CURSO: FISICA I 2010 DINAMICA DE UN SISTEMA DE PARTICULAS optaciano Vásquez UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CURSO: FISICA I DINAMICA DE UN SISTEMA DE PARTICULAS AUTOR: Mag. Optaciano L. Vásquez García HUARAZ - PERÚ 2010 Optaciano Vasquez

MOVIMIENTO DEL CENTRO DE MASA Posición del centro de Masa Consideremos un sistema compuesto por partículas de masa m1, m2, ….. Mn cuyas posiciones respecto a un observador inercial son El centro de masas se define como Optaciano Vasquez

Ejemplo Localice el centro de masa para el sistema mostrado

MOVIMIENTO DEL CENTRO DE MASA Velocidad del centro de Masa Si las partículas tienen velocidades La velocidad del centro de masa se obtiene derivando la ecuación del centro de masa respecto del tiempo Optaciano Vasquez

MOVIMIENTO DEL CENTRO DE MASA Momento lieal de un sistema de Particulas Sabemos que el momento lineal es igual al producto de la masa por la velocidad entonces el momento de la i-ésima partícula será Entonces el momento lineal del sistema será Optaciano Vasquez

MOVIMIENTO DEL CENTRO DE MASA Aceleración de un sistema de Particulas La aceleración del centro de masa de un sistema se obtiene derivando la velocidad del CM, es decir Optaciano Vasquez

Ejemplos de Movimiento de CM Optaciano Vasquez

EJEMPLO Las tres partículas de un sistema se mueven en el plano xy. En cierto instante las posiciones y las acelereaciones de las partículas se muestran en la figura. Para este instante determine: (a)las coordenadas del centro de masa del sistema y (b) la aceleración del centro de masa del sistema

SEGUNDA LEY DE NEWTON PARA UN SISTEMA DE PARTÍCULAS La segunda ley para una partícula será El sistema de fuerzas externas e internas actuando sobre un sistema es equivalente al sistema de fuerzas efectivas Optaciano Vasquez

SEGUNDA LEY DE NEWTON PARA UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Sumando para todas las partículas, De acuerdo con la tercera ley de Newton las suma de las fuerza internas se anulan de igual foma el par de dichas fuerzas El sistema de furzas externas y el sistema de fuerzas efectivas son equipolentes o equivalentes Optaciano Vasquez

Ejemplo Las tres partículas de un sistema se mueven en el plano xy. En el instante que se muestra, sobre las partículas actúan la fuerzas indicadas. Para este instante, determine: (a) las coordenadas del centro de masa del sistema y (b) la aceleración del centro de masa del sistema

MOMENTUM ANGULAR DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Hemos definido el momento angular como el producto vectorial. Su dirección es perpendicular al plano de r y mv Su magnitud está dado por Optaciano Vasquez

MOMENTUM ANGULAR DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Su componentes vectoriales se determinan del determinante Derivando respecto del tiempo al momento angular La suma de momentos respecto de O es igual a la razón de cambio del momento angular Optaciano Vasquez

MOMENTO ANGULAR DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Consideremos un sistema formado por dos partículas y después se generaliza Cada partícula está sometida a fuerzas externas e internas El momento angular de cada una de ellas será El momento del sistema será Derivando respecto del tiempo Optaciano Vasquez

MOMENTO ANGULAR DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Por otro lado los momentos son El momento total será Los momentos de las fuerzas internas se cancelan. Entonces Generalizando para n partículas, se tiene Optaciano Vasquez

CONSERVACIÓN DEL MOMENTO LINEAL Y ANGULAR Si sobre un sistema no actúan fuerzas externas o si la resultante de todas las fuerzas externas es nula, se conserva el momento lineal del sistema. Es decir Si sobre un sistema no actúan fuerzas externas o si la resultante de todas las fuerzas externas es nula, se conserva el omento lineal del sistema Optaciano Vasquez

Ejemplo Un proyectil de 10 kg se está moviendo con una velocidad de 30 m/s cuando este explota en dos fragmentos de 2,5 kg y 7,5 kg. Inmediatamente después de la explosión los fragmentos viajan según las direcciones que se indica θA = 45° y θB = 30°. Determine la velocidad de cada fragmento

Resolviendo simultaneamente las ecuaciones Solución Se escribe las componentes de la ecuación de conservación del momento lineal. Debido a que no existen fuerzas externas , el momentum lineal se conserva componente x: componente y: x y Resolviendo simultaneamente las ecuaciones

ENERGÍA CINÉTICA DE UN SISTEMA Consideremos un sistema formado por dos partículas de masas m1 y m2 sometidas a las fuerzas mostradas y moviéndose en la trayectorias C1 y C2 Las ecuaciones de movimiento serán Optaciano Vasquez

ENERGÍA CINÉTICA DE UN SISTEMA Multiplicando las ecuaciones por los desplazamientos correspondientes se tiene Sumando dichas ecuaciones y recordando que Integrando desde se tiene Optaciano Vasquez

CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA DE UN SISTEMA Si las fuerzas internas son conservativas, se les puede asociar una función potencial dependiente de la posición de las partículas, entonces el trabajo interno se escribe Las cantidades V12,0 y V12, son las energías potenciales internas inicial y final. Entonces al remplazar esta ecuación en el principio trabajo - energía cinética se tiene La energía propia del sistema (ε) es la suma de las energías cinéticas respecto a un observador inercial más la energía interna Optaciano Vasquez

CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA DE UN SISTEMA Si en lugar de dos partículas tenemos n de ellas se tiene, la energía propia se escribe Donde Entonces el cambio en la energía propia es igual al trabajo externo, esto es Optaciano Vasquez

CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA DE UN SISTEMA DE PARTÍCULAS Por otro lado si el sistema se encuentra aislado, el trabao externo es nulo y como tal la energía propia permanece constante Por otro lado si las fuerzas externas también son conservativas, entonces se pueden expresar también como una función potencial, es decir La variación de energía propia del sistema será La energía total permanece constante y se puede escribir Optaciano Vasquez

EJEMPLO 01 Los bloques A y B están unidos por un cable que pasa a través de dos poleas de masa despreciable, como se muestra en la figura. El coeficiente de fricción cinético entre el bloque A y el plano inclinado es 0,40. Si la velcidad inicial de A es 8 pies/s descendiendo por el plano. Determine el desplazamiento sA del bloque A antes que el sistema alacance alcance el reposo. Optaciano Vasquez

Solución 01 Cinemática de movimiento dependiente Se aplica la segunda ley de Newton en dirección y para determinar la reacción normal y después la fricción

Solución Se aplica el principio trabajo. Energía cinética para un sistema de partículas

Ejemplo 02 Los dos collarines A y B que se muestran en la figura se deslizan sin fricción a lo largo de dos barras que se encuentran en el mismo plano vertical y están a 1,2 m de separación. La rigidez del resorte es k = 100 N/m y su longitud libre es Lo = 1,2 m. Si el sistema se suelta desde el reposo en la posición que se muestra, donde el resorte se ha estirado a la longitud L1 = 1,8 m. determine la máxima velocidad alcanzada por cada uno de los collarines

Solución 02 Entonces se tiene Simplificando Se analiza el sistema formado por los dos collarines. Para ello se traza el DCL en una posición arbitrara. Aplicando el principio trabajo energía cinética se tiene La energía cinética inicial es nula y el trabajo interno es el de la fuerza elástica. Entonces Las deformaciones son

Solución Principio I-p: En ausencia de fuerzas externas en dirección horizontal se conserva p Resolviendo simultáneamente las ecuaciones (1) y (2), resulta

Ejemplo 03 El bloque A de 12 kg de la figura se suelta desde el reposo en la parte superior de la cuña de 2 kg (posición 1). Determine las velocidades de A y B cuando el bloque haya llegado a la parte inferior de la cara inclinada de la cuña, como se muestra en la figura B. Desprecie la fricción

Solución En ausencia de fricción, la única fuerza que realiza trabajo es el peso. Por lo tanto se conserva la energía Movimiento relativo de A respecto a B Resolviendo las ecuaciones se tiene

Ejemplo La bola B de masa mB cuelga de un hilo de longitud L sujeto a un carro A, de masa mA que puede rodar libremente por una pista horizontal lisa. Si la bola recibe una velocidad horizontal v0 estando el carro en reposo. Determine la velocidad de B cuando llega a su máxima altura, (b) la máxima altura que h a la que sube B

Las velocidades en la posición 1 y 2 son Cuando la bola B llega su su altura máxima su velocidad relativa respecto al soporte es nula. Aplicando la conservación del momento lineal en dirección +x se tiene Despejando la velocidad final de A

Solución Aplicando el principio de conservación de la energía se tiene Posición 1 - Energia potencial Energía cinética: Posición 2 - Energía potencial:

Ejemplo En una jugada de billar americano, la bola A se mueve con una velocidad inicial v0 = v0 i cuando golpea a las bolas B y C, que están en reposo una junto a la otra. Suponiendo las superficies lisas y el choque perfectamente elástico. Halle la velocidad final de cada bola suponiendo que el trayecto de A (a) está perfectamente centrado y que golpea a B y C simultáneamente y (b) no esté perfectamente centrado y golpee a B un poco antes que a C

Solución

Ejemplo El par de bloques representado en la figura están conectados mediante un hilo inextensible y sin peso. El resorte tiene una constante k = 1200 N/m y una longitud natural L0 = 30 cm. El rozamiento es despreciable. Si se suelta el sistema a partir del reposo cuando x = 0, determine: (a) la celeridad de los bloques cuando x = 10 cm y (b) El máximo desplazamiento xmax que alcanzará en el ulterior movimiento

Ejemplo Los dos bloques representados en la figura están unidos mediante un hilo inextensible y sin peso. Se sueltan, partiendo del reposo, cuando el resorte está sin deformar. Los coeficientes de rozamiento estático y cinético valen s = 0,20 y k = 0,10, respectivamente, determine: (a) la máxima velocidad de los bloques y el alargamiento que en esa condición, sufre el resorte, (b) la máxima caída del bloque de 25 N.

Ejemplo Los bloques A y B están unidos por un cable que tiene una longitud de 6,5 m y pasa por una pequeña polea lisa C. Si el sistema se suelta desde el reposo cuando xA = 4 m, determine la velocidad de A cuando B llega a la posición que se muestra por medio de líneas interrumpidas. Desprecie la fricción.

Ejemplo Los dos bloques mostrados en la figura están unidos mediante un hilo inextensible y sin peso. La superficie horizontal y el poste vertical carecen de rozamiento. En la posición representada, el bloque de 10 N tiene una velocidad de 1,5 m/s hacia la derecha. Determine para el ulterior movimiento, la máxima distancia a la cual asciende el bloque de 25 N

Ejemplo Una caja que tiene un peo W1 = 40 lb desliza hacia abajo partiendo del reposo por una rampa lisa y después sobre la superficie de un carrito de peso W2 = 20 lb. Determine la rapidez del vagón en el instante en que la caja deje de deslizar sobre el carro. Si alguien ata al carro a la rampa B determine el impulso horizontal que ejercerá en C para parar su movimiento. Desprecie la fricción y considere h = 15 pies

Ejemplo La chalana B tiene una masa de 15 Mg y soporta a un automóvil que tiene una masa de 2 Mg. Si la chalana no está unida al muelle P y alguien conduce el automóvil d = 60 m hasta el otro lado para su desembarque. Determine cuanto se aleja la chalana del muelle justamente después que el auto se para. Desprecie la resistencia del agua.

Solución Sea v la velocidad del carro respecto a la chalana y vB la velocidad de la chalana respecto a un observador fijo en la tierra (muelle). Entonces en ausencia de fuerzas externas e la dirección x ya que se deprecia el rozamiento del agua, considerando el sistema chalana + auto como un sistema cerrado, se conserva el momentum lineal es decir Por otro lado el movimiento del auto es uniforme El movimiento de la chalana será

Los bloque A y B de 40 kg y 60 kg de masa respectivamente, se encuentran localizados sobre una superficie horizontal lisa y conectado entre ellos mediante un resorte de constante K = 180 N/m, el cual se encuentra deformado 2 m. Si el sistema se libera desde el reposo, determine las velocidades de los bloques cuando el resorte no está deformado

Ejemplo Dos semiesferas se encuentran unidas mediante una cuerda que mantiene a un muelle bajo compresión(el muelle no esta sujeto a las semiesferas). La energía potencial del muelle comprimido es 120 J y el conjunto posee una velocidad vo de módulo vo = 8 m/s. sabiendo que la cuerda se corta cuando θ = 30° haciendo que las semiesferas se separen, hallar la subsiguiente velcoidad de cada semiesfera

Dos automóviles chocan en el cruce, según se indica en la figura Dos automóviles chocan en el cruce, según se indica en la figura. El auto A tiene una masa de 1000 kg y una celeridad inicial vA = 25 km/h, mientras que el auto B tiene una masa de 1500 kg. Si los autos quedan enganchados y se mueven conjuntamente en la dirección dada por el ángulo θ = 30º después del choque, determine la celeridad vB que llevaba el auto B antes de chocar.

Ejemplo Un bloque de madera de 0,30 kg está unido a un resorte de k = 7500 N/m como se muestra en la figura. El bloque está en reposo sobre una superficie horizontal rugosa (μk = 0,40) y recibe el impacto de una bala de 0,030 kg que lleva una velocidad inicial vi = 150 m/s. En el choque, la bala queda incrustada en la madera. Determine: (a) la celeridad del conjunto bloque-bala inmediatamente después del choque, (b) la distancia que recorrerá el bloque antes de detenerse.

Ejemplo La esfera de a figura pesa 25 N, se suelta a partir del reposo cuando θA = 60º , baja y choca contra la caja B que pesa 50 N. Si la distancia del techo al centro de la esfera es de 0,9 m, el coeficiente de restitución vale 0,8 en este choque y el coeficiente de rozamiento entre caja y suelo vale 0,3, determine: (a) la velocidad de la caja inmediatamente después del choque, (b) la distancia que recorre la caja antes de detenerse.

Ejemplo Una bala de 20 g disparada sobre un bloque de madera de 4 kg suspendido de las cuerdas AC y BD penetra en el bloque por el punto E, equidistante de de C y D, sin tocar la cuerda BD. Determine: (a) la máxima altura a la que subirá el bloque con la bala incrustada después dl impacto, (b) el impulso total que durante éste ejercen ambas cuerdas sobre el bloque.

Ejemplo Al seleccionar el mazo de un martinete se desea que en cada golpe el mazo ceda toda su energía cinética. Es decir, la velocidad del mazo inmediatamente después del choque debe ser nula. Los pilotes que trabajan son de 300 kg cada uno y la experiencia indica que el coeficiente de restitución será 0,3 aproximadamente. ¿Cuál debería ser la masa del mazo?. Calcular la velocidad v del pilote inmediatamente después del choque si cae el mazo sobre el pilote desde una altura de 4 m. Calcular también la pérdida de energía Δ E en cada golpe.

Ejemplo La bola se suelta en la posición Ay cae sobre el plano inclinado desde una altura de 0,75 m. Si en el choque el coeficiente de restitución es e = 0,85. Determine el alcance medido plano abajo

Ejemplo

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