CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I
CHOQUES Semana 15 1. CONCEPTO: llamamos así a aquellos fenómenos de corta
V1
duración, y que se producen cada vez que dos cuerpos con movimiento relativo interaccionan por contacto, generándose entre ellos fuerzas impulsivas variables y muy intensas, las mismas que originan deformaciones y aceleraciones muy grandes, lo cual produce variaciones considerables en la velocidad de los cuerpos.
V2 ANTES
U1
U2 DESPUÉS
2. CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO: durante el choque se producen fuerzas internas muy grandes, de tal manera que las fuerzas externas como la fuerza de gravedad son despreciables. Por consiguiente la cantidad de movimiento instante antes del choque es igual a la cantidad de movimiento instante después del choque.
Pante = Pde antess del del choqu hoquee desp spue uess del del cho hoqu quee 3. COEFICIENTE DE RESTITUCIÓN (e): es una cantidad adimensional (no tiene unidades) que cinemáticamente se define como la relación entre la velocidad relativa de alejamiento después del choque, entre, la velocidad relativa de acercamiento antes del choque. e=
Velocidad relativa de alejamiento Velocidad relativa de acercamiento
Variación del valor de e:
0 ≤ e ≤ 1
e = U 1 + U 2 ≤ 1 V1 + V 2
F(N)
Choque perfectamente elástico
TIPOS DE CHOQUES: el valor del coeficiente de restitución está íntimamente vinculado con la perdida de energía cinética durante el choque. 4. CHOQUE PERFECTAMENTE A1 A2 ELÁSTICO (e = 1): son aquellas en donde los cuerpos luego del choque t(s) conservan la misma energía cinética. Asimismo, la deformación experimental por los cuerpos durante el choque solo es temporal, observándose que cada uno recupera su www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 1
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I forma original terminado el choque. Además se verifica que:
e=
A2 A1
= 1
F(N)
CHOQUE ELÁSTICO
A1: área de deformación durante la fase inicial del choque. A2: área de recuperación durante la fase final del A1
choque.
5. CHOQUE ELÁSTICO (e): en estos choques los cuerpos presentan deformaciones luego de su separación. Esto es una consecuencia del trabajo realizado por las fuerzas impulsivas, lo que conduce a una disminución de la energía cinética total de los cuerpos. Además se verifica que:
e=
A2 A1
A2 t(s)
F(N)
< 1 ⇒ 0 < e < 1
A1: área de deformación durante la fase inicial del choque. A2: área de recuperación durante la fase final del choque.
A1 t(s) Choque perfectamente inelástico
6.CHOQUE PERFECTAMENTE PERFECTAMENTE INELÁSTICO (e = 0): se les llama también choques plásticos, y se caracterizan porque los cuerpos durante el choque reciben un trabajo por parte de las fuerzas internas que los obliga a mantenerse M m unidos y continuar su movimiento en esa forma. Esto V1 V2 nos sugiere que la energía cinética total de los cuerpos es menor después del choque, y ello debido a una fuga ANTES de energía bajo la forma de calor. Además se verifica que:
e=
A2 A1
(M+m)
=0 ⇔
A2 = 0
A1: área de deformación durante la fase inicial del choque. A2: área de recuperación durante la fase final del choque.
U
DESPUÉS
Choque perfectamente elástico
7. LEY DE REFLEXIÓN DE LOS CHOQUES : Durante el choque oblicuo de una cuerpo (pelota o partícula) con la superficie (pared, piso, plano inclinado) se verifica que el coeficiente de restitución depende e los ángulos de incidencia y de reflexión respecto de la línea normal. α: ángulo de incidencia respecto de la línea normal N. β: ángulo de reflexión respecto de la línea normal N.
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 2
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I e=
Tgα Tg β
≤ 1
De la ecuación deducimos que el ángulo de incidencia es menor o igual al ángulo de reflexión cuando la superficie es lisa.
LEY DE REFLEXIÓN DE LOS CHOQUES
N
8. EL COEFICIENTE DE RESTITUCIÓN Y LA FUERZA DE ROZAMIENTO: cuando el cuerpo (pelota) choca contra la superficie (piso) la fuerza de rozamiento hace que el ángulo de reflexión sea menor que el ángulo de incidencia, verificándose que:
e=
Tgα − µ Tg β + µ
≤ 1
α
β
N α
β
µ
9. CHOQUE FRONTAL CONTRA LA SUPERFICIE: Cuando el cuerpo choca contra un superficie (pared, piso, plano LEY DE REFLEXIÓN DE LOS CHOQUES inclinado) la rapidez de rebote (U) es igual al producto de la rapidez de incidencia (V) por el coeficiente de restitución (e). Verificándose que: U = e.V 10. AL ALTURA TURA MÁXIMA DE REBOTE: Si soltamos un cuerpo (pelota) desde una altura H, la atura máxima de rebote (h) es: 2 h = e .H al termino del enésimo rebote la altura máxima que alcánzale cuerpo es: 2n
h = e .H .H
11. PROBLEMAS RESUELTOS EJEMPLO 01: Un pelota de 0,5 kg se mueve con una rapidez de 20 m/s horizontalmente, impacta contra una pared vertical y luego rebota. Si el coeficiente de restitución es 0,8, calcular el impulso que le da la pared a la pelota. Resolución Cálculo de la rapidez de rebote: U = e.V
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 3
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I U = 0 ,8.( 20 ) = 16 ms
V ANTES
N DURANTE
e.V DESPUÉS El impulso es igual a la variación de la cantidad de movimiento:
I = ∆ P = m VF − V 0 ( )
I = 0 ,5 ( −16 − 20 ) = −18 N .s Respuesta: el módulo del impulso es 18 N.s EJEMPLO 02: Se lanza una partícula con un ángulo de incidencia de 45° sobre la superficie horizontal cuyo coeficiente de fricción estática es µ e . Si el coeficiente de restitución del choque 2 es e = 0,8; calcular la medida del ángulo θ de reflexión. µ µ e = 9 V2
45° V
1
θ
A) 37° B) 30° C) 45° Resolución Ley de reflexión para el choque:
e=
Tgα − µ
Tg 450 −
D) 53°
E) 60°
2 9
⇒ 0 ,8 = 2 Tg β + µ Tgθ + 9
Despejando: Tgθ =
3 ⇒ θ = 37 0 4
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 4
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I Respuesta: la medida del ángulo θ es 37º. EJEMPLO 03: Sobre un plano inclinado θ = 60° con la horizontal se dispara un proyectil horizontalmente, rebotando verticalmente. Sabiendo que no existe rozamiento, determinar el coeficiente de restitución “e” entre la esferita y el plano inclinado. U
V
θ
A) 0,5 Resolución
B) 0,25
C) 1/3
Ley de reflexión para el choque:
e=
Tgα
⇒ e = Tg β
Tg ( 90 − θ ) 2
U
E) 0,75
0
Tgθ
Despejando: e = ( Ctgθ ) =
D) 2/3
1 3
Normal θ (90º−θ)
V θ θ Respuesta: el coeficiente de restitución es 1/3.
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 5
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I EJEMPLO 04: Una partícula es lanzada contra la superficie horizontal con un ángulo θ respecto de la vertical. El coeficiente de restitución para el choque es e = 0,5 y el coeficiente de fricción estática entre partícula y la superficie es µ = 0,5. ¿Para qué ángulo de incidencia θ el rebote es vertical? V2
V θ
1
A) 37° B) 30° C) 45° Resolución Ley de reflexión para el choque:
e=
D) 53°
E) 60°
Tgθ − 0,5 ⇒ 0 ,5 = 0 Tg β + µ Tg 90 + 0,5 Tgα − µ
Despejando: Tgθ =
3 ⇒ θ = 37 0 4
Respuesta: la medida del ángulo θ es 37º. EJEMPLO 04: Dos cuerpos cilíndricos de masas A (12 kg) y B (2 kg) se desplazan con rapidez V1 = 4 m/s y V2 = 6 m/s respectivamente en sentidos opuestos, sobre un eje horizontal que no ofrece rozamiento. Después del choque el cuerpo de mayor masa mantiene el mismo sentido con rapidez U1 = 2 m/s. Determinar el coeficiente de restitución y la energía calorífica desprendida. V1
V2
A
B
A) 0,4 y 72 J B) 0,2 y 72 J Resolución
C) 0,4 y 74 J D) 0,4 y 720 J
E) N.A.
Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal: Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee
M .V1 − m. m.V V2 = M .U1 − m.U m.U 2 (12 ) .( 4 ) − ( 6 ) .( 2 ) = (12 ) .( 2 ) + ( 2 ) .U 2 U 2 = 6 ms U1
U2
A
B
Cálculo del coeficiente de restitución:
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 6
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I e= e=
V .R. Alejam Alejamiento iento V .R. Acercam Acercamiento iento U 2 + U 1 6− 2 V1 + V 2
=
6 + 42
≤ 1
= 0 ,4
Principio de conservación de la energía:
EM ( antes ) = EM ( despues ) 2 1 M . V 2 1
+ 12 m.V m.V22 = 12 M .U12 + 12 m.U m.U 22 + Q
Reemplazando los datos: Q = 72 J Respuesta: el coeficiente de restitución es 0,4 y la cantidad de energía disipada es 72 J.
EJEMPLO 05: Un carro de masa M = 10 kg se desplaza por inercia con rapidez V = 6 m/s. Desde una altura h = 1,0 m se abandona una esfera de masa m = 2 kg, como muestra la figura. Calcular la energía calorífica (en joules) desprendida en el choque, sabiendo que la esfera de adhiere al carro. No hay rozamiento en el plano horizontal. (g = 10 m/s2) m h
V
M
A) 40 Resolución
B) 30
C) 20
D) 50
E) 60
Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
antess del del choqu hoquee = Pdesp despue uess del del cho hoqu quee Pante M .V = ( M + m ) .U (10 ) .( 6 ) = (10 + 2 ) .U U = = 5 ms
Principio de conservación de la energía: EM ( antes ) = EM ( despues ) 2 1 2 M .V
+ m.g .h = 12 ( M + m ) .U 2 + Q
Reemplazando los datos:
Q = 50 J www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 7
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I Respuesta: la cantidad de energía disipada es 50 J. EJEMPLO 06: Una esfera de masa “m” se lanza horizontalmente con rapidez V = 5 m/s y choca elásticamente (e = 1) con una cuña de masa M, (M = 5 m), rebotando verticalmente. Calcular la altura máxima (en m) que alcanza la esfera después del choque. No hay rozamiento. La cuña se encuentra en reposo antes del choque. (g =10 m/s 2) g
V
m
M
A) 0,5 B) 0,8 C) 1,0 D) 1,5 E) 1,8 Resolución Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee U − m.V = − M ..U
( m ) .( 5) = ( 5m ) .U U = 1,0 ms
Principio de conservación de la energía mecánica: EM ( antes ) = EM ( despues ) 1 2
m.V 2 = 12 M .U .U 2 + m.g .h
Reemplazando los datos:
h = 1,0 m Respuesta: la máxima altura que alcanza la partícula es 1,0 metro.
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 8
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I EJEMPLO 07: Un bloquecito de masa m = 100 g se desliza partiendo del reposo por un tobogán perfectamente liso que termina horizontalmente, del tal modo que el bloquecito impacta con el m g L
M
h
péndulo de masa M = 400 g, al cual que adherido, elevándose los dos hasta una altura “h” máxima. Si la longitud de la cuerda es L = 25 cm, determine el valor de “h” (en cm). A) 0,5 B) 0,8 C) 1,0 D) 1,5 E) 1,8 Resolución Cálculo de la velocidad de “m” cuando impacta con “M”. Conservación de la energía mecánica: EM ( antes ) = EM ( despues ) 2
1
m.g.L g.L = 2tenemos m.V que: Despejando
V 2 = 2.g .L Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee
m.V = ( M + m ) .U m .V m + M
U =
Principio de conservación de la energía mecánica:
EM ( en B ) = EM ( en C ) 1 2
( m + M ) .U 2 = ( m + M ) .g .h
Despejando tenemos lo siguiente:
h=
m
2
( m + M )
2
.L
Remplazando los datos tenemos: h = 1,0 cm
Respuesta: la máxima altura que se eleva el conjunto es 1,0 metro. www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 9
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I EJEMPLO 08: El bloque A de 2 kg se desliza sobre una superficie horizontal sin rozamiento con rapidez de 10 m/s, en la misma línea horizontal se mueve otro bloque B de 5 kg con rapidez de 3 m/s, en la misma dirección. Si el resorte de masa despreciable y constante elástica K = 1120 N/m va fijo en la parte posterior del bloque B, como se indica en la figura. Determinar la máxima deformación en el resorte (en m) cuando chocan los bloques. V1
V2 K
A
B
A) 0,25
B) 0,45
C) 0,35
D) 0,75
E) 0,15
Resolución La máxima deformación en el resorte se produce cuando ambos cuerpos se desplazan con la misma velocidad “U”, esto quiere decir que la velocidad relativa de acercamiento entre A y B es nula. U
U K
A
B
Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee m A .VA + mB .VB = ( mA + mB ) .U Reemplazando los datos tenemos que: U = = 5 ms Principio de conservación de la energía mecánica: EM ( antes ) = EM ( despues ) 1 2
m A .VA2 + 12 mB .VB2 =
1 2
( mA + mB ) .U 2 + 12 K .X 2
Reemplazando los datos: X = 0 ,25 m Respuesta: la máxima deformación en el resorte es 0,25 m.
EJEMPLO 09: Un bloque m = 0,5 kg se mueve horizontalmente con rapidez V = 9 m/s y hace contacto con la superficie de un carro de masa M = 4 kg inicialmente en reposo. En el carro se encuentra instalado un resorte de masa despreciable y constante elástica K = 400 N/m. Despreciando toda forma de rozamiento, determinar la máxima deformación (en m) en el resorte. V K m
M
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 10
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I A) 0,30 B) 0,45 C) 0,35 D) 0,75 E) 0,15 Resolución La máxima deformación en el resorte se produce cuando ambos cuerpos se desplazan con la misma velocidad “U”, esto quiere decir que la velocidad relativa de acercamiento entre “m” y “M” es nula. U K
m
M
Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee
m.V = ( m + M ) .U Reemplazando los datos tenemos que: U = 1,0 ms Principio de conservación de la energía mecánica: EM ( antes ) = EM ( despues ) 1 2
2
m.V =
1 2
( m + M ) .U 2 + 12 K .X 2
Reemplazando los datos: X = 0 ,3 m Respuesta: la máxima deformación en el resorte es 0,3 m.
EJEMPLO 09: Un péndulo formado por una esfera de masa “m” e hilo de longitud L = 2,0 m, se desvía una ángulo θ = 60° respecto de la vertical y se suelta (sin velocidad inicial). La esfera choca con el bloque de masa M (M = 2 m) con coeficiente de restitución e = 0,5. Si el coeficiente 2 de rozamiento es m(g==0,5; determinar la distancia que recorre (en m) sobre el plano horizontal hastacinético detenerse. 10 m/s )
θ
g
m
M
A) 0,30
B) 0,45
C) 0,35
D) 0,50
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
E) 0,15 Página 11
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I Resolución Cálculo de la velocidad de “m” cuando impacta con “M”. Conservación de la energía mecánica: EM ( antes ) = EM ( despues ) 2 m.g.L g.L = 12 m.V
2
Despejando tenemos que: V = 2.g .L … (1)
V
V=0
U1
M
U M
Principio de conservación del momentum lineal en el eje horizontal:
Pante = Pdesp antess del del choqu hoquee despue uess del del cho hoqu quee
m.V = M .U − m.U 1 U1 = −V + 2U …(2) Cálculo del coeficiente de restitución:
e= e=
V .R. Alejam Alejamiento iento
V .R. Acercam Acercamiento iento U + U 1 1
=
V
2
≤ 1
V = 2U + 2U 1 …(3) Resolviendo (2) y (3):
2 gL U = = 2 2 V
Después del Choque. Teorema del trabajo y la energía mecánica: friccion W A→ B = EM ( en B ) − EM ( en A )
− f .d = Ek ( B ) − Ek ( A) 2 − µ ( M .g ) .d = 0 − 12 M .U U
Despejando tenemos lo siguiente:
d =
U 2
2 g
Reaplazando los datos tenemos: d = 0,5 m
Respuesta: la máxima distancia que avanza es 0,5 metro. www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 12
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I 12. PROBLEMAS PROPUESTOS DE CHOQUE (PARTE I) 1. Una pelota de 0,5 kg se mueve con una rapidez de 20 m/s horizontalmente, impacta contra una pared vertical y luego rebota. Si el coeficiente de restitución es 0,8, calcular el impulso que le da la pared a la pelota. V
V2 ANTES
N
45°
DURANTE
V1 θ
e.V Para el problema 02 Para el problema 01
2. Se lanza una partícula con un ángulo de incidencia de 45° sobre la superficie horizontal cuyo coeficiente de fricción estática es µ e . Si el coeficiente de restitución del choque es e = 0,8; calcular la medida del ángulo θ de reflexión. µ µ e = 2 9 U θ
V1
V2
V Para el problema 04
θ Para el problema 03
V1
V2
A
B
Para el problema 05
3. Sobre un plano inclinado θ = 60° con la horizontal se dispara un proyectil horizontalmente, rebotando verticalmente. Sabiendo que no existe rozamiento, determinar el coeficiente de restitución “e” entre la esferita y el plano inclinado. 4. Una partícula es lanzada contra la superficie horizontal con un ángulo θ respecto de la vertical. El coeficiente de restitución para el choque es e = 0,5 y el coeficiente de fricción estática entre partícula y la superficie es µ = 0,5. ¿Para qué ángulo de incidencia θ el rebote es vertical? www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 13
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I 5. Dos cuerpos cilíndricos de masas A (12 kg) y B (2 kg) se desplazan con rapidez V 1 = 4 m/s y V2 = 6 m/s respectivamente en sentidos opuestos, sobre un eje horizontal que no ofrece rozamiento. Después del choque el cuerpo de mayor masa mantiene el mismo sentido con rapidez U1 = 2 m/s. Determinar el coeficiente de restitución y la energía calorífica desprendida. 6. Un carro de masa M = 10 kg se desplaza por inercia con rapidez V = 6 m/s. Desde una altura h = 1,0 m se abandona una esfera de masa m = 2 kg, como muestra la figura. Calcular la energía calorífica (en joules) desprendida en el choque, sabiendo que la esfera de adhiere al carro. No hay rozamiento en el plano horizontal. (g = 10 m/s2) 7. Una esfera de masa “m” se lanza horizontalmente con rapidez V = 5 m/s y choca elásticamente (e = 1) con una cuña de masa M, (M = 5 m), rebotando verticalmente. Calcular la altura máxima (en m) que alcanza la esfera después del choque. No hay rozamiento. La cuña se encuentra en reposo antes del choque. (g =10 m/s 2) m g h V
m V
M M
Para el problema 06
Para el problema 07
8. Un bloquecito de masa m = 100 g se desliza partiendo del reposo por un tobogán perfectamente liso que termina horizontalmente, del tal modo que el bloquecito impacta con m g
V1
V2
L
K A
M
h
B
Para el problema 09
Para el problema 08
el péndulo de masa M = 400 g, al cual que adherido, elevándose los dos hasta una altura “h” máxima. Si la longitud de la cuerda es L = 25 cm, determine el valor de “h” (en cm).
9. El bloque A de 2 kg se desliza sobre una superficie horizontal sin rozamiento con rapidez de 10 m/s, en la misma línea horizontal se mueve otro bloque B de 5 kg con rapidez de 3 m/s, en la misma dirección. Si el resorte de masa despreciable y constante elástica K = 1120 N/m va fijo en la parte posterior del bloque B, como se indica en la figura. Determinar la máxima www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 14
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I deformación en el resorte (en m) cuando chocan los bloques.
10. Un bloque m = 0,5 kg se mueve horizontalmente con rapidez V = 9 m/s y hace contacto con la superficie de un carro de masa M = 4 kg inicialmente en reposo. En el carro se encuentra instalado un resorte de masa despreciable y constante elástica K = 400 N/m. Despreciando toda forma de rozamiento, determinar la máxima deformación (en m) en el resorte.
V K m
M
Para el problema 10
θ m
g
11. Un péndulo formado por una esfera de masa “m” e hilo de longitud L = 2,0 m, se desvía una ángulo θ = 60° respecto de la vertical y se suelta (sin velocidad inicial). M La esfera choca con el bloque de masa M (M = 2 m) con coeficiente de restitución e = 0,5. Para el problema 11 Si el coeficiente de rozamiento cinético es m = 0,5; determinar la distancia que recorre (en m) sobre el plano horizontal hasta detenerse. (g = 10 m/s 2) 12. Una locomotora de 10 toneladas se dirige hacia un vagón de 40 toneladas en reposo para acoplarse a él, a una velocidad de 5 i m/s. Calcular la velocidad común después del choque. 13. Una locomotora de 10 toneladas se dirige hacia un vagón de 10 toneladas en reposo para acoplarse a él, a una velocidad de 12 i m/s. Calcular la velocidad común inmediatamente después del choque. 14. Un automóvil de 1 400 kg en reposo, es golpeado por detrás por un auto de 1000 kg cuya velocidad es de 24 i m/s, quedando enganchados. ¿Cuál es la velocidad (en m/s) de los carros enganchados después de la colisión? 15. Una esfera de 1,0 kg con velocidad de 4i m/s experimenta una colisión frontal elástica con otra esfera idéntica a la primera, estacionaria. ¿A qué distancia (en m) de la primera se la segunda segundos después la colisión? 16.encuentra Una esfera de 1 kg seesfera, suelta3de una altura de 2 mdechoca contra el piso y rebota hasta una altura de 1 m. Si la misma esfera se suelta de una altura de 4 m, ¿hasta qué altura (en m) rebota? 17. Se suelta una pelota desde una altura de 20 m. Encuentre la altura máxima que alcanza después del segundo choque y el tiempo que transcurre hasta alcanzar esta altura, si el coeficiente de restitución es e = 0,1. 18. Dos deslizadores de masas m1 y m2 son libres de moverse sobre una superficie completamente lisa. Uno de ellos se encuentra en reposo y el otro se dirige hacia él. El choque es elástico, luego del cual los deslizadores tiene igual rapidez y direcciones opuestas. ¿Cuál es la relación
m1 m2
entre las masas?
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 15
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I PROBLEMAS PROPUESTOS (NIVEL 2): CHOQUES (SEGUNDA PARTE) 1. Una esfera cuelga de un extremo de un hilo de masa insignificante: Una flecha de 100 gramos que está moviéndose horizontalmente con rapidez de 10 m/s se incrusta en la esfera haciendo que este se eleve 20 cm. ¿Cuál es la masa de la esfera (en g)? Para el problema 01
Para el problema 02 g
m
V m
Vx
M M
2. Una manzana de 100 gramos desciende verticalmente, choca con un carro de masa 150 gramos que se mueve horizontalmente con rapidez de Vx = 10 m/s. Si luego de choque se mueven juntos, ¿Cuál es la velocidad veloci dad del carro (en m/s)? 3. Se muestra la variación de la fuerza con respecto al tiempo del choque frontal de una pelota contra una pared. Sabiendo que la relación de áreas bajo la curva esta en razón de 2 a 1, determine el coeficiente de restitución de la pelota. F(N)
Para el problema 03
Para el problema 04 V1
V2
ANTES
2A
A
T(s)
U1
U2
DESPUÉS
0
4. Dos esferas de masa iguales a 2 kg cada una se desplazan sobre la misma recta en sentidos opuestos. Si antes del choque las energías cinéticas eran M m 36 J y 16 J, y luego del choque frontal quedas en 9 J y V1 V2 25 J, respectivamente. Determine el coeficiente de restitución entre las esferas. 5. Las esferas de masas M = 0,3 kg y m = 0,2 kg se mueven en una superficie lisa con velocidades V1 = 10 i (m/s) y V2 = 8 i (m/s). Si se produce un choque perfectamente inelástico (quedan unidos), determine el módulo de la velocidad (en m/s) después del choque.
ANTES (M+m) U
Para el problema 05
DESPUÉS
6. Un cuerpo con energía cinética cuya cantidad es 600 J choca en forma totalmente inelástica (quedarán unidos) con otro cuerpo de igual masa que www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 16
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I inicialmente se encuentra en reposo. Determine la cantidad de energía cinética que se pierde durante el choque debido a la deformación de los cuerpos. m
7. Dos esferas de igual masas se mueven sobre un línea recta y su centro de masa tiene una rapidez de 5 m/s. Determine el módulo de la velocidad relativa (en m/s) de alejamiento de las esferas después del choque. Considere el choque
m
V1
V2 = 0
ANTES (2m)
perfectamente elástico (e = 1). 8. Se lanza una partícula con un ángulo de incidencia de 45° sobre la superficie horizontal cuyo coeficiente de fricción
U
Para el problema 06
2 estática es µ µ e = . Si el coeficiente de restitución del 9 choque es e = 0,8; calcular la medida del ángulo θ de reflexión.
DESPUÉS
Para el problema 08
V2
V1
9. Sobre un plano inclinado θ = 60° con la horizontal se dispara un proyectil horizontalmente, rebotando verticalmente. Sabiendo que no existe rozamiento,
45° θ
determinar coeficiente de restitución “e” entre la esferita y elelplano inclinado. m V2
2V
V
m
ANTES U1
V1
U2
Para el problema 07
DESPUÉS
θ
Para el problema 09 V1
V2
A
θ
V1
V2
B
Para el problema 12
Para el problema 10 V1
V2
A
B
Para el problema 11
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 17
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I
10. Una partícula es lanzada contra la superficie horizontal con un ángulo θ respecto de la vertical. El coeficiente de restitución para el choque es e = 0,5 y el coeficiente de fricción estática entre partícula y la superficie es µ = 0,5. ¿Para qué ángulo de incidencia θ el rebote es vertical?
cilíndricos deen masas A (12opuestos, kg) y B sobre (2 kg)un se eje desplazan conque rapidez V 1 = 4 m/s y 11.V2Dos = 6cuerpos m/s respectivamente sentidos horizontal no ofrece rozamiento. Después del choque el cuerpo de mayor masa mantiene el mismo sentido con rapidez U1 = 2 m/s. Determinar el coeficiente de restitución y la energía calorífica desprendida.
12. Dos cuerpos cilíndricos de masas A (4 kg) y B (2 kg) se desplazan con rapidez V 1 = 6 m/s y V2 = 4 m/s respectivamente en sentidos iguales, sobre un eje horizontal que no ofrece rozamiento. Después del choque el cuerpo de mayor masa mantiene el mismo sentido con rapidez U1 = 2 m/s. Determinar el coeficiente de restitución y la energía calorífica desprendida. m g h V
m
V
M
M
Para el problema 13
Para el problema 14
13. Un carro de masa M = 10 kg se desplaza por inercia con rapidez V = 6 m/s. Desde una altura h = 1,0 m se abandona una esfera de masa m = 2 kg, como muestra la figura. Calcular la energía calorífica (en joules) desprendida en el choque, sabiendo que la esfera de adhiere al carro. No hay rozamiento en el plano horizontal. (g = 10 m/s2) 14. Una esfera de masa “m” se lanza horizontalmente con rapidez V = 5 m/s y choca elásticamente (e = 1) con una cuña de masa M (M = 5 m), rebotando verticalmente. Calcular la V1
V2 K
m g
A
B
Para el problema 16
L V1 M
Para el problema 15
h
K A
V2 = 0 B
Para el problema 18
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 18
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I altura máxima (en m) que alcanza la esfera después del choque. No hay rozamiento. La cuña se encuentra en reposo antes del choque. (g =10 m/s 2)
15. Un bloquecito de masa m = 100 g se desliza partiendo del reposo por un tobogán perfectamente liso que termina horizontalmente, del tal modo que el bloquecito impacta con el péndulo de masa M = 400 g, al cual que adherido, elevándose los dos hasta una altura “h” máxima. Si la longitud de la cuerda es L = 25 cm, determine el valor de “h” (en cm). 16. El bloque A de 2 kg se desliza sobre una superficie horizontal sin rozamiento con rapidez de 10 m/s, en la misma línea horizontal se mueve otro bloque B de 5 kg con rapidez de 3 m/s, en la misma dirección. Si el resorte de masa despreciable y constante elástica K = 1120 N/m va fijo en la parte posterior del bloque B, como se indica en la figura. Determinar la máxima deformación en el resorte (en m) cuando chocan los bloques. 17. Una esfera m = 0,5 kg se mueve horizontalmente con rapidez V = 9 m/s y hace contacto con la superficie de un carro de masa M = 4 kg inicialmente en reposo. En el carro se encuentra instalado un resorte de masa despreciable y constante elástica K = 400 N/m. Despreciando toda forma de rozamiento, determinar la máxima deformación (en m) en el resorte. 18. El bloque A de 2 kg se desliza sobre una superficie horizontal sin rozamiento con rapidez de 10 m/s, en la misma línea horizontal se V K encuentra otro bloque B de 5 kg en reposo. Si el resorte de masa despreciable m y constante elástica K = 1120 N/m está fijo en la parte posterior del bloque B, M como se indica en la figura. Determinar la máxima deformación en el resorte (en m) Para el problema 17 cuando chocan los bloques.
V
θ
g
m
K M
m
M1
Para el problema 20 M
Para el problema 19
19. Un péndulo formado por una esfera de masa “m” e hilo de longitud L = 2,0 m, se desvía una ángulo θ = 60° respecto de la vertical y se suelta (sin velocidad inicial). La esfera choca con el bloque de masa M (M = 2 m) con coeficiente de restitución e = 0,5. Si el coeficiente de rozamiento cinético es m = 0,5; determinar la distancia que recorre (en m) sobre el plano horizontal hasta detenerse. (g = 10 m/s2)
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 19
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I 20. Un bloque de masa M se encuentra asociado a un carrito de masa M1 (M1 = 9m) mediante un resorte ingrávido de constante elástica K = 20 kN/m, inicialmente en reposo. Se dispara horizontalmente una bala de masa “m” con rapidez V (m.V = 300 N.s). Si después del choque la bala queda incrustada en el bloque de masa M (M = 8m), determinar la máxima deformación del resorte. Desprecie toda forma de rozamiento.
g
L
θ
g
m
M
K
θ
M
Para el problema 21 Para el problema 22
21. Se muestra una cuña de masa M en reposo. Si se lanza una esfera de masa “m” horizontalmente con rapidez V. Determinar la medida del ángulo θ tal que después del choque m elástico (e = 1) la esfera rebota verticalmente. Desprecie el rozamiento. = 7 M 16
L
θ
L
g
θ
g
1
M
M m
Para el problema 23
22. Un péndulo formado por una esfera de m = 1,0 kg y una cuerda ingrávida de longitud L = 2m, se desvía una ángulo θ = 60°, respecto de la vertical y se abandona (sin velocidad inicial). La esfera choca con el bloque de masa M= 2 kg con coeficiente de restitución e = 0,5. El bloque M esta unido al resorte de sin masa de constante elástica K = 1,0 kN/m,
Para el problema 24
L
2
3
4
m
m
m
θ
g
1
M
Para el problema 25
2
3
4
m
m
m
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
5
6
Página 20
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I determinar la máxima deformación en el resorte (en m). Desprecie el rozamiento. (g = 10 m/s2).
23. Dos bolas de radios iguales y masas M y “m” están suspendidas de manera mostrada, la primera bola se desvía un ángulo θ respecto de la vertical y se suelta. Después del choque la segunda bola se desvía un ángulo θ. Si el coeficiente de restitución es e = 0,6; determine la relación entre las masas
m
. (g = 10 m/s2).
M
24. Cuatro bolas de radios iguales y masas M y “m” están suspendidas de manera mostrada, la primera bola se desvía un ángulo θ respecto de la vertical y se suelta. Después del choque la cuarta bola se desvía un ángulo θ. Si el coeficiente de restitución es e = 0,9; determine la relación entre las masas
m M
. (g = 10 m/s2).
Para el problema 27
Para el problema 26
g
L
m
m
V
g
L
V M
M
25. Seis bolas de radios iguales y masas M y “m” están suspendidas de manera mostrada, la primera bola se desvía un ángulo θ respecto de la vertical y se suelta. Después del choque la sexta bola se desvía un ángulo θ. Si el coeficiente de restitución es e = 1, determine la relación m . (g = 10 m/s2). entre las masas M
26. Se muestra un péndulo balística de masa M y longitud L = 0,5 m. calcular la mínima velocidad de modulo V (en m/s) de la bala de masa “m” (M = 4 m), para que después del impacto de una vuelta junto con el péndulo balística. (g = 10 m/s2).
g 53°
θ
Para el problema 28 27. Se muestra un péndulo balístico de masa M y longitud L = 0,5 m. calcular la mínima velocidad de módulo V (en m/s) de la bala de masa “m” (M = 4 m), para que después del impacto salga con el 50% de la rapidez en la misma dirección y el péndulo de una vuelta. (g = 10 m/s2).
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 21
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I 28. Una esfera incide sobre una superficie horizontal rugosa con coeficiente de rozamiento estático µ = 1/3 formando un ángulo 53° con la vertical y rebota formando un ángulo θ con la vertical. Si el coeficiente de restitución es e = 0,75; determinar la medida del ángulo θ. Desprecie la masa de esferita. 29. Una esfera incide sobre una superficie horizontal rugosa. Si el coeficiente de restitución es e = 0,75; determinar el coeficiente de rozamiento estático. Desprecie la masa de esferita. Y 15m/s 5m/s X 37 °
53 °
30. Una esfera unida a una cuerda se abandona en la posición A. Determine la altura máxima que alcanza después del primer rebote. L= 0,8 0,8m m A
→
F (N)
48
0,1
t(s)
31. Se muestra un péndulo balístico de masa M y longitud L = 0,5 m. El proyectil con velocidad de módulo 200 m/s y de masa “m” (M = 4 m), choca inelásticamente y se adhiere a la esfera. Determine la altura máxima que alcanza la esfera después del choque. (g = 10 m/s2).
0,5m 200m/s
32. Se muestra un péndulo de masa M y largo de la cuerda L = 0,5 m. La esfera de masa “m” (M = 4 m) se acerca con rapidez conocida y choca con el péndulo elásticamente (e = 1). Determine la altura máxima que alcanza la masa pendular después del choque. (g = 10 m/s 2).
3 4
10 m /s
33. El cañón mostrado de masa M expulsa un proyectil de masa “m” (M = 9 m) von velocidad de módulo 500 m/s formando un ángulo de 37° respecto de la tierra. Determine la máxima deformación que experimenta el resorte de constante elástica K = 2,0 kN/m. www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 22
CHOQUE EN DOS DIMENSIONES / FÍSICA I
37°
34. BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN: INFORMACIÓN: http://grups.es/didactika/yahoo.com www.didactika.com www.didactika.com
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
www.DIDACTIKA.com / 997089931 Profesor: Walter PÉREZ TERREL / www.DIDACTIKA.com
Página 23
