Cantidad de movimiento - Ejercicios de fÃsica y matemática
Cantidad de movimiento - Ejercicios de fÃsica y matemática
Cantidad de movimiento - Ejercicios de fÃsica y matemática
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
CANTIDAD DE MOVIMIENTO<br />
La cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong>, o momentum o momento lineal, <strong>de</strong> una partícula <strong>de</strong> masa<br />
m que se mueve con una velocidad v es un vector con la dirección y sentido <strong>de</strong> la<br />
velocidad y se <strong>de</strong>fine como el producto <strong>de</strong> la masa y la velocidad:<br />
su unidad es kg m/s<br />
Si una partícula se mueve en una dirección cualquiera <strong>de</strong> un plano, p tendrá dos<br />
componentes p x y p y.<br />
La cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong> <strong>de</strong> una partícula se relaciona con la segunda ley <strong>de</strong><br />
Newton por la expresión:<br />
Consi<strong>de</strong>remos dos partículas que pue<strong>de</strong>n interactuar entre sí, chocando por ejemplo,<br />
que se encuentran aisladas <strong>de</strong> sus alre<strong>de</strong>dores. Al suce<strong>de</strong>r la interacción cada<br />
partícula ejerce una fuerza sobre la otra. Esas fuerzas, recordando la tercera ley <strong>de</strong><br />
Newton, son iguales en magnitud, dirección pero en sentidos contrarios y no se anulan<br />
pues la fuerza que ejerce una partícula afecta a la otra y viceversa, por lo que habrá<br />
consecuencias en cada partícula, por ejemplo un cambio en la velocidad respecto a la<br />
que tenían antes <strong>de</strong> la interacción.<br />
Cuando se produce la interacción las únicas fuerzas que intervienen provienen <strong>de</strong>l<br />
suceso en sí, por lo que no hay fuerzas externas, por lo tanto la cantidad <strong>de</strong><br />
<strong>movimiento</strong> <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> partículas es el mismo antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la interacción.<br />
Esto constituye el principio <strong>de</strong> conservación <strong>de</strong> la cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong>.<br />
Si las partículas son m 1 y m 2 con velocida<strong>de</strong>s v 1 y v 2 respectivamente, antes <strong>de</strong> la<br />
interacción, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> ella pue<strong>de</strong> suce<strong>de</strong>r que:<br />
a) sigan juntas: en este caso <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la interacción se tendrá m’ = m 1 + m 2 , y<br />
tendrán una velocidad común u.<br />
Y matemáticamente se tendrá: m 1 v 1 + m 2 v 2 = m’u<br />
b) sigan separadas: en este caso <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la interacción las masas continuarán<br />
siendo las mismas, al menos eso se consi<strong>de</strong>rará aquí, y con velocida<strong>de</strong>s u 1 y u 2<br />
respectivamente.<br />
Y matemáticamente se tendrá: m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 u 1 + m 2 u 2<br />
Como ya se mencionó, la cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong> <strong>de</strong> una partícula cambiará producto<br />
<strong>de</strong> una fuerza que recibe durante una interacción.<br />
En la relación<br />
se tiene dp = Fdt, lo que con integración, da:<br />
∆p = F ∆t<br />
don<strong>de</strong> ∆p es la variación <strong>de</strong> cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong> que experimenta la partícula.<br />
p f – p i = F(t f – t i )<br />
que también recibe el nombre <strong>de</strong> impulso (J)<br />
J = ∆p = F ∆ t<br />
Hernán Verdugo Fabiani<br />
Profesor <strong>de</strong> Matemática y Física<br />
www.hverdugo.cl<br />
siendo t = t f - t i<br />
1
El impulso <strong>de</strong> la fuerza F es igual al cambio en la cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong> <strong>de</strong> una<br />
partícula. Esto se conoce como el teorema <strong>de</strong>l impulso y la cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong>.<br />
En una colisión, se supone que las fuerzas <strong>de</strong> interacción <strong>de</strong> las partículas que<br />
intervienen son mucho mayores que las posibles fuerzas externas.<br />
En una colisión, ya se mencionó, la cantidad <strong>de</strong> <strong>movimiento</strong> se conserva, sin embargo<br />
no siempre suce<strong>de</strong> lo mismo con la energía cinética <strong>de</strong> las partículas, pues parte <strong>de</strong><br />
ella se disipa en forma <strong>de</strong> energía térmica, en energía potencial elástica si los objetos<br />
se <strong>de</strong>forman y en energía rotacional.<br />
En función <strong>de</strong> la conservación o no <strong>de</strong> la energía cinética, a partir <strong>de</strong> una colisión, se<br />
<strong>de</strong>finen la colisión inelástica, la colisión perfectamente inelástica y la colisión elástica.<br />
Una colisión es inelástica si la energía cinética, en una colisión, no se conserva.<br />
Una colisión es perfectamente inelástica si <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la interacción, las partículas<br />
continúan unidas. Aquí tampoco se conserva la energía cinética.<br />
Una colisión es elástica (cuando las partículas "rebotan") si la energía cinética total se<br />
conserva.<br />
Entonces, si la colisión es elástica, para dos partículas <strong>de</strong> masas m 1 y m 2 , con<br />
velocida<strong>de</strong>s v 1 y v 2 antes <strong>de</strong> la colisión y velocida<strong>de</strong>s u 1 y u 2 <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la colisión, se<br />
tendrá:<br />
m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 u 1 + m 2 u 2<br />
En una colisión bidimensional <strong>de</strong> dos partículas, se cumple que:<br />
m 1 v 1x + m 2 v 2x = m 1 u 1x + m 2 u 2x<br />
m 1 v 1y + m 2 v 2y = m 1 u 1y + m 2 u 2y<br />
1. Una partícula <strong>de</strong> 3 kg tiene una velocidad <strong>de</strong> 3i – 4j m/s. Encuentre sus<br />
componentes <strong>de</strong> momentum y la magnitud <strong>de</strong> su momentum total. (9i – 12j kgm/s, 15<br />
kgm/s)<br />
2. Una bola <strong>de</strong> boliche <strong>de</strong> 7 kg se mueve en línea recta a 3 m/s. ¿Qué tan rápido <strong>de</strong>be<br />
moverse una bola <strong>de</strong> ping pong <strong>de</strong> 2,45 g en un línea recta <strong>de</strong> manera que las dos<br />
bolas tengan el mismo momentum?<br />
3. Un niño bota una gran pelota sobre una acera. El impulso lineal entregado por la<br />
acera a la pelota es <strong>de</strong> 2 Ns durante 1/800 s <strong>de</strong> contacto. ¿Cuál es la magnitud <strong>de</strong> la<br />
fuerza promedio ejercida por la acera sobre la pelota? (1,6 kN)<br />
4. Una gran pelota con una masa <strong>de</strong> 60 g se <strong>de</strong>ja caer <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una altura <strong>de</strong> 2 m.<br />
Rebota hasta una altura <strong>de</strong> 1,8 m. ¿cuál es el cambio <strong>de</strong> momento lineal durante el<br />
choque con el piso?<br />
5. La fuerza F, que actúa sobre una partícula <strong>de</strong> 2 kg varía en el tiempo, como se<br />
muestra en la figura, encuentre: a) el impulso <strong>de</strong> la fuerza, b) la velocidad final <strong>de</strong> la<br />
partícula si inicialmente está en reposo, c) su velocidad final si al principio se mueve a<br />
lo largo <strong>de</strong>l eje x con una velocidad <strong>de</strong> –2 m/s, y d) la fuerza promedio ejercida sobre<br />
la partícula en el espacio <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> 0 a 5 s. (a) 12 kgm/s, b) 6 m/s, c) 4 m/s)<br />
Hernán Verdugo Fabiani<br />
Profesor <strong>de</strong> Matemática y Física<br />
www.hverdugo.cl<br />
2
6. Si dos partículas tienen energías cinéticas iguales, ¿sus momentos son<br />
necesariamente iguales?. Explique.<br />
7. Una curva fuerza – tiempo estimada para una pelota <strong>de</strong> béisbol golpeada por un<br />
bate se muestra en la figura. A partir <strong>de</strong> esta curva, encuentre: a) el impulso dado a la<br />
pelota, b) la fuerza ejercida sobre la pelota, c) la fuerza máxima ejercida sobre la<br />
misma. (a) 13,5 kgm/s, b) 9.000 N, c) 18.000 N)<br />
8. ¿Es posible tener un choque don<strong>de</strong> se pierda toda la energía cinética? Si es así,<br />
cite un ejemplo.<br />
9. Una ametralladora dispara balas <strong>de</strong> 35 g a una velocidad <strong>de</strong> 750 m/s. Si el arma<br />
pue<strong>de</strong> disparar 200 balas/min, ¿cuál es la fuerza promedio que el tirador <strong>de</strong>be ejercer<br />
para evitar que la ametralladora se mueva? (87,5 N)<br />
10. a) Si el momento <strong>de</strong> un objeto se duplica en magnitud, ¿qué ocurre con su energía<br />
cinética? b) Si la energía cinética <strong>de</strong> un objeto se triplica, ¿qué suce<strong>de</strong> con su<br />
momento?<br />
11. Un balón <strong>de</strong> rugby <strong>de</strong> 0,5 kg se lanza con una velocidad <strong>de</strong> 15 m/s. Un receptor<br />
estacionario atrapa la pelota y la <strong>de</strong>tiene en 0,02 s, a) ¿cuál es el impulso dado al<br />
balón?, b) ¿cuál es la fuerza promedio ejercida sobre el receptor? (a) 7,5 kgm/s, b)<br />
375 N)<br />
12. Un auto se <strong>de</strong>tiene frente a un semáforo. Cuando la luz vuelve a ver<strong>de</strong>, el auto<br />
acelera, aumentando su velocidad <strong>de</strong> 0 a 5,2 m/s en 0,832 s. ¿Qué impulso lineal y<br />
fuerza promedio experimenta un pasajero <strong>de</strong> 70 kg en el auto?<br />
13. Una pelota <strong>de</strong> béisbol <strong>de</strong> 0,15 kg se lanza con una velocidad <strong>de</strong> 40 m/s. Luego es<br />
bateada directamente hacia el lanzador con una velocidad <strong>de</strong> 50 m/s, a) ¿cuál es el<br />
impulso que recibe la pelota?, b) encuentre la fuerza promedio ejercida por el bate<br />
sobre la pelota si los dos están en contacto 0,002 s. Compare este valor con el peso<br />
<strong>de</strong> la pelota y <strong>de</strong>termine si es válida o no la aproximación <strong>de</strong>l impulso en esta<br />
situación. (a) 13,5 kgm/s, b) 6.750 N..... ambas hacia el lanzador)<br />
14. Un jugador <strong>de</strong> tenis recibe un tiro con una bola <strong>de</strong> 0,06 kg que viaja<br />
horizontalmente a 50 m/s y lo regresa con la bola moviéndose horizontalmente a 40<br />
m/s con la dirección opuesta. ¿Cuál es el impulso dado a la bola por la raqueta?<br />
15. Una bola <strong>de</strong> acero <strong>de</strong> masa 3 kg golpea una pared con una velocidad <strong>de</strong> 10 m/s a<br />
un ángulo <strong>de</strong> 60º con la superficie. Rebota con la misma velocidad y ángulo. Si la bola<br />
Hernán Verdugo Fabiani<br />
Profesor <strong>de</strong> Matemática y Física<br />
www.hverdugo.cl<br />
3
está en contacto con la pared durante 0,2 s, ¿cuál es la fuerza promedio ejercida por<br />
la pared sobre la bola? (260 N, hacia la izquierda)<br />
16. Una bomba, inicialmente en reposo, estalla en varios pedazos. A) ¿Su momento<br />
lineal es constante?, b) ¿su energía cinética es constante? Explique.<br />
17. Un hombre <strong>de</strong> 79,5 kg parado sobre un estanque congelado cercano a un muro<br />
sostiene una bola <strong>de</strong> 0,5 kg. Lanza la bola al muro con una velocidad <strong>de</strong> 10 m/s (en<br />
relación al suelo) y atrapa la bola <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> que ésta rebota en el muro. A) ¿A qué<br />
velocidad se mueve <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> atrapar la bola? (ignore el <strong>movimiento</strong> <strong>de</strong> proyectil <strong>de</strong><br />
la bola y suponga que ésta no pier<strong>de</strong> energía en su choque con el muro), b) ¿cuántas<br />
veces tiene que seguir este proceso el hombre antes <strong>de</strong> que su velocidad llegue a 1<br />
m/s respecto <strong>de</strong>l suelo? (a) 0,125 m/s, b) 8 veces)<br />
18. Dos bloques <strong>de</strong> masas M y 3M se colocan sobre una superficie horizontal sin<br />
fricción. Un resorte ligero se une a uno <strong>de</strong> ellos, y los bloques son empujados juntos,<br />
con el resorte entre ellos. Una cuerda que los mantiene unidos se quema y <strong>de</strong>spués<br />
<strong>de</strong> eso el bloque <strong>de</strong> masa 3M se mueve hacia la <strong>de</strong>recha con una velocidad <strong>de</strong> 2 m/s,<br />
¿cuál es la velocidad <strong>de</strong>l bloque <strong>de</strong> masa M?<br />
19. Un astronauta <strong>de</strong> 60 kg camina en el espacio alejado <strong>de</strong> la nave espacial cuando<br />
la línea que lo mantiene unido a la nave se rompe. El pue<strong>de</strong> lanzar su tanque <strong>de</strong><br />
oxígeno <strong>de</strong> 10 kg <strong>de</strong> manera que éste se aleje <strong>de</strong> la nave espacial con una velocidad<br />
<strong>de</strong> 12 m/s para impulsarse a sí mismo <strong>de</strong> regreso a la nave. Suponiendo que inicia su<br />
<strong>movimiento</strong> <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el reposo (respecto a la nave), <strong>de</strong>termine la distancia máxima a la<br />
cual pue<strong>de</strong> estar <strong>de</strong>l vehículo espacial cuando la línea se rompe e incluso regresar en<br />
menos <strong>de</strong> 60 s. (120 m)<br />
20. Carros <strong>de</strong> aire idénticos <strong>de</strong> masa 200 g están equipados con resortes idénticos <strong>de</strong><br />
k = 3.000 N/m. Los carros, que se mueven uno hacia el otro con velocida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> 3 m/s<br />
sobre una pista <strong>de</strong> aire (sin fricción) horizontal, chocan y comprimen los resortes.<br />
Encuentre la compresión máxima <strong>de</strong> cada resorte.<br />
21. Una muchacha <strong>de</strong> 45 kg está parada sobre un tablón que tiene una masa <strong>de</strong> 150<br />
kg. El tablón, originalmente en reposo, pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>slizarse libremente sobre un lago<br />
congelado, el cual es una superficie <strong>de</strong> soporte plana y sin fricción. La muchacha<br />
empieza a caminar a lo largo <strong>de</strong>l tablón a una velocidad constante <strong>de</strong> 1,5 m/s en<br />
relación con el tablón. A) ¿Cuál es su velocidad en relación con la superficie <strong>de</strong>l hielo?,<br />
Hernán Verdugo Fabiani<br />
4<br />
Profesor <strong>de</strong> Matemática y Física<br />
www.hverdugo.cl
) ¿cuál es la velocidad <strong>de</strong>l tablón respecto <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> hielo? (a) 1,15 m/s, b) –<br />
0,346 m/s)<br />
22. Una bola <strong>de</strong> boliche <strong>de</strong> 7 kg inicialmente en reposo se <strong>de</strong>ja caer <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una altura<br />
<strong>de</strong> 3 m, a) ¿cuál es la velocidad <strong>de</strong> la tierra aproximándose a la bola justo antes <strong>de</strong><br />
que ésta golpee el suelo? Utilice 5,98x10 24 kg como masa <strong>de</strong> la tierra. B) Con su<br />
respuesta anterior, justifique por qué no se toma en cuenta el <strong>movimiento</strong> <strong>de</strong> la tierra<br />
cuando se trabaja con los <strong>movimiento</strong>s <strong>de</strong> objetos terrestres.<br />
23. Un meteorito <strong>de</strong> 2.000 kg tiene una velocidad <strong>de</strong> 120 m/s justo antes <strong>de</strong> chocar <strong>de</strong><br />
frente con la tierra. Determine la velocidad <strong>de</strong> retroceso <strong>de</strong> la tierra. (4,01x10 -20 m/s)<br />
24. Una bala <strong>de</strong> 12 g se dispara contra un bloque <strong>de</strong> ma<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> 100 g inicialmente en<br />
reposo sobre una superficie horizontal. Después <strong>de</strong>l impacto el bloque se <strong>de</strong>sliza 7,5<br />
m antes <strong>de</strong> <strong>de</strong>tenerse. Si el coeficiente <strong>de</strong> fricción entre el bloque y la superficie es<br />
0,65. Determine la velocidad <strong>de</strong> la bala inmediatamente antes <strong>de</strong>l impacto.<br />
25. Una masa <strong>de</strong> 3 kg con una velocidad inicial <strong>de</strong> 5i m/s choca y queda unida a una<br />
masa <strong>de</strong> 2 kg cuya velocidad inicial es <strong>de</strong> – 3j m/s. Determine la velocidad final <strong>de</strong> la<br />
masa compuesta. (3i – 1,2j m/s)<br />
26. Durante la batalla <strong>de</strong> Gettysburg el tiroteo fue tan intenso que varios proyectiles<br />
chocaron en el aire y se fundieron. Suponga una bala <strong>de</strong> fusil <strong>de</strong> la Unión <strong>de</strong> 5 g que<br />
se mueve a la <strong>de</strong>recha a 250 m y 20º sobre la horizontal, y una confe<strong>de</strong>rada <strong>de</strong> 3 g<br />
que se mueve hacia la izquierda a 280 m/s y 15º sobre la horizontal. Inmediatamente<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> que se fun<strong>de</strong>n, ¿cuál es su velocidad?<br />
27. Un núcleo inestable <strong>de</strong> 17x10 -27 kg <strong>de</strong> masa inicialmente en reposo se <strong>de</strong>sintegra<br />
en tres partículas. Una <strong>de</strong> ellas, <strong>de</strong> 5x10 -27 kg se mueve a lo largo <strong>de</strong>l eje y con una<br />
velocidad <strong>de</strong> 6x10 6 m/s. Otra partícula <strong>de</strong> masa 8,4x10 -27 kg se mueve a lo largo <strong>de</strong>l<br />
eje x con una velocidad <strong>de</strong> 4x10 6 m/s. Encuentre: a) la velocidad <strong>de</strong> la tercera<br />
partícula, b) la energía total emitida en el proceso. (a) (-9,33x10 6 i – 8,33x10 6 j) m/s, b)<br />
4,39x10 -13 J)<br />
28. Un disco <strong>de</strong> goma <strong>de</strong> 0,3 kg, inicialmente en reposo sobre una superficie horizontal<br />
sin fricción, es golpeado por otro disco similar <strong>de</strong> 0,2 kg que se mueve al principio a lo<br />
largo <strong>de</strong>l eje x con una velocidad <strong>de</strong> 2 m/s. Después <strong>de</strong>l choque, el disco <strong>de</strong> 0,2 kg<br />
tiene una velocidad <strong>de</strong> 1 m/s a un ángulo <strong>de</strong> 53º con el eje x positivo. Determine: a) la<br />
velocidad <strong>de</strong>l disco <strong>de</strong> 0,3 kg <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l choque, b) la fracción <strong>de</strong> energía perdida en<br />
el choque.<br />
29. Una bala <strong>de</strong> 8 g se dispara contra un bloque <strong>de</strong> 2,5 kg inicialmente en reposo en el<br />
bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> una mesa sin fricción <strong>de</strong> 1 m <strong>de</strong> altura. La bala permanece en el bloque y<br />
<strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l impacto éste aterriza a 2 m <strong>de</strong>l pie <strong>de</strong> la mesa. Determine la velocidad<br />
inicial <strong>de</strong> la bala.<br />
30. Una bala <strong>de</strong> 12 g se dispara horizontalmente contra un bloque <strong>de</strong> ma<strong>de</strong>ra <strong>de</strong> 100 g<br />
que está en reposo sobre una superficie horizontal rugosa, conectada a un resorte sin<br />
masa <strong>de</strong> constante 150 N/m. Si el sistema bala bloque comprime el resorte 0,8 m,<br />
¿cuál era la velocidad <strong>de</strong> la bala justo antes <strong>de</strong> entrar al bloque? Suponga que el<br />
coeficiente <strong>de</strong> fricción cinética entre el bloque y la superficie es 0,6.<br />
Hernán Verdugo Fabiani<br />
Profesor <strong>de</strong> Matemática y Física<br />
www.hverdugo.cl<br />
5