilibrio
del sistema?
canek.azc.uam.mx: 20/ 5/ 2015/ 646
1
2
Cálculo integral
Considérese el eje horizontal x como eje de referencia y la varilla a lo largo de este, tal como se muestra en
la siguiente figura:
b
m1
d1 D x x1
b
x m2
x d2 D x 2
x1
x
x2
Tal como se indicó anteriormente, para que el sistema en cuestión se encuentre en equilibrio se debe
cumplir:
.m1 /.d1 / D .m2 /.d2 / ) .m1 /.x x1 / D .m2 /.x2 x /:
De esta última igualdad se puede despejar x que representa el centro de masa del sistema, es decir,
m1 x m1 x1 D m2 x2
m2 x ) m1 x C m2 x D m1 x1 C m2 x2 )
m1 x1 C m2 x2
) x D
:
m1 C m2
Si se tiene un sistema unidimensional formado por las masas m1 , m2 , m3 ubicadas en x1 , x2 , x3 respectivamente, la expresión para calcular el centro de masa x es la siguiente:
x D
m1 x1 C m2 x2 C m3 x3
:
m1 C m2 C m3
Ejemplo 3.7.1 Encontrar el centro de masa del siguiente sistema.
m1 D 10 kg
m2 D 5 kg
2
7
b
0
b
m3 D 10 kg
b
x
9
H En este ejercicio, el centro de masa del sistema formado por las tres particulas se obtiene al utilizar la
información conocida en la expresión:
x D
Esto es:
x D
m1 x1 C m2 x2 C m3 x3
:
m1 C m2 C m3
.10/.2/ C .5/.7/ C .10/.9/
D 5:8 :
10 C 5 C 10
Generalizando, si se tiene un sistema formado por un conjunto de n partı́culas con masas m1 ; m2; m3 ; : : : ; mn ,
ubicadas sobre un eje de referencia x en los puntos x1 ; x2 ; x3; : : : ; xn , respectivamente, el centro de masa x del sistema se calcula con la expresión:
n
X
mi xi
m
x
C
m
x
C
C
m
x
1
1
2
2
n
n
i
D1
x D
D n
:
X
m1 C m2 C C mn
mi
i D1
2
3.7 Momentos y centro de una masa
3
Cada uno de los términos mi xi del numerador se conoce como el momento de la masa mi con respecto del
origen. En este sentido el numerador representa la suma de cada uno de los momentos.
M D
n
X
mi xi :
i D1
A M se suele llamar momento del sistema con respecto del origen.
Por otra parte, el denominador de la expresión representa la masa m total del sistema, esto es:
mD
Considerando lo anterior:
x D
n
X
n
X
mi :
i D1
mi xi
i D1
n
X
mi
D
M
:
m
i D1
3.7.2
Centro de masa de un sistema bidimensional
Considerar las 3 masas, representadas puntualmente en el plano xy, que se muestran en la siguiente figura:
y
bm2
y2 D 4
y
y1 D 2
bP
bm1
bm3
y3 D 1
x1 D 1
x x2 D 3 x3 D 4
x
Considere también que m1 D m2 D m3 D 2 kg. Este caso se trata de un sistema bidimensional cuyo centro
de masa es el punto P con coordenadas .x; y/.
En el caso de un sistema bidimensional, una masa m tiene un momento con respecto a cada eje.
y
m
b
y1
x1
x
El momento de la masa m con respecto al eje x es
Mx D .m/.y1 /:
3
4
Cálculo integral
El momento de la masa m con respecto al eje y es
My D .m/.x1 /:
Para el cálculo de las coordenadas x & y del centro de masa del sistema, se procede de la siguiente manera:
P3
momento del sistema con respecto al eje x
m1 y1 C m2 y2 C m3 y3
mi yi
yD
D
D Pi D1
I
3
masa del sistema
m1 C m2 C m3
i D1 mi
P3
momento del sistema con respecto al eje y
m1 x1 C m2 x2 C m3 x3
mi xi
D
D Pi D1
:
xD
3
masa del sistema
m1 C m2 C m3
i D1 mi
Considerando lo anterior:
.2/.2/ C .2/.4/ C .2/.1/
7
D 2:33I
2C2C2
3
.2/.1/ C .2/.3/ C .2/.4/
8
xD
D 2:67:
2C2C2
3
Un sistema formado por un conjunto de n partı́culas con masas m1 , m2 , m3 , : : :, mn , ubicadas sobre un plano
de referencia xy en los puntos .x1 ; y1 /; .x2 ; y2 /; .x3 ; y3 /; : : : ; .xn ; yn /, respectivamente, el centro de masa del
sistema es el punto P sobre el plano con coordenadas x & y, las cuales se calculan con las siguientes
expresiones:
n
X
mi xi
My
momento del sistema con respecto al eje y
i D1
xD
D
D n
X
masa del sistema
M
mi
yD
i D1
n
X
mi yi
momento del sistema con respecto al eje x
Mx
i D1
yD
D
D n
X
masa del sistema
M
mi
i D1
Una lámina plana y delgada como la mostrada en la figura, representa un sistema bidimensional:
El punto P es su centro de masa. Si la lámina es suspendida del punto P , estarı́a balanciada horizontalmente. En este sentido, se considera que el centro de masa de la láminaes su punto de equilibrio.
4
3.7 Momentos y centro de una masa
5
En cuanto a la fuerza de atracción que experimentan lo objetos debida a la gravedad, en el punto P es
donde se concentra la fuerza de gravedad. Es por esto por lo que también este punto es llamado centro de
gravedad.
Una lámina rectangular con masa m y densidad constante tiene su centro de masa en el centro de la figura.
Se trata de un sistema bidimensional cuyo centro de masa es el punto P , con coordenadas .x; y/.
y
My
.m/.x1 /
D
D x1 I
m
m
Mx
.m/.y1 /
yD
D
D y1 :
m
m
xD
P.x ; y/
b
y1
x
x1
A continuación se describe como hallar el centro de masa de una placa delgada de forma irregular.
Considerar la placa con densidad constante ı que se muestra a continuación en el plano xy:
y
f .x/
cm
b
y
x
a
x
b
Como se puede puede apreciar, la placa está delimitada por las rectas x D a, x D b, y D 0 y por la gráfica
de la función f .x/ [continua en .a; b/].¿Cómo calcular las coordenadas x & y del centro de masa (cm) de la
placa?
Para resolver este problema se divide la superficie de la lámina en n franjas verticales. Observar una de
estas franjas mostrada en el siguiente plano:
y
i x
f .xi /
yi
b
xi
Centro de masa
de la franja.
x
El centro de masa de la franja vertical, con coordenadas xi & yi , se encuentra en el centro de ésta. El ancho
de la franja es i x y su longitud f .xi /. Entonces:
Área de la franja:
Masa de la franja:
i A D f .xi /i xI
i m D ıi A D ıf .xi /i x:
5
6
Cálculo integral
Para un número n de franjas verticales, la masa M de la placa es
M n
X
ıf .xi /i x:
i D1
Se obtiene una mejor aproximación de M si el número n de franjas tiende a infinito. Esto es:
n
X
M D lı́m
n!1
i D1
Por lo estudiado anteriormente:
M D
ıf .xi /i x:
Z
b
ıf .x/ dx:
a
El momento de la franja con respecto al eje y es
xi i m D xi ıf .xi /i xI
el momento de la lámina con respecto al eje y es
My También:
My D lı́m
n!1
n
X
i D1
n
X
xi ıf .xi /i x:
i D1
xi ıf .xi /i x D
b
Z
ıxf .x/ dx:
a
El momento de la franja con respecto al eje x es
yi i m D
f .xi /
ı
f .xi /
i m D
ıf .xi /i x D Œf .xi /2 i xI
2
2
2
el momento de la lámina con respecto al eje x es
Mx n
X
ı
Œf .xi /2 i x:
2
i D1
Como en las explicaciones anteriores:
Mx D lı́m
n!1
n
X
ı
i D1
2
Œf .xi /2 i x D
Z
b
a
ı
Œf .x/2 dx:
2
Por último, las coordenadas x & y del centro de masa de la lámina con densidad constante ı son
xD
My
D
M
Z b
a
ıxf .x/ dx
Z b
a
Mx
yD
D
M
Z b
a
ıf .x/ dx
ı
2
2 Œf .x/
Z b
a
I
dx
:
(3.1)
ıf .x/ dx
Ejemplo 3.7.2 Determinar el centro de masa de una placa delgada con densidad constante ı, cuya superficie está
delimitada por f .x/ D x 2 C 6x 5 y el eje x del plano cartesiano (y D 0).
6
3.7 Momentos y centro de una masa
7
H Para resolver este problema se aplican las expresiones (3.1) obtenidas anteriormente para el cálculo de
las coordenadas x & y del centro de masa de un sistema bidimensional.
La región ocupada por la placa delgada se presenta en la figura siguiente:
y
yD
x 2 C 6x
D .1
x/.x
5D
5/
x
1
5
Las coordenadas del centro de masa son:
Z 5
1
xD
Z 5
1
D
yD
ıx. x 2 C 6x
x4
C 2x 3
4
Z 5
1
3
3
C 3x 2
ı
. x 2 C 6x
2
Z 5
1
ı. x 2 C 6x
ı. x 2 C 6x
5/ dx
5/ dx
ı
D
Z 5
1
ı
. x 3 C 6x 2
5x/ dx
. x 2 C 6x
5/ dx
Z 5
1
5 2 5
x
32
2
1
5 D 32 D 3:
5x 3
D
Z 5
1
. x 3 C 6x 2
5x/ dx
. x 2 C 6x
5/ dx
Z 5
1
D
1
ıZ5
. x 3 C 6x 2
1
2
D
Z 5
5/ dx
ı
. x 2 C 6x
5/2 dx
1
512
1 15
8
D
D D 1:6:
2 32
5
3
5x/2 dx
5/ dx
1
D
2
Z 5
1
. x 3 C 6x 2
Z 5
1
. x 2 C 6x
5x/2 dx
5/ dx
D
y
Centro de masa
b
1:6
x
1
3
5
3.7.3
Centro de masa de una placa delimitada entre dos curvas
Consideramos que se tiene una placa delgada que ocupa una región en el plano delimitada por la gráfica
de dos funciones, tal como se muestra a continuación:
7
8
Cálculo integral
y
Centro de masa de la franja
f .x/
b
b
yi
b
g.x/
xi
a
x
b
i x
Observamos que el ancho de la franja mostrada es i x y su largo es f .xi / g.xi /. Se tiene entonces lo
siguiente:
Área de la franja:
i A D f .xi / g.xi / i xI
Masa de la franja:
i m D ıi A D ı f .xi / g.xi / i x:
Es importante notar que
f .xi / C g.xi /
:
2
yi D
Considerando lo anterior se tiene que la masa de la placa es
M D
b
Z
ı Œf .x/
g.x/ dx:
a
El momento de la placa con respecto al eje y es
My D
Z
b
x Œı.f .x/
a
g.x// dx D
Z
b
ıx Œf .x/
g.x/ dx:
a
El momento de la placa con respecto al eje x es
Mx D
Z
a
b
f .x/ C g.x/
Œı.f .x/
2
g.x// dx D
Z
b
a
ı
f .x/2
2
g.x/2 dx:
Por lo tanto, las coordenadas del centro de masa son
xD
My
D
M
Z b
a
ıx Œf .x/
Z b
a
Mx
yD
D
M
Z b
a
ı Œf .x/
ı
f .x/2
2
Z b
a
ı Œf .x/
g.x/ dx
g.x/ dx
I
g.x/2 dx
:
g.x/ dx
Ejemplo 3.7.3 Determinar las coordenadas x & y del centro de masa de una lámina plana delgada con la forma de
x2
la región en el plano delimita por la gráfica de las funciones f .x/ D x & g.x/ D
.
7
H
8
La región delimitada por las dos funciones se muestra a continuación.
3.7 Momentos y centro de una masa
9
y
b
f .x/
b
y
0
b
g.x/
7
x
x
En este caso f .x/ g.x/ en Œ1; 7. Las coordenadas x & y del centro de masa son
xD
My
D
M
Z b
a
Z b
a
x3
3
D 2
x
2
Mx
D
M
ı Œf .x/
g.x/ dx
g.x/ dx
D
0
Z
ıx x
7
ı x
0
x 4 7
343
343
28 0
D
D 3:5:
D 12
3 7
49
98
x
6
21 0
yD
ıx Œf .x/
Z 7
Z b
a
ı
f .x/2
2
Z b
a
ı Œf .x/
g.x/2 dx
g.x/ dx
Z 7
0
D
x2
dx
7
D
x2
dx
7
Z 7
0
Z
2
x
7
x
0
x3
dx
7
D
x2
dx
7
"
2 2 #
ı
x
ı Z 7 2 x4
2
.x/
dx
x
dx
2
7
2 0
49
D
D
Z 7
Z 7
x2
x2
ı x
ı
x
dx
dx
0
0
7
7
7
x3
x5
343
1 3
343 6
5 49 0
15
D 2:8:
D
2
7 D 49 D
3
2
49 15
x
x
6
2
21 0
Ejercicios 3.7.1 Momento. Soluciones en la página 11
1. Encontrar el centro de masa del sistema formado por tres masas representadas puntualmente sobre la
recta `:
m1 D 10 kg
b
5
m2 D 5 kg
b
1
0
m3 D 20 kg
b
`
3
2. Encuentre el centro de masa del sistema formado por las masas puntuales m1 D 3 kg, m2 D 1 kg,
m3 D 7 kg & m4 D 5 kg que se encuentran localizadas en un plano cartesiano, en los puntos
P . 1; 3/; P2 .2; 7/; P3.1; 1/ & P4 . 2; 3/, respectivamente.
9
10
Cálculo integral
y
m1 b
|b m3
|
|
x
|
m4 b
b m2
3. Para la lámina que se muestra en la figura (con densidad constante), determinar las coordenadas de
su centro de masa.
y
2
f .x/ D x 3
0
10
x
4. Determine las coordenadas del centro de la región delimitada por las curvas y D x,
x D 0.
y D x2
6
&
5. Encontrar el centro de masa .x;
N y/
N de una lámina de densidad uniforme delimitada por las gráficas
2
x
de f .x/ D x & g.x/ D
.
3
6. Encontrar el centro de masa
N y/
N de una lámina de densidad uniforme delimitada por las gráficas
p .x;
de f .x/ D x 2 & g.x/ D x.
7. Encontrar el centro de masa de una placa semicircular de radio 5 (placa con densidad uniforme).
8. Para una lámina con densidad constante , acotada por la gráfica de las funciones f .x/ D x 2
& g.x/ D x 2 C 5x C 1, encontrar el centro de masa.
5x C 1
9. Considerar una lámina con densidad constante acotada por la gráfica de las funciones f .x/ D e x
& g.x/ D 1 en el intervalo Œ0; 2. Encontrar el centro de masa de la lámina.
10. Encontrar el centro de masa de una lámina (con densidad
delimitada por la gráfica de las
h uniforme)
i
funciones f .x/ D sen x & g.x/ D cos x en el intervalo 0;
.
4
10
3.7 Momentos y centro de una masa
11
Ejercicios 3.7.1 Momento. Preguntas, página 9
1
.
7
1
2. x D
,y D
4
1. x D
9
9
; yN D
.
20
20
20
7. xN D 0; yN D
.
3
8. xN D 2:5; yN D 1.
6. xN D
3
.
8
p
3
5 52
3. xN D
25
; yN D
4
5. xN D
3
6
; yN D .
2
5
.
1
7 23
4. x 1:17, y 1:47 .
e4 5
1 C e2
´.
; yN D ` 2
2
e
3
4 e
3
p
2 4
1
” ; yN D “p
”.
10. xN D “p
4
2 1
4
2 1
9. xN D
11