SEGUNDO EXAMEN PARCIAL FÍSICA I MODELO 1 1 . - Un individuo de 80 kg se encuentra en el extremo de una tabla de 20 kg de masa y 1 0 m de longitud que flota en reposo sobre la superficie de agua de un estanque. Si el hombre se desplaza al otro extremo, ¿qué distancia recorre la tabla? Considera despreciable el rozamiento con el agua. a) 8 m b) 4 m c) 9 m d) 5 m a) Puesto que no hay rozamiento, todas las fuerzas que actúan (pesos y normales) son verticales, y no hay fuerzas horizontales. Así, al no haber fuerzas horizontales la aceleración del centro de masas en esta dirección es nula, y la velocidad del centro de masas permanece constante. Puesto que inicialmente es nula, debe seguir siéndolo, y si no hay velocidad del centro de masa, éste no puede desplazarse. Por tanto, el centro de masas no se desplaza. ∆xCM=0 Como el centro de masas no puede moverse, cuando el individuo se desplace hacia la derecha, la tabla reacciona y se desplaza en sentido contrario de modo que el centro de masas permanezca en la misma posición. Cuando el hombre llega al extremo derecho tendremos lo que aparece en la figura. Puesto que la posición del centro de masas no varía podemos escribir: m x + m2x2 m1x'1 +m2x'2 = xCM=x’CM ⇒ 1 1 m1 + m2 m1 + m2 m1x1+m2x2=m1x’1+m2x’2 80x1+20x2=80x’1+20x’2 ⇒ 80x1+20(x1+5)=80 · 10+20 · 5 ⇒ 80x1+20x1+100=800+100 100x1=800 ⇒ x1=8 m Este dato coincide con el desplazamiento de la tabla. Respuesta correcta: a) 2. - Un cuerpo A de masa 20 kg se mueve con velocidad de 20 m/s hacia otro cuerpo B de masa 5 kg que se encuentra inicialmente en reposo. Los cuerpos chocan y rebotan. Calcular las velocidades de cada cuerpo después de la colisión. Suponer que no se pierde energía en el choque. a) v’ A=0 m/s; v’ B=20 m/s b) v’ A=5 m/s; v’ B=20 m/s c) v’ A=0; v’ B=20 m/s d) v’ A=1 2 m/s; v’ B=32 m/s Se trata de un choque completamente elástico, ya que nos dicen que en el choque no se pierde energía. Tomamos como eje X la dirección del movimiento (problema escalar) y así tendremos que se conserva la cantidad de movimiento: pantes=pdespués ⇒ mAvA+mBvB=mAv’A+mBv’B ⇒ 20 · 20=20v’A+5v’B Además, como el choque es elástico el coeficiente de restitución vale la unidad: v' −v' v' −v' e = B A ⇒1= B A vA − vB 20 Y tenemos un sistema de dos ecuaciones y dos incógnitas: 20 · 20=20v’A+5v’B v' −v' 1= B A 20 De la segunda ecuación: v' −v' 1 = B A ⇒ v’B=20+v’A 20 Y sustituyendo en la primera: 20 · 20=20v’A+5v’B⇒ 400=20v’A+5(20+v’A) ⇒ 400=20v’A+100+5v’A ⇒ v’A=12 m/s Y por tanto la otra: v’B=20+v’A=20+12=32 m/s Respuesta correcta: d) 3. - Se aplican tres fuerzas a una rueda con radio 0, 350 m, como se indica en la figura. Una fuerza es perpendicular al borde, otra es tangente a éste y la otra forma un ángulo de 40º con el radio. ¿Cuál es el momento neto sobre la rueda debida a estas tres fuerzas para un eje perpendicular a la rueda y que pasa por su centro? a) 1 2, 25 Nm b) 6, 26 Nm c) - 0, 31 0 Nm d) 6, 3 Nm El momento será la suma de los momentos de las tres fuerzas. Como dicho vector está en el eje Z (perpendicular al plano de la hoja) calculamos solamente su módulo: M=M1+M2+M3=-14,6sen40º · 0,35+8,50 · 0,35=-0,310 Nm Respuesta correcta: c) a) b) c) d) 4. - Un barril de 1 00 kg con un radio de 50 cm tiene enrolladas dos cuerdas como se muestra en la figura. El barril se deja caer desde el reposo, haciendo que las cuerdas se desenrollen y que el barril caiga girando hacia el suelo. ¿Cuál es la tensión en cada cuerda? Suponga que la masa del barril está uniformemente distribuida y que el barril gira como un cilindro sólido, de momento 1 mR 2 . de inercia ICM = 2 326, 67 N 980 N 490 N 1 63, 33 N cilindro rueda sin deslizar, de modo que: Hacemos el diagrama de sólido libre del barril y tendremos lo que aparece en la figura. Tomamos como eje Y el vertical y positivo hacia abajo, y aplicamos la segunda ley de Newton (traslación y rotación): ΣFY=m(aCM)Y ⇒ mg-2T=maCM 1 4T ΣMCM=ICMα ⇒ 2TR = mR2α ⇒ α = 2 mR Tendremos en cuenta ahora que el aO=aCM=αR Así, la primera ecuación nos queda: mg-2T=maCM ⇒ mg-2T=mαR Y sustituimos la expresión de la aceleración angular en esta ecuación: mg 100 ⋅ 9,8 4T R ⇒ mg − 2T = 4T ⇒ T = = = 163,33 N mg-2T=mαR ⇒ mg − 2T = m mR 6 6 Respuesta correcta: d) 5. - Un aro de 2, 20 kg y de 1 , 20 m de diámetro rueda hacia la derecha sin deslizar sobre un piso horizontal a 3 rad/s constantes. Calcula el vector velocidad del punto más alto del aro. a) 1 , 80 m/s hacia la derecha b) 0 c) 7, 20 m/s hacia la derecha d) 3, 60 m/s hacia la derecha El diámetro del aro es de 1,20 m, de modo que el radio es la mitad, es decir, 0,60 m. Puesto que el aro rueda sin deslizar tendremos en cuenta que: vCM=ωr=3 · 0,60=1,80 m/s Puesto que el disco va hacia la derecha tendremos que vectorialmente: vCM=1,80i Así, la velocidad del punto más alto del aro, que hemos llamado punto P será: i j k 0 − 3 = 1,80i + 1,80i = 3,60i vP = vCM + ω × CMP = 1,80i + 0 0 0,60 0 Respuesta correcta: d) 6. - Un niño de masa M está balanceándose en un columpio de longitud L con un ángulo máximo de θ. Un hombre con una masa 4M está balanceándose en un columpio semejante de longitud L con un ángulo máximo de 2θ. Cada columpio puede tratarse como un péndulo simple experimentando un movimiento armónico simple. Si el período para el movimiento del niño es T, entonces el período del movimiento del hombre es: a) T b) 2T T c) 2 T d) 4 Puesto que se trata de un péndulo simple, para el niño, cuyo período es T, tendremos: T = 2π L g Y para el hombre, el período será T’: T'= 2π L =T g Vemos que como el período no depende ni de la masa ni de la amplitud, ambos períodos son iguales. Respuesta correcta: a) 7. - Un resorte vertical con una constante elástica de 2 N/m tiene una masa de 0, 3 kg sujeta a éste y la masa se mueve en un medio con una constante de amortiguamiento de 0, 0250 kg/s. Se libera la masa a partir del reposo en una posición de 5 cm a partir de la posición de equilibrio. ¿Cuánto tiempo pasa hasta que la amplitud disminuye a 1 , 5 cm? a) 1 6, 22 s b) 8, 1 1 s c) 28, 89 s d) 1 4, 48 s Veamos en primer lugar el tipo de amortiguamiento, para lo que comparamos el parámetro de amortiguamiento con la frecuencia natural del oscilador. El parámetro de amortiguamiento es: 0,0250 γ β= = = 0,0417 s −1 2m 2 ⋅ 0,3 Y la frecuencia natural: ω0 = k = m 2 = 2,582 s −1 0,3 Puesto que β<ω0 el movimiento es subamortiguado. Tendremos que la ecuación del movimiento es: x=A0e-βtsen(ω’t+ϕ)=Asen(ω’t+ϕ) siendo A una amplitud que no es constante, sino que decrece en el tiempo en la forma: A=A0e-βt ⇒ 1,5=5e-0,0417t ⇒ 0,3=e-0,0417t ⇒ ln0,3=-0,0417t ⇒ t=28,89 s Respuesta correcta: c) 8. - Para un sólido rígido: a) demostrar el teorema de Steiner; b) definir radio de giro; c) definir ejes principales de inercia. a) Existe una relación entre los momentos de inercia de un sólido con respecto a dos ejes paralelos, uno de los cuales pasa por el centro de masas: es el denominado teorema de Steiner. Para demostrarlo, consideremos un cuerpo cualquiera, y tomemos finas rodajas del mismo. Con una rodaja basta, ya que el análisis sería idéntico para todas las rodajas. Tomamos el plano XY en el plano de la rodaja y el eje Z perpendicular a la misma, es decir, coincidente con los dos ejes paralelos. Así, todos los puntos de la rodaja tienen la misma coordenada z. El centro de masas lo hacemos coincidir con el origen de coordenadas, y el punto P (por el que pasa el eje paralelo al que pasa por el centro de masas), está situado a una distancia d del anterior. Tomemos una partícula i del sólido, situada a una distancia ri del origen de coordenadas. Este vector será: ri=xii+yij+zk El punto P se encuentra a una distancia d del centro de masa, y podemos poner: d=ai+bj+zk Hacemos un gráfico donde veamos esta situación desde arriba, con lo que tenemos lo que aparece en la figura. El momento de inercia respecto de un eje que pasa por el centro de masas será, sumando para todas las partículas de la rodaja: ( N N ICM = ∑ miri2 = ∑ mi xi2 + yi2 + z2 i =1 i =1 ) Hemos tenido en cuenta la definición de módulo de un vector: será: ri=xii+yij+zk ⇒ ri = xi2 + yi2 + z2 ⇒ ri2 = xi2 + yi2 + z2 Y del mismo modo, el momento de inercia respecto del eje que pasa por el punto P N N i=1 i=1 [ ] IP = ∑ mir'i2 = ∑ mi (xi − a )2 + (yi − b)2 + z2 = N N i =1 N i =1 N N N N N N i =1 i =1 N = ∑ mixi2 + ∑ mia2 − 2 ∑ mixia + ∑ mi yi2 + ∑ mib2 − 2 ∑ mi yib + ∑ miz2 = N ( = ∑ mi xi2 + i =1 i =1 N i =1 i =1 N N = ∑ mixi2 + ∑ mi yi2 + ∑ miz2 + ∑ mia2 + ∑ mib2 i=1 i=1 i=1 i=1 i=1 N N N yi2 + z2 + ∑ mi a2 + b2 − 2a ∑ mixi − 2b ∑ mi yi i =1 i =1 i =1 ) ( ) N − 2 ∑ mixia − 2 ∑ mi yib = i=1 N ( i=1 ) N ( = ∑ mi xi2 + yi2 + z2 + ∑ mi a2 + b2 i =1 i =1 ) Tenemos en cuenta que xi e yi son las coordenadas de la partícula i-ésima respecto del centro de masas, y ya habíamos obtenido en el tema 4, que en un sistema de referencia centro de masas: N ∑ mixi = 0 i=1 N ∑ mi yi = 0 i=1 Así, tendremos: ( ) ( ) N N IP = ∑ mi xi2 + yi2 + z2 + ∑ mi a2 + b2 = ICM + md2 i =1 i =1 Esta última ecuación es el teorema de Steiner, que dice que el momento de inercia de un cuerpo respecto a un eje cualquiera es igual al momento de inercia del mismo cuerpo respecto a un eje paralelo al anterior que pase por el centro de masas, más el producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de la distancia entre ambos ejes. Esta ecuación nos muestra que de todos los ejes paralelos a una dirección dada, el que pasa por el centro de masas del cuerpo es al que le corresponde el momento de inercia más pequeño. b) El momento de inercia presenta distintas expresiones en función de la forma (distribución de masa) del cuerpo. No obstante, siempre es posible expresar el momento de inercia de cualquier cuerpo como: I=mk2 siendo k el denominado radio de giro del sólido rígido correspondiente respecto a dicho eje. El radio de giro representa por tanto, la distancia a la que habría que concentrar toda la masa del cuerpo de forma que el momento de inercia respecto del giro se mantuviera invariable. Se tiene entonces que: I=mk2 ⇒ k = I m c) En un sólido rígido, si el eje de rotación es un eje de simetría el momento angular L y la velocidad angular ω son paralelos. Sin embargo, si el eje de rotación no es un eje de simetría, las componentes en dirección perpendicular al eje de rotación no se compensan y el momento angular L y la velocidad angular ω no son paralelos. No obstante, siempre es posible demostrar que en todo cuerpo existen al menos tres direcciones mutuamente perpendiculares para las cuales el momento angular es paralelo al eje de rotación. Estos ejes se conocen como ejes principales de inercia, y los momentos de inercia correspondientes como momentos principales de inercia. Si el cuerpo tiene algún eje de simetría, los ejes principales de inercia coinciden con los ejes de simetría.