taller sobre cinemática rectilÃnea - Ludifisica - Universidad Nacional ...
taller sobre cinemática rectilÃnea - Ludifisica - Universidad Nacional ...
taller sobre cinemática rectilÃnea - Ludifisica - Universidad Nacional ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA<br />
SEDE MEDELLÍN<br />
FACULTAD DE CIENCIAS - ESCUELA DE FÍSICA<br />
FÍSICA MECÁNICA (1000019)<br />
TALLER SOBRE CINEMÁTICA RECTILÍNEA<br />
Preparado por: Diego Luis Aristizábal Ramírez y Roberto Restrepo Aguilar, profesores asociados de la Escuela de Física<br />
<strong>Universidad</strong> <strong>Nacional</strong> de Colombia sede Medellín<br />
Julio de 2012<br />
Con los ejercicios siguientes el objetivo es adquirir la destreza para analizar de forma<br />
ordenada y metódica la cinemática de cuerpos desplazándose con trayectoria rectilínea.<br />
En cada una de las soluciones se deberá:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hacer una representación clara de la situación (un dibujo lo más simple posible).<br />
Indicar con precisión cuál es el móvil que se va a estudiar.<br />
Definir el marco de referencia. En muchos problemas elementales hay marcos de<br />
referencia comunes y muy obvios, por ejemplo: la acera, la calle, el edificio, el<br />
laboratorio, el plano inclinado.<br />
Definir el eje de coordenadas con su respectivo origen y orientación: se fija al<br />
marco de referencia.<br />
Definir las condiciones iniciales: posición y velocidad del móvil en un instante<br />
determinado (es usual que dicho instante se elija como el instante inicial del<br />
movimiento y por ello el nombre).<br />
Analizar la situación general del movimiento (encontrar las expresiones generales):<br />
ésta es una idea fundamental en cinemática (y en mecánica en general). Conocer a<br />
fondo la cinemática de un cuerpo, es conocer en situación general la posición, la<br />
velocidad y la aceleración: es decir como dependen del tiempo. A veces también es<br />
necesario expresar la situación general de la velocidad y la aceleración como<br />
función de la posición.<br />
Resolver los casos particulares (búsqueda de valores específicos): resolver<br />
algebraicamente las ecuaciones.<br />
Si es necesario encontrar soluciones numéricas, reemplazar los valores en las<br />
ecuaciones sin olvidar expresar el resultado con la respectiva unidad de medida<br />
(debe hacerse un correcto análisis de las unidades y de la homogeneidad<br />
dimensional de las ecuaciones).<br />
Analizar la coherencia del resultado.<br />
1
Ejercicios <strong>sobre</strong> movimientos rectilíneos especiales (MU y MUV)<br />
1. Dos locomotoras se aproximan una a la otra en vías paralelas. Cada una tiene una<br />
rapidez de 95 km.h -1 con respecto al suelo. Si inicialmente están separadas 8,5 km,<br />
¿cuánto tiempo pasará antes de que se alcancen?<br />
Rp. 2,7 min<br />
2. En un momento determinado el coche de unos ladrones pasa por un punto con una<br />
velocidad de 90 km.h -1 . A los 10 minutos pasa persiguiéndole la policía con una<br />
velocidad de 120 km.h -1 . ¿A qué distancia de dicho punto lo alcanza? ¿Cuánto tiempo<br />
habrá transcurrido desde que pasó el primer coche?<br />
Rp. 60 km; 30 min.<br />
3. Un ciclista sale de una ciudad con una rapidez de 15 km.h -1 . Un segundo ciclista sale<br />
con una velocidad de 25 km.h -1 , 1 h después desde la misma ciudad y en la<br />
persecución el primero. ¿Cuánto tiempo tarda en alcanzarlo? ¿A qué distancia del<br />
punto de partida?<br />
Rp. 1,5 h; 37,5 km.<br />
4. ¿Qué distancia debe recorrer un auto para que con una aceleración constante de 3,0<br />
m.s -2 alcance una velocidad de 33 m.s -1 ?<br />
Rp. 1,8x10 2 m.<br />
5. ¿Qué velocidad máxima podrá llevar un coche para no chocar con un obstáculo que<br />
aparece repentinamente a 100 m del coche? Suponer que el conductor reacciona<br />
inmediatamente y que la aceleración de frenado (es decir, la desaceleración) es igual a<br />
4,00 m.s -2 .<br />
Rp. 28,3 m.s -1 .<br />
6. Un tren acelera uniformemente partiendo desde el reposo a razón de 2 m.s -2 , hasta<br />
alcanzar una velocidad de 40,0 m.s -1 . Después de avanzar e esa velocidad durante un<br />
cierto tiempo, desacelera a razón de 1,00 m.s -2 hasta detenerse. Si en total recorrió<br />
4 000 m, hallar el tiempo total transcurrido. Resolver mediante análisis gráfico.<br />
Rp. 130 s.<br />
7. Un automovilista viaja a 16 m.s -1 cuando observa que la luz de un semáforo 240 m<br />
delante de él se pone en rojo. Quiere pasar por el semáforo a la misma velocidad<br />
cuando cambia otra vez a verde a las 24 s. Si las ratas de frenado y aceleración del<br />
auto son iguales hallar su valor. Resolver mediante análisis gráfico.<br />
2
Rp. 1,0 m.s -2 .<br />
8. Un carrito de longitud l desciende <strong>sobre</strong> un plano inclinado. Para medir la<br />
aceleración a con la cual desciende se emplean dos fotocompuertas separadas una<br />
distancia <strong>sobre</strong> el plano igual a d . Si los intervalos de tiempo que invierte el carrito<br />
en atravesar cada fotocompuerta son respectivamente iguales a y , demostrar que<br />
a es igual a:<br />
a<br />
2<br />
l <br />
1 1 <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
2d<br />
<br />
t2<br />
t1<br />
<br />
2<br />
Ejercicios <strong>sobre</strong> “caída libre”<br />
9. Un beisbolista atrapa una bola 3,0 s después de lanzarla verticalmente hacia arriba.<br />
¿Con qué rapidez la lanzó y que altura alcanzó?<br />
Rp. 14,7 m.s -1 ; 11,0 m.<br />
t 1<br />
t 2<br />
10. Una piedra es lanzada verticalmente hacia arriba con una rapidez de 12,0 m/s desde<br />
el extremo de un risco de 70,0 m de alto. (a) ¿Cuánto tiempo después alcanza el<br />
fondo del risco? (b) ¿Cuál es su rapidez justo antes de golpear? (c) ¿Qué distancia<br />
recorrió?<br />
Rp. (a) 5,2 s;(b) 38,9 m.s -1 ; (c) 84,7 m.<br />
11. Se lanza una piedra verticalmente hacia abajo desde el borde de una azotea de un<br />
edificio. Mientras transcurre el décimo segundo de caída, la piedra recorre una<br />
distancia igual al doble de la que recorrió mientras transcurrió el quinto segundo.<br />
¿Con qué velocidad se lanzó la piedra?<br />
Rp. 4,9 m.s -1 .<br />
12. Un helicóptero asciende verticalmente con una rapidez de 5,20 m.s -1 . A una altura de<br />
125 m, una persona suelta un paquete desde una ventanilla. ¿Cuánto tiempo tarda el<br />
paquete en llegar al suelo?<br />
Rp. 5,61 s<br />
13. Un globo desciende con velocidad constante de 10 m/s. En cierto momento su<br />
tripulante deja caer una piedra sin comunicarle ningún impulso. Hallar la distancia<br />
entre el globo y la piedra en función del tiempo. Evaluar a los 5 s.<br />
Rp. 122,5 m<br />
3
Ejercicios <strong>sobre</strong> movimientos ligados (dependientes)<br />
14. Para el sistema mecánico de la Figura 1 demostrar que,<br />
2V A<br />
V<br />
B<br />
0<br />
2a A<br />
a B<br />
0<br />
Figura 1<br />
en donde<br />
bloques.<br />
V A<br />
,<br />
V B<br />
¸ a A<br />
y<br />
a B<br />
son las respectivas velocidades y aceleraciones de los<br />
15. Para el sistema mecánico de la Figura 2 demostrar que,<br />
2V B<br />
V<br />
A<br />
0<br />
2a B<br />
a A<br />
0<br />
VB V p<br />
aB a p<br />
Figura 2<br />
4
en donde<br />
V A<br />
,<br />
V B<br />
¸V P<br />
,<br />
a A<br />
,<br />
a B<br />
y<br />
a P<br />
los bloques A y B y del centro de la polea.<br />
16. Para el sistema mecánico de la Figura 3 demostrar que,<br />
son las respectivas velocidades y aceleraciones de<br />
2V<br />
2V<br />
V<br />
0<br />
A<br />
B<br />
C<br />
2a<br />
2a<br />
a 0<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Figura 3<br />
en donde<br />
V A<br />
,<br />
V B<br />
¸V C<br />
los bloques A, B y C.<br />
,<br />
a A<br />
,<br />
a B<br />
y<br />
a C<br />
son las respectivas velocidades y aceleraciones de<br />
17. Para el sistema mecánico de la Figura 4 demostrar que,<br />
2V<br />
V<br />
V<br />
0<br />
A<br />
B<br />
C<br />
2a<br />
a a 0<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Figura 3<br />
5
en donde<br />
V A<br />
,<br />
V B<br />
¸V C<br />
,<br />
a A<br />
,<br />
a B<br />
y<br />
a C<br />
son las respectivas velocidades y aceleraciones de<br />
los bloques A, B y C.<br />
Ejercicios <strong>sobre</strong> movimiento relativo<br />
18. Un cuerpo se deja caer dentro de un ascensor, Figura 5. Calcular la aceleración de caída<br />
respecto al piso del ascensor en los siguientes casos:<br />
<br />
<br />
El ascensor sube con velocidad constante.<br />
El ascensor baja con velocidad constante.<br />
El ascensor sube con aceleración respecto al edificio igual a 3 m.s -2 .<br />
El ascensor baja con aceleración respecto al edificio igual a 3 m.s -2 .<br />
<br />
Se revienta el cable y el ascensor desciende en caída libre.<br />
Figura 5<br />
Rp:<br />
9,8 ĵ m.s<br />
2<br />
;<br />
9,8 ĵm.s<br />
2<br />
;<br />
12,8 ĵm.s<br />
2<br />
;<br />
6,8 ĵm.s<br />
2<br />
;<br />
0 ĵ m.s<br />
2<br />
.<br />
19. Un río fluye hacia el este con velocidad de 3 m.s -1 y un bote se mueve en agua quieta<br />
con una velocidad de 4 m.s -1 hacia el norte. Si el bote navega en el río, calcular la<br />
velocidad del bote respecto a tierra.<br />
Rp. 5 m/s, 53,1 o con la dirección del río.<br />
20. Un río fluye hacia el norte con velocidad de 3 km.h -1 . Un bote se dirige al Este con<br />
velocidad relativa al agua de 4 km.h -1 . Calcular la velocidad del bote respecto de tierra.<br />
6
Si el río tiene 1 km de anchura, calcular el tiempo necesario para cruzarlo. ¿Cuál es la<br />
desviación hacia el norte del bote cuando llega a la otra orilla del río?<br />
Rp. 5 km.h -1 36,9 o con la horizontal; 15 min; 750 m.<br />
21. Un avión vuela desde un punto A a otro B que se encuentra a 3 000 km de distancia en<br />
la dirección Este. El viento sopla en la dirección S 30 o E con velocidad de 80 km.h -1 , y<br />
la velocidad del avión es de 600 km.h -1 . Determinar el tiempo de vuelo del avión entre<br />
las dos localidades.<br />
Rp. 4,7 h.<br />
Ejercicios <strong>sobre</strong> movimientos rectilíneos generales (NO son ni MU, ni MUV)<br />
22. Una partícula se mueve rectilíneamente de tal forma que su posición respecto al tiempo<br />
se expresa con la siguiente ecuación:<br />
3 2<br />
xt = 4t - 48t + 180t m<br />
Encontrar la distancia total recorrida en los primeros 10 s.<br />
Rp. 1 032 m<br />
23. Un cuerpo se desacelera proporcionalmente a su velocidad, es decir,<br />
a kV<br />
Demostrar que:<br />
V<br />
0<br />
V e<br />
kt<br />
<br />
V0<br />
x 1 e<br />
k<br />
kt<br />
<br />
V<br />
V 0<br />
kx<br />
en donde V 0 corresponde a su velocidad inicial.<br />
24. La aceleración de un cuerpo que oscila atado a un resorte, Figura 4, es:<br />
7
2<br />
a y<br />
y<br />
en donde es una constante (denominada frecuencia angular, se mide en rad.seg -1 ).<br />
Demostrar que la posición y en función del tiempo es una función senosoidal,<br />
y Asen t <br />
<br />
<br />
en donde A (denominada la amplitud del movimiento) y (la fase inicial de la oscilación)<br />
dependen de las condiciones iniciales de posición y velocidad .<br />
y 0<br />
V 0<br />
A <br />
y<br />
2<br />
0<br />
V<br />
<br />
<br />
2<br />
0<br />
2<br />
sen<br />
1<br />
y0<br />
<br />
<br />
A <br />
Figura 4<br />
Hacer su representación gráfica: y=f(t).<br />
FIN.<br />
8