miércoles, 24 de octubre de 2018

Dinámica – 62 Movimiento circular


Dinámica 62. Un cuerpo de 5 kg, apoyado sobre la superficie cónica ABC, pende de una soga ideal de 4,5 m de longitud (ver figura). El cuerpo gira alrededor del eje EE' a 10 rpm. No hay rozamiento entre la superficie y el cuerpo. Calcular:



a) La fuerza que ejerce la superficie cónica sobre el cuerpo.

DCL


Ecuaciones de Newton

Según x ---- > ∑F = Tx - Nx  = m ac
Según y ---- > ∑F = Ty + Ny – P  = 0

donde
T = tensión de la soga
Tx = T sen θ
Ty = T cos θ
N = fuerza ejercida por cono sobre el cuerpo
Nx = N cos θ
Ny = N sen θ
θ  = ángulo de la soga con la vertical = 30º
ac = aceleración centrípeta = ω2 R
ω = velocidad angular = 10 rpm * 2 π / 60 s = 1,047 s-1
R = radio de giro
m = masa = 5 kg

Radio de giro


R = L sen θ

donde
L = longitud de la cuerda = 4,5 m
θ  = Angulo de la soga con la vertical = 30º
R = radio de giro = L sen θ = 2,25 m

Reemplazando Tx, Ty, Nx y Ny en las ecuaciones
T sen θ - N cos θ = m ω2 R
T cos θ + N sen θ = m g

Resolviendo el Sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas ( N y T) por determinantes
N = (sen θ m g - cos θ m ω2 R) / (sen2 θ  + cos2 θ) =
N = 5 kg ( 10 m/s2 sen 30º – (1,047 s-1)2 2,25 m cos 30º ) = 14,32 N < --------- fuerza ejercida por el cono


b) La tensión en la soga.

T = (cos θ m g + sen θ m ω2 R) / (sen2 θ  + cos2 θ) =
T = 5 kg (10 m/s2 cos 30º  + (1,047 s-1)2 2,25 m sen 30º)  = 49,47 N < -------- tensión de la soga


c) La velocidad angular a la que ha de girar el cuerpo para anular la fuerza de contacto con la superficie cónica. ¿Cuánto vale la tensión de la soga en este caso? Comparar éstos resultados con los del ejercicio 61

Reemplazando N = 0
N = (sen θ m g - cos θ m ω2 R) =  0
Despejando ω
ω = (tan θ g / R )1/2  = (tan 30º 10 m/s2 / 2,25 m )1/2  = 1,60 s-1 < ---------- velocidad angular

Reemplazando en T
T = (cos θ m g + sen θ m ω2 R) = 5 kg (10 m/s2 cos 30º  + (1,60 s-1)2 2,25 m sen 30º) = 57,73 N < ------- tensión de la soga

El ω y T tienen el mismo valor que el ejercicio 61


d) Describir qué sucedería si el cuerpo girase con una velocidad angular mayor que la calculada en c) ¿Y si lo hiciera con una velocidad angular menor?

Si la velocidad angular es mayor que c) ----- > el cuerpo está “volando” sobre el cono
Si la velocidad angular es menor que c) ----- > el cuerpo se desliza sobre el cono


9 comentarios:

  1. excelente¡¡¡ Muy buena la explicación de cada uno de los ejercicios la felicito siga así

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  2. Buen Día!
    una pregunta, si la frecuencia es el número de vueltas que da la partícula por unidad de tiempo (Dato: 10 rpm=1,047 s^-1), la velocidad angular no sería la frecuencia x (2)(pi)??

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  3. Profe, como te quedo N = (sen θ m g - cos θ m ω2 R) / (sen2 θ + cos2 θ) ?

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  4. A partir de
    T sen θ - N cos θ = m ω^2 R
    T cos θ + N sen θ = m g

    Es un sistema de dos ecuaciones con dos incognitas ( N y T)
    Elegí el método que quieras para resolverlo.
    Puede ser determinantes. (así lo hice)

    Podes despejar T de las dos ecuaciones e igualar
    T = ( m ω^2 R + N cos θ) / sen θ
    T = ( m g - N sen θ ) / cos θ
    ( m ω^2 R + N cos θ) / sen θ = ( m g - N sen θ ) / cos θ

    ( m ω^2 R + N cos θ) cos θ = ( m g - N sen θ ) sen θ

    m ω^2 R cos θ + N (cos θ)^2 = m g sen θ - N (sen θ)^2

    N (cos θ)^2 + N (sen θ)^2 = m g sen θ - m ω^2 R cos θ

    N = (m g sen θ - m ω^2 R cos θ) / ((cos θ)^2 + (sen θ)^2)

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