domingo, 14 de octubre de 2018

Dinámica – 34 Fuerza de rozamiento


Dinámica 34. Sobre un cuerpo de 2 kg que se encuentra sobre un plano inclinado que forma un ángulo de 30º con la horizontal, actúa una fuerza F de dirección horizontal, tal y como se indica en la figura.


Si el coeficiente de rozamiento entre el cuerpo y el plano es despreciable:
a) ¿Qué fuerzas actúan sobre el cuerpo y cuáles son sus pares de acción-reacción?

DCL

P = peso del cuerpo = fuerza de atracción de la Tierra sobre el cuerpo
El par de reacción es la fuerza con la que el cuerpo atrae a la Tierra

F = fuerza externa
El par de reacción es la fuerza que ejerce el cuerpo sobre quien lo empuja

N = normal = reacción del plano sobre el cuerpo
El par de reacción es la fuerza que el cuerpo ejerce sobre el plano


b) ¿Cuánto tendrá que valer el módulo de la fuerza F para que el cuerpo ascienda por el plano inclinado con velocidad constante?

Ecuaciones de Newton

Según x ---- > ∑ F = - Fx + Px = 0 (velocidad constante)
Según y ---- > ∑ F = N - Fy + Py = 0

donde
F = fuerza externa
Fx = F cos 30º
Fy = F sen 30º
P = peso = m g
Px = P sen 30º
Py = P cos 30º
m = masa = 2 kg
N = normal

Reemplazando y despejando F de la ecuación según x
F = 2 kg 10 m/s2 sen 30º / cos 30º = 11,55 N  < -------- Fuerza (b)


c) ¿Cuánto tendrá que valer F para que el cuerpo descienda con velocidad constante?

Ídem b - No cambian las fuerzas, ni en módulo, ni dirección y sentido
F = 11,55 N < -------- Fuerza (c)


d) Ahora considerar que el coeficiente de rozamiento entre el cuerpo y el plano es μd = 0,3. ¿Qué valor debe tener el módulo de F para que el cuerpo ascienda por el plano inclinado con velocidad constante?

DCL

El sentido de la Fuerza de rozamiento se opone al movimiento

Ecuaciones de Newton

Según x ---- > ∑ F = - Fx + Px + Froz = 0 (velocidad constante)
Según y ---- > ∑ F = N - Fy + Py = 0

donde
Froz  = fuerza de rozamiento entre el cuerpo y en piso = μd N
μd = coeficiente de rozamiento = 0,3

Despejando N de la ecuación según y y reemplazando en Froz
Froz = μd N = μd  ( m g cos 30º + F sen 30º )

Reemplazando en la ecuación según x
 F cos 30º  = m g sen 30º + μd  ( m g cos 30º + F sen 30º )
Despejando F
F = ( m g sen 30º + μd  m g cos 30º) / (cos 30º - μd sen 30º)

F = 2 kg 10 m/s2 (sen 30º + 0,3 cos 30º) / (cos 30º - 0,3 sen 30º) = 21,22 N  < -------- Fuerza (d)


e) ídem d) pero con el cuerpo descendiendo, por el plano, con velocidad constante

DCL

El sentido de la Fuerza de rozamiento se opone al movimiento

Ecuaciones de Newton

Según x ---- > ∑ F = - Fx + Px  - Froz = 0 (velocidad constante)
Según y ---- > ∑ F = N - Fy + Py = 0

Despejando N de la ecuación según y y reemplazando en Froz
Froz = μd N = μd  ( m g cos 30º + F sen 30º )

Reemplazando en la ecuación según x
F cos 30º  = m g sen 30º -  μd  ( m g cos 30º + F sen 30º )
Despejando F
F = ( m g sen 30º - μd  m g cos 30º) / (cos 30º + μd sen 30º)

F = 2 kg 10 m/s2 (sen 30º - 0,3 cos 30º) / (cos 30º + 0,3 sen 30º) = 4,73 N  < -------- Fuerza (e)

5 comentarios:

  1. Buenas tardes, tengo una duda con la parte b y c. El valor de F es el mismo porque la aceleración es 0, pero para que suba o baje suponemos que hay una velocidad en el sentido (ya sea subiendo o bajando) que nos indica el enunciado no? Muchas gracias

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  2. Exacto, hay una velocidad constante que es la que genera el movimiento.
    Como la velocidad es constante la aceleración es cero y de allí el valor de la F

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  3. Profe porque Px es con (sin30°)?

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  4. Fijate en el grafico, P es la hipotenusa y 30° es el ángulo entre P y Py .
    Py = P cos 30° y Px = P sen 30°

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