lunes, 31 de agosto de 2020

Física UBA XXI Guía I.2.1. Dinámica

2.1. En un dispositivo -semejante al representado- destinado a probar dispositivos de frenado se hace rodar cuesta abajo (partiendo del reposo y con rozamiento despreciable) un vagón de dos toneladas. Luego del descenso el vagón atraviesa una zona de frenado en donde aplica los frenos a lo largo de una trayectoria de 40,0 metros, para luego impactar contra un robusto resorte que “absorberá” el impacto.


a. ¿Con qué velocidad (en km/h) pasará el vagón por el punto ● p?

 

ΔEm = EmP – Emo = 0 (no hay trabajo de fuerzas no conservativas)

 

Donde

ΔEm = variación de  la energía mecánica

 

EmP = energía mecánica en P  = EcP + EpP

EcP = energía cinética en P = 1/ 2 m vP2

m = masa del vagón = 2 Ton = 2.000  kg

vP = velocidad en P

EpP = energía potencial en P  = m g hP

g = aceleración de la gravedad = 9,8 m/s2

hP = altura en P = 0

 

EmP  = 1/ 2 m vP2

 

Emo = energía mecánica inicial = Eco + Epo

Eco = energía cinética inicial = 1/ 2 m vo2

vo = velocidad inicial = 0 (parte del reposo)

Epo = energía potencial inicial  = m g ho

ho = altura inicial = 10 m

 

Emo =  m g ho

 

reemplazando y despejando vP

vP =  ( m g ho  / (1/ 2) m )1/2 = (2 g ho)1/2  = (2* 9,8 m/s2  10 m)1/2  = 14 m/s = 50,4 km/h

 

Si luego de atravesar la zona de frenado la velocidad remanente es de 5 km/h

b. ¿Cuánto es el trabajo realizado por la fuerza de frenado?

 

ΔEm = EmF – EmP = WF

 

Donde

ΔEm = variación de  la energía mecánica

 

EmF = energía mecánica en F (después del frenado)  = EcF + EpF

EcF = energía cinética en F = 1/ 2 m vF2

vF = velocidad en F = 5 km/h = 1,39 m/s

EpF = energía potencial en F  = m g hF

hF = altura en F = 0

 

EmF  = 1/ 2 m vF2

 

EmP  = 1/ 2 m vP2   (ver ítem a)

 

WF = trabajo de la fuerza de frenado

 

reemplazando

WF =  1/ 2 m (vF2 – vP2)  = 1/ 2 * 2.000 kg ((1,39 m/s)2 – (14 m/s)2)  = - 194.071 J ------------ trabajo

 

c. ¿cuál es el valor de la fuerza de frenado?

 

WF = F d cos 180º

 

donde

F = fuerza de frenado

d = distancia recorrida = 40 m

cos 180º = coseno del ángulo formado entre la dirección de la fuerza y la dirección de desplazamiento = -1

 

reemplazando y despejando F

F = - WF / d = - (- 194.071 J) / 40 m = 4.851,77 N ----------- fuerza de frenado

 

d. ¿Cuánto vale la “desaceleración” del vagón durante el frenado?

 

F = m a

 

Donde

F = fuerza de frenado

m = masa del vagón

a = aceleración

 

reemplazando y despejando a

a = F / m = 4.851,77 N / 2.000 kg = 2,43 m/s2  --------------- aceleración

 

e. ¿Cuánto tarda en atravesar la zona de frenado?

 

Ecuación horaria de la velocidad

v = vo + a t

 

donde

v = velocidad final = 1,39  m/s

vo = velocidad inicial = 14 m/s

a = aceleración = - 2,43 m/s2

t = tiempo transcurrido

 

reemplazando y despejando t

t = (v – vo) / a = (1,39 m/s – 14 m/s) / ( - 2,43 m/s2) = 5,20 seg -------------- tiempo

 

f. ¿Cuál es el valor de la potencia de frenado en watts? ¿Y en Hp?

 

Pot = W / t

 

Donde

Pot = potencia

W = trabajo de la fuerza = 194.071 J

t = tiempo = 5,20 seg

 

reemplazando

Pot = 194.071 J / 5,20 seg = 37.332 Watt = 37.332 W ( 1 Hp / 746 W) = 50,04 Hp ---------- Potencia

 

Si al llegar al resorte el vagón se detiene cuando el resorte se ha comprimido 30 cm,

g. ¿Cuál es el valor de la constante elástica del resorte?

 

 

ΔEm = EmR – EmF  =  0 (no hay trabajo de fuerzas no conservativas)

 

Donde

ΔEm = variación de  la energía mecánica

 

EmR = energía mecánica en R (resorte comprimido)  = EcR + EpR + Epe

EcR = energía cinética en R = 1/ 2 m vR2

vR = velocidad en R = 0

EpR = energía potencial en R  = m g hR

hR = altura en R = 0

Epe = energía potencial elástica = 1/ 2 K x2

K = constante del resorte

x = compresión del resorte = 30 cm = 0,3 m

 

EmR  = 1/ 2 K x2

 

EmF  = 1/ 2 m vF2   (ver ítem b)

 

Reemplazando y despejando K

K = 1/ 2 m vF2  / (1/ 2 x2) =  m vF2  / x2  = 2.000 kg  (1,39 m/s)2  / (0,9 m)2 = 42.867 N/ m ----------- constante

 

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