Guia de Ejercicios Fisica 3ro y 4to

GUIA DE EJERCICIOS CANTIDADES FÍSICAS Y VECTORES 1.- Expresar en unidades del Sistema Internacional: a) 6,5 Km/h 3

b) 2 g/min 2

f) 10 mm /cm Sol.:

a) 1,8 m/s g) 0,5 kg/m3

3

g) 0,5 mg/cm

c) 5 mm3 h

d) 10 g cm/min

h) 20 ton/min

i) 30 cm g/h

b) 3,3 * 10-5 Kg/s h) 333,3 kg/s

3

e) 20 cm2/g 2

j) 0,4 km /gr 

c) 1,8 * 10-5 m3s d) 1 ,67 * 10-6 kg m/s -12 3 i) 8,3 * 10 m kg/s j) 0,4 * 109 m2/kg

e) 2 m2/kg

f) 10-4 m

2 2.- A, B y C son tres cantidades cantidades físicas cuyas cuyas unidades de medida medida son respectivamente respectivamente:: kg m/s ; kg m

y kg s/m. s/m. Determinar Determinar la unidad de medida medida de las siguientes siguientes cantidades cantidades físicas: físicas: a)

A/B

Sol.:

a)

 b) (ms)-1

C2 / A

ABC

c)

b) kg3 m2

c) kg s3 / m3

d)

BC / A

d) kg s2

e) s / kg m5

e)

C / B2

f)

C/A

f) s2 / m2

3. Una cinta transportadora de material en una industria, mueve 40 kg/m con una rapidez de 0,5 m/s. ¿Cuántos kilogramos de material transportará durante media hora? Sol.:

3,6 * 104 kg

4. En un depósito que tiene una capacidad de 3 m 3 se vierten dos líquidos A y B, el prime primero ro de ellos ellos tiene una densidad 0,80 g/cm 3 y el otro tiene una densidad densidad de 0,90 0,90 g/cm3. Si la la densi densidad dad del del líqu líquido ido 3 3 que resulta es de 0,88 g/cm . ¿Cuántos m de cada líquido se vertieron en el depósito? Sol.:

VA = 0,6 0,6 m3 ; VB = 2,4 2,4 m3

5. La densidad del agua es 1 g/cm 3. ¿Qué valor valor tiene tiene en en kg/m kg/m3? Sol.:

Aagua = 103 kg/m3

6. Una hoja de papel tamaño carta mide 21,7 cm x 27,8 cm. El gramaje del papel indica 75 g/m 2. Calcule la masa en kilogramos de una resma de este papel (500 hojas). Sol.:

M = 2,26 2,26 kg

7. Se afirma que durante un día lluvioso cayeron 8 mm de agua. Calcule la cantidad de agua caída en litros y kilogramos en una cancha rectangular de 150 x 70 m. Sol.:

V = 8,4 8,4 * 104 lt

;

M = 8,4 * 10 4 kg

VECTORES Y CINEMATICA. 1

  Ejemplo 1  Dados los siguientes vectores: a

r

r

r

i) a  b

a)

ˆ =  2 iˆ + 3  jˆ + k 

r

=

r

ii ) a  3 b + 2 c

r

ˆ  y 4 iˆ  3  jˆ + 3 k 

r

;b

r

r

r

iii) ( a  2 b ) • 3 c r

Determ rmin inar ar:: c =   jˆ + 4 k ˆ . Dete r

iv)  ( 4 b  3 c ) × 2 b

r

r

b)  El ángulo que forma el vector  a con cada uno de los ejes coordenados. c)  La proyección de c en la dirección y sentido de b  3 a . d) Un vector unitario en la dirección y sentido de c + a r

r

r

r

r

r

r

e)  El ángulo entre los vectores: 3b  y  2c  f) Un vector perpendicular al plano que forman c  y a + b r

r

r

r

 Solución:  Solución:

a)

r

i) a  b r

a

r

= ( 2  4) iˆ + r

b



[3  (3)] jˆ + (1 3) k ˆ =

(6) 2 + 6 2 + (2) 2 =

=

ˆ  6 iˆ + 6  jˆ  2 k 

76 = 8,7

ˆ ) 3(4iˆ 3 jˆ +3k  ˆ + 2( jˆ +4k  ˆ) = (2 12)iˆ +(3+ 9  2) jˆ +(19 +8) k  ˆ ii) a  3b + 2c = (2iˆ +3 jˆ +k  r

r

r

r

a  3b + 2 c r

r

r

iii) ( a  2 b ) • 3 c r

r

=  14 iˆ + 10  jˆ

ˆ  8 iˆ + 6 jˆ  6 k  ˆ) • (  3 jˆ +12 k  ˆ ) = (10iˆ + 9 jˆ  5 k  ˆ) • (  3iˆ +12 jˆ) = (2 iˆ + 3 jˆ + k  =

(10)(0) + (9)( 3) + ( 5)(12) =  87

iv) ( 4 b  3 c ) = 4(4 iˆ  3 jˆ + 3 k ˆ) r

r

ˆ) = 16 iˆ  9  jˆ  3( jˆ + 4 k 

r



 (4 b  3 c ) =  16 iˆ + 9  jˆ r

ˆ 2b = 8 iˆ  6  jˆ + 6 k  r

iˆ r

 ( 4 b  3 c ) × 2 b =  16 r

8

b)

 jˆ

k ˆ

9

ˆ 0 = 54 iˆ + 96  jˆ + 24 k 

r

6

6

Ángulos que forma a con los ejes coordenados r

2

a x = a a y cos    = = a a cos   =  z = a

Con el eje X :

cos   =

Con el eje Y : Con el eje Z :

c)

2



  = 122,3º



  = 36,7 º



  = 74,5º

14 3 14 1 14

r

 Proyección de c en la dirección y sentido de b  3 a . r

r

r

c • (b  3a ) b  3a r

 proy c /(b 3a ) r

r

r

r

b 3a

r

d)

ˆ ) • (10 iˆ 12  jˆ ) = 12   (  jˆ + 4 k 

r

r

10 2 + (12) 2 =

244

r

r

r

uˆ

c+a c +a

=

r

r

r

=

r

=

12 244

=

0,77

ˆ  2 iˆ + 2  jˆ + 5 k  33

=  0,35 iˆ +

r

ˆ 0,35  jˆ + 0,87 k 

r

Angulo entre los vectores 3 b  y  2 c

r

r

r

3 b • (2 c ) = 3 b  2 c cos    r

 f)

 proy c /( b 3a )

 

Un vector unitario en la dirección y sentido de c + a r

e)

=

=

r

r

 90 =

306

68 cos  



  = 128,6º

r

Un vector perpendicular perpendic ular al plano que forman c  y a + b r

c

iˆ

 jˆ

k ˆ

0

1

4 =  4 iˆ + 8  jˆ + 2 k 

2

0

r

r

(a + b ) = r

×

r

4

EJERCICIOS PROPUESTOS 3

r

8. Dados los vectores a , b  y c de igual módulo, que se ilustran en la figura, represente adecuadamente r

r

los siguientes vectores: a)

r

a

r

b c  2a + b  c  (c b ) 2b + a  c r

b

r

+

45º

c

r

r

 b)

r

r

r

c)

a

r

r

r

d)

r

r

9. A partir de los vectores de la figura, establezca establezca el resultado de las operaciones operaciones indicadas en función de los vectores restantes de la misma figura:

r

d)

a+b +c  g   d  c + e   f  d  + a + b

e)

e   g 

a)

r

r

a

r

b

r

r

 b)

r

r

c)

r

c

r

r

r

r

r

r

r

+

 f 

e

r

r

d 

r

10. Dados los vectores: a

r

a) Verificar que:

a

r

+

b

a

r

b

ˆ  y =  iˆ + 4  jˆ  3 k 

r

r



 f 

 g 

ˆ ; = 2 iˆ  3  jˆ + 4 k 

r

r

r

+

b

a

r

y que que: r

r

r



b

r

=

ˆ 3 iˆ  5  jˆ  6 k  r

a

r



a + 3c con los ejes Calcular el ángulo entre los vectores c  y a + b Calcular la proyección de a en la dirección de 2c .

 b) Calcular el ángulo que forma el vector 

c



b

X e Y.

r

c) d)

r

r

r

r

r

b  y 3 a

r

e) Calcular un vector unitario perpendicular al plano que forman Sol.:  b) H = 64,23º 64,23º ; I = 135,35º 135,35º

c) c) J = 123,5º 123,5º

ˆ e) uˆ = 0,79 iˆ  0,23 jˆ  0,57 k 

d) proya/2c = - 0,358

r

11. Dados los vectores a  y b de la figura, en que el módulo de a es 10. Calcular: r

r

a

r

Y a)

a

r

r

+

b

30º r

 b) El ángulo que forma r

c) Sol.:

b



X

–5 r

a

b r

a)

b con el eje X.

r

a + b = 3,66 iˆ  3 jˆ r

238º  b) J = 238º

-8

r

c) c)

b a

r

= 18,86º

12. Un automovilista viaja 15 Km hacia el sur, desde allí otros 15 km hacia el este y finalmente 10 km hacia el norte. Determine:

4

a) La distancia a la que queda finalmente del origen.  b) El ángulo que forma el vector posición final con la dirección este-oeste. Sol.:

13.

v = 673,6 km/h / 12,1º al norte del este

vagua = 16 km/h ; vlancha = 12 km/h

v = 375 375 km km/h

Dos caballos tiran de cuerdas atadas a un carro que desliza sobre rieles, la fuerza ejercida por cada uno de ellos tiene el mismo valor de 100 unidades de fuerza, si las cuerdas forman un ángulo de 30º cada una respecto de los rieles, calcular el valor de la fuerza que actúa sobre el carro. Sol.:

17.

= 341, 341,6º 6º

Un avión que está despegando, lo hace con una velocidad cuya dirección forma un ángulo de 37º con la  pista, si su sombra a mediodía se mueve con una rapidez de 300 km/h, calcular la rapidez con que se está elevando el avión. Sol.:

16.

J

Una lancha atraviesa un ancho río manteniendo con su timón una dirección perpendicular a la dirección de movimiento de las las aguas. Si respecto de la orilla orilla se mueve con una rapidez rapidez de 20 km/h formando formando respecto a ella un ángulo de 37º, calcular la rapidez con que se mueve el agua del río y la rapidez de la lancha Sol

15.

b)

Un avión que va volando hacia el este con una rapidez de 800 km/h, respecto a tierra, ingresa a una zona en la que el viento sopla en dirección noroeste con una rapidez de 200 km/h. Calcular la velocidad con que vuela el avión respecto a tierra. Sol.:

14.

a) d = 15,8 km

173,2 u de fuerza

Un automóvil se mueve a lo largo de una rotonda circunferencial de 100 m de radio, como se ilustra, si recorre desde el punto A al B una longitud equivalente a las tres cuartas partes de la circunferencia, determine: Y

a) Los vectores posición inicial y final respecto del Sistema de coordenadas dado.  b) El vector desplazamiento, en módulo, dirección y sentido.

A

X B

Sol.:

a)

r

d =100 iˆ 100  jˆ m

;

r

r  A r

=

 100 iˆ m ;

d  =141,2 m

;

r  B = 100  jˆ m r

 b) Y ( m)

M = -45º = 315º 315º

18. Un vehículo pasa por el punto A de la trayectoria que se muestra, en el instante inicial t A = 0 s, luego, por  C

20

A

B

D

E

-20

60

C

-20

X ( m) m)

5

en tC = 10 s y finalmente por E en el instante t E = 35 s. Calcula Calcular: r: a) El desplazamiento y la velocidad media entre los puntos:   b) La rapidez media en todo el recorrido.

Sol.:

a) r  AC  =  40  jˆ r

m ;

r CE  = 60iˆ + 20 jˆ r

A-C y entre C-E.

m ; v AC  =  4  jˆ m / s ; vCE  = 2,4iˆ + 0,8 jˆ m / s b ) v = 4,4 m / s r

r

19. Un vehículo se mueve rectilíneamente rectilíneament e de acuerdo con la ecuación itinerario: x = -15 t + 25 en que x está en metros y t en segundos. De acuerdo con esta ecuación, determine: a) La velocidad del móvil.  b) La posición inicial respecto del origen. Sol.:

a)

v = 15 iˆ m / s r

 b)

 x = 25 iˆ m r

20. Un ciclista proyecta viajar de Santiago a Valparaíso con una rapidez media de 20 km/h, esto es, emplear  6 horas. Recorre los primeros primeros 40 km con con una rapidez de 25 km/h, descansa descansa 30 minutos minutos y continúa los siguientes 25 km demorando 1 hora, descansa otros 15 minutos y recorre los siguientes 36 km a 18 km/h. Determinar: a) ¿Con que rapidez deberá recorrer la última etapa para cumplir lo proyectado?  b)Represente  b)Represente gráficamente el movimiento en un sistema posición-tiempo. Sol.:

v = 29,23 29,23 km/h km/h

21. A partir del gráfico posición-tiempo posición-tiempo que se muestra en la figura, en el que se representan representan los los movimientos de dos vehículos A y B. Calc Calcul ulee: A

x (cm) 100

45

B 0

a)  b) c) d) e)

20

40

60

120

t (s)

Las ecuaciones itinerario de A y B entre 0 y 20 segundos. Las posiciones, respecto del origen, de A y B a los 35 segundos segundos.. El primer instante en que B alcanza a A. El segundo instante en que ambos vehículos se cruzan. La rapidez media y la velocidad media de cada vehículo entre 0 y 120 segundos. Sol.: a)  x = 45 + 11 t  ;  x = 5 t    b) xA = 77,08 77,08 cm ; xB = 100 cm c) t = 11 s d) t = 48,5 s  A

12

 B

22. Un camión que viaja al sur con rapidez constante de 80 km/h, pasa por Santiago a las 8:00 h. Un automóvil que también viaja hacia el sur, pasa por Santiago a las 9:00 h con una rapidez de 95 km/h. Suponiendo que todo el camino es rectilíneo y que la rapidez de cada móvil es constante. Determinar:

6

a)  b) c) d)

La ecuación itinerario de cada vehículo. La hora a la que el automóvil da alcance al camión. La distancia respecto de Santiago a la que el automóvil alcanzó al camión. Un gráfico posición-tiempo que ilustre el movimiento de cada vehículo.

Sol.:

a) xC = 80 t ; xA = -95 + 95 t

b) t = 14 h 20 min

c) x = 506,6 Km

23. En una planta embotelladora, una cinta transportadora avanza con una rapidez constante de 2 m/s, las  botellas distan 20 cm entre sí en la cinta. Si se considera que en t 0 = 0 (s) se envas envasaa la primera primera botella. botella. a) ¿Cuántas botellas se envasan en una hora?  b) Si se deseara envasar, durante el mismo lapso, 50001 botellas. ¿Cuál debiera ser la rapidez de la cinta? Sol.:

a) 36000 botellas

b) v = 277,78 cm/s

24. Una piscina que tiene 20 m de largo, 10 m de ancho y 2 m de profundidad se está llenando de agua mediante una manguera. Si el nivel del agua está subiendo con una rapidez constante de 1 mm/s. a)  b)

¿Cuantos litros de agua por segundo están saliendo de la manguera? En cuanto tiempo se llena la piscina?

Sol.:

a) 200 lt/s

b) 33 min 20 s

25. En una cancha de ski los esquiadores suben la montaña por un andarivel que demora 15 minutos en recorrer 1500 m por una vía inclinada en 30º sobre la horizontal. a) ¿Cuál será la rapidez de ascenso vertical, en km/h?  b) ¿Cuál es la rapidez de traslado horizontal, en km/h? Sol.:

a) vx = 6 km/ km/h

b) vy = 30 km/h km/h

  EJEMPLO 2  B viajan por la misma vía férrea en sentidos contrarios, A  Dos trenes A trenes A y  y B contrarios, A lo hace con una rapidez de 20 m/s  y B  y B lo hace a 15 m/s. Cuando se encuentran a una una distancia de 200 m entre sí, los maquinistas maquinistas se ven uno 2 2 al otro y aplican los frenos, A frenos, A retarda a razón de 1,2 m/s  y  B a 1,8 1,8 m/s m/s . Dete Determ rmin inar ar:: a) Si los trenes chocan o no. b) Si chocan, calcule la distancia que alcanzó a recorrer cada tren desde que aplicó los frenos, si no chocan, calcule la distancia final entre ellos. c)  En un gráfico posición-tiempo y en otro velocidad-tiempo, el movimiento de cada tren.  Solución

7

a)  Para establecer si los trenes chocan o no es preciso plantear las ecuaciones e cuaciones itinerario del movimiento de cada tren, debido a que ellas relacionan posición y tiempo y podemos establecer si existe algún instante en que ambos trenes tengan la misma posición. posición. Asociando el eje X a la la trayectoria de los trenes representamos los vectores velocidad y aceleración como se ilustra: v A

A 0

v B

a A

B

X

a B 200 m

Consideremos el origen en el punto 0 lugar en que A que A aplica los frenos y comienza a retardar, tenemos entonces:  x0A = 0 m v0A = 20 m/s a A = 1,2 1,2 m/s m/s2  x0B = 200 m v0B = 15 m/s a B = 1,8 1,8 m/s m/s2   Por lo tanto:

x=  A

20 t – ½ 1,2 t 2

x B = 200 – 15 15 t + ½ 1,8 1,8 t 2

 y

 Para determinar si chocan o no, es preciso igualar las posiciones de ambos trenes y si existe ex iste una  solución real para el tiempo t, significa que tal posición existe y por lo tanto chocan, veamos:  x A = x B

 

20 t - 0,6 t 2 = 200 200 - 15 t + 0,9 0,9 t 2

 

3 t 2 – 70 t + 400 = 0

 Resolviendo esta ecuación resultan dos soluciones reales para el tiempo: t 1 = 10 (s)

y

t 2 = 13,3 13,3 (s) (s)

 Luego, los trenes chocan. De estos valores, el primero es el que se considera como lo veremos a partir  del gráfico posición-tiempo. posición-tiempo. b)

c)

Distancia recorrida por  A:  A:

d  A = x A = 20 . 10 - 0,6 . 100 = 140 (m)

 Distancia recorrida por  B:  B:

d  B = d - x A = 200 200 – 140 140 = 60 (m)  X (m) (m)

Gráfico posición-tiempo: posición-tiempo:

200 166,6 

0

 B

13

10

 A 33,3

t (s) t (s)

V ( m/s) m/s) 20

 B

8

d)

Gráfico velocidad-tiempo

t (s) 10 -15

 A

EJERCICIOS PROPUESTOS

26.

Un tren parte del reposo y se mueve rectilíneamente con aceleración constante. En un punto de su recorrido lleva una rapidez de 9 m/s y 48 m más adelante, una rapidez de 15 m/s. Calcular: a)  b) c) d) Sol.:

27.

El módulo de la aceleración El tiempo requerido para recorrer los 48 m. El tiempo que emplea el tren en alcanzar la rapidez de 9 m/s. La distancia recorrida desde que partió hasta que alcanzó la rapidez de 9 m/s a) a = 1,5 m/2

  b) t = 4 s

c) t´ = 6 s

d) d = 27 m

Un móvil que lleva una rapidez de 8 m/s la aumenta uniformemente en un camino recto, de forma que recorre 640 metros en 40 segundos. Calcular: a)  b) c) Sol.:

La aceleración. La rapidez final. El módulo de la velocidad media durante los 40 segundos. a) a = 0,4 m2

  b) v = 24 m/s

c)

v =16 r

m/s

28. La ecuación itinerario itinerari o del movimiento de un cuerpo es: x = 12 t - 3 t 2 con x en metros y t en segundos. Determinar: a)  b) Sol.:

El(los) instante(s) en los que el cuerpo pasa por el origen. El instante en que la partícula se detiene. a) t = 0 s ;

t´= 4 s

b) t´´ = 2 s

29. El gráfico de la figura ilustra el movimiento de dos vehículos P y Q, a partir partir de él, determin determine: e: a)  b) c) d)

La aceleración de cada uno. La distancia recorrida por cada uno hasta los 30 segundos. La ecuación itinerario de cada uno, si en t 0 = 0 (s), ambos están pasando por el origen. El instante en que P da alcance a Q.

Sol.: a) aP = 5/3 5/3 m/s m/s2 ; aQ = 0,5 0,5 m/s m/s2

  b) dP = 750 m ; d Q = 825 825 m

c) xP = (5/6 (5/6)) t2 ; xQ = 20t + (1/4) (1/4) t2

V (m/s (m/s))

P

Q

50

30

10

0 15

30

45

60

t (s)

30. A partir del gráfico posición-tiempo posición-tiempo que se muestra en la figura, en el que se representan representan los los movimientos de dos vehículos A y B que se mueven a lo largo del eje X, determine:

9

a)  b) c) d)

X (m)

La velocidad de A. La velocidad de B. Las ecuaciones itinerario de ambos en el intervalo 0 – 40 segundos. El instante y posición en que A y B se cruzan.

A 600 400

0

Sol.:

31.

a)

v A = 3,3 m / s iˆ r

 b)

B

200

v B =  6,67 iˆ m / s

30

60

90

c) xA = 200 + (10/3) t ; xB = 600 – (20/3) t

r

t (s)

120

d) t = 40 s

Un pesado camión se encuentra descendiendo por un camino con una rapidez de 10 m/s, en un momento determinado, se cortan sus frenos y experimenta una aceleración constante de tal forma que en 20 segundos alcanza una una rapidez de 30 m/s. En ese momento, el chofer chofer encuentra un camino en subida el que comienza a transitar hasta detenerse luego de recorrer por él, 500 metros. Al respecto, determine: a)  b) c) d)

Sol.:

La aceleración con la que desciende. La aceleración con la que asciende. El lapso que demora en detenerse desde que comienza la subida. Represente en un gráfico velocidad-tiempo, el movimiento del camión desde que se cortan los frenos hasta que se detiene. a) a = 1 m/s2

  b) a = 0,9 m/s2

c) Rt = 33, 33,3 s

32. La ecuación itinerario del movimiento de un cuerpo que se mueve según el eje X, está determinada por: x = - t2 - 100 + 30 t A partir de ella determine: determine: a)  b) c) d) e) f) Sol.:

en que x está medido en metros y t en segundos.

La posición y velocidad inicial del cuerpo y su aceleración. Las posiciones y velocidad en los instantes t 1 = 10 s y t2 = 20 s. El(los) instante(s) en que pasa por el origen. La(s) velocidad(es) al pasar por el origen. Instante y posición en que se detiene. Gráfico posición-tiempo y velocidad-tiempo del movimiento. a)

 x0 =  100 iˆ (m) ; v0 = 30 iˆ ( m / s) ; a =  2 iˆ (m / s 2 )  b)  x10 =100 iˆ (m) ;  x 20 =100 iˆ (m) t2 = 26,2 (s) d) v1 = 22,4 iˆ ( m / s) ; v 2 =  22, 4 iˆ ( m / s ) e) t = 15 (s) ; x = 125 (m) r

r

r

r

r

r

c) t1 = 3,8 3,8 (s) (s)

r

LANZAMIENTO VERTICAL Y CAIDA LIBRE.

10

2

En estos ejercicios aproxime el valor de la aceleración de gravedad a 10 m/s y suponga suponga que se efectú efectúan an en el vacío, es decir, sin oposición del medio en el que se mueve el objeto..

33. Desde un puente a 80 metros de altura sobre el nivel del agua, se deja caer una piedra, despreciando toda resistencia del aire, determine: a)  b) c)

El tiempo que demora en llegar al agua. La rapidez con que llega al agua. La rapidez cuando había descendido 15 metros.

Sol.: a) t = 4 (s)

b) v = 40 m/s

c) v = 17,32 m/s

34. Un cohete asciende verticalmente con una aceleración constante de 10 m/s 2. Despu Después és de transc transcurr urrido idoss 20 segundos, los motores se apagan y el cohete continúa ascendiendo como partícula libre para   posteriormente posterio rmente caer. Calcular: a)  b) c) d)

La rapidez que alcanzó al apagarse los motores. La altura máxima alcanzada respecto al suelo. El tiempo que demora el viaje desde que despegó, partiendo del reposo, hasta que llegó a la superficie de la Tierra. Haga un bosquejo del gráfico posición-tiempo de todo el movimiento.

Sol: a) v = 200 m/s

b) H = 4000 m

c) t = 68,3 (s)

35. Desde una torre a 120 m de altura, se arroja un objeto verticalmente hacia abajo con una determinada rapidez inicial de tal forma que demora 2 segundos en llegar llegar al suelo. Calcular: a)  b) c)

La rapidez inicial con que se arrojó. La rapidez con que llega al suelo. La distancia que ha descendido hasta alcanzar la velocidad v

r

Sol.: a) v0 = 50 m/s

b) v =70 m/s

=  60  jˆ

(m/s)

c) Ha descendido 55 m

36. Una piedra se deja caer caer desde lo alto de un acantilado. Dos segundos después se arroja hacia abajo, desde el mismo punto, otra piedra con una rapidez inicial de 30 m/s, de tal forma que ambas llegan al suelo simultáneamente. Calcular la altura del acantilado desde donde cayeron las piedras. Sol.:

H = 80 m

37. Un niño se encuentra en la terraza de su departamento a 30 m sobre el suelo y desde allí lanza verticalmente hacia arriba un objeto de tal forma que éste demora 4 segundos en llegar al suelo, al respecto determine:

11

a)  b) c) d) e) Sol.:

La rapidez inicial con que lanzó el objeto hacia arriba. La altura máxima que alcanza respecto del punto de lanzamiento. La posición y velocidad en el instante t = 3,5 s. El instante y rapidez al pasar en descenso, por un punto a 5 m sobre el balcón. Gráficos posición-tiempo y velocidad-tiempo de todo este movimiento. a) v0 = 12,5 12,5 m

b) hmáx = 7,8 m

c)

 y = 12,5  jˆ (m ) ; v =  22,5  jˆ ( m) r

r

d) t1 = 2 (s) (s) ; v = 7,5 7,5 m/s m/s

MOVIMIENTO PARABOLICO.   EJEMPLO 3 Un niño da un puntapié a una pelota inicialmente en reposo y en el suelo, se encuentra frente a dos muros de 3 metros de altura altura cada uno, paralelos y distantes 10 metros entre sí. La pelota, una vez en movimiento, pasa en forma rasante por ambos muros, por el primero en ascenso y por el segundo en descenso. Si demora 4 segundos en en pasar por ambos muros, muros, calcule: a) b) c) d)

 El módulo de la velocidad inicial del lanzamiento. l anzamiento.  El ángulo que forma la velocidad inicial con la horizontal.  La distancia horizontal desde el punto de lanzamiento al primer muro.  El tiempo que tarda la pelota desde que inicia el movimiento hasta que llega al suelo.

 Solución:

a) Con la información del tiempo empleado y la distancia entre los muros, es posible obtener la componente horizontal de la velocidad del movimiento parabólico, el valor es: v x = d / t = 10 / 4 = 2,5 2,5 m/ m/s

 

v0x = v0 cos   = 2,5 m/s

  Las componentes verticales de los vectores vectores velocidad al pasar cada muro muro tienen el mismo valor, valor, no obstante que en el primero de ellos está dirigida hacia arriba y en el segundo está dirigida hacia abajo.   Aplicando la ec.: v´  tre ambos muros en que v´  y = - v ´0y   y = v´ 0y 0y - g t entre v´ 0y 0y – g t 

 

Resulta:

oy

reemplazando: -v´ 0y 0y =

= gv´ t / 2   v´ 0y 0y = 40/2 = 20 m/s

12

Para calcular entonces la componente vertical de la velocidad inicial a partir de este valor y de la altura del muro, aplicamos la ecuación: ecuación: v y2 = v0y2 – 2g ( y – y0  ), en que v y = 20 m/s. m/s.  Por lo tanto: 400 = voy2 – 20 ( 3 – 0 )  v0y = 21,44 m/s  El vector velocidad inicial será entonces: v0 m/s. v0 = 2,5 iˆ + 21,44  jˆ m/s r

r

=

vox iˆ



+

vo

2,5 m/s m/s y v0y = 21,4 21,444 voy  jˆ en que v0x = 2,5

r

=

21,58

m / s

b)  Angulo que forma la velocidad inicial respecto de la horizontal.

tg   =

21,44 2,5

=

8,56



  = 83,3º

c) Calcularemos el tiempo tiempo que demora la pelota en llegar llegar al primer muro con: v y = voy – g t    Luego: 20 = 21,44 - 10 t    hasta el primer muro.

t = 0,14 (s) Ahora calculamos la distancia horizontal recorrida

d = v0x t = 2,5 . 0,14 = 0,35 m d) Cálculo del tiempo total empleado, para ello aplicamos: y = y0 + v0y t – ½ g t 2 en que las posiciones inicial y final, según la vertical, son 0: 0 = 0 + 21,44 t – 5 t 2   t = 4,3 (s) (s)

PROBLEMAS PROPUESTOS 38. Un golfista da un golpe a la pelota, inicialmente en reposo y en el suelo. Recorre una distancia horizontal de 150 metros demorando demorando en todo su recorrido, hasta llegar al suelo, 10 segundos. segundos. Con esta información, calcule: a)  b) c) d) Sol.:

El módulo de la velocidad inicial de la pelota. El ángulo, respecto del suelo, con que salió despedida. La altura máxima que alcanzó. La velocidad con que llegó al suelo. a)

v0 = 52,2 (m / s ) r

 b) M = 73,3º 73,3º

c) Hmáx = 125 m

d)

v =15iˆ  50 jˆ (m / s ) r

39. Un arquero lanza su flecha en dirección horizontal estando a una altura de 45 m sobre el suelo. Si la rapidez inicial del lanzamiento es de 100 m/s. Calcular:

13

a) El tiempo que demora la flecha en llegar al suelo.  b) El alcance horizontal de la flecha. c) El módulo de la velocidad de la flecha al encontrarse a 10 m de altura. Sol.:

a) t = 3 s

b) d = 300 m

c) v = 103,45 m/s

40. El techo de un casa presenta una inclinación de 30º sobre la horizontal, si en una lluvia el agua desliza  por ese techo como partícula libre recorriendo una longitud de 5,625 m en un tiempo de 1,5 segundos  partiendo del reposo y luego cae libremente desde una altura de 10 m. m. Calcular: a) La rapidez con la que abandona el techo.  b) El tiempo que demora el agua en llegar al suelo desde que abandona el techo. c) La distancia horizontal que recorre desde que sale del techo hasta llegar al suelo. Sol.:

a) v = 7,5 m/s

b) t = 0,22 s

c) d = 1,43 m

41. Un motociclista pretende pretende batir un record saltando en moto por sobre una cierta cantidad de automóviles en reposo. Para ello, dispone dispone de una rampa de 40 m de longitud inclinada inclinada en 30º la que recorre saliendo saliendo de ella a 30 m/s m/s (108 km/h). Considerando que los autos ubicados ubicados en el el suelo tienen tienen una altura de de 1,5 m y se disponen, disponen, desde el término término de la la rampa, rampa, distanciados distanciados cada cada 2 m. m. Calcular: a) El número de autos que logra saltar.  b) La distancia horizontal que recorre hasta tocar el suelo. Sol.:

a) Nº = 51 autos autos

b) d = 103,92 m

42. Ana y Paz se encuentran en las terrazas de sus respectivos departamentos ubicados en edificios vecinos uno enfrente del otro a 30 metros entre sí. Ana, que está a 30 m de altura lanza un pequeño objeto objeto en dirección horizontal a Paz que está a 10 m de altura de tal forma que ésta lo recibe sin esfuerzo. Calcular: a) El tiempo que tarda el objeto desde que se lanza hasta ser recibido por Paz.  b) La rapidez con la que Ana lanzó el objeto horizontalmente. c) La velocidad con que llegó el objeto a manos de Paz. Sol.:

a) t = 2 s

b) v = 15 m/s

c)

v

r

= 15iˆ  20 jˆ

(m / s)

43. Un futbolista ejecuta un tiro libre (inicialmente la pelota está en reposo y en el suelo) a 20 metros del arco. La pelota asciende y al descender pasa rozando el horizontal del arco cuya altura es de 2,4 m. Si la pelota demoró 1,6 segundos desde que se lanzó hasta pasar por el arco, si se descarta todo roce con el aire y efecto de la pelota(chanfle), determine: a) El módulo de la velocidad inicial y la dirección (ángulo) con relación al suelo.  b) El tiempo que emplea en llegar al suelo la pelota si continuara libremente su trayectoria. c) La altura máxima alcanzada.

44.

a) v = 15,7 m/s ; M = 37,2º b) t = 1,9 s c) Hmax = 4,51 m Sol.: Desde 45 metros de altura sobre el suelo se dispara horizontalmente un objeto que cae al suelo a una distancia de180 metros medidos horizontalmente desde el pie del punto de lanzamiento, determine:

a) El tiempo empleado desde su lanzamiento hasta “casi” tocar el suelo.

14

 b) La rapidez con que fue disparado el objeto. c) La velocidad del objeto al llegar al suelo. d) El módulo de la velocidad cuando se encuentra a 25 metros del suelo. Sol.:

a) t = 3 s

c) v = 67,1 m/s ; M = 26,6º bajo la horizontal horizontal

b) v0 = 60 m/s

d) v = 63,2 m

45. Una persona, en la calle, se encuentra a 32 metros de un edificio. Lanza una pelota hacia él de tal forma que ésta ingresa por la ventana de un departamento que se encuentra a 12,8 metros de altura, en dirección horizontal. Con esta información, informació n, determine: a) El tiempo que demora la pelota hasta llegar a la ventana.  b) La velocidad inicial con que se lanzó, en módulo y dirección respecto del suelo. Sol.:

a) t = 1,6 s

b) v0 = 25,6 m/s ; M = 38,7º 38,7º

MOVIMIENTO CIRCUNFERENCIA C IRCUNFERENCIAL L 46. Un disco de 3 m de diámetro gira a 120 r.p.m. (rev/min). Calcular: a) Su período.  b) Su frecuencia. c) Rapidez angular. d) Rapidez tangencial de un punto en el borde. e) Aceleración centrípeta de un punto en el borde. Sol.:

a) T = 0,5 s

b) f = 2 Hz

c) Y = 12,56 rad/s

d) v = 18,84 m/s

e) acp = 236,6 m/s2

47. La figura muestra dos cuerpos en que uno de ellos está sobre una superficie horizontal atado a una cuerda que pasa por una polea de 5 cm de radio. Otra polea de 20 cm de radio gira junto con la primera y tiene enrollada una una cuerda de la que que está suspendido suspendido otro cuerpo. Si el cuerpo sobre la superficie se mueve con una rapidez constante de 5 m/s. ¿Con que rapidez se mueve el otro cuerpo?

Sol.:

v = 20 cm/s cm/s

48. Un punto en el borde de una rueda de 50 cm de radio gira con una frecuencia de 300 r.p.m. Calcular: a) La rapidez angular y tangencial del punto.  b) El ángulo que describe su radio vector durante 0,1 segundos. c) La aceleración centrípeta del punto. Sol.:

a) Y = 31,4 rad/s ; v = 15,7 m/s

b) M = [ rad = 180º

c) acp = 493 m/s2

49. El radio de la Tierra es aproximadamente 6370 Km, considerando el período de rotación de 24 horas, calcular: a) La rapidez angular del planeta.

15

 b) La rapidez tangencial de un punto en la línea ecuatorial en m/s y Km/h. Sol.:

a) Y = 7,27 7,27 * 10-5 (rad/s)

b) v = 463,1 m/s = 1667,2 km/h

50. Dos discos A y B giran pegados borde con borde, A es de 50 cm de radio gira a 500 r.p.m, si B es de 8 cm de radio. Calcular: a) La frecuencia y el período de cada disco.  b) La rapidez angular y la rapidez tangencial en el borde de cada uno. c) La aceleración centrípeta de un punto en el borde de cada uno. Sol.:

a) f A = 8,33 vueltas/s vueltas/s ; f B = 52,1 vueltas vueltas/s /s ; TA = 0,12 0,12 s ; TB = 0,019 0,019 s  b) YA = 52,3 52,3 rad/s rad/s ; YB = 327 rad/s rad/s ; vA = 26,15 26,15 m/s m/s ; vB = 26,15 26,15 m/s m/s c) acpA = 1367,7 m/s2 ; acpB = 8554 m/s2

51. Un ciclista está viajando a 20 m/s y el radio de sus ruedas es de 40 cm, calcular: a)  b) c)

La rapidez angular de las ruedas. El tiempo que demorarán las ruedas en girar 10 vueltas. La rapidez tangencial de un piñón de 5 cm que gira  junto con la rueda trasera. d) La rapidez angular de los pedales si están sobre un disco de 10 cm de radio y ellos tienen 15 cm de radio si están conectados con el piñón mediante una cadena (no hay resbalamiento) e) La frecuencia con que giran los pedales.

Sol.: a) Y = 50 rad/s

b) t = 1,256 s

c) v = 2,5 m/s

d) Y´= 16,67 rad/s

e) f´= 2,65 vueltas/s

DINAMICA-TRABAJO Y ENERGIA  DINAMICA   EJEMPLO 1 Una persona de 80 kg, se encuentra en el interior interior de un ascensor de pie sobre sobre una balanza. Suponiendo que ésta mide el peso de la persona en Newton, calcule aproximando el valor de g a 10 m/s 2 , el valor valor que que mide mide la balanza en los casos en que el ascensor: a) b) c) d) e)  f)

 Está en reposo. Sube con aceleración constante de 2 m/s2. Sube con rapidez constante de 4 m/s.  Baja con aceleración constante de 2 m/s2.  Baja con rapidez constante de 4 m/s.  Desciende en caída libre.

 Solución:

16

 En todo problema de dinámica es aconsejable hacer un diagrama de cuerpo libre en el que se representen todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo c uerpo analizado. r

Fuerza normal normal que ejerce sobre la person persona, a,  N  : Fuerza

Y 

la superficie sobre la que se apoya (balanza). Su dirección es perpendicular a la superficie  y con sentido sentido hacia arriba.

r

 N   g  r

r

de la persona, persona, su direcci dirección ón es es vertical  vertical   P  : Peso de  y hacia el centro de de la Tierra aproximadamente.

r

 P    Luego la resultante será: r

 F  R

=

r

 F  R

r

r

=  N  +  P 

Si referimos los vectores al eje Y (fig.), entonces:

( N  P )  jˆ r

r

a) En reposo,  F  R = 0 (Principio de Inercia) luego N – P = 0 entonces: N = mg y la balanza marca 800 N. r

r

b) Sube con aceleración constante,  F  R = ma (Principio de Masa) luego:  F  R = ma  jˆ     N = mg + ma enton entonces ces la bal balan anza za marca marca:: 960 N. r

= ( N  P )  jˆ

r

r

c) Con rapidez constante de 4 m/s,  F  R = 0 (Principio de Inercia), por lo tanto N - P = 0 y la balanza marca 800 N  d)

Baja r

 F  R d)

e)

=

con

aceleración

ma ( jˆ) = ( N  P )  jˆ

r

 F  R = ma

constante,  

r

(Principio

de

Masa),

por

lo

tanto:

  N = mg - ma y la bala balanz nzaa marc marcaa 640 640 N  r

r

Con rapidez constante de 4 m/s,  F  R = 0 (Principio de Inercia), por lo tanto N - P = 0 y la balanza marca 800 N. r

Si desciende en caída libre, entonces  F  R marca 0 N 

=

mg ( jˆ)  por lo tanto N - P = - mg y N = 0, la balanza

  EJEMPLO 2

17

Un cuerpo de 5 kg se desliza sobre una superficie horizontal tirado por una cuerda que forma un ángulo de 37º sobre ella, el coeficiente de roce cinético entre las superficies es  µ k  = 0,3. Calcular Calcular el módulo módulo de la tensión de la cuerda en los siguientes casos: a) Si el cuerpo se mueve con rapidez constante. b) Si el cuerpo se mueve con aceleración constante de de 2 m/s2  Solución: a) Consideremos un diagrama diagrama en el que se ilustren todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. cuerpo. Luego, las referimos a un sistema de coordenadas en el plano XY en que arbitrariamente hacemos coincidir  uno de los ejes con la dirección en la que el cuerpo acelera. Y  r

T  = T cos 37º iˆ + T  sen 37º  jˆ r

 N 

 N  =  N  jˆ r

r

T  37º 

r

r

 f r  =  f r  (iˆ)

 f r 

 X 

m g  r

 P  =  P ( jˆ) r

  La fuerza neta, total o r

 F  N 

resultante sobre el cuerpo, está dada por el vector: r

=

r

r

r

T + N +  f r  + P 

 Expresando esta suma en sus componentes rectangulares: r

r

= ( T cos 37 º   f r  ) iˆ + ( T  sen 37 º + N  P )  jˆ = 0

 F  N 

 Puesto que v es constante. Luego: T cos 37º - f r r  = 0 y T sen 37º + N - P = 0 Considerando que f r  = µ k   N. Reemplazamos   y luego despejamos T, con lo que:

T  =

 µ k   P 

cos 37º +  µ  sen 37º



r

T  = 15,3  N  r

b) De acuerdo acuerdo con el segundo segundo Principio de I. Newton,  F  N  r

 F  N   

 

=

( T cos 37º   f r  ) iˆ + ( T  sen 37º + N  P )  jˆ =

=

Por lo lo tant tanto: o: m a iˆ . Por

m a iˆ

en que: f r r  =

µ k  k N   

T cos 37º -  µ k  N = m a y T sen 37º + N - P = 0 Reemplaz lazando N y desp espejando T: Resulta:

T = 25,5 N 

EJERCICIOS PROPUESTOS

18

52. Una persona empuja un mueble de 30 kg sobre una superficie. Calcule el valor de la fuerza que aplica la persona en cada uno de los siguientes casos: a) La superficie es horizontal, el roce es despreciable y la dirección de la fuerza aplicada es horizontal de tal forma que el mueble acelera a 0,5 m/s 2.  b) La superficie es horizontal, el coeficiente de roce cinético entre las superficies es µk  = 0,3 y la  persona aplica una fuerza horizontal tal que el mueble se mueve con rapidez constante. c) La superficie es horizontal, el coeficiente de roce cinético es µk  = 0,3 y la persona persona aplica aplica una fuerza fuerza en una dirección que forma un ángulo de 20º sobre la horizontal tal que el mueble se mueve con 2 aceleración constante de 0,5 m/s . d) La superficie está inclinada en 37º sobre la horizontal, el roce es despreciable y la persona aplica la fuerza paralelamente al plano inclinado para que ascienda con una aceleración de 0,2 m/s 2. e) La superficie está inclinada en 37º sobre la horizontal, el coeficiente de roce cinético es µk  = 0,3 0,3 y la  persona aplica la fuerza paralelamente al plano inclinado para que descienda con rapidez constante. Sol.: a) 15 N

b) 90 N

c) 100,7 N

d) 186 N

e) 108 N

53. Sobre una superficie horizontal se encuentran tres cuerpos A, B y C en contacto, el roce entre las superficies es despreciable y sus masas son: m A = 2 kg, mB = 4 kg y mC = 6 kg. Sob Sobre A se aplica una fuerza horizontal de 10 N. Calcular: a) La aceleración del conjunto  b) El módulo de la fuerza resultante sobre cada uno. c) La fuerza que ejerce B sobre C. Sol.:

A

B

C

F

a) a = 5/6 m/s2   b) Sobre A: 5/3 N ; Sobre B: 10/3 N ; Sobre C: 5 N

c) 70,6 N

e) 21,2 N

54. Una cuerda puede resistir una tensión máxima de 30 N antes de cortarse. Con ella, se suspende un cuerpo cuya masa es de 2 kg. ¿Cuál deberá ser el máximo valor de la aceleración que puede experimentar el cuerpo antes de que la cuerda se corte? Sol.: amáx = 5 m/s2

55. Un cuerpo de 5 kg se encuentra sobre la superficie de un plano inclinado en 37º sobre la horizontal, los coeficientes de roce estático y cinético entre las superficies son respectivamente µe = 0,5 y µk  = 0,2. Sobre el cuerpo se aplica una fuerza horizontal F, calcule el el valor que debe tener esta fuerza fuerza para que el cuerpo: a) Se encuentre en reposo a punto de descender. r

 b) c) d) e) Sol.:

 F 

Ascienda con rapidez constante de 2 m/s. Descienda con rapidez constante de 2 m/s. Ascienda con aceleración constante de 2 m/s 2. Descienda con aceleración constante de 0,5 m/s 2 a) F = 9,1 N

b) F = 55,9 N

c) F = 23,9 N

37º d) F = 70,6 N

e) F = 21,2 N

56. Considere dos cuerpos A y B de masas mA = 1 kg y mB = 2 kg que se se encuentra encuentran n unidos unidos mediante mediante una una cuerda ligera e inextensible. El coeficiente de roce entre las superficies que deslizan es µk  = 0,3 0,3 y la

19

2

aceleración en los tres casos mostrados es de 2 m/s . Si la polea es de de masa despreciable despreciable y gira sin roce, roce, calcular para cada caso: F

F A

F B B

A

37º

(1)

A

B

(2)

37º

(3)

a) El valor de la fuerza F si en ( 1 ) y ( 2 ), B asciende.  b) El valor de la tensión en la cuerda en cada situación. Sol.: a) F1 = 29 N ; F2 = 31,2 31,2 N ; F3 = 15,3 15,3 N

b) T1 = 24 N ; T2 = 10,4 10,4 N ; T3 = 5 N

57. La figura muestra tres cuerpos A, B y C unidos mediante cuerdas una de las cuales pasa por una polea, como ilustra la figura, las masas de los cuerpos son: m A = 0,5 0,5 kg, kg, mB = 1,0 1,0 kg y mC = 2,0 kg. kg. Las Las cuerdas son inextensibles y de masa despreciable, al igual que la polea la cual gira sin roce. Calcular: a) La aceleración del sistema.  b) La tensión en cada cuerda 1 y 2. c) La masa que se debe agregar a B para que este cuerpo descienda con una aceleración de 0,2 m/s 2.

1

A 2

B Sol.:

a) a = 1,43 m/s2

 b) T1 = 17,14 17,14 N ; T2 = 11,43 N

C

c) m = 0,58 kg

58. Un cuerpo que pesa 100 N en la Tierra, Tierra, se suspende verticalmente verticalmente de un resorte estirándolo estirándolo 20 cm. En un planeta desconocido el mismo cuerpo estira al mismo resorte 15 cm. Determine: a) El peso del cuerpo en el planeta desconocido.  b) La masa del cuerpo. c) La aceleración de gravedad en el planeta desconocido. Sol.: a) P = 75 N

b) M = 10 kg

c) a = 7,5 m/s2

59. Un cuerpo A de 2 kg se encuentra sobre otro B de 3 kg, éste último está sobre una superficie horizontal muy pulida en que el el roce es despreciab despreciable. le. Entre A y B las superficies son rugosas existiendo entre ellos un coeficiente de roce estático µS = 0,4 y un coeficiente coeficiente de roce cinético µk  = 0,2. Determin Determinee el valor máximo que debe tener una fuerza horizontal para que ambos cuerpos se muevan juntos si la fuerza se aplica sobre: a)  b)

A. B. Sol.:

A B a) FA = 13,3 13,3 N

b) FB = 20 N

60. Una caja de 10 kg se encuentra inmóvil sobre una correa transportadora que la hace ascender con rapidez constante de 2 m/s. La correa es plana y forma con la horizontal un ángulo de 30º. Respecto de esta situación:

20

a) Haga un diagrama de cuerpo libre de la caja, representando representand o todas las fuerzas que actúan sobre ella. ella.  b) Calcule el el valor o módulo módulo de la fuerza fuerza de roce roce estático estático que actúa sobre la caja. c) Calcule el el valor del coeficiente de roce estático entre la caja y la correa para que ésta no deslice pero esté a punto de hacerlo. Sol.:

61.

 b)  f re re = 60 N

37º 37º

c) µe = 0,75 0,75

Un cuerpo A de masa m A = 1,5 kg, está está apoyad apoyado o sobre un   plano inclinado en 30º sobre la horizontal, unido a él mediante una cuerda inextensible y de masa despreciable, se encuentra otro cuerpo B de masa mB = 2 kg que está suspendido. El coeficiente coeficiente de roce cinético entre entre el cuerpo A y el plan plano o es µk  = 0,2. Determinar Determinar el valor de de una fuerza F paralela al plano inclinado, para que el sistema:

F

A

30º

B

a) Ascienda con aceleración constante de 0,6 m/s 2  b) Descienda con rapidez constante. Sol.:

62.

b) F = 24,9 N

Un automóvil de 1500 kg está describiendo una curva horizontal y plana de 200 m de radio moviéndose con una rapidez tangencial constante de 15 m/s. Calcular la fuerza de roce entre los neumáticos y el suelo que permiten al auto describir la curva. Sol.:

63.

a) F = 32,2 N

 f r r  = 1687,5 N

Un pequeño objeto de 0,5 kg se mantiene atado a una cuerda de 2 m de longitud y descansa sobre una superficie superfici e horizontal (roce despreciable). Si a este objeto se le hace describir una trayectoria circunferencial manteniendo fijo el otro extremo de la cuerda con un período de 0,5 segundos, calcular: a) La aceleración centrípeta del objeto.  b) La tensión de la cuerda. Sol.:

a) acp = 315,5 m/s2

  b) T = 157,8 N

ESTATICA

21

 EQUILIBRIO DE LA PARTÍCULA EJEMPLO 1 Un cuerpo de masa m (kg) está suspendido de dos cuerdas como lo ilustra la figura, calcular en función de m y de los ángulos que se muestran, muestran, la tensión que soporta soporta cada cuerda: cuerda: 1, 2 y 3. 53º

37º

1

2 3

Solución mg Recordando el Principio de Inercia: “Un cuerpo estará en reposo o moviéndose con velocidad constante si la suma de las fuerzas que actúan sobre él es nula”. Hagamos un diagrama de cuerpo libre, en que se muestren las fuerzas que actúan sobre este cuerpo: el peso y la tensión de la cuerda. r

r

T 3

Luego:

m g  = 0 r

+

Y

Para sumar los vectores, debemos referirlos r

T 3

a un eje de referencia, referencia, Y. r

T 3

=

T 3  jˆ

y

m g  = mg ( jˆ) r

Sumando ambas fuerzas: r

r

T3 Entonces:

m g  = ( T 3  mg ) ( jˆ) = 0

mg 

r

+

r

T3 = mg

Para determinar T 1 y T2 representamos las fuerzas que actúan en el nudo donde las cuerdas convergen:

Y Sumamos las componentes de los vectores :

 F  x

:

 F  y :

T2 cos 37º - T1 cos 53º = 0

r

r

T 2

T 1

53º

37º

X

r

T2 sen 37º + T1 sen 53º = T3 = mg

T 3

0,8 T2 - 0,6 T1 = 0 0,6 T2 + 0,8 0,8 T1 = mg



T1 = 0,8 mg (N) ; T2 = 0,6 mg mg (N)

PROBLEMAS PROPUESTOS

22

64. El cuerpo de la figura pesa 50 N y se sostiene en equilibrio mediante las cuerdas que se muestran. Calcule el valor de la tensión que ejerce cada una de las tres cuerdas.

60º 2 1 Sol.:

T1 = 28,9 28,9 N

;

T2 = 57, 57,7 N

65. Un cuerpo cuyo peso es 100 N es sostenido por tres cuerdas, como se ilustra en la figura. Determinar el valor de las tensiones de d e las tres cuerdas. 53º

1

60º

Sol.:

2

T1 = 60,1 60,1 N ; T2 = 41,6 41,6 N

66. El cuerpo A de 1,2 kg, se encuentra sobre una superficie como lo ilustran las figuras 1 y 2. Está unido a otro cuerpo cuerpo B de 0,6 kg mediante una liviana cuerda, inextensible que pasa por una polea y gira sin roce, de masa despreciable que lo mantiene suspendido. Calcular el valor que debe tener el coeficiente de roce estático entre las superficies, para que el sistema esté en equilibrio pero a punto de que B descienda en fig. 1 y ascienda en fig. 2.

A A B

53 º

Fig. 1 Sol.:

Fig. 2

µe = 0,5 en ambos casos

67. Dos cuerpo de pesos P y W están suspendidos de las cuerdas que ilustra la figura. Calcular la tensión que resiste cada una de las tres cuerdas.

60º

30º

1

3

2

P Sol.:

T 1 =

3 2

( P + W ) ;

T 2 =

 P + W  2

W ;

T 3 =

3 + ( P  3W ) 2 4

23

68. El peso del cuerpo que se encuentra suspendido en la figura es W y las poleas tienen tienen igual radio radio y son de masa despreciable. Calcular el valor mínimo de la fuerza F con que se debe tirar el extremo libre de la cuerda para equilibrar el cuerpo.

Sol.:

F = W/ 2

W

F

69. Un cuerpo se encuentra en reposo sobre una superficie áspera, inicialmente horizontal. Comienza a inclinarse poco a poco y cuando alcanza un valor determinado 0, el cuerpo se se encuentra encuentra a punto de deslizar. Demostrar que el coeficiente de roce estático entre las superficies es igual a: µe = tg 0

70. Sobre la superficie horizontal de la figura se encuentra un cuerpo de 100 N, en reposo. Si el coeficiente de roce estático entre las superficies es µe = 0,4 ¿Qué valor mínimo mínimo deberá tener tener la fuerza F, aplicada aplicada a él para que esté a punto de moverse?

F Sol.:

30º 

Fmin = 375,2 N

EQUILIBRIO DEL CUERPO RIGIDO. EJEMPLO 2. Una barra de metal está apoyada en una pared vertical por uno de sus extremos y puede rotar libre y verticalmente respecto de él. Su longitud es 6 m y pesa 300 N, se mantiene horizontal horizontal mediante un cable fijo a la pared y a 1,5 m del extremo fijo de la barra formando con ella un ángulo de 53º, un cuerpo de 500 N se  sostiene de la barra por una una cuerda a 0,5 m del mismo extremo. extremo. Calcular: a) El valor de la tensión del cable. b) El módulo de la fuerza ejercida por  el soporte fijo sobre la barra. c) El ángulo ángulo que que forma con la barra, la

53º 

 fuerza ejercida por el soporte. Solución  Análogamente al ejemplo anterior hacemos un diagrama de cuerpo libre representando todas las fuerzas que actúan sobre la barra.

24

Y

a) r

 F  T  r



53º

S

X

r

r

W 

 P 

W : Peso de la barra ; P : Peso del cuerpo ; T : Tensión del cable ; F : Fuerza del apoyo  L : Longi Longitud tud de de la barra barra Calculemos ahora los momentos o torques torques de cada fuerza respecto del extremo fijo S. Se escogió este punto dado que el momento de la fuerza  F  , desconocida al igual que T  ,respecto de este este punto es nulo, de esta  forma determinamos determinamos la tensión. Notamos que cada fuerza se descompone descompone en componentes componentes paralelas y  perpendiculares a la barra, las primeras no producen producen un torque torque sobre ella, ¿porqué? ¿porqué? Debe considerarse que por ser una barra homogénea y de área de sección constante, el peso actúa en su centro. r

 M S  :

r

1,5 T sen 53º – L/2 W – (L – 0,5)P = 0

Considerando Considera ndo que L = 6 m

T = 3041,7 N  b) Obtengamos las componentes de:  F =  F  x iˆ +  F  y  jˆ aplicando la primera condición de equilibrio  para un cuerpo rígido  F  = 0 . r

r

c)

tg   =

 F  y  F  x

r



Fx : Fx - T cos 53º 53º = 0



Fx =



Fy : Fy + T sen sen 53º 53º - W – P = 0



Fy = - 1633,4 N

=

1633,4

1825

=  0,8950



1825 N

  =  41,8º

r

barra un ángulo de 41,8º y bajo ella  F   forma con la barra

25

PROBLEMAS PROPUESTOS

71. Una viga de metal tiene 10 m de longitud y 1000 N de peso, está apoyada sobre dos pilotes, distantes 7 m entre sí en que uno de ellos está en uno de sus extremos. Una persona de 800 N se encuentra justo entre los dos pilotes, calcular para esta situación:

a) La fuerza que actúa sobre cada pilote.  b) Si la persona camina hacia el extremo sin apoyo, determine hasta donde podrá hacerlo respecto de ese extremo sin que el sistema se desequilibre. Sol.:

a) F1 = 685,7 685,7 N y F2 = 1114,3 N

b) x = 2,5 m

72. Un maestro pintor está sobre un andamio de 5 m de largo y 400 N de peso pintando el muro de un edificio a 15 m de altura. Se sostiene suspendido horizontalmente mediante dos cuerdas en los extremos del andamio, si el peso del maestro es 800 N, calcule:

a)  b)

La tensión de cada cuerda si el maestro está a 1,5 m de una de ellas. La posición del maestro si la tensión de una de las cuerdas es el doble de la otra. Sol.:

a) T1 = 760 N ;

T2 = 440 N

b) A 1,25 m de la más tensa. tensa.

73. Un aviso publicitario de 150 N está suspendido mediante una cuerda desde el extremo de una barra horizontal de 3 m de longitud y 50 N de peso. La barra está sostenida por un cable fijo a una pared vertical y a un punto de la barra a 0,5 m del extremo libre, este cable forma con la pared un ángulo de 37º. Calcular:

a)  b)

La tensión del cable. La fuerza que el soporte ejerce sobre la barra. Sol.:

a) T = 350 N

b) Fx = 280 N ; Fy = -10,6 -10,6 N

74. Una escalera tiene una longitud de 3 m y un peso de 200 N, está apoyada sobre una pared vertical lisa (roce despreciable) formando un ángulo de 37º con ella. Calcular: a) La fuerza que ejerce el muro vertical sobre la escala (Normal).  b) La fuerza de roce entre la escala y el suelo. Sol.:

a) F = 75 N

b) f r r  = 75 N

26

75. La barra rígida de la figura tiene una longitud de 10 m y su peso es de 200 N, N, está articulada en el  punto A. Se mantiene mantiene en equilibrio equilibrio mediante un cable horizontal horizontal que la sujeta sujeta en un punto punto a 2 m de su extremo libre, desde ese mismo extremo una cuerda liviana mantiene suspendido un cuerpo de 100 N. El ángulo que forma la barra con el suelo horizontal es de 37º. Calcular:

a)  b)

El valor de la tensión de la cuerda horizontal. La fuerza que ejerce el apoyo A sobre la barra. 37º 

Sol.:

a) T = 333,3 N

b) F = 448,4 N

IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO

 EJEMPLO 3 Un tenista recibe la pelota, de masa m = 200 g, g , con una rapidez de 30 m/s (108 km/h) luego de golpearla, la devuelve a 40 km/h (144 km/h). Suponga que el movimiento de la pelota es horizontal y rectilíneo. En estas condiciones, determinar inmediatamente inmediatamente antes y después del   golpe con la raqueta: a)  Las cantidades de movimiento inicial y final de la pelota. b)  El impulso que recibió la pelota al ser devuelta. c)  La fuerza media que actuó sobre la pelota si el contacto con la raqueta se estima en un lapso de 0,01 segundos.  Solución: a) Debe considerarse considerarse aquí que la cantidad de movimiento es una cantidad vectorial, vectorial,  p = m v r

r

 por lo tanto, considerando que inicialmente la pelota se está moviendo en el sentido positivo del eje X  (horizontalmente), se expresará como:

 p0 r

 p r

 X 

 p0 r

 Análogamente:

m v0 r

=

 p = m v r

=

r

=

0,2 . 30 iˆ

0,2 . 40 (iˆ)

kgm / s = 6 iˆ kgm / s kgm / s = 8 (iˆ) kgms

27

b) El impulso recibido es igual a la la variación variación de la cantidad de movimiento experimentada, experimentada, por  lo tanto: r

 I  =  p =  p   p0 r

r

r

m ( v  v0 ) = 0,2 * 8 (iˆ  6 iˆ kgm/ s r

=

r

  p r

c)  F   t  r

r

=   p r



 F 

=

 t 

=

2,8 0,01

(iˆ)

 N 

r



 I 

=

2,8 (iˆ)

kgm/ s

 F  = 280 (iˆ)  N  r



  EJEMPLO 4  Un vagón ferroviario de 15000 kg, abierto transita por una vía horizontal con una rapidez constante de 8 m/s. En un lugar determinado se le deja caer de cierta cierta altura, un objeto de 800 kg  que llega al vagón con una rapidez de 4 m/s, luego el vagón continúa su movimiento con el objeto   sobre él. Suponga todo roce despreciable. Calcular: a) La a)  La cantidad de movimiento del sistema (vagón y objeto) al momento que el objeto ob jeto llega al vagón b) La b)  La rapidez con la que se mueve el vagón con el objeto sobre él.  Solución:  En la figura se representa ambas situaciones, primero cuando el objeto llega al vagón y después cuando ambos se mueven juntos Y 

 pobjeto r

 p vagón

 p vagón

r

r

+ objeto

 X  Si consideramos un sistema de referencia XY con el eje X en dirección horizontal y en el sentido de la velocidad del vagón, entonces el vector cantidad de movimiento del sistema antes que toque al  vagón, será: r

 P  sist antes

=  p vagón +  p objeto = 15000 . 8 iˆ + r

r

800 . 4 ( jˆ ) = 120000 iˆ  3200  jˆ

kgm / s

 Después de haber caído, la cantidad de movimiento del sistema es: r

 P  sist depués

=  p vagón +  p objeto = r

r

(15000 + 800) v iˆ = 15800 v iˆ

kgm / s

28

 El Principio de Conservación de la Cantidad de Movimiento de un Sistema se cumple en ausencia o equilibrio de fuerzas exteriores exteriores al sistema, en en este caso, la vía horizontal hace que el el peso de cada cuerpo quede equilibrado con las fuerzas normales respectivas y dada la ausencia de roce la condición se cumple, por lo tanto: r

r

 P  sist antes =  P  sist después

120000 iˆ  3200  j = 15800 v iˆ  120000 = 15800 v r



  Entonces v = 7,6 m/s EJERCICIOS PROPUESTOS 76. Una pelota de 0,4 kg se deja caer desde 5 metros de altura sobre el suelo, luego del rebote alcanza una altura de 3,2 metros. metros. Calcular:

a) Las rapideces de la pelota al tocar el suelo e inmediatamente luego de rebotar  suponiendo una trayectoria vertical libre de todo roce.  b) El impulso que el suelo otorgó a la pelota. c) El valor medio de la fuerza que actuó sobre la pelota si el contacto con el suelo duró un tiempo estimado en 0,1 segundo. Sol.:

a) v1 = 10 m/s m/s ; v2 = 8 m/s m/s

b) I = 7,2 N s

c)

 F = 72

N

77. El gráfico de la figura ilustra la variación de la fuerza aplicada sobre un cuerpo de 0,2 kg respecto del tiempo, a partir de él determine:

F (N) 100

a) El impulso que recibió el cuerpo.  b) El valor medio de la fuerza ejercida sobre el cuerpo. Sol.:

a) I = 200 N s

b)

 F  = 50

0 1 2 3 4 5

t (s)

N

78. Dos niños Diego y José, de 60 kg y de 50 kg respectivamente, deslizan sobre sus patines en una calle horizontal. Diego lo hace con una rapidez de 10 m/s de Norte a Sur, en cambio José a 5 m/s de Sur a Norte, Norte, al cruzarse, cruzarse, ambos ambos se abrazan manteni manteniéndose éndose así así unidos. unidos. Suponiendo Suponiendo que todo roce es despreciable, que no se caen y que se comportan como partículas, determinar: a) La cantidad de movimiento de cada niño y la de ambos como sistema, antes de abrazarse.  b) La cantidad de movimiento de ambos después de abrazarse. c) La velocidad con que se mueven ambos. r

Sol.:

a) c)

 P  D

r

= 600 kgm/s kgm/s al Sur ;

v = 3,2 r

r

 P  J  = 250 kgm/s al Norte ;  P S  =

r

350 kgm/s al Sur

b)

 P S  = 350 kgm/s al Sur.

m/s al Sur 

29

79. Un bloque de 2,5 kg se encuentra inicialmente en reposo sobre una superficie horizontal, mantiene comprimido un resorte de tal forma que al soltarse, impulsa al bloque haciéndolo recorrer una distancia de 4 m. Si el coeficiente de roce entre las las superficies es µk  = 0,3. ,3. Calcular: a) La rapidez con que el resorte dispara al cuerpo.  b) La variación de la cantidad de movimiento experimentada por el cuerpo. c) La fuerza media que el resorte ejerce sobre el cuerpo si el contacto dura 0,5 segundos. Sol.:

a) v = 4,9 m/s

b) RP = 12,25 12,25 kgm/ kgm/ss

c)

24,5  F  = 24,5

N

80. Un hombre de 79,5 kg está parado en un estanque congelado cercano a un muro (roce nulo), sostiene un cuerpo de 0,5 kg en sus manos. manos. Lanza el cuerpo hacia el muro con una rapidez de 10 m/s (en relación con el suelo) y lo atrapa después que éste rebota elásticamente en el muro. Calcular: a) La rapidez a la que se mueve el hombre después de lanzar el cuerpo.  b) La rapidez con que se mueve el hombre después de atrapar el cuerpo. Sol.: a) v = 0,063 m/s

b) v´ = 0,125 m/s m/s

81. Una bala de 20 g se dispara horizontalmente contra un bloque de madera de 1 kg que descansa sobre una superficie horizontal en que µk  = 0,25. La bala bala atraviesa atraviesa el el bloque bloque y sale con con una rapidez de 250 m/s. Si el bloque se desplaza 5 metros antes de detenerse. Calcular: a) La rapidez inicial del bloque luego de ser impactado.  b) La rapidez inicial de la bala. Sol.:

a) v bloque = 5 m/s

b) v bala = 500 500 m/ m/s

TRABAJO Y ENERGIA   EJEMPLO 5 Un niño asciende 80 m por una u na colina inclinada en 30º sobre la horizontal, h orizontal, arrastrando un carro de 10 kg mediante una cuerda que qu e mantiene en dirección paralela al plano inclinado con una 2 aceleración de 0,2 m/s  , el coeficiente coeficiente de roce cinético entre la superficie del carro y el el camino es el trabajo que realizan realizan las fuerzas :  µ k  k  = 0,4. Calcular el r

d  a) Normal y Peso del carro. b) Tensión de la cuerda y Roce.

30º

30

c) Neta o trabajo neto sobre sobre el cuerpo.  Solución:  El ángulo formado por el vector desplazamiento y la fuerza Normal es de 90º, por lo tanto: W  N  = N d cos 90º = 0 La fuerza fuerza normal no realiza realiza trabajo. trabajo.  El ángulo formado por el vector desplazamiento desplazamiento y la fuerza peso es de 120º, por lo tanto: W mg  mg  = mg d cos 120º = - 10.10.80. 0,5 = - 4000 J  b) Para calcular el trabajo de la tensión, tensión, primero debemos calcular el el valor que tiene a partir partir de un diagrama de cuerpo libre y del segundo principio de Newton:

Y X

N

T

 Fx :

T - fr  –  mg sen 30º = m a

 Fy :

N - mg cos 30º = 0

f r r  mg 

T - µ k k  mg cos 30º - mg sen 30º = m a   T = m a + µ k k  mg cos 30º + mg sen 30º = 86,64 N    Por lo tanto: W T  = T . d . cos 0º = 86, 86,64 . 80 . 1 = 6931 6931,,2 J   El valor de la fuerza de roce es: f r r  =

µ k  k  mg

cos 30º = 34,64 N 

  Luego:  fr  W = f r r  d cos 180º = 34,64 . 80 . (-1) = - 2771,2 J  b) El trabajo neto o el realizado realizado por la fuerza neta se puede obtener de dos formas: 1. W neto 6931,2 - 4000 - 2771,2 2771,2 + 0 = neto = W T  T  + W   peso + W roce roce + W normal  normal  = 6931,2  J  2. W neto cos 0º = m a d = 10 . 0,2 . 80 . 1 = 160 J  neto = F neta neta . d cos

160

31

  EJEMPLO 6   El cuerpo de 2 kg de la figura, parte del reposo y desciende desciende por una pista sin roce AB equivalente a un cuarto de circunferencia circunferencia de radio radio 20 metros, metros, llega al plano horizontal y se desplaza a lo largo de BC de 9,5 metros, allí, el coeficiente de roce cinético entre las superficies es  µ k k  = 0,4.   Finalmente es detenido mediante un resorte que es comprimido en una longitud de 80 cm.  Determinar: a)  La rapidez con la que llega al plano horizontal. b)  La rapidez con la que comienza a comprimir al resorte. c)  La constante elástica del resorte.  A 20 m

 Solución: B C D a) Dado que a lo largo de AB no existe existe roce, roce, no hay disipación disipación de energía energía mecánica mecánica y por lo  B. Consi tanto la energía mecánica en  A tiene el mismo valor que en  B. Conside dera rando ndo el nive nivell de de referencia en B en B::  E  A = E  B   U  A + K  A = U  B + K  B

en que K  A = U  B = 0 luego: v B =

2 g h A

  Reemplazando resulta:  B  v B = 20 m/s b) En el trayecto recto recto horizontal BC, existe roce, roce, luego hay disipación de energía energía en forma de calor, por lo tanto, la energía mecánica no se conserva y la diferencia corresponde al trabajo que realiza el roce, por lo que: W  frBC  = E C  C  - E   B 2 Si E  B = ( ½) m v B2  y E C  C  = ( ½) m vC  entonces reemplazando: 180º = ( ½ ) m vC 2 - ( ½ ) m v B2 vC  = 18 m/s   c) Dado que el el tramo CD no existe existe roce, entonces la energía mecánica se conserva, conserva, por lo tanto:  µ k  k  mg d   BC  cos

 E  D = E C  C    U   gC  + U kC  kC  + K C  C  = U   gD + U kD kD + K   D Ya que: U  gC  = U  gD (superficie horizontal) ; U kC  kC  = 0 (resorte sin comprimir) ; K   D = 0 (cuerpo en reposo)   Entonces:

( ½ )m

vC 2

= ( ½ )k x

2

 

k  =

m vC 2 2

=

1012,5 N/m

32

EJERCICIOS PROPUESTOS 82. Una caja de 500 kg se encuentra sobre un plano inclinado en 37º 37º sobre la horizontal. Mediante un cable paralelo a este plano, se la hace recorrer 20 metros a lo largo de él hacia arriba con rapidez constante de 4 m/s. Si el roce entre las las superficies es despreciable, calcular el el trabajo realizado por las fuerzas: a)  Normal y resultante.  b) Peso y tensión del cable. c) La variación de la energía mecánica experimentada. Sol.: a) W N = 0 ; W Neto = 0

b) WPeso = - 6 * 104 J ; WT = 6 * 1 04 J

c) RE = 6 * 10 104 J

83. En la figura se muestra un cuerpo de 10 kg que se encuentra sobre la superficie circular de 10 metros de radio, su rapidez de descenso en ese lugar es de 5 m/s, luego recorre 15 sobre una superficie horizontal siendo hasta aquí el roce despreciable. Finalmente asciende por un plano inclinado en 37º sobre la horizontal a lo largo del cual alcanza a recorrer 15 metros antes de detenerse. Calcular:

v = 5 m/ m /s

10 m 37º 15 m

a) La rapidez con la que inicia el ascenso del  plano inclinado.  b) El coeficiente de roce cinético entre las superficies en el plano inclinado. Sol.:

a) v = 15 m/s

b) µk  = 0,19 0,19

84. Un carro A, de 5 kg desliza por un un camino con roce desprecia despreciable ble pasando pasando por un punto a 10 metros de altura con con una rapidez de 2 m/s. Al llegar al nivel más bajo impacta a otro cuerpo B de 10 kg, inicialmente detenido quedando ambos cuerpos adheridos. Determine: a) La rapidez del carro cuando pasa por un punto a 7 metros de altura.  b) La rapidez con la que impacta al cuerpo B. c) La rapidez con que ambos cuerpos continúan moviéndose después del impacto.

A 10 m 7m

 B Sol.:

a) v = 8 m/s

b) v´= 14,3 m/s

c) v´´ = 4,77 m/s

33

85. Una bala de masa m = 0,1 kg se mueve con velocidad v

r

= 100 iˆ

Choca a un bloq bloque ue de de m / s . Choca

0,9 kg inicialmente en reposo sobre una superficie horizontal. La bala se incrusta en el bloque y recorre recorre el tramo tramo rugoso rugoso AB de 8 metros de longitud y luego el plano inclinado BC (sin roce) llegando al punto C, a 1,8 metros metros de altura, altura, con una rapidez rapidez de 4 m/s. m/s. Determinar: Determinar: a) La velocidad del conjunto bala-bloque después del choque.  b) El coeficiente de roce cinético en el tramo AB.

C M m

A Sol.:

a)

v

r

= 10 iˆ

m / s

B

  b) µ 0,3 k  k  = 0,3

86. El gráfico de la figura representa la variación de la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo a lo largo de un camino horizontal horizontal,, en función de la distancia distancia recorrida recorrida X, al respecto respecto determine:

F (N) a) El trabajo realizado por la fuerza resultante.  b) La variación de energía cinética del cuerpo. c) La rapidez que alcanza luego de recorrer los 20 m si tiene 4 kg y partió del reposo. Sol.:

a) Wneto = 1250 J

b) RK = 1250 1250 J

100

50

x (m)

c) v = 25 m/s m/s 0

10

20

87. Sobre una superficie horizontal se encuentra en reposo un cuerpo A de 2 kg en contacto con un resorte comprimido en 50 cm y de constante elástica 800 N/m. N/m. En un instante determinado, el resorte se suelta impulsando al cuerpo sobre dicha superficie con la que el roce es despreciable, el cuerpo A desliza e impacta a otro cuerpo B de 0,5 kg que se encuentra en reposo, ambos quedan adheridos y continúan juntos. El conjunto asciende por un plano inclinado en 37º, aquí µk  = 0,3. Determi Determinar: nar: a) La rapidez con que se mueven los cuerpos unidos sobre la superficie horizontal.  b) La distancia que alcanza a recorrer el conjunto a lo largo del plano inclinado hasta detenerse. 50 cm

 A

B 37º 

Sol.:

a) v = 8 m/s

b) d = 3,81 m

34

88. En la montaña rusa de un parque de diversiones, un carro de 300 kg es tirado con un cable accionado  por un motor, a lo largo de un plano inclinado en 37º con rapidez constante hasta alcanzar una altura de 50 m sobre el suelo. Desde allí, se abandona partiendo del reposo y comienza a descender por un riel curvo hasta llegar a nivel del suelo. Suponiendo ausencia de todo roce, calcular: a)  b) c) d) e) f)

El trabajo que realiza el peso del carro al subir por el plano inclinado. El trabajo que realiza el motor mediante la tensión del cable. La energía mecánica en el punto más alto de su trayectoria. La energía cinética al encontrarse a 10 metros del suelo. La altura a la que su rapidez es de 20 m/s. La rapidez con que llega a nivel del suelo.

Sol.: a) WP = - 1,5 1,5 * 105 J b) WT = 1,5 1,5 * 105 J c) E = 1,5 * 105 J d) E = 1,5 * 105 J e) H = 30 m f) v = 31,6 31,6 m/s m/s

89. Los cuerpos A y B de la figura, tiene masas de 1 y 2 kg respectivamente. Ambos cuerpos deslizan sobre las superficies circulares sin roce como se muestran y parten del reposo desde los puntos mostrados, al encontrarse sobre la superficie superfici e horizontal, chocan quedando adheridos. Calcular: a) La cantidad de movimiento de cada cuerpo y del sistema antes de chocar.  b) La velocidad con la que se mueven ambos después del choque. c) La variación de la energía cinética del sistema, antes y después del choque.

 B  A

10 m

5m Sol.:

a)

 p A = 10 iˆ kgm / s ;  p B =  28,3 iˆ kgm / s r

r

b ) v =  6,1iˆ m / s r

 b) RK = - 194, 194,2 2 J

90. Una partícula de 6 kg se mantiene sobre una superficie horizontal lisa (sin roce) comprimiendo en 80 cm un resorte de masa despreciable despreciable y constante elástica 600 N/m. Al soltar la partícula recorre la superficie horizontal AB y sube por un plano áspero (µk  = 0,1) inclinado 37º, hasta hasta detenerse detenerse en el  punto C. Calc Calcul ulaar: a) La energía mecánica acumulada en el resorte comprimido.  b) El trabajo realizado por la fuerza de roce en el plano inclinado. c) La altura del punto C.

C hC 37º

 A Sol.:

B a) E = 192 J

b) Wfr  = -22,59 J

 y=0 c) HC = 2,8 2,8 m

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