viernes, 15 de marzo de 2024

Energía mecánica 22

Un hombre empuja un paquete de 10 kg a lo largo de un plano inclinado con rozamiento de 2 m de longitud. Para ello le aplica una fuerza constante y paralela al plano; en consecuencia, el paquete, que estaba inicialmente en reposo en el punto A, abandona el plano con una velocidad de 1,8 m/s, e impacta en el punto C.

μd = 0,1 ß = 37°

 



 a.     Realice los diagramas de cuerpo libre para los tramos AB y BC.




 

b.     Hallar el trabajo de la fuerza que aplica el hombre.

 

ΔEmAB = WFn

 

Donde

ΔEmAB = variación de energía mecánica desde A a B = EmB - EmA

 

EmB = Energía mecánica B = EcB + EpB

EcB = Energía cinética B = 1/ 2 m vB^2

m = masa del paquete = 10 kg

vB = velocidad en B = 1,8 m/s

EpB = Energía potencial B = m g hB

g = aceleración de la gravedad = 10 m/s2

hB = altura del plano inclinado = L sen 37°

L = longitud del plano inclinado = 2 m

 

EmA = Energía mecánica A = EcA + EpA

EcA = Energía cinética en A = 1/ 2 m vA^2 = 0 (vA = 0)

vA = velocidad en A

EpA = Energía potencial en A = m g hA = 0 (hA = 0)

hA = altura en A = 0

 

WFn = trabajo de las fuerzas no conservativas = WF + WFroz

WF = trabajo de la fuerza del hombre

WFroz = trabajo de la fuerza de rozamiento = Froz L cos α

Froz = fuerza de rozamiento = μd N

μd = coeficiente de rozamiento dinámico = 0,1

N = reacción normal del piso = Py

Py = componente y del peso P = P cos 37°

P = peso = m g

α = ángulo comprendido entre la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento = 180°

 

Reemplazando

WF = 1/ 2 m vB^2 + m g L sen 37° + μd m g cos 37° L

WF = 1 /2 10 kg (1,8 m/s)^2 + 10 kg 10 m/s2 2 m 0,6 + 0,1 * 10 kg 10 m/s2 0,8 * 2 m = 152,2 J

 

c.      Calcule el módulo de la velocidad del paquete al llegar al piso, y su altura máxima, utilizando consideraciones energéticas.

 

ΔEmBC = 0 (no ha fuerzas no conservativas)

 

Donde

ΔEmBC = variación de energía mecánica desde B a C = EmC - EmB = 0

 

EmC = Energía mecánica C = EcC + EpC

EcC = Energía cinética C = 1/ 2 m vC^2

vC = velocidad C

EpC = Energía potencial C = m g hC = 0 (hC = 0)

 

EmB = Energía mecánica B = EcB + EpB

EcB = Energía cinética B = 1/ 2 m vB^2

EpB = Energía potencial B = m g hB

hB = altura del plano inclinado = L sen 37°

 

Reemplazando

1 /2 m vC^2 = 1 /2 m vB^2 + m g L sen 37°

 

Despejando  vC

vC = raíz (vB^2 + 2 g L 0,60) = raíz ((1,8 m/s)^2 + 2 * 10 m/s2 2 m 0,60) = 5,21 m/s

 

D = altura máxima

En la altura máxima:

vDy = 0

vDx = vBx = vB cos 37°

 

| vD | = 0,80 | vB |

 

ΔEmBD = 0 (no ha fuerzas no conservativas)

 

Donde

ΔEmBD = variación de energía mecánica desde B a D = EmD - EmB = 0

 

EmD = Energía mecánica D = EcD + EpD

EcD = Energía cinética D = 1/ 2 m vD^2

vD = velocidad D en la altura máxima = 0,8 * 1,8 m/s

EpD = Energía potencial D = m g hD

hD = altura máxima

 

EmB = Energía mecánica B = EcB + EpB

EcB = Energía cinética B = 1/ 2 m vB^2

EpB = Energía potencial B = m g hB

hB = altura del plano inclinado = L sen 37°

 

Reemplazando

1 /2 m vD^2 + m g hD = 1 /2 m vB^2 + m g L sen 37°

 

Despejando vC

hD = raíz ((1 /2 vB^2 + g L 0,60 – 1 /2 vD^2)/ g) = raíz ((1 /2 (1,8 m/s)^2 + 10 m/s2 2 m 0,60 – 1 /2 (0,8 * 1,8 m/s)^2) / 10 m/s2) = 1,26 m

 

d.     Calcule el trabajo realizado por la fuerza peso en los tramos AB, BC, y AC.

 

d.1 Trabajo de AB

 

WFpAB = - ΔEpAB

 

Donde

WFpAB  = trabajo de la fuerza peso de AB

  

ΔEpAB = variación de energía potencial desde A a B = EpB - EpA

 

EpB = Energía potencial B = m g hB

g = aceleración de la gravedad = 10 m/s2

hB = altura del plano inclinado = L sen 37°

L = longitud del plano inclinado = 2 m

 

EpA = Energía potencial en A = m g hA = 0 (hA = 0)

 

Reemplazando

WFpAB = - (m g L sen 37° - 0) = - 10 kg 10 m/s2 2 m 0,6 = - 120 J

 

d.2. Trabajo de BC

 

WFpBC = - ΔEpBC

 

Donde

WFpBC = trabajo de la fuerza peso de BC

 

ΔEpBC = variación de energía potencial desde B a C = EpC - EpB

 

EpC = Energía potencial en C = m g hC = 0 (hC = 0)

 

EpB = Energía potencial B = m g hB

hB = altura del plano inclinado = L sen 37°

 

Reemplazando

WFpBC = - (0 -  m g L sen 37°) = 10 kg 10 m/s2 2 m 0,6 = 120 J

 

d.3. Trabajo de AC

 

WFpAC = - ΔEpAC

 

Donde

WFpAC = trabajo de la fuerza peso de AC

 

ΔEpAC = variación de energía potencial desde A a C = EpC - EpA

 

EpC = Energía potencial en C = m g hC = 0 (hC = 0)

 

EpA = Energía potencial en A = m g hA = 0 (hA = 0)

 

Reemplazando

WFpAC = - (0 -  0) = 0 J

 


 

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