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Temas Selectos

de Física I

2

Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de junio de 2010.

Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora

Blvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, México

La edición consta de 1,413 ejemplares.

COLEGIO DE BACHILLERES

DEL ESTADO DE SONORA

Director General

Mtro. Jorge Luis Ibarra Mendívil

Director Académico

Profr. Julio Alfonso Martínez Romero

Director de Administración y Finanzas

C.P. Jesús Urbano Limón Tapia

Director de Planeación

Mtro. Pedro Hernández Peña

TEMAS SELECTOS DE FÍSICA I

Módulo de Aprendizaje.

Copyright ©, 2008 por Colegio de Bachilleres

del Estado de Sonora

Todos los derechos reservados.

Tercera edición 2010. Impreso en México.

DIRECCIÓN ACADÉMICA

Departamento de Desarrollo Curricular

Blvd. Agustín de Vildósola, Sector Sur

Hermosillo, Sonora. México. C.P. 83280

Registro ISBN, en trámite.

COMISIÓN ELABORADORA:

Elaboración:

José Alejandro Álvarez Yáñez

José Puga Tovar

Revisión Disciplinaria:

Jose Manuel Fierros Quijada

Corrección de Estilo:

Antonia Sánchez Primero

Supervisión Académica:

Diana Irene Valenzuela López

Diseño de Portada:

María Jesús Jiménez Duarte

Edición:

Cynthia Deyanira Meneses Avalos

Coordinación Técnica:

Claudia Yolanda Lugo Peñúñuri

Coordinación General:

Profr. Julio Alfonso Martínez Romero

3

COMPONENTE:

FORMACIÓN

PROPEDÉUTICA

GRUPO:

FÍSICO-MATEMÁTICO

Esta asignatura se imparte en el V Semestre; tiene como antecedente Física

II, la asignatura consecuente es Temas Selectos de Física II, y se relaciona

con Cálculo Diferencial e Integral I, Dibujo I y Economía.

HORAS SEMANALES:

03

CRÉDITOS:

06

DATOS DEL ALUMNO

Nombre: ______________________________________________________

Plantel: _________________________________________________________

Grupo: ____________ Turno: _____________ Teléfono:_______________

Domicilio: _____________________________________________________

______________________________________________________________

Ubicación Curricular

4

TEMAS

SELECTOS

DE FÍSICA I

ESTÁTICA DINÁMICA

DEL

SÓLIDO

RÍGIDO

MÁQUINAS

SIMPLES

SÓLIDO

RÍGIDO

EQUILIBRIO EN

DOS

DIMENSIONES

VECTORIAL

DESCOMPOSICIÓ

N DE FUERZAS

FORMA

VECTORIAL

IDEALES

REALES

CINÉTICA CINEMÁTICA

2ª LEY DE

NEWTON

TRABAJO

ENERGÍA

MECÁNICA

MOVIMIENTOS

DE

TRASLACIÓN

MOVIMIENTOS

DE ROTACIÓN

VELOCIDAD

CONSTANTE

ACELERACIÓN

CONSTANTE

Mapa Conceptual de la Asignatura

5

Recomendaciones para el alumno.............................................................. 7

Presentación .... ........................................................................................... 8

RIEMS ............................................................................................................. 9

UNIDAD 1. ESTÁTICA. ...................................................................... 11

1.1. Introducción y generalidades ............................................................... 13

1.2. Vectores .... ........................................................................................... 14

1.2.1. Diferencia entre vectores y escalares ......................................... 14

1.2.2. Suma de vectores por el método analítico ................................. 16

1.3. Equilibrio del sólido rígido en dos dimensiones ........................... 20

1.3.1. Definición de conceptos ............................................................. 20

1.3.2. Condiciones generales de equilibrio .......................................... 21

1.3.3. Fuerzas coplanarias no paralelas ............................................... 22

1.3.4. Fuerzas coplanarias paralelas. ................................................... 24

1.4. Máquinas simples ................................................................................. 27

1.4.1. Definición de conceptos ............................................................. 27

1.4.2. Máquinas simples tradicionales ................................................. 32

Sección de tareas ........................................................................................ 45

Autoevaluación . ........................................................................................... 59

Ejercicio de reforzamiento ............................................................................ 63

UNIDAD 2. CINEMÁTICA DEL CUERPO RÍGIDO. ........................... 67

2.1. Traslación y rotación pura .................................................................... 68

2.1.1. Posición angular ........................................................................ 69

2.1.2. Desplazamiento angular ............................................................ 69

2.1.3. Velocidad angular ..................................................................... 71

2.1.4. Aceleración angular .................................................................. 72

2.2. Traslación y rotación uniformes y uniformemente aceleradas. ........... 74

Sección de tareas ........................................................................................ 81

Autoevaluación . ........................................................................................... 87

Ejercicio de reforzamiento ............................................................................ 91

Índice

6

UNIDAD 3. CINÉTICA DEL CUERPO RÍGIDO. .................................. 93

3.1. Leyes de Newton o leyes del movimiento ........................................... 94

3.1.1. Aplicaciones de las leyes de Newton ..................................... 97

3.2. Fricción ...... .......................................................................................... 100

3.2.1. Coeficiente de fricción o de rozamiento ................................ 101

3.2.2. Diagrama de cuerpo libre ....................................................... 104

3.2.3. Fuerza de fricción estática ..................................................... 105

3.2.4. Fuerza de fricción cinética ...................................................... 109

3.2.5. Principio fundamental de la dinámica de traslación ............. 111

3.3. Energía cinética de rotación ................................................................ 112

3.3.1. Trabajo de un peso................................................................. 112

3.3.2. Ley de la conservación de la energía..................................... 113

3.4.Ímpetu e impulso angular. .................................................................... 116

3.4.1. Momento de inercia de figuras regulares .............................. 116

Sección de tareas ....................................................................................... 121

Autoevaluación . .......................................................................................... 125

Ejercicio de reforzamiento ........................................................................... 127

Bibliografía General ..................................................................................... 129

Índice (continuación)

7

El presente Módulo de Aprendizaje constituye un importante apoyo para ti; en él

se manejan los contenidos mínimos de la asignatura Temas Selectos de Física I.

No debes perder de vista que el Modelo Académico del Colegio de Bachilleres del

Estado de Sonora propone un aprendizaje activo, mediante la investigación, el

análisis y la discusión, así como el aprovechamiento de materiales de lectura

complementarios; de ahí la importancia de atender las siguientes

recomendaciones:

Maneja el Módulo de Aprendizaje como texto orientador de los contenidos

temáticos a revisar en clase.

Utiliza el Módulo de Aprendizaje como lectura previa a cada sesión de clase.

Al término de cada unidad, resuelve la autoevaluación, consulta la escala de

medición del aprendizaje y realiza las actividades que en ésta se indican.

Realiza los ejercicios de reforzamiento del aprendizaje para estimular y/o

reafirmar los conocimientos sobre los temas ahí tratados.

Utiliza la bibliografía recomendada para apoyar los temas desarrollados en

cada unidad.

Para comprender algunos términos o conceptos nuevos, consulta el glosario

que aparece al final del módulo.

Para el Colegio de Bachilleres es importante tu opinión sobre los módulos de

aprendizaje. Si quieres hacer llegar tus comentarios, utiliza el portal del

Colegio: www.cobachsonora.edu.mx

Recomendaciones para el alumno

8

El presente Módulo de Aprendizaje tiene un enfoque estratégico basado en la

resolución de problemas de carácter formativo, ya que relaciona la teoría con la

práctica y la actividad científico-investigadora. Trata los siguientes temas: Estática,

el cual proporciona los conceptos que serán empleados en los temas

subsecuentes; Cinemática del sólido rígido, en el que se analizan los movimientos

de los cuerpos sin considerar las causas que lo ocasionan; Cinética del sólido

rígido, en el que se analizan problemas en los cuales se consideran las causas

que provocan el movimiento, así como la energía cinética y potencial, el ímpetu y

el momento. Estos temas pretenden que el estudiante acceda a los contenidos

científicos que le posibiliten alcanzar una cultura científica, de tal manera que

valore la relación de la física con el desarrollo científico-tecnológico, en su vida

cotidiana.

Presentación

9

RIEMS

Introducción

El Colegio de Bachilleres del estado de Sonora, en atención a los programas de

estudio emitidos por la Dirección General de Bachillerato (DGB), ha venido

realizando la elaboración del material didáctico de apoyo para nuestros

estudiantes, con el fin de establecer en ellos los contenidos académicos a

desarrollar día a día en aula, así como el enfoque educativo de nuestra Institución.

Es por ello, que actualmente, se cuenta con los módulos y guías de aprendizaje

para todos los semestres, basados en los contenidos establecidos en la Reforma

Curricular 2005. Sin embargo, de acuerdo a la reciente Reforma Integral de

Educación Media Superior, la cual establece un enfoque educativo basado en

competencias, es necesario conocer los fines de esta reforma, la cual se dirige a

la totalidad del sistema educativo, pero orienta sus esfuerzos a los perfiles del

alumno y profesor, siendo entonces el camino a seguir el desarrollo de las

competencias listadas a continuación y aunque éstas deberán promoverse en

todos los semestres, de manera más precisa entrará a partir de Agosto 2009, en

el primer semestre.

Competencias Genéricas

CATEGORIAS COMPETENCIAS GENÉRICAS

I. Se autodetermina

y cuida de sí.

1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos

teniendo en cuenta los objetivos que persigue.

2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación

de sus expresiones en distintos géneros.

3. Elige y practica estilos de vida saludables.

II. Se expresa y

comunica

4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos

contextos mediante la utilización de medios, códigos y

herramientas apropiados.

III. Piensa crítica y

reflexivamente

5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a

partir de métodos establecidos.

6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y

relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera

crítica y reflexiva.

IV. Aprende de

forma autónoma

7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.

V. Trabaja en forma

colaborativa

8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.

VI. Participa con

responsabilidad en

la sociedad

9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su

comunidad, región, México y el mundo.

10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la

diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales.

11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con

acciones responsables.

10

Competencias Disciplinares Básicas

Ciencias experimentales

1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en

contextos históricos y sociales específicos.

2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida

cotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis

necesarias para responderlas.

4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter

científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis

previas y comunica sus conclusiones.

6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales

a partir de evidencias científicas.

7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de

problemas cotidianos.

8. Explica el funcionamiento de maquinas de uso común a partir de nociones científicas.

9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o

demostrar principios científicos.

10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos

observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.

11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las

acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus

procesos vitales y el entorno al que pertenece.

13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los

sistemas vivos.

14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la

realización de actividades de su vida cotidiana.

Competencias docentes:

1. Organiza su formación continua a lo largo de su trayectoria profesional.

2. Domina y estructura los saberes para facilitar experiencias de aprendizaje

significativo.

3. Planifica los procesos de enseñanza y de aprendizaje atendiendo al enfoque

por competencias, y los ubica en contextos disciplinares, curriculares y

sociales amplios.

4. Lleva a la práctica procesos de enseñanza y de aprendizaje de manera

efectiva, creativa e innovadora a su contexto institucional.

5. Evalúa los procesos de enseñanza y de aprendizaje con un enfoque

formativo.

6. Construye ambientes para el aprendizaje autónomo y colaborativo.

7. Contribuye a la generación de un ambiente que facilite el desarrollo sano e

integral de los estudiantes.

8. Participa en los proyectos de mejora continua de su escuela y apoya la

gestión institucional.

UUnniiddaadd 11

EEssttááttiiccaa..

Objetivos:

El alumno:

Demostrará mediante la resolución de

problemas relacionados con la Estática,

que se ha apropiado de los conceptos

fundamentales de Fuerza, Equilibrio,

Centro de gravedad, Momento de una

fuerza, Brazo de palanca y de las

condiciones de equilibrio para sistemas

de fuerzas coplanarias concurrentes y

paralelas, así como su aplicación práctica

en la construcción de máquinas simples y

estructuras arquitectónicas; participando

con una actitud crítica metodológica de

forma individual o por equipos.

Temario:

1.1. Introducción y generalidades

1.2. Vectores.

1.3. Equilibrio del sólido rígido en

dos dimensiones.

1.4. Máquinas simples.

Organizador anticipado:

“Denme un punto de apoyo y moveré al

mundo”.

¿Te has puesto a pensar alguna vez en

qué es “el equilibrio”?

¿En lo hermoso y útil que es?

Temas Selectos de Física I

12

Evaluación Diagnóstica.

Por escrito da respuesta a los siguientes cuestionamientos y entrégalos a tu

profesor.

Te has preguntado alguna vez:

¿Cómo es que un esquiador equilibra su vuelo?

¿Por qué vuelan los aviones?

¿Por qué no se cae la Torre Pisa?

Las fuerzas y principios físicos que intervienen en la caída de un gato.

El equilibrio en el vuelo de un Bumerang.

El equilibrio en el baile.

El equilibrio de una plataforma sostenida por una columna, etcétera.

En general, tus curiosidades e incertidumbres acerca de los anteriores aspectos,

los podrás comprender si estudias los principios de la Física. Al final quedarás

convencido que la Física no es solamente abstracta, sino que es también

práctica y ocurre en la vida diaria.

13

Estática

INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES

De entrada, entenderemos la Estática como parte de la mecánica que estudia las

leyes del equilibrio.

Muchas veces nos confundimos entre lo que es Estática y lo que es Dinámica,

por eso antes de empezar con el estudio del equilibrio de cuerpos es necesario

diferenciar entre dichas ramas de la Mecánica. La Estática estudia el equilibrio de

los cuerpos; es decir, aquellos cuerpos que se encuentran tanto en reposo como

en movimiento con velocidad constante; mientras que la Dinámica estudia el

comportamiento de los cuerpos con movimientos acelerados. En ambos casos

es necesario que dos o más cuerpos interactúen entre sí.

En equipo de máximo cuatro integrantes, resuelve los cuestionamientos que se

te hacen a continuación, comenta tus opiniones con los demás compañeros y

con tu profesor.

1. ¿Qué entiendes por interacción?

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

2. Observa las interacciones de las imágenes e indica, en cada situación:

cuáles son los cuerpos que interactúan y en qué consiste la interacción.

Cuerpos que

interactúan

Interacción entre

ellos

11..11..

EJERCICIO 1


14

En efecto; la fuerza es una magnitud Física que sirve para explicar las

interacciones entre cuerpos, las cuales pueden darse por contacto o a distancia.

De forma individual resuelve el siguiente ejercicio, compara tus resultados con

los de tus compañeros y enseguida preséntalos a tu profesor.

Dentro del paréntesis que aparece a la derecha de cada cuestionamiento que se

te hace escribe una C si el fenómeno físico que se te presenta es producto de la

acción de una fuerza que actúa por contacto, o una D si la fuerza actúa a

distancia.

1.- La caída de un cuerpo. ( )

2.- El encendido de un foco cuando oprimes el interruptor. ( )

3.- La sensación que siente tu mano cuando cierras en refrigerador. ( )

4.- El derrape de un auto con un frenado brusco. ( )

5.- El que una brújula te indique la ubicación del norte y el sur. ( )

6.- El por qué se te erizan los vellos del brazo cuando pasas por la tele. ( )

Los efectos de las interacciones entre los cuerpos son muchos; sin embargo,

nosotros nos vamos a centrar, inicialmente, en la capacidad que tienen las

fuerzas para producir EQUILIBRIO.

Como las fuerzas son magnitudes vectoriales y su medición nos da como

resultado una cantidad también vectorial, es necesario recordar cómo se operan

matemáticamente este tipo de cantidades.

VECTORES

11..22..11.. Diferencia entre magnitudes y cantidades Escalares y Vectoriales

Una magnitud Escalar es el nombre de un concepto fundamental de algunas de las

ciencias exactas o naturales. En el caso específico de la Física son ejemplos de

magnitudes escalares el tiempo, la masa, el volumen, la distancia, la rapidez,

etcétera.

Se le llama Cantidad Escalar o “MÓDULO” al resultado de medir una magnitud

escalar. Dicho resultado estará completo si se le representa a través de un número

acompañado de la unidad que se utilizó para efectuar la medición. Ejemplos:

a) 25 hr.

b) 53 Kg.

c) 18 lt.

d) 122 m.

e) 250 Km/hr

11..22..

Distancia

Rapidez

Equilibrio

EJERCICIO 2

15

Estática

Magnitudes vectoriales. Para la Física son aquellos conceptos que además de

contar con un módulo, al ser medidos nos encontramos que al actuar sobre su

medio lo hacen con cierta dirección y sentido. Las principales magnitudes

vectoriales son el desplazamiento, la velocidad y la fuerza.

Las cantidades vectoriales también son al resultado de la medición de una

magnitud física, pero en este caso para que dicho resultado quede bien definido

además de expresar su módulo hay que indicar la dirección y sentido que tiene la

magnitud física medida.

Ejemplos:

1) EL DESPLAZAMIENTO: Un borrego que camina 18 metros hacia el sur de su

corral.

2) LA VELOCIDAD: Un alumno del COBACH que vive al oeste, y cerca de su

plantel, corre a una velocidad de 3 metros sobre segundo para no llegar tarde a

su primera clase; y es de Educación Física.

3) FUERZA: Para sacar un carro que cayó a una zanja, la grúa que se contrate

para sacarlo debe de jalar de él con una fuerza de 450 Newton hacia el norte.

Si relacionamos y sobreponemos los puntos cardinales con los ejes cartesianos de

la siguiente forma:

Los ejemplos anteriores se pueden expresar simbólicamente como:

1) d =18 m 270°

2) v = 3 m /s 180°

3) f = 450 n 90°

Como recordarás en el curso de Física 1, aprendiste a sumar cantidades

vectoriales gráficamente y analíticamente; a la estática le sirven particularmente

para la solución de algunos problemas los procedimientos empleados para sumar

cantidades vectoriales por el método analítico y específicamente en lo que se

refiere a la acción que un sistema de fuerzas ejerce sobre un cuerpo si queremos

que este se encuentre en equilibrio.

N

E O

S

900

00

1800

2700

900

00

1800

2700

S

N

E O

Tiempo


16

Por lo tanto, deberemos refrescar nuestra memoria, recordando los pasos a seguir

si queremos sumar fuerzas analíticamente.

1.2.2. Suma de vectores por método analítico

Si utilizamos como sistema de referencia los ejes cartesianos, podemos obtener

sobre ellos los componentes ortogonales FX y F

Y de una fuerza como se ilustra en la

figura.

Cuyo módulo se obtiene mediante las funciones seno y coseno del ángulo θ, de la

siguiente forma.

Cos θ= FX

F

FX = F Cos. Θ

Sen θ= FY

F

FY = F Sen. θ

Para sumar las Fuerzas A, B y C tendríamos:

FY

Y

X

FX

F

17

Estática

A continuación se suman por separado los componentes ortogonales en “X” y

“Y” de los vectores. Y

X

RX

Obteniéndose de esta forma dos nuevos vectores perpendiculares entre sí,

llamados vector resultante en “X” Rx

y vector resultante

En “Y” Ry

Con estos vectores se puede formar un triángulo rectángulo.

R es el módulo o valor numérico de la suma de los vectores A, B y C. Su magnitud

se obtiene mediante el teorema de Pitágoras.

Por último se calcula la abertura del ángulo θ con respecto al lado positivo del eje

“x”. Lo anterior se obtiene mediante el inverso de la función tangente; de la

siguiente forma:

Tan θ = entonces , θ = tan-1

RY

RX

Ry

Cy

By

Ay

Cx

Bx

Ax

X

Y

Ry

Rx

R

θ

Rx y R

y son los catetos

del triángulo y R; llamado

vector resultante es la

hipotenusa.

R = Rx

2

+ Ry

2

RY

RX


18

Como la abertura del ángulo θ con respecto al lado positivo del eje “X” nos informa

la dirección y sentido del vector resultante Rx. Hay que tomar en cuenta que se

presentan cuatro casos para determinar el valor real de dicho ángulo θ.

Para facilitar su comprensión se ilustran con figuras cada uno de esto casos. En

dichas figuras los significados de los símbolos “θc” y “θr” serán:

θc = El valor del ángulo obtenido con el uso de la calculadora al sustituir los valores

correspondientes en la formula del inverso de la función tangente.

θr = al valor real del ángulo que indica la dirección y sentido del vector resultante y

el cual es el que debe expresarse al escribir el resultado final.

NOTA: Es muy importante dibujar un croquis como los siguientes al momento de

determinar el valor real del ángulo θr.

Las figuras se obtienen mediante los signos POSITIVO o NEGATIVO de los vectores

resultantes Rx y Ry. Se presentan los siguientes cuatro casos.

Primer caso:

Tanto Rx como Ry son de signo positivo.

Ry

En este caso el ángulo real y

el obtenido con la calculadora

son iguales.

θR

= θC

X 0o

Y 90o

Ry (+)

Rx (+)

θR=θ

C

19

Estática

Segundo caso:

Rx Es de signo negativo y Ry de signo positivo.

360o

270o

Tercer caso:

Tanto Rx como Ry son de signo negativo.

360o

270o

Para obtener el valor real del

ángulo a 180° se le resta el

valor obtenido con la

calculadora.

θr = 180°- θc

El valor real del ángulo se

obtiene sumándole a 180 ° el

valor obtenido con la

calculadora.

θr = 180° + θc

Rx (-)

Ry (+)

X 0o

Y 90o

180o

R

θR

(-)θC

Rx (-)

Ry (+)

X 0o

Y 90o

180o

R

θR

(-)θC


20

Cuarto caso:

Rx es de signo positivo y Ry de signo negativo.

90o

EQUILIBRIO DEL SÓLIDO RÍGIDO EN DOS DIMENSIONES

1.3.1. Definición de conceptos

Idealizaciones: Los modelos o idealizaciones se utilizan en el estudio del equilibrio

con la finalidad de simplificar la aplicación de la teoría, para ello se definirán

algunas de las idealizaciones más importantes.

Partícula: Una partícula posee masa pero de tamaño poco significativo. Por

ejemplo, el tamaño de la Tierra es insignificante comparado con el tamaño de su

órbita, y por lo tanto la Tierra se puede tomar como una partícula cuando se estudia

su movimiento orbital en un modelo. Cuando un cuerpo se idealiza como una

partícula, los principios de la Mecánica se simplifican de manera importante, debido

a que la geometría del cuerpo no se tomará en cuenta en el análisis del problema.

Cuerpo Rígido: Un cuerpo rígido puede ser considerado como un conjunto

formado por un gran número de partículas que permanecen separadas entre sí por

una distancia fija antes y después de aplicar la carga. Como resultado, las

propiedades del material de que está hecho cualquier cuerpo que se suponga

rígido no se tendrá que considerar cuando se analicen las fuerzas que actúan sobre

éste. En la mayoría de los casos, las deformaciones reales que se presentan en

estructuras, máquinas, mecanismos, etcétera, son relativamente pequeñas, y la

suposición de cuerpo rígido es apropiada para efectos de análisis.

11..33..

Para obtener el valor real del

ángulo, a 360° se le resta el

valor que proporciona la

calculadora.

θr =360°- θc

X

180o

Ry (-)

360o

0o

Rx (+)

θR

(-)θC

270o

Y

R

TAREA 1

Página 45.

21

Estática

Fuerza Concentrada: Una fuerza concentrada representa el efecto de una carga la

cual se supone que actúa en algún punto de un cuerpo. Podemos representar este

efecto por medio de una fuerza concentrada, siempre y cuando el área sobre la

cual se aplica la carga sea relativamente pequeña comparada con el tamaño del

cuerpo.

Masa punto. Al punto de concurrencia del sistema de fuerzas no paralelas se le da

el nombre de masa punto. Debido a que teóricamente se considera que todo el

peso del cuerpo sobre el que actúa el sistema se concentra en dicho punto.

Peso uniforme. Se dice que un cuerpo es de peso uniforme cuando cada unidad

de su volumen tiene el mismo peso. En este caso se considera teóricamente que

todo el peso del cuerpo se encuentra concentrado en el centro geométrico del

mismo.

Inercia. Es la propiedad de los cuerpos de no modificar su estado de reposo o

movimiento si no es por la acción de una fuerza no equilibrada.

Equilibrio. Se dice que un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando se encuentra

en estado de reposo o con movimiento rectilíneo uniforme. Para lo cual es

indispensable que la suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre él sea

igual a cero. En este caso se dice que la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es

una fuerza equilibrada. Un cuerpo en equilibrio estático, si no está sujeto a la acción

de una fuerza no equilibrada, no tendrá aceleración de traslación o de rotación,

porque la suma de todas las fuerzas o la suma de todos los momentos que actúan

sobre él son cero.

Sin embargo, si el cuerpo se desplaza ligeramente, son posibles tres resultados:

1) El objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en

equilibrio estable.

2) El objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en

equilibrio inestable.

3) O bien, el objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice

que está en equilibrio neutro o indiferente

1.3.2. Condiciones Generales de Equilibrio

La suma algebraica de las componentes rectangulares ∑FX y ∑F

Y de todas las

fuerzas que actúen sobre un cuerpo debe ser igual a cero.

La suma algebraica de los momentos ∑ M de todas las fuerzas coplanarias que

se ejercen sobre un cuerpo debe de ser igual a cero en cualquier punto del

plano.

Existen tres clases de sistemas de fuerzas que actúan en el mismo plano. En

equipos de tres, deduce cómo se aplican estas condiciones generales de

equilibrio en cada caso.

Fuerzas Colineales.

Fuerzas Coplanarias Concurrentes.

Fuerzas Coplanarias, No Concurrentes y Paralelas

EJERCICIO 3


22

1.3.3. Fuerzas Coplanarias no paralelas

Cuando un sistema de fuerza no paralelas actúan sobre un cuerpo en el mismo

plano, éstas concurren en un punto, por lo que también se les llama fuerzas

coplanarias concurrentes.

Otras herramientas matemáticas indispensables pera el estudio del equilibrio de

sistemas de fuerzas coplanarias concurrentes son: Las funciones trigonométricas

seno, coseno y tangente, el teorema de Pitágoras, las leyes de los senos y de los

cósenos y la semejanza de triángulos.

La solución de problemas donde intervengan tres fuerzas concurrentes se puede

efectuar de dos formas, las cuales se ilustran con el siguiente ejemplo.

Un cuerpo que tiene un peso W=100N se mantiene en equilibrio suspendido por

dos cuerdas como se muestra en la figura. Una de las cuerdas tira del cuerpo en

forma horizontal; la otra, amarrada de un gancho anclado en un techo, formando un

ángulo de 30° con la vertical. Calcular las fuerzas de tensión T1 y T

2 que

experimentan las cuerdas.

Solución por el método de las componentes.

Para la solución de problemas por este método es indispensable tomar en cuenta

lo que se le conoce como:

Primera condición de equilibrio.

La suma algebraica de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo debe ser

igual a cero. Es decir:

∑ F = 0

Esto equivale a decir que la suma algebraica de las componentes de la fuerza que

actúan sobre un cuerpo en cualquier dirección, debe cumplir con:

a) La suma algebraica de las componentes horizontales es cero; esto es:

∑ Fx = 0

b) La suma algebraica de las componentes verticales también es cero.

∑ Fy = 0

Las componentes horizontales de las fuerzas que se dirijan hacia la derecha serán

positivas y hacia la izquierda negativas.

Las componentes verticales de las fuerzas que se dirijan hacia arriba serán

positivas, y hacia abajo, negativas.

Para la resolución del presente tendremos:

Sean T1 y T

2 las fuerzas de tención buscadas y w = 100 N el peso.

W=100 N

T2Y

T2X

0

T2

T1

30o

TAREA 2

Página 47.

23

Estática

El punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas:


1) Las fuerzas que actúan horizontalmente (ver figura) son T1 y T

2X. Entonces:

∑ Fx = 0

T2x

– T1 = 0 ó sea T

2x = T

1

2) Las fuerzas que actúan verticalmente (ver figura) son W y T2y. Entonces:

∑ Fy = 0

T2y

– w = 0 ó sea T2y

= w = 100 N por lo tanto tenemos que:

T1 = T

2x = T

2y tan 30

0

= 100 N (0.577) = 57.5 N y

T2y

= T2 Cos. 30

0

Despejando y sustituyendo obtenemos:

T2 =T

2 y / Cos. 30

0

. = 100 N/ 0.866 = 115 N

Solución por el método del triángulo vectorial.

En la figura el punto “O” se encuentra en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas

w, T1 y T

2, por lo tanto, se puede dibujar un triángulo rectángulo cuyos catetos son

T1 y T

2. Siendo w la hipotenusa del mismo.

De esta forma los valores de T1 y T

2 se obtienen como sigue:

T1 = w tan 30

0

= 100 N ( 0.577 ) = 57.7 N. y

T2 = w / Cos. 30

0

= 100 N / 0.866 = 115 N

Te habrás dado cuenta que este método es mucho más sencillo, pero debes tener

presente que sólo se puede utilizar en los casos en que con el sistema de fuerzas

se pueda construir un triángulo.

30o

w

T1

T2


24

En equipo de máximo tres miembros, o de forma individual, resuelve el siguiente

problema y preséntale a tu profesor la solución encontrada.

1. La figura representa la forma en que se saca un automóvil de una zanja.El

extremo A de la cuerda AOB se amarra al tronco de un árbol y el B al carro.

En el punto medio O de la cuerda, con un tractor, se ejerce una fuerza F =

100 N perpendicular a la distancia AB. Calcular la tensión T en la cuerda.

Sabiendo que el ángulo AOB mide 1700

.

1.3.4. Fuerzas coplanarias paralelas.

Si sobre un cuerpo rígido actúan dos o más fuerzas cuyas líneas de acción sean

paralelas, la Fuerza resultante FR tendrá un valor igual a la suma algebraica de

ellas con su línea de acción también paralela a las de las fuerzas. El punto de

aplicación de FR debe ser determinado con exactitud para que produzca el

mismo efecto que las fuerzas originales. En este caso el punto de aplicación y la

magnitud o módulo de la fuerza resultante FR y de la fuerza equilibrante F

E son

los mismos pero tienen sentidos contrarios. Por lo que:

FR = F

E y entonces F

R – F

E = 0 y habrá Equilibrio.

Las fuerzas paralelas tienden a producir un movimiento de rotación o giro

alrededor de un eje del cuerpo rígido sobre el cual actúan.

Un Par. Las fuerzas paralelas son aquellas que actúan sobre un cuerpo rígido

con sus líneas de acción en forma paralela, como se ve en las figuras siguientes.

F1 =30 N

F2 =30 N

P1 =10 Kg P2 =10 Kg

EJERCICIO 4

F=100N

B

T2

170o

T1

A

TAREA 3

Página 49.

25

Estática

Cuando dos fuerzas paralelas que actúan sobre un cuerpo; son de la misma

magnitud, de sentido contrario y no son colineales, se produce el llamado par de

fuerzas en el que la resultante del sistema es igual a cero y su punto de

aplicación está en el centro de la línea que une a los puntos de aplicación de las

fuerzas componentes. No obstante que su resultante es cero, un par de fuerzas

produce siempre un movimiento de rotación, tal como sucede con el volante de

un automóvil, o como en las figuras anteriores.

Momento de una fuerza.

El momento de una fuerza M se define como la medida de la efectividad de una

fuerza para producir el giro o rotación de un cuerpo alrededor de un eje. Su

magnitud es el producto del módulo de la fuerza F por la distancia d que hay del

eje de rotación, de forma perpendicular a la línea de acción de la fuerza. A dicha

distancia se le da el nombre de brazo de palanca Bp.

M = F Bp

En la figura, d1 y d

2 son los brazos de palanca de las fuerzas F

1 y F

2

respectivamente.

El momento de una fuerza se considera positivo (+) cuando el giro que produce

tiene sentido contrario al del movimiento de las manecillas de un reloj y negativo

(-) si tiene el mismo sentido.

o F o F

Los momentos para las fuerzas F y P con respecto al eje de rotación de la figura

de abajo son:

MF = (-) F d y M

P = (+) P x

Momento negativo Momento positivo


26

De forma individual deduce las unidades utilizadas para medir el momento de

una fuerza en los sistemas Internacional, C.G.S. e Inglés. Comenta con tus

compañeros tus conclusiones y reporta al profesor tu resultado final.

Equilibrio de una barra o viga

Vigas

Se les da el nombre genérico de vigas a los elementos estructurales que se

utilizan para soportar cargas y fuerzas en dirección perpendicular a su eje

longitudinal. Siempre la longitud de una viga es mucho mayor que las

dimensiones de su sección transversal. En la figura se representan las vigas de

uso más común.

Viga en Cantilever

Viga en Voladizo

Viga Simplemente Apoyada

Supongamos que la viga analizada en un ejemplo anterior es de peso

despreciable y que está sujeta a una bisagra por su extremo O, el cual es el eje

de rotación. Si colocamos un peso P a una distancia x del eje y en el otro

extremo se ejerce la fuerza F. Para que esta se encuentre en equilibrio, debe de

cumplirse que:

EJERCICIO 5

27

Estática

Primera condición de equilibrio. La suma algebraica de todas las fuerzas que

intervienen, incluida la fuerza equilibrante FE,

debe ser igual a cero.

∑F = 0 Esto es: F – P + FE = 0

Segunda condición de equilibrio. La suma algebraica de los momentos de

dichas fuerzas también debe ser cero.

∑M = 0 Esto es: - MF + M

P + M

E = 0

Ahora consideremos el caso en el que la fuerza F utilizada para soportar el peso

P no tenga la misma dirección de éste y que su brazo de palanca sea y, como

se ilustra en la siguiente figura.

Entonces las condiciones de equilibrio se expresarían de la siguiente forma:


∑ F = 0 O sea: F Cos. θ + FR

= 0

Segunda condición de equilibrio.

∑ M = 0 O sea: - F Cos θ y + P x + FE Bp = 0

MÁQUINAS SIMPLES

1.4.1. Definición de conceptos.

Máquina: Es una máquina simple, el trabajo de entrada se realiza mediante la

aplicación de una sola fuerza, y la máquina realiza el trabajo de salida a través de

otra fuerza única. Durante una operación de este tipo (Fig. 12-1), ocurren tres

procesos:

1. Se suministra trabajo a la maquina.

2. El trabajo se realiza contra la fricción.

3. La maquina realiza trabajo útil o de salida.

De acuerdo con el principio de la conservación de la energía, estos procesos se

relacionan en la siguiente forma:

11..44..

TAREA 4

Página 51.


28

Trabajo de entrada = trabajo contra la fricción + trabajo de salida

Figura 12-1. Durante el funcionamiento de una máquina ocurren tres procesos: (1)

la entrada de cierta cantidad de trabajo, (2) la pérdida de energía al realizar trabajo

contra la fricción, (3) la salida de trabajo útil.

La cantidad de trabajo útil producido por una máquina nunca puede ser mayor que

el trabajo que se le ha suministrado. Siempre habrá alguna pérdida debido a la

fricción o la acción de otras fuerzas disipativas. Por ejemplo, cuando se introduce

aire en un neumático de bicicleta por medio de una pequeña bomba manual, se

ejerce una fuerza descendente sobre el émbolo, forzando el aire hacia el

neumático. Parte de este trabajo de entrada se pierde a causa de la fricción y esto

puede verificarse fácilmente sintiendo como se calienta el cilindro de la bomba

manual. Cuanto mas se reduzca la perdida por fricción en una maquina, tanto mas

provecho se obtendrá del esfuerzo realizado. Dicho de otro modo, la eficiencia de

una maquina se puede medir comparando su trabajo de salida con el trabajo que

se le suministro.

La eficiencia E de una maquina se define como la relación del trabajo de salida

entre el trabajo de entrada.

La eficiencia, tal como se define en la ecuación (12-1), siempre será un número

entre 0 y 1. Por costumbre se expresa este número decimal como un porcentaje

que se obtienen multiplicando por 100 la cantidad obtenida. Por ejemplo, una

29

Estática

maquina que realiza un trabajo de 40 j cuando se le suministran 80 j, tiene una

eficiencia del 50 por ciento.

Otra expresión útil para la eficiencia puede obtenerse a partir de la definición de

potencia como trabajo por unidad de tiempo. Podemos escribir:

La eficiencia en términos de potencia de entrada Pi y potencia de salida P

o esta

dada por

O bien

Ejemplo:

Un motor de 60 hp enrolla un cable alrededor de un tambor. (a) si el cable eleva

una carga de 3 ton. De ladrillos hasta una altura de 12 ft en 3 s, calcule la eficiencia

del motor. (b) ¿A que velocidad se realízale trabajo contra la fricción?

Solución (a):

Primero calculamos la potencia de salida.

Ahora se encuentra la eficiencia a partir de la ecuación (12-2):


30

Solución (b):

La velocidad de la cual se realiza el trabajo contra la fricción es la diferencia entre la

potencia de entrada y la potencia de salida, o sea 16.4 hp.

Ventaja mecánica

Las maquinas simples como la palanca, el polipasto, el malacate, los engranes, el

plano inclinado, y el gato de tornillo desempeñan un papel importante en la

industria moderna.

Podemos ilustrar la operación de cualquiera de estas maquinas con la siguiente

figura.

Durante el funcionamiento de cualquier maquina simple, una fuerza de entrada Fi

actúa a través de una distancia si mientras que una fuerza de salida F0 actúa a

través de una distancia s0

Una fuerza de entrada FI actúa a través de una distancia s

i, realizando un trabajo

Fis

i. Al mismo tiempo una fuerza de salida F

0 actúa a lo largo de una distancia s

0,

realizando el trabajo útil F0s

0.

La ventaja mecánica real MA de una maquina se define como relación de la fuerza

de salida F0 entre la fuerza de entrada F

i.

31

Estática

Una ventaja mecánica real mayor que uno indica que la fuerza de salida en mayor

que la fuerza de entrada. Aun cuando las mayorías de las maquinas tienen valores

MA mayores que uno, esto no siempre es así. Cuando se manejas objetos

pequeños y frágiles a veces es deseables lograr que la fuerza de salida se a mas

pequeña que la fuerza de entrada.

La eficiencia de una maquina aumenta en la medida en que los efectos de la

fricción se vuelven mas pequeños. Aplicando el principio de la conservación de la

energía a la maquina simple anterior nos queda:

La maquina más eficiente que pudiera existir no tendría perdidas debido a la

fricción. Podemos representar este caso ideal estableciendo (trabajo) F = 0 en la

ecuación anterior. Por lo tanto:

Podemos representar este caso ideal estableciendo MI. Por lo tanto:

La ventaja mecánica ideal de una maquina simple es igual a la relación de la

distancia que ocurre la fuerza de entrada entre la distancia que recorre la fuerza de

salida.

La eficiencia de una maquina simple es la relación del trabajo de salida entre el

trabajo de entrada. Por consiguiente, para la maquina general de la siguiente figura:

Por último, utilizando las ecuaciones:

Y

Obtenemos:


32

Todos los conceptos anteriores se han enfocado para aplicarlos a una maquina en

general. En las siguientes secciones, los aplicaremos a maquinas especificas.

1.4.2. Máquinas simples tradicionales

La palanca

Tal vez la maquina más antigua y la más comúnmente usada es la palanca simple.

Una palanca consiste en cualquier barra rígida apoyada en uno de sus puntos al

que se le llama fulcro. En la siguiente figura se ejemplifica el uso de una barra larga

para levantar el peso W. Podemos calcular la ventaja mecánica ideal de ese tipo de

dispositivos en dos formas. El primer método incluye el principio del equilibrio, y el

segundo utiliza el principió del trabajo, tal como se analizo en la sección previa.

Puesto que el método del equilibrio es más fácil para el caso de la palanca, lo

aplicaremos primero.

Debido a que no se incluye ningún trabajo traslacional durante la aplicación de una

palanca, la condición de equilibrio es que el momento de torsión de entrada es

igual al momento de torsión de salida:

La ventaja mecánica ideal se puede determinar a partir de

La relación F0/F

i se considera el caso ideal porque no se considera ninguna fuerza

de fricción.

Se obtiene el mismo resultado a partir de consideraciones sobre el trabajo. Observe

en la siguiente figura que la fuerza Fi se desplaza a través de un arco cuya distancia

es si mientras que la fuerza F0 se mueve a través del arco cuya distancia es S

0. Sin

embargo, los dos arcos son subtendidos por el mismo ángulo 0, por lo que

podemos escribir la siguiente proporción.

Al sustituirla en la ecuación, se puede verificar el resultado obtenido partiendo de

las consideraciones sobre el equilibrio, es decir, Mi = r

i/r

0

La palanca

El plano inclinado

La polea

33

Estática

Ejemplo:

Una barra de hierro de 3 m de largo se usa para levantar un bloque de 60 kg.la

barra se utiliza como palanca, tal como muestra la figura anterior. El fulcro está

colocado a 80 cm del bloque. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal del sistema, y que

fuerza de entrada se requiere?

Solución:

La distancia r0= 0.8m, y la distancia r

i=3m – 0.8m=2.2m.por la ventaja mecánica

ideal es

La fuerza de salida en este caso es igual al peso del bloque de 60 kg (W=mg).por

consiguiente, la fuerza de entrada requerida está dada por:

Antes de dar por terminado el tema de la palanca, donde hacerse la observación

de que cierta cantidad muy pequeña de trabajo de entrada se pierde debido a las

fuerzas de fricción. Para propósitos prácticos, la ventaja mecánica real para una

palanca simple es igual a la ventaja mecánica ideal. Otros ejemplos de la palanca

se ilustran en la figura siguiente.


34

Aplicaciones del principio de la palanca

Una limitación seria de la palanca elemental es que funciona a través de un ángulo

pequeño. Hay muchas formas c1e contrarrestar esta restricción permitiendo que el

brazo de palanca gire continuamente. Por ejemplo, la rueda y eje (o cabria), (figura

l2-5) permite la acción continua de la fuerza de entrada.

Aplicando el razonamiento descrito en la sección 12-2 para una máquina en

general, se puede demostrar que

Por lo tanto, la ventaja mecánica ideal de una cabria es el cociente del radio de la

rueda entre el radio del eje.

Otra aplicación del concepto de palanca se tiene mediante el uso de poleas. Una

polea simple, como se muestra en la figura 12-6, es tan sólo una palanca cuyo

brazo de palanca de entrada es igual a su brazo de palanca de salida. A partir del

principio de equilibrio, la fuerza de entrada igualará la fuerza de salida, y la ventaja

mecánica ideal será

La única ventaja de este tipo de dispositivo es que ofrece la posibilidad de cambiar

dirección de la fuerza de entrada.

Por otra parte, una polea móvil simple (fig. 12-7), tiene una ventaja mecánica ideal

ce 2. Observe que las dos cuerdas de soporte deben reducirse en 1 ft para elevar la

carga una distancia de 1 ft. Por lo tanto, la fuerza de entrada se mueve una

distancia de 2 ft mientras que la fuerza de salida se mueve tan sólo una distancia

de 1 ft. Al aplicar el principio del trabajo, tenemos:

De donde la ventaja mecánica ideal es:

35

Estática

Figura 12-7

Una polea simple móvil. (a) La fuerza de entrada se mueve sobre una distancia

igual al doble de la distancia que recorre la fuerza de salida. (b) El diagrama de

cuerpo libre nos muestra que 2F¡ = F

0

El mismo resultado se obtiene construyendo un diagrama de cuerpo libre, como en

la figura 12-7b. En esta figura es evidente que:

O bien:

El último método se aplica generalmente a problemas que incluyen poleas móviles,

ya que esto permite asociar a MI con el número de cordones soportan la polea

móvil.

Figuro 12-6 Una polea simple fija sirve

únicamente para cambiar de dirección

la fuerza de entrada.

Figuro 12-5

La rueda y eje (cabria)


36

Ejemplo 12-3:

Calcule la ventaja mecánica ideal del polipasto que aparece en la figura 12-8.

Solución :

Primero construimos un diagrama de cuerpo libre como se muestra en la figura.

12-8b. En la figura observamos que:

De donde:

Observe que la polea más alta sirve únicamente para cambiar la dirección de la

fuerza de entrada. La misma MI resultaría si se aplicara hacia arriba F

¡ en el punto a.

El polipasto. Este dispositivo tiene una ventaja mecánica ideal de 4, ya que cuatro

cables o “cordeles" soportan el bloque móvil.

El plano inclinado

Las máquinas que hemos estudiado hasta ahora se relacionan con la aplicación del

principio de la palanca. Una segunda máquina fundamental es el plano inclinado.

Suponga que tiene que mover una pesada carga desde el piso hasta la plataforma

de un camión sin ayuda de una grúa. Probablemente usted seleccionaría unas

cuantas tablas largas y formaría una rampa desde el piso hasta la plataforma del

camión. La experiencia le ha enseñado que se requiere menos esfuerzo si se

empuja la carga hacia arriba por una pequeña elevación, que si se sube dicha

carga directamente. Debido a que con una fuerza de entrada menor se produjo la

misma fuerza de salida, se ha obtenido una ventaja mecánica. Sin embargo, la

fuerza de entrada menor se ha logrado a expensas de recorrer una mayor distancia.

Considere el movimiento de un peso Whacia arriba del plano inclinado de la figura

12-12. El ángulo de inclinación () es tal, que el peso debe moverse a lo largo de una

distancia s para llegar a la altura h en el punto más alto del plano inclinado. Si des

preciamos la fricción, el trabajo necesario para empujar el peso hacia arriba del

plano es el mismo que el trabajo requerido para levantado verticalmente.

37

Estática

Podemos expresar esta igualdad como:

Trabajo de entrada = trabajo de salida

Fis = Wh

Fig. 12-11

Cuatro tipos comunes de engranes: (a) helicoidal, (b) planetario, (c) cónico, (d) sin

fin. (El engrane recto es el que se usa con más frecuencia y se muestra en la figura

12-10.)

Fig. 2-12 El plano inclinado.

La fuerza de entrada representa el esfuerzo que se requiere para el bloque hacia

arriba, deslizándose por el plano; la fuerza de salida es igual al peso del bloque.

Donde F¡ es la fuerza de entrada y W es la fuerza de salida. La ventaja mecánica

ideal será la relación del peso entre la fuerza de entrada. Enunciando esto

simbólicamente, tenemos:


38

Ejemplo 12-5:

La caja de madera de 200 lb, que muestra la figura 12-13, debe ser levantada a

una plataforma de carga de 6 ft de altura. Se utiliza una rampa de 12 ft de largo

para deslizar la caja desde el piso hasta la plataforma. Suponga que el coeficiente

de fricción es 0.3. (a) ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de usar la rampa?

(b) ¿Cuál es la ventaja mecánica real?

Figura 12-13

Solución (a):

La ventaja mecánica ideal, partiendo de la ecuación (12-14), es:

Este valor representa la ventaja mecánica de la rampa si no hubiera fricción.

Solución (b):

La ventaja mecánica real es el cociente del peso que se levanta entre la fuerza de

entrada requerida, tomando en cuenta la fricción. Aplicando la primera condición

para el 'equilibrio al diagrama del cuerpo libre (figura 12-13b), encontramos que la

fuerza normal N está dada por:

Por lo que la fuerza de fricción debe ser:

Sumando las fuerzas a lo largo del plano obtenemos:

Pero Wx = (200 lb)(sen 30°) = 100 lb, por lo tanto nos queda:

39

Estática

Ahora podemos calcular la ventaja mecánica real:

Queda como ejercicio para usted demostrar que la eficiencia de la rampa es de 66

por ciento.

La rueda

La rueda es un disco con un orificio central por el que penetra un eje que le guía en

el movimiento y le sirve de sustento.

La parte operativa de la rueda es la periferia del disco, que se recubre con

materiales o terminaciones de diversos tipos con el fin de adaptarla a la utilidad

correspondiente. Algunas de las ruedas más empleadas son la que se ilustran en la

figura de la izquierda.

Composición de la rueda

La rueda es un operador dependiente. Nunca puede usarse sola y siempre ha de ir

acompañada de un eje que le guía y sirve de sustento y de un soporte o armadura

que es el operador que controla la posición del eje y sirve de sostén a todo el

conjunto.

El eje es una barra, normalmente cilíndrica,

que guía el movimiento giratorio de la

rueda.

El soporte es un operador cuya misión es

mantener al eje solidario con la máquina.

En muchas aplicaciones suele tener forma

de horquilla (patinetes, bicicletas, carros,

etcétera).

Aun cuando todas las aplicaciones que el hombre le ha encontrado a la rueda para

facilitar su trabajo son de suma importancia, en este curso le prestaremos atención

sólo a cuando se le utiliza como POLEA.

La polea. La polea simple (llamada también garrucha) consiste simplemente en una

rueda fija (Fig. 19.2) por la que pasa una cuera, de uno de cuyos extremos cuelga

un peso, el cual se puede hacer subir [alarido con la mano del otro extremo.

TAREA 5

Página 53.

TAREA 6

Página 55.


40

La distancia da que recorre la mano al bajar es la misma que la d

o que recorre el

peso al subir, de modo que, según (19.4):

Y, por lo tanto, según (19.3) la fuerza obtenida:

Será igual a la fuerza invertida.

Fig. 19.2 La polea fija sólo invierte el sentido de la fuerza.

En la polea fija no se obtiene, pues, más beneficio que la inversión del movimiento,

ya que es más cómodo jalar de arriba hacia abajo que de abajo hacia arriba.

Otra cosa diferente ocurre en cambio en la llamada polea móvil (Fig. 19.3) en la

cual una cuerda que está sujeta por un extremo a un soporte fijo puede hacer subir

a una polea de la cual cuelga el cuerpo que se quiere manejar. El otro extremo de la

cuerda se suele hacer pasar por una polea fija con el fin de realizar el es fuerzo más

cómodamente.

Observando la figura da que recorre la mano al bajar vemos que la distancia se

tiene que repartir por igual entre las dos porciones de la cuerda que hacen subir la

polea, por lo tanto:

De donde:

41

Estática

Y con esta polea se podrá hacer subir con la mitad del esfuerzo que se haría polea

fija.

En la práctica, para aumentar más la ventaja mecánica de la polea, se suelen

emplear grupos de éstas, llamadas en general aparejos, de los cuales vamos a

presentar aquí el cuadernal y la trocla.

El cuadernal, motón, pasteca o polipasto consiste en un sistema de poleas tal

como se indica, por ejemplo, en la Fíg, 19. 4

Fig. 19.3 La polea móvil duplica el esfuerzo.

En ella se ve que la distancia da recorrida por la mano al jalar la cuerda de la

izquierda se reparte por igual entre las tres partes de la cuerda que jalan el peso de

la derecha. Tendremos entonces que:

Y, por lo tanto:

Y este mecanismo triplicará el esfuerzo que sobre el se hace.

Si en general llamamos n al número de partes de la que jalan del cuerpo que se

hace subir por medio de un polipasto, la ventaja mecánica de este será:

Y el esfuerzo se reducirá tanto más cuanto más poleas tenga el polipasto.


42

Las troclas, en cambio, están dispuestas como se indica en la Fig. 19.5, en la cual

se ve que la distancia jalada da se reparte por igual entre las dos partes de la

cuerda que hacen subir a la polea móvil A con lo cual ésta subirá la mitad de

aquella distancia. A su vez, lo que sube la polea A se reparte por igual entre las dos

ramas de la cuerda que hacen subir a la segunda polea B y ésta subirá la mitad de

la polea A. Finalmente, por la misma razón, la polea e subirá la mitad de lo que ha

subido la B y, por lo tanto, el cuerpo sube una distancia do tal que:

y, por lo tanto, la ventaja mecánica será:

Fig. 19.4 Un cuadernal que triplica el esfuerzo hecho.

43

Estática

Fig. 19.5 Un sistema de troclas.

En general, si un sistema de troclas está compuesto por n poleas móviles. Su

ventaja mecánica será:

Con lo que se ve que este aparato aumenta enormemente el esfuerzo empleado.

De acuerdo a las instrucciones que te dé tu profesor, resuelve de manera individual

o por equipos el siguiente problema y compara tus resultados con los de tus

compañeros.

F es la fuerza necesaria con la que hay que jalar a la cuerda de un polipasto

compuesto por dos poleas móviles y dos fijas para levantar un peso de 120 N.

Calcular la fuerza con que se debe tirar de la cuerda para elevar al peso

representado en la siguiente figura.

EJERCICIO 7

TAREA 7

Página 57.


44

¡Ojo! Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer los

temas vistos en clase.

45

Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes problemas y entrégalos a tu profesor.

1. Dos, vectores A y B forman entre si un ángulo de 45°. El módulo de A vale 3 N. Calcular cuál debe ser el

módulo de B para que A - B sea perpendicular a A.

2. Sobre la cubierta de un barco, y en dirección normal al movimiento del barco, se mueve un pasajero con

velocidad de 3 m/s. Calcular la velocidad total del pasajero si la del barco es de 6 m/s.

Nombre ____________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________

Núm. de Expediente _____________________ Fecha _____________________

TAREA 1


46

3. Un pasajero recorre un tren con movimiento uniforme de velocidad V = 1,2 m/s en la dirección de

movimiento del tren. El tren recorre un tramo rectilíneo con velocidad de 6 m/s. Calcular:

a) La velocidad total del pasajero.

b) Dicha velocidad si el pasajero se moviera en sentido contrario al movimiento del tren.

c) Suma los siguientes vectores por el método analítico.

A = 75 N 1300

.

B = 69 N 380

.

C = 270 N 2860

.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

47

Estática

INSTRUCCIONES: De manera individual da respuesta a los planteamientos que se te hacen a continuación y

entrégalos a tu profesor

1. Ilustra con imágenes y comentarios, dando dos ejemplos en cada caso, los sistemas de Fuerzas:

a) Colineales.

b) Coplanarias concurrentes.

c) Coplanarias paralelas.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

d) Explica brevemente en qué consisten:

e) as funciones seno, coseno y tangente

f) El teorema de Pitágoras.

g) La Ley de los senos.

h) La Ley de los cósenos.

i) La semejanza de triángulos.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

Nombre ____________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ____________


TAREA 2


48

j) Investiga y explica en qué consisten, el equilibrio:

k) Estable.

l) Inestable.

m) Neutro.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

49

Estática

INSTRUCCIONES: De manera individual resuelve los siguientes problemas y entrégalos a tu profesor.

1. De dos ganchos empotrados en un techo horizontal se amarran los extremos de una cuerda de 11 m de

longitud. Los ganchos se encuentran separados por una distancia de 9 m. A los 4 m del extremo izquierdo

de la cuerda se cuelga un peso de w = 100 N. Calcular las fuerzas de tensión T1 y T

2 en los extremos de la

cuerda.

2. Una estructura metálica construida en forma de triángulo isósceles, esta formada por la barras AC y BC, el

tirante AB las mantiene en la posición indicada en la figura. El ángulo formado por las barras es de 700

. Los

pies de las barras descansan sobre dos soportes en un plano horizontal. En el punto de unión de las barras

C se cuelga un peso de w = 120 N. Calcular la fuerza de tensión T a que está sometido el tirante y las de

compresión P1 y P

2 que soportan las barras.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 3

7 4

0

α

9

θ α

w=100N

120 N

C

B A

α


50

3. Se suspende un peso w = 600 N del poste BC representada en la figura utilizando para ello la barra OA de 4

m de longitud, articulada en el punto A y sostenida por la cuerda OB amarrada al poste en el punto B situado

a 3m por arriba del punto A. Calcular la fuerza de tensión T en la cuerda y la de compresión P en la barra.

4. Con los datos de la figura determina el peso del cuerpo suspendido si la tensión de la cuerda diagonal es de

20 N.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

C

A

B

O

w= 600N

3 m

4 m

θ

51

Estática

INSTRUCCIONES: Da respuesta a los cuestionamientos que se te hacen, resuelve los problemas que se te

plantean y entrega por escrito el resultado de tu trabajo al profesor.

1. Acompañado de dibujos propios, imágenes o fotografías, por lo menos con tres ejemplos para cada caso,

explica qué son y qué utilidad tienen las vigas:

a) En Cantilever.

b) En voladizo.

c) Simplemente apoyada.

2. Determina la intensidad de la fuerza F4 según los datos de la figura.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 4


52

3. Con los datos de la figura, determina a qué distancia del fulcro debe colocarse la fuerza F2.

4. La barra AB tiene un peso uniforme de 50 N y una longitud de 10 m. El bloque D pesa 30 N y dista 8 m de A.

La distancia entre los puntos de apoyo de la barra es de AC = 7 m .Calcule la reacción en el extremo A.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

53

Estática

INSTRUCCIONES: Da respuesta a los planteamientos que se hacen y resuelve los problemas. Entrega los

resultados a tu profesor.

1. Da por lo menos cuatro ejemplos de cómo utilizamos en la vida diaria la Ley de la Palanca explicado la

ventaja de su uso.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

2. Describe las características y principales usos que se le dan a:

a) La rueda dentada.

b) La rueda de transporte.

c) La rueda de palas.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

3. En la figura está representada una barra rígida apoyada en P. En el extremo está colgado un cuerpo de

1[Kg] de masa. ¿Cuál debe ser la masa X del otro cuerpo, que está colgado en el otro extremo, para que el

sistema quede en equilibrio en la posición indicada en la figura? (Consideren despreciables la masa de la

barra y los rozamientos y adopte g = 10[m/s2

] )

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 5


54

4. Una barra homogénea AB tiene 10[m] de longitud y 200 N de peso .A 2m del extremo A se coloca un cuerpo

Q de 100N. Suspendida por el punto O, la barra queda en equilibrio en la posición horizontal. La distancia en

metros del punto O al extremo A de la barra vale:

5. En un taller mecánico, se levanta el motor de un automóvil, cuyo peso es de 350 N, por medio de un aparejo

diferencial. Si los radios de las poleas son R = 15 cm y r = 12 cm respectivamente, ¿cuál es la magnitud de

la fuerza que equilibra ese peso?

6. El sistema de la figura está en equilibrio y los pesos de la barra y de las poleas pueden ser ignorados .La

razón entre las masas M/m es :

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

55

Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes problemas y entrégale a tu profesor los resultados

de la manera que él te indique.

1. Se levanta un cuerpo de 200 N mediante un plano inclinado de 2,8 m de largo y 1,5 m de altura. El extremo

de la cuerda que sube el cuerpo, se adapta a un torno, cuya manivela es de 0,8 m y el radio del torno es de

0,2 m. Calcular la potencia aplicada al torno, para mantener el sistema en equilibrio.

2. En un taller mecánico, se levanta el motor de un automóvil, cuyo peso es de 350 N, por medio de un aparejo

diferencial. Si los radios de las poleas son R = 15 cm y r = 12 cm, ¿cuál es la fuerza que equilibra ese peso?

3. Los radios de un aparejo diferencial son R = 20 cm y r = 15 cm. Si se aplica una fuerza de 80 N, Calcular el

peso del cuerpo que la equilibra.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 6


56

4. En un aparejo potencial de 4 poleas móviles, se aplica una fuerza de 30 N para mantener el sistema en

equilibrio, se desea saber cuál es el valor de la resistencia.

5. Un cuerpo es sostenido mediante un aparejo potencial de 5 poleas. Si la potencia aplicada es de 60 N, ¿cuál

es el peso del cuerpo?

6. Mediante un torno cuyo radio es de 12 cm y su manivela es de 60 cm, se levanta un balde que pesa 3.5 N,

cargado con 12 litros de agua. Calcular la fuerza de potencia aplicada.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

57

Estática

INSTRUCCIONES: El mapa conceptual que se te presenta a continuación fue elaborado por un alumno de

Secundaria y es muy hermoso; sin embargo, tiene algunos errores. DESCÚBRELOS. En hojas blancas tamaño

carta, has tu propio mapa mejorando el que se presenta y entrégalo a tu profesor.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 7


58

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

59

Estática

INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de la

opción que consideres correcta.

1. Es la fuerza que experimentamos durante toda nuestra vida y en todo momento.

Masa.

Trabajo.

Peso.

Presión.

2. ¿En cuál de las siguientes propuestas existe alguna magnitud que no es vectorial?

Área de una superficie, Campo eléctrico.

Momento de inercia, Campo magnético

Momento angular, Fuerza

Momento de una fuerza, Campo gravitatorio.

3. Dos bloques en posición vertical están unidos por una cuerda. Otra cuerda es amarrada al bloque superior.

La fuerza F necesaria para mantener el sistema en equilibrio vale.

8 Kgf.

12 Kgf.

6Kgf.

2Kgf.

4. Elige la respuesta que indique correctamente las componentes y el módulo de la fuerza representada en el

siguiente diagrama:

Componentes 3,4; módulo 5N.

Componentes 3,-4; módulo 5N.

Componentes -4,3; módulo 5N.

Componentes -4,3; módulo 25 N.

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno ___________

Núm. de Expediente ___________________ Fecha ____________________

AUTOEVALUACIÓN

A

B

C

D


60

5. Tres de los siguientes diagramas representan dos fuerzas actuando sobre un objeto. Los otros tres

representan sus correspondientes fuerzas resultantes. La relación por parejas correcta es:

1-4, 3-5, 2-6.

1-3, 4-5, 6-2.

6-1, 2-3, 4-5.

1-2, 3-4- 5-6.

6. Para la fuerza F de la figura se cumple que el módulo de su momento es:

F d.

Fy d.

Fx d.

Cero.

7. Para la siguiente figura podemos afirmar que:

El momento de las dos fuerzas con respecto al punto O es el mismo.

El módulo del momento de la fuerza F2 con respecto al punto O es F2

El módulo del momento de la fuerza F2 con respecto al punto O es igual al módulo del momento de la

fuerza F1 con respecto al punto O e igual a F1 d Cos. a = F2 d Cos. b.

El módulo del momento de las dos fuerzas con respecto al punto O es el mismo por tener el mismo

punto.

8. Si fueras un náufrago en una isla solitaria y necesitaras derribar un árbol ¿Qué máquina simple utilizarías?

Una rueda.

Una biela.

Una cuña.

Una motosierra.

9. La fuerza que es necesario aplicar a una polea fija, para levantar un peso de 80 N, es de:

160 N.

30 N.

20 N.

80 N.

1 2 3 4 5 6

61

Estática

10. La potencia que se necesita aplicar para equilibrar una resistencia de 90 N, mediante una polea móvil, es

de:

45 N.

90 N.

30 N.

180 N.

11. Un señor emplea una caña de pescar de 2 m de longitud. Si la pieza lograda tiene un peso de 50 N. La

fuerza que tiene que aplicar para mantener en equilibrio al pescado, tomando en cuenta que el pescador

toma la caña a 1.20 m del apoyo, es de:

83.33 N.

125 N.

50.5 N.

No es posible mantener el equilibrio.

12. El valor de la potencia aplicada a una palanca, cuyos brazos de potencia y resistencia, son

respectivamente, 120 m y 30 cm, siendo la resistencia de 80 N, es de:

120 N.

40 N.

20 N.

30 N.

13. En una palanca interfija, una fuerza de potencia de 2 N equilibra una resistencia de 50 N. Si el brazo de la

potencia mide 2.5 m; la longitud del brazo de la resistencia es:

1 m.

5 m.

0.1m.

125 m.

14. Un cuerpo de 200 N se levanta mediante un aparejo potencial de 3 poleas móviles. El valor de la fuerza de

potencia es:

100 N.

25 N.

66.66 N.

50 N.

15. En el esqueleto humano aparecen multitud de palancas ¿de qué grado son?

Primer grado.

Segundo grado.

Tercer grado.

Cuarto grado.


62

16. De los siguientes inventos humanos ¿cuál puede ser considerado como "máquina"?

Puente

Sacacorchos

Silla

Árbol

17. Los tres bloques esquematizados en la figura tienen el mismo peso y están inicialmente en reposo unidos

por cuerdas ligeras e inelásticas. El bloque 2 se halla sobre una superficie horizontal sin rozamiento. Al

dejar el sistema en libertad:

Este permanece como está.

El bloque 1 desciende.

El bloque 3 desciende.

Lo que suceda depende de la longitud de las cuerdas.

63

Estática

INSTRUCCIONES: De forma individual resuelve los siguientes cuestionamientos y problemas. Entrégalos a tu

profesor para su revisión.

I. Preguntas de razonamiento.

1. ¿Puede estar un cuerpo en equilibrio cuando sobre él actúa una fuerza?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

2. Un globo se mantiene en el aire sin ascender ni descender. ¿Está en equilibrio? ¿qué fuerzas actúan sobre

él?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

3. Si se tira de los extremos de una cuerda en equilibrio con dos fuerzas iguales y de dirección opuesta, ¿por

qué la tensión total en la cuerda es cero?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

4. Un caballo está enganchado a un carro. Como el carro tira del caballo hacia atrás con la misma fuerza que

éste tira del carro, ¿por qué no permanece el carro en equilibrio, independientemente de lo que jale el

caballo?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

5. ¿Cómo se puede empujar hacia abajo el pedal de una bicicleta y lograr que la bicicleta se mueva hacia

adelante?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

EJERCICIO DE

REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno ___________



64

6. Para empujar una caja hacia arriba por una rampa, ¿es mejor empujarla horizontal o paralelamente a la

rampa?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

7. ¿De qué depende el coeficiente de rozamiento entre dos superficies?

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

8. ¿Puede el coeficiente de rozamiento ser mayor que la unidad? En caso afirmativo dé un ejemplo; de lo

contrario, explica por qué no puede serlo.

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________

II. PROBLEMAS.

1. Un peso de 5 N cuelga de una cuerda de 1 m de longitud que se encuentra sujeta al techo. Calcular la

fuerza horizontal que se debe aplicar al peso para que éste se desvíe 30 cm de la vertical y se mantenga en

esa posición.

2. Un peso w = 5 N se encuentra suspendida como se muestra en la figura. Si el sistema está en equilibrio,

Calcular los valores para las tensiones T1 y T

2 de las cuerdas. = 40º.

65

Estática

3. Determinar las tensiones T1 y T

2 de las cuerdas del sistema

mostrado en la figura si el peso suspendido es w = 5.5 N. El

sistema está en equilibrio.

4. En la figura se representa a La Tierra apoyada sobre la palanca AB; en el punto A. Suponiendo que el punto

de apoyo O fuera la luna. Y si hipotéticamente Arquímedes aplicara una fuerza de potencia de 2 x 1096

N en

el punto B de la palanca, calcular cuanto tendría que medir el brazo de la potencia OB para poder mover a la

tierra.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

A

Fuerza aplicada por

Arquímedes.

B

O

Tierra


66

21. Investiga los nombres de las partes de la locomotora que están señalados con números en la figura y

escríbelos sobre la línea correspondiente.

1.__________________

2.__________________

3.__________________

4.__________________

5.__________________

6.__________________

7.__________________

8.__________________

22. En la siguiente figura se representa un mecanismo construido para soportar un peso de 900 N. Con los

datos que ésta te presenta, calcula la magnitud de la fuerza de tención T en el cable CB y la de la fuerza de

compresión P en la barra AB.

23. El sistema de la figura está en equilibrio y los pesos de la barra y de las poleas pueden ser ignorados.

Calcular la razón entre las masas M/m.

900 N

UUnniiddaadd 22

CCiinneemmááttiiccaa ddeell

CCuueerrppoo RRííggiiddoo..

Objetivos:

El alumno:

Resolverá problemas prácticos

relacionados con la cinemática del

sólido rígido, aplicando los conceptos

sobre movimiento de traslación y

rotación en dos dimensiones, mediante

ejercicios de notación científica y

actividades experimentales, con una

actitud crítica y responsable.

Temario:

2.1. Traslación y rotación pura.

2.2. Traslación y rotación uniforme y

uniformemente acelerado.


La Luna es el cuerpo celeste (astro) más cercano a la Tierra. Gira

alrededor de ella a una velocidad de 3664 km/hr. Tarda 27 días con

7.716 horas en dar una vuelta alrededor de la Tierra (traslación) y es

exactamente el mismo tiempo que tarda en girar sobre su propio eje

(rotación).

Temas Selectos de Fìsica I

68

Evaluación Diagnóstica:

Anotar en el siguiente espacio lo que se entiende por cuerpo rígido, traslación y

rotación de un cuerpo.

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

_____________________________________________________________________

TTRRAASSLLAACCIIÓÓNN YY RROOTTAACCIIÓÓNN PPUURRAA..

No hay cuerpo que sea completamente rígido, pero podemos considerar como

ejemplo las moléculas, las viguetas de acero y los planetas, como lo

suficientemente rígidos para pensar que se tuercen, se doblan o vibran. Un

cuerpo rígido se mueve en una traslación pura, si cada partícula del cuerpo

experimenta el mismo desplazamiento que todas las demás partículas en un

intervalo de tiempo dado.

Algunos consideramos que los cuerpos tienen únicamente un movimiento

traslacional, pero hay casos como las ruedas, ejes, poleas, giroscopio y muchos

otros dispositivos mecánicos, que giran sobre su eje sin que haya movimiento

traslacional.

El movimiento de la rueda es un ejemplo de rotación pura de un cuerpo rígido,

que se define así:

Un cuerpo rígido se mueve en rotación pura si todos sus puntos (como en la

siguiente figura) lo hacen en una trayectoria circular. El centro de estos círculos

ha de estar en una línea recta común denominada eje de rotación.

En este tema abordaremos el movimiento rotacional puro. Nos ocuparemos sólo

de objetos rígidos en los cuales no se observa movimiento relativo de las partes

a medida que el objeto gira; se excluye, por ejemplo, un líquido dentro de un

contenedor que gira.

22..11..

Fig. 2.1

Bicicleta estacionaria

donde la rueda gira sobre

el eje (rotación).

69

Cinemática del Cuerpo Rígido

2.1.1. Posición angular.

Si hemos acordado llamar movimiento al cambio de la posición con el

tiempo, será necesario establecer un criterio para determinar qué

posición ocupa un cuerpo en un instante.

En el instante t el móvil se encuentra en el punto P. Su posición

angular viene dada por el ángulo θ, que hace el punto P, el centro de

la circunferencia C y el origen de ángulo O. En el instante t´ el móvil se

encontrará en la posición P´ dada por el ángulo θ´. El móvil se habrá

desplazado Δθ = θ´- θ en el intervalo de tiempo Δt = t´- t

comprendido entre t y t´.

2.1.2. Desplazamiento angular.

El desplazamiento angular de un cuerpo describe la cantidad de rotación. Si un

punto en el disco giratorio de la figura anterior gira sobre su eje de O a P, el

desplazamiento angular se denota por el ángulo θ.

1 rev = 3600

Ninguna de estas unidades es útil para describir la rotación de los cuerpos

rígidos. Una medida mas fácil de aplicar al desplazamiento angular es el radián

(rad). Un ángulo de 1 rad es un ángulo central cuyo arco s es igual a la longitud

del radio R. Es más común que el radián se defina por la siguiente ecuación:

R

s ecuación 2.1

Donde s es el arco de un círculo descrito por el ángulo θ. Puesto que el cociente

s entre R es la razón de dos distancias, el radián es una cantidad sin unidades.

El factor de conversión que permite relacionar radianes con grados se encuentra

considerando un arco de longitud s igual a la circunferencia de un círculo 2πR.

Dicho ángulo en radianes se obtiene de la ecuación.

22

R

Rrad

Para saber más y enriquecer

el tema, visita el sitio

http://lefmvespertino.usach.cl

/flash/radianes_ene2006.swf

y encontrarás una

explicación sobre la

definición de radián

http://lefmvespertino.usach.cl/flash/radianes_ene2006.swf

http://lefmvespertino.usach.cl/flash/radianes_ene2006.swf


70

Así tenemos,

1 rev = 3600

= 2π rad

de donde observamos que

3.572

3601rad

Ejemplo 2.11

Si la longitud del arco s es de 2 m y el radio es de 3 m, calcular el

desplazamiento θ en radianes, grados y revoluciones.

Solución

1.- Datos 2.- Fórmula 3.- Sustituyendo

s = 2 m

R

s 66.0

3

2

m

mrad

θ = 3 m

4.- Convirtiendo a grados nos queda:

8.371

3.57)66.0(

radrad

5.- Como 1 rev = 3600

10505.0360

1)8.37(

revrad

Ejemplo 2.12

Un punto situado en el borde de un disco giratorio cuyo radio es de 6 m se

mueve a través de un ángulo de 400

. Calcular la longitud del arco descrito por el

punto.

Solución:

Como el ángulo debe estar en radianes, primero debemos convertir los 400

en

radianes

698.03.57

1)40(

radrad

La longitud del arco está dada por

radradmRs 19.4)698.0(6

Fig. 2.4 Ana Gabriela

Guevara, como cualquier

atleta, debe tomar la salida

en la prueba corta de 400 m

por su propio carril, las

corredoras salen desde

posiciones escalonadas. La

ecuación 2.1 nos dice que

los corredores más alejados

del centro tendrían que

recorrer una distancia mayor

en las curvas de la pista que

los carriles interiores.

71


La unidad radián desaparece porque representa una relación de longitud a

longitud (m/m = 1).

1.- Convertir:

a) 65 rev a radianes

b) 50π rad a revoluciones

c) 900 rps a rad/seg

2.- Un punto localizado en el borde de una rueda cuyo radio es de 0.5 m se

mueve en un ángulo de 370

. Calcular la longitud del arco descrito por ese punto.

2.1.3. Velocidad angular

A la razón de cambio del desplazamiento angular con respecto al tiempo se le

llama velocidad angular. Por lo tanto, si un objeto gira a través de un ángulo θ en

un tiempo t, su velocidad angular media está dada por:

t ecuación 2.2

El símbolo ω, (letra griega omega), se usa para denotar la velocidad rotacional.

Aun cuando la velocidad angular puede expresarse en revoluciones por minuto o

revoluciones por segundo, en la mayoría de los problemas físicos en necesario

utilizar radianes por segundo para adaptarse a fórmulas más convenientes.

Puesto que la velocidad de rotación en gran número de problemas técnicos se

expresa en términos de frecuencia de revoluciones, la siguiente relación será de

utilidad:

f2 ecuación 2.3

Donde ω se mide en radianes por segundo y f se mide en revoluciones por

segundo o ciclos por segundos.

Ejemplo 2.13

La rueda de una bicicleta tiene un diámetro de 66 cm y da 40 revoluciones en 1

min.

a) ¿cuál es su velocidad?

b) ¿qué distancia lineal se desplazará?

Solución:

a) Como 1 rev = 2π radianes, entonces

segrevseg

revf /667.0

60

min1

min

40

sustituyendo la frecuencia en la fórmula de la velocidad angular

ω = 2πf = (2π rad)(0.667 rev/seg) = 4.188 rad/seg

b) El desplazamiento lineal s se puede calcular a partir del desplazamiento

angular θ en radianes.

radrevrev

rad3.25140

1

2

EJERCICIO 1


72

de la ecuación R

s

despejamos s, quedando:

mmradRs 93.82)33)(3.251(

Es importante observar que la velocidad angular representa una velocidad

media.

Resuelve los siguientes problemas individualmente y comenta los resultados con

el grupo.

1.- Un motor eléctrico gira a 900 rpm. ¿Cuál es su velocidad angular? y ¿cuál es

el desplazamiento angular después de 6 s?

2.- Encontrar la velocidad angular de un disco de 45 rpm, así como su

desplazamiento angular, si su movimiento duró 2.5 minutos.

2.1.4. Aceleración angular

El movimiento rotacional puede ser uniforme o acelerado. La rapidez de la

rotación puede aumentar o disminuir bajo la influencia de un momento de torsión

resultante. Por ejemplo, si la velocidad angular cambia constantemente de un

valor inicial 0 a un valor final f en un tiempo t, la aceleración angular es

constante y:

t

f 0

La letra griega (alfa) denota la aceleración angular y las unidades típicas son

rad/seg2

, rev/min2

, etcétera.

Las ecuaciones empleadas para el movimiento circular acelerado son las

mismas que se utilizan para el rectilíneo uniformemente acelerado con las

siguientes variantes:

1.- En lugar de desplazamiento en metros hablaremos de desplazamiento

angular en radianes (θ en lugar de d).

2.- La velocidad en m/seg se dará como velocidad angular en rad/seg (ω en

lugar de v).

3.- La aceleración en m/seg2

se cambiará a aceleración angular en rad/seg2

(α

en lugar de a).

EJERCICIO 2

TAREA 1

Página 81.

73


Tabla 2.1. Comparación de la aceleración lineal y la aceleración angular.

Aceleración lineal constante Aceleración angular constante

tvv

d o

2 to

2

atvv o to

2

21 attvd o

2

21 atto

advv o 222 222

o

tvd prom tprom

Ejemplo 2.14

Una rueda que gira a 4 rev/seg aumenta su frecuencia a 20 rev/seg en 2

segundos. Determinar el valor de su aceleración angular.

Datos Fórmulas

fo = 4 rev/seg fo 2

f = 20 rev/seg f2

t = 2 seg

t

o

α = ¿?

Sustitución y resultado

ωo = 2π(4) = 25.12 rad/seg

ω = 2π(20) = 125.6 rad/seg

2/24.502

/12.25/6.125segrad

seg

segradsegrad

Ejemplo 2.15

Una rueda de la fortuna gira inicialmente con una velocidad angular de 2

rad/seg, si recibe una aceleración angular de 1.5 rad/seg2

durante 5 segundos,

calcular:

a) Su velocidad angular a los 5 seg.

b) Su desplazamiento angular.

c) El número de revoluciones al término de los 5 seg.

Solución a)

Datos: Fórmula:

ωo = 2 rad/seg to

α = 1.5 rad/seg2

Sustitución:

t = 5 seg ω = 2 rad/seg + (1.5rad/seg2

)(5seg)

ω= 9.5 rad/seg

Solución b)

El desplazamiento angular está dado por:

2

2

1tto

Sustitución:

22 )5)(/5.1(2

1)5)(/2( segsegradsegsegrad

Fig. 2.5 Rueda de la

fortuna


74

rad

segsegradrad

75.28

)25(/75.010 22

Solución c)

Puesto que 1 rev = 2π rad, obtenemos

rev

rad

revrad

5757.4

2

1)75.28(


el grupo.

1.- Un engrane adquirió una velocidad angular de 2512 rad/s en 1.5 s. ¿Cuál fue

su aceleración angular?

2.- Un carrete circular de 50 cm de radio gira a 450 rev/min. Luego se detiene

por completo después de 60 revoluciones. Calcular:

a) La aceleración angular.

b) El tiempo en detenerse.

TTRRAASSLLAACCIIÓÓNN YY RROOTTAACCIIÓÓNN

UUNNIIFFOORRMMEE YY UUNNIIFFOORRMMEEMMEENNTTEE

AACCEELLEERRAADDAASS..

Con frecuencia se encuentran dos casos especiales de rotación:

1.- Rotación uniforme. Este caso se caracteriza por el hecho de que la

aceleración angular es cero (α = 0). La velocidad angular es por lo tanto

constante y la coordenada angular está dada por la fórmula

t .

2.- Rotación uniformemente acelerada. En este caso la aceleración angular es

constante. Las fórmulas que se utilizan para este tipo me movimiento se

mostraron en el tema anterior (tabla 2.1), haciendo hincapié que se utilizan estas

fórmulas cuando α = constante.

En el caso de la traslación, se presenta la traslación rectilínea y traslación

curvilínea, en los dos puede suceder que sea uniforme su velocidad (a = 0, α =

0), entonces v = d/t, o bien ω = θ/t respectivamente; sí el movimiento

uniformemente acelerado, en este ultimo se utilizará, las fórmulas del cuadro 2.1

de aceleración lineal constante.

Relación entre los movimientos rotacional y lineal

Cuando más lejos se encuentre una partícula del eje de rotación, mayor es su

velocidad lineal según la siguiente fórmula.

fRv 2

22..22..

EJERCICIO 3

TAREA 2

Página 83.

75


donde f es la frecuencia de rotación y R el radio de curvatura. Como s=θR

entonces

t

R

t

sv

Puesto que θ/t = ω, la velocidad lineal se puede expresar como una función de

la velocidad angular.

Rv

La aceleración tangencial en términos de de un cambio en la velocidad angular

quedaría:

Rtt

RRa oo

T

RaT

representa la aceleración angular.

No hay que confundir la aceleración tangencial (cambio de velocidad lineal) con

la aceleración centrípeta (cambio en la dirección del movimiento)

R

vac

2

Ejemplo 2.16

Una rueda de 80 cm de radio gira sobre un eje estacionario. Si la velocidad

aumenta uniformemente desde el reposo hasta alcanzar 1900 rpm en un tiempo

de 30 s, calcular:

a) La aceleración angular de la rueda.

b) La aceleración tangencial de la rueda

Datos: Fórmula

st

mcmR

rpm

o

30

8.080

0

1900

Ra

t

o

a)

207.130

32

30

0

60

1920

srevs

revs

rev

s

rev

a

b)

22237.58.072.68.0

1

207.1

smm

s

radm

rev

rad

s

revRa

recordemos que α debe estar en rad

Para saber más y

enriquecer el tema, visita el

sitio

http://newton.cnice.mec.es/

4eso/mcu/mcu421.htm

http://newton.cnice.mec.es/4eso/mcu/mcu421.htm

http://newton.cnice.mec.es/4eso/mcu/mcu421.htm


76

Traslación uniforme.

Para abordar este tema es necesario definir algunos conceptos como:

Trayectoria: Es la línea formada por las sucesivas posiciones por las que pasa el

móvil.

Distancia: Es la longitud de la trayectoria y se trata d una magnitud escalar.

Desplazamiento: Es una magnitud vectorial cuyo módulo es la línea recta entre la

posición final y la inicial. El vector que representa al desplazamiento tiene su

origen en la posición inicial y su extremo en la posición final.

En el lenguaje ordinario los términos distancia y desplazamiento se utilizan como

sinónimos aunque en realidad tienen un significado diferentes. Lo mismo ocurre

con las definiciones de rapidez y velocidad en la cual se suele confundir con

frecuencia ya que rapidez es una magnitud escalar que relaciona la distancia

recorrida con el tiempo ( tdr / ) y la velocidad es una magnitud vectorial que

relaciona un cambio de posición (desplazamiento) con el tiempo (

t

dv ).

Para una traslación rectilínea uniforme, tenemos el siguiente ejemplo:

Ejemplo 2.17

Determinar el desplazamiento en m que realizará un ciclista al viajar hacia el sur

a una velocidad de 35 km/hr durante 1.5 minutos.

Datos Fórmula

v = 35 km/hr al sur tvdt

dv

t = 1.5 min

d = ¿? m

Conversión de unidades

seg

m

seg

hrx

km

mx

hr

km7.9

3600

1

1

100035

segseg

x 90min1

60min5.1

Sustitución y resultado

msegxseg

md 873907.9 al Sur


el grupo.

1.- Determinar el desplazamiento en metros de un automóvil que va a una

velocidad de 80 km/hr al Este, durante 3.5 min.

2.- Calcular el tiempo en segundos que tardará un tren en desplazarse 3 km en

línea recta hacia el Norte con una velocidad de 90 km/hr.

EJERCICIO 4

77


Traslación rectilíneo uniformemente acelerado

Como la aceleración es un cambio de velocidad en un intervalo de tiempo

(

t

vva o

), entonces podemos utilizar las fórmulas de la tabla 2.1 para realizar

los siguientes ejercicios:

Ejemplo 2.18

Un camión de carga viaja con una velocidad de 70 km/h, aplica bruscamente los

frenos y se detiene en 15 segundos pues se le atravesó una vaca a 150 m.

Calcular:

a) La aceleración.

b) La distancia total recorrida desde que aplicó los frenos para detenerse.

c) ¿Atropelló a la vaca?

Datos

a)

Vo = 70 km/h = sm

s

h

km

m

h

km/44.19

3600

1

1

100070

t = 15 s

v = 0

Fórmula Sustitución Resultado

t

vva o

s

sma

15

/44.190 a = -1.29 m/s

b)

Fórmula Sustitución Resultado

tvv

d o

2 s

smd 15

2

/44.190 d = 145.8 m

c) No, pero que susto se llevó.

Sí se trata de un proyectil que se lanza verticalmente o se deja caer su

aceleración será la gravedad que es de 9.8 m/s2

y su desplazamiento será

vertical (altura = h).

Ejemplo 2.19

Una piedra se deja caer desde la azotea de un edificio y tarda en llegar al suelo

4 segundos. Calcular:

a) La altura del edificio.

b) La velocidad con que choca con el suelo.

a)

Datos Fórmula

v = 0

2

2gttvh o Como v

o = 0; la ecuación queda:

t = 4 s

g = - 9.8 m/s2

2

2gth

Fig. 2.6 Camión de carga


78

h = ?

Sustitución

mmssmssm

h 4.782

8.156

2

)16(/8.9

2

)4(/8.9 2222

El signo menos de la altura es porque se mide desde la azotea hasta el suelo.


el grupo.

1.- Un camión de pasajeros arranca desde el reposo manteniendo una

aceleración constante de 0.6 m/s2

. Calcular:

a) El tiempo recorrido en 0.3 Km.

b) La rapidez en ese tiempo.

2.- Un niño deja caer una pelota desde una ventana que está a 60 m de altura

sobre el suelo. Calcular:

a) El tiempo que tarda en caer

b) La velocidad con que chocará con el suelo.

En el caso de movimientos de proyectiles cuya trayectoria es parabólica como

por ejemplo el movimiento de la pelota cuando Lorena Ochoa la golpea

lanzándola al aire, cuando Guillermo Ochoa despeja el balón de fútbol desde la

portería, cuando se lanza un proyectil de un avión, etcétera, la velocidad se

tendrá que descomponer y tratarse horizontal y verticalmente con:

cos0 ox vv velocidad horizontal

senvv ooy velocidad vertical

donde α es el ángulo que forma la vo con la horizontal.

Ejemplo 2.21:

Un jugador de fútbol golpea un balón con un ángulo de 37o

con respecto a la

horizontal, comunicándole una velocidad inicial de 20 m/s. Calcular:

a) El tiempo que dura la pelota en el aire.

b) La altura máxima alcanzada.

c) El alcance horizontal.

a)

Datos Fórmulas Sustitución

vo = 20m/s cosoox vv smsmvox /9.1537cos/20

α = 370

senvv oox smsensmvoy /1237)/20(

g

vvt o

2/8.9

/12/12

sm

smsmt

ssm

smt 45.2

/8.9

/242

EJERCICIO 5

Fig. 2.6 Lorena Ochoa

al golpear la pelota,

ésta sale disparada con

una trayectoria

parabólica

Fig. 2.7 Guillermo

Ochoa al despejar la

pelota, el balón sigue

una trayectoria

parabólica

79


¡Ojo! Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer

los temas vistos en

clase.

b)

g

vvh o

2

22

2

22

2

2

/6.19

/144

)/8.9(2

)/12(0

sm

sm

sm

smh

h = 7.34 m

c)

tvS xx mssmS x 95.38)45.2)(/9.15(


el grupo.

1.- Una pelota es lanzada horizontalmente desde una ventana con una velocidad

inicial de 10 m/s y cae al suelo después de 4 segundos. Calcular:

a) La altura en que se encuentra la ventana

b) La distancia horizontal desde la base del edificio

2.- Un proyectil es lanzado con una velocidad inicial de 400 m/s y un ángulo de

elevación de 300

. Calcular:

a) El tiempo que dura en el aire.

b) La altura máxima alcanzada por el proyectil.

c) El alcance máximo.

EJERCICIO 6

TAREA 3

Página 85.


80

81


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor

1.- Encontrar la velocidad angular y lineal de un cuerpo que tiene un radio de giro de 0.2m y un periodo de

0.5 s.

2.- Un móvil con trayectoria circular recorrió 820o

¿Cuántos radianes fueron?

3.- Determinar el valor de la velocidad angular y la frecuencia de una piedra atada a un hilo si gira con un

periodo de 0.5 s.

4.- Hallar la velocidad angular y el periodo de una rueda que gira con una frecuencia de 500 rpm.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 1


82

5.- Un motor eléctrico gira a 900 rpm. Calcular: a) La velocidad angular, b) El desplazamiento angular

después de 5 s y c) Si en el eje del motor se encuentra una polea de 7 cm de radio, ¿cuál es la velocidad

lineal en la periferia de la polea?

6.- Cuál es la rapidez angular de: a) En el segundero, b) En el minutero y c) El horario de un reloj.

7.- Un clavadista efectúa dos vueltas y media de la plataforma de 10 m al agua de la alberca. Suponiendo

que la velocidad inicial sea cero, calcular la velocidad angular promedio de su clavado.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

83


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor.

1.- Una cuerda gira inicialmente a 6 rev/s y después se somete a una aceleración angular constante de 4

rad/s2

.

a) ¿Cuál es su velocidad angular después de 5 s?

b) ¿Cuántas revoluciones completará la rueda?

2.- Un mezclador eléctrico incrementó su velocidad angular de 20 rad/s a 120 rad/s en 0.5 s. Calcular el

valor de su:

a) Aceleración media

b) Desplazamiento angular en ese tiempo

3.- Una rueda que gira a 4 rev/s aumenta su frecuencia a 20 rev/s en 2 s. Determinar el valor de su

aceleración angular.

4.- Una banda gira con una velocidad angular inicial cuyo valor es de 15 rad/s y recibe una aceleración

angular de 5 rad/s2

durante 12 s. Calcular:

a) La velocidad angular en 12 segundos.

b) Su desplazamiento angular.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2


84

5.- Una rueda gira a razón de 1200 r.p.m. y mediante la acción de un freno se logra detenerla después de

dar 50 vueltas. Deducir la aceleración angular de frenado y el tiempo empleado en el fenómeno.

6.- Un volante necesita 3 segundos para conseguir un giro de 234 radianes. Si su velocidad angular al cabo

de ese tiempo es de 108 rad/s, ¿cuál fue su aceleración angular, supuesta constante? ¿Y su velocidad

angular inicial?

7.- Un volante gira a razón de 60 rpm y al cabo de 5 segundos posee una velocidad angular de 37,7 rad/s.

¿Cuántas vueltas dio en ese tiempo?

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

85


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas y entrega la tarea a tu profesor

1.- ¿Cuál es el valor de la aceleración lineal de una partícula cuya aceleración angular es de 3 rad/s2

y su

radio de giro es de 20 cm?

2.- Un automóvil adquiere una velocidad de 6 Km/h al norte en 6 s. ¿Cuál es su aceleración en m/s2

?

3.- Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad de 30 m/s. Calcular:

a) La máxima altura.

b) La velocidad a los 2 s.

c) El tiempo cuando alcance 40 m de altura.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 3


86

4.- Un avión vuela horizontalmente con una velocidad de 800 km/h y deja caer un proyectil desde una altura

de 600 m respecto al suelo. Calcular:

a) El tiempo que tarda en caer.

b) La distancia horizontal del proyectil después de iniciar su caída.

5.- Un jugador batea una pelota con una velocidad inicial de 25 m/s y con un ángulo de 40o

sobre la

horizontal. Calcular:

a) La altura máxima alcanzada por la pelota.

b) El alcance horizontal de la pelota.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

87




1. La Tierra da una revolución completa sobre su eje en 24 h. Si el radio medio de la Tierra es de 6373 km, la

velocidad lineal de un punto sobre la superficie de la Tierra es:

265.54 m/s

266.37 m/s

463.45 m/s

4425.6 m/s

2. Se caracteriza por el hecho de que la aceleración angular es cero:

Rotación Uniforme

Rotación Uniformemente acelerado

Traslación Uniforme

Traslación Uniformemente acelerado

3. Una llanta lleva una velocidad angular de 3 rad/seg y se detiene 10 seg después. Su aceleración angular es:

-300 rad/seg2

-3.3 rad/seg2

-0.3 rad/seg2

+0.3 rad/seg2

4. Un cuerpo que parte del reposo comienza a girar con aceleración uniforme dando 3600 revoluciones durante

dos minutos. ¿La aceleración angular es?

0.3 rad/seg2

1 rad/seg2

rad/seg2

2 rad/seg2

5. Un ventilador gira a 1200 rpm. La rapidez angular en un punto del aspa del ventilador es:

7539.8 rad/seg

125.6 rad/seg

40 rad/seg

20 rad/seg

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________


AUTOEVALUACIÓN


88

6. Un disco de acetato con 30 cm de radio da 400 rev en 8 seg. Su aceleración centrípeta en el extremo es:

50 rev/seg

2

29578.8 m/seg2

94.2 m/seg2

1500 m/seg2

7. Una rueda de 80 cm de radio gira sobre un eje estacionario. Si parte del reposo hasta 1800 rpm en un

tiempo de 30 seg su aceleración tangencial es:

1 rev/seg2

1 m/seg2

5.024 m/seg2

5.024 rev/seg2

8. La celeración normal de un punto de la periferia de un volante de 1.5 m de radio es constante e igual a 15

m/seg2

. Su velocidad lineal es:

150 rad/seg

75 rad/seg

3.16 rad/seg

4.74 rad/seg

9. Las revoluciones que dará una rueda que parte del reposo hasta alcanzar su velocidad de 2000 rpm en 20

seg es:

2030 rev

333 rev

33.3 rev

3.33 rev

10. Un automóvil parte del reposo y alcanza 95 km/h en 28 seg. Su desplazamiento durante ese tiempo fue de:

369.4 m

738.8 m

9576 m

2660 m

11. Un globo se está elevando con una velocidad de 2 m/s cuando se le cae una pelota. Si su altura en ese

instante es de 100 m. El tiempo en llegar al suelo es:

4.73 seg

9.46 seg

20.4 seg

30.4 seg

89


12. Un balón sale con una velocidad de 20 m/seg y una dirección de 300

con la horizontal. Su alcance es de:

17.32 m

8.49 m

25.34 m

35.34 m

13. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?

Para mover un cuerpo hay que aplicarle una fuerza

Si un cuerpo se mueve en línea recta, no hay fuerzas actuando sobre él

Si un cuerpo se mueve en línea recta con velocidad constante, no interactúa ningún otro

Cualquier cuerpo en trayectoria curvilínea está sujeto a una fuerza neta

14. Un disco que gira a = constante, con una frecuencia de 6 Hz. ¿Cuántas revoluciones realiza y que

longitud de arco recorre un punto localizado a 10 cm del centro en 10 segundos?

15 rev y 37.7 m

60 rev y 37.7 m

37.7 rev y 15 m

37.7 rev y 60 m


90

91


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas, compáralos con tus compañeros y entrégaselos a tu

profesor.

1. Convertir:

a) 60 revoluciones en radianes

b) 20 radianes en revoluciones

c) 1520 rpm a rad/seg

d) 4 rad/seg en rpm.

2. Una rueda de 90 cm de radio gira a 500 rpm. Calcular:

a) La velocidad angular en un punto cualquiera de la misma

b) La velocidad lineal de un punto situado en su periferia.

3. Una rueda que gira a razón de 120 rpm incrementa uniformemente su velocidad hasta 660 rpm en 6

segundos. Calcular:

a) La aceleración angular en rev/seg2

y en rad/seg2

b) La aceleración lineal en un punto situado a 90 cm del eje

c) Su desplazamiento angular durante ese tiempo

EJERCICIO DE

REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________




92

4. Una pelota de masa m está amarrada a un extremo de un cordel de 30 cm de longitud, y el otro extremo se

encuentra sujeto a un punto fijo P. La pelota se mueve en un círculo horizontal como se muestra en la

figura. Encontrar la rapidez de la pelota en su trayectoria circular si el cordel forma un ángulo de 30o

con la

vertical.

5. Una manguera de bomberos descarga agua con una velocidad de 25 m/seg. Sabiendo que la boquilla

se localiza a 30 m de un edificio, determínese:

a) La altura a la que puede llegar el agua

b) El ángulo correspondiente

6. Una partícula de polvo cae de un ascensor que se está elevando a una velocidad de 2.5 m/seg. Si la

partícula llega al piso en 2 seg. ¿A qué altura del piso estaba el ascensor cuando la partícula empezó a

caer?

Figura del problema 4

UUnniiddaadd 33

CCiinnééttiiccaa ddeell

CCuueerrppoo RRííggiiddoo

Objetivos:

El alumno:

Resolverá ejercicios y problemas

relacionados con las leyes de Newton y

los movimientos de traslación y rotación

pura, mediante la aplicación experimental

de los conceptos de las leyes de Newton.

Temario:

3.1 Aplicación de las Leyes de Newton,

movimiento de traslación.

3.2 Fricción.

3.3 Energía cinética de rotación.

3.4 Ímpetu e impulso angular.


A menor velocidad de rotación, mayor inercia. Si

hay mayor velocidad de rotación hay menor

inercia.


94

LLEEYYEESS DDEE NNEEWWTTOONN OO LLEEYYEESS

DDEELL MMOOVVIIMMIIEENNTTOO

1a

Ley de Newton. 2a

Ley de Newton. 3a

Ley de Newton.

Inercia. Fuerza y aceleración. Acción y Reacción.

Se le llama fuerza a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado

de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración

modificando la velocidad, la dirección y/o el sentido de su movimiento.

Las siguientes figuras ilustran las dos formas más comunes en las que

utilizamos fuerzas para mover cuerpos, desplazándolos sobre superficies

planas.

1a Ley.

Todo cuerpo permanecerá en estado de reposo o con movimiento rectilíneo

uniforme a menos que una fuerza no equilibrada actúe sobre él. El que la fuerza

ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su velocidad

sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza no equilibrada, incluido el

rozamiento, en este caso un objeto en movimiento seguirá desplazándose a

velocidad constante.

33..11..

EJERCICIO 1

95

Cinética del Cuerpo Rígido

2a Ley.

La aceleración a que adquiere un cuerpo cuando esta sujeto a la acción de un

sistema de fuerzas no equilibrado, es directamente proporcional a la magnitud de la

fuerza resultante Fr e inversamente proporcional a su masa m.

a = Fr/m

Para entender cómo y por qué se aceleran los objetos, hay que definir la fuerza

y la masa. La fuerza es la acción que al serle aplicada a un cuerpo permite que

éste permanezca en reposo o con movimiento. Una fuerza neta cuyo valor sea

diferente de cero ejercida sobre un objeto, lo acelerará; es decir, el cuerpo

cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la

fuerza resultante y tendrá la misma dirección y sentido que ésta. La constante

de proporcionalidad es la masa m del objeto. La masa es la medida de la

cantidad de sustancia o materia de un cuerpo y es universal.

Ejemplo: Una masa de 3 kg se somete a una aceleración cuyas componentes

ortogonales son ax = 6 m/seg

2

y ay = 15 m/seg

2

. Calar la magnitud de la fuerza

FR que produce dicha aceleración y la dirección de la misma.

Datos:

M = 3 Kg.

ax = 6 m/seg

2

.

ay = 15 m/seg

2

.

FR = ?.

F = m a

F = 3 * (2 i + 5 j)

F = (6 i + 15 j) Newton

De acuerdo a las indicaciones de tu profesor, resuelve el siguiente problema:

Un lanzador tira horizontalmente hacia el frente una pelota de béisbol de 1.4 N

de peso a una velocidad de 32 m/seg acelerando uniformemente a la pelota con

su brazo durante 0.09 seg. Si la bola parte del reposo, calcular:

a) La distancia se desplaza la pelota antes de acelerarse.

b) La fuerza ejerce el lanzador sobre la pelota.

EJERCICIO 2


96

3a Ley.

Si un cuerpo actúa sobre otro con una fuerza de acción FA (+)

, éste reaccionara

contra el primer cuerpo con otra fuerza FR(-)

de igual valor y dirección, pero de

sentido contrario.

FA = F

R Es decir: F

A – F

R = 0

Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza (acción o reacción), este devuelve

una fuerza de igual magnitud, igual dirección y de sentido contrario (reacción o

acción).

Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja

suavemente a un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño,

sino que el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto.

Sin embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.

La tercera ley de Newton también implica la conservación del momento lineal, el

producto de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no

actúan fuerzas externas, el momento debe ser constante. En el ejemplo del

adulto y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iniciales son cero, por lo

que el momento inicial del sistema es cero. Durante la interacción operan fuerzas

internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero.

Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo. Después de que

el adulto empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña

del adulto debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño.

Los momentos respectivos son iguales en magnitud pero de sentido opuesto,

por lo que su suma es cero.

Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento

angular de un objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su

distancia al eje. Cuando un patinador da vueltas cada vez más rápido sobre el

hielo, prácticamente sin rozamiento, el momento angular se conserva a pesar de

que la velocidad aumenta. Al principio del giro, el patinador tiene los brazos

extendidos. Parte de la masa del patinador tiene por tanto un radio de giro

grande. Cuando el patinador baja los brazos, reduciendo su distancia del eje de

rotación, la velocidad angular debe aumentar para mantener constante el

momento angular.

Un libro colocado sobre una mesa es atraído hacia abajo por la atracción

gravitacional de la Tierra y es empujado hacia arriba por la repulsión molecular

de la mesa. Como se ve, se cumplen todas las leyes de Newton.

97


3.1.1. Aplicaciones de las leyes de Newton

Aplicación de la 2a. Ley de Newton en la solución de problemas que implican

movimiento de traslación y movimiento de rotación pura.

Cuando se aplican las leyes de Newton, sólo debe de interesar el estudio de las

fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo.

Ejemplo, si un cuerpo está en reposo sobre una mesa, las fuerzas que actúan

sobre él son: La fuerza normal n y el peso del cuerpo w, como se ilustran. La

reacción a la fuerza normal n es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la mesa n'.

La reacción al peso w es la fuerza ejercida por el cuerpo sobre la Tierra w'.

En otro ejemplo se tiene una caja que se jala hacia la derecha sobre una

superficie sin fricción, como se muestra en la figura de la izquierda.

En la figura de la derecha se tiene el diagrama de cuerpo libre que

representa a las fuerzas externas que actúan sobre la caja.

Cuando un objeto empuja hacia abajo sobre otro objeto con una fuerza F,

la fuerza normal n es mayor que el peso del objeto w. Esto es, n = w + F.


98

En un tercer ejemplo se tiene un cuerpo de peso w suspendido del techo por

una cuerda de masa despreciable. Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son

el peso w y la fuerza ejercida por la cuerda T. Las fuerzas que actúan sobre la

cuerda son la fuerza ejercida por el peso T' y la fuerza ejercida por el techo T''.

A continuación, se hace una serie de sugerencias que te serán útiles para la

solución de problemas en los cuales intervienen las leyes de Newton.

1. Dibuja un diagrama sencillo y claro del sistema.

2. Aísla el objeto cuyo movimiento se analiza y dibuja un diagrama de cuerpo

libre para el sistema de fuerzas; es decir, un diagrama que muestre todas las

fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo. Para sistemas que contienen

más de un objeto, dibuja diagramas de cuerpo libre independientes para

cada uno de ellos.

3. Establece ejes de coordenadas convenientes para cada objeto y determina

las componentes de las fuerzas sobre estos ejes. Aplica la segunda ley de

Newton, en la forma de componentes. Verifica sus dimensiones, para

asegurarte que todos los términos tengan unidades de fuerza.

4. Resuelve las ecuaciones planteadas recordando que estas debe se tantas

como incógnitas debas de resolver.

5. Verifica los resultados ya que es posible que hayas cometido errores de

cálculo.

Ejemplo.

Un bloque se desliza hacia abajo por un sin fricción que tiene una inclinación de

θ = 150

. Si el bloque parte del reposo en la parte superior y la longitud de la

pendiente es 2 metros. Calcular:

a) La magnitud de la aceleración del bloque.

b) Su velocidad cuando alcanza el pie de la pendiente.

99


Datos:

θ = 15°

d = m.

g = 9.8 m/s2

Σ FY = 0

WY – N = 0

WY = N como: W

Y = W cos

W cos θ = N

Σ FX = m a

WX = m a

Pero: WX = W sen

g sen = a

a = 9.8 sen 15 = 9.8 ( 0.258)

a = 2.536 m/seg2


100

FFRRIICCCCIIÓÓNN..

Antes abordar el estudio de la fuerzas de rozamiento, es indispensable tener

presentes los siguientes conceptos.

La fuerza llamada PESO.

Cada partícula de un cuerpo es atraída por la Tierra con una fuerza igual al peso

de esa partícula. El sentido de cada una de esas fuerzas está dirigido hacia el

centro de la Tierra y se las considera paralelas entre sí. De tal manera, se

considera a la fuerza Peso del cuerpo como la resultante de todas esas fuerzas

paralelas.

El Peso de un cuerpo es la fuerza con que el cuerpo es atraído por La Tierra en

dirección a su centro. El vector Peso de un cuerpo sigue la dirección de la

vertical, y su punto de aplicación se denomina teóricamente centro de gravedad

o baricentro. En los cuerpos de forma regular y con peso uniforme su baricentro

coincide con su centro geométrico.

La fuerza normal.

Supongamos que un bloque de masa m está en reposo sobre una superficie

horizontal como se muestra en la figura, las únicas fuerzas que actúan sobre él

son su peso w = mg y la fuerza de contacto de la superficie. La fuerza ejercida

por la superficie soporta el bloque, manteniéndolo en reposo. Ya que la

aceleración del bloque es cero, y esto significa que la fuerza de contacto es la

fuerza normal N, porque tiene dirección perpendicular, o normal, a la superficie,

así en la figura N = mg a fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce

el plano sobre el bloque depende del peso del bloque, la inclinación del plano y

de otras fuerzas que se ejerzan sobre el bloque.

Si ahora, el plano está inclinado un ángulo θ, el bloque está en equilibrio en

sentido perpendicular al plano inclinado por lo que la fuerza normal N es igual a

la componente del peso perpendicular al plano, w = mg Cos θ

Por lo que en este caso el valor del vector fuerza normal N se obtiene de la

siguiente forma:

N=mg Cos θ

Es también muy importante tomar en cuenta que:

Siempre que se pretende que un cuerpo en estado de reposo se empiece a

mover o si este se mueve través de una superficie o a través de un medio

viscoso, como el aire o el agua, hay una fuerza que se opone al movimiento

debido a que el cuerpo interactúa con sus alrededores. Dicha resistencia recibe

el nombre de fuerza de fricción.

33..22..

101


La Fricción se define como fuerza de rozamiento entre dos superficies en

contacto, y es la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la

otra, fuerza de fricción cinética, o a la fuerza que se opone al inicio del

movimiento, fuerza de fricción estática. Se genera debido a las imperfecciones,

especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas

imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea

perfectamente perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo, que

simbolizaremos con la letra griega φ para diferenciarlo de otros ángulos, con la

normal; llamado ángulo de rozamiento. Por tanto, esta fuerza resultante se

compone de la fuerza normal N, la cual es perpendicular a las superficies en

contacto y de la fuerza de rozamiento, paralela a las superficies en contacto.

Como se mencionó anteriormente existen dos tipos de fuerzas de rozamiento o

fricción, la fricción estática y la fricción cinética. La primera es una resistencia

que se debe superar para poner movimiento a un cuerpo con respecto a otro

cuando se encuentran en contacto. La segunda es una fuerza de magnitud

constante que se opone al movimiento una vez que éste ya comenzó. En

resumen, lo que diferencia a un roce con el otro es que el estático actúa cuando

el cuerpo está en reposo y el cinético cuando está en movimiento.

No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento

cinético y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es mayor que el

cinético, porque al permanecer en reposo ambas superficies, pueden aparecer

enlaces iónicos, o incluso micro soldaduras entre las superficies. Este fenómeno

es tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos

común es el del interior del motor que por estar mucho tiempo parado diferentes

factores como la temperatura, la humedad y el polvo provocan que al

permanecer las superficies del pistón y los cilindros durante largo tiempo en

contacto y en reposo, se pueden llegar a soldar entre sí. Y un ejemplo bastante

simple de fricción cinética es la ocurrida con las llantas de un auto al frenar.

3.2.1. Coeficiente de de fricción o de rozamiento

La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas, son

extremadamente rugosas a escala microscópica.

Rozamiento por deslizamiento. (a) El cuerpo de arriba va deslizando hacia la

derecha sobre el cuerpo de abajo en este diagrama amplificado. (b) Un

diagrama más amplificado mostrando dos sitios en donde ha ocurrido

adherencia superficial. Se requiere una fuerza para separar estas soldaduras y

conservar el movimiento.


102

Cuando dos superficies son puestas están en contacto, el movimiento de una

respecto a la otra, genera fuerzas tangenciales que definimos anteriormente

como fuerzas de fricción, las cuales tienen sentido contrario a la fuerza aplicada.

La naturaleza de este tipo de fuerza esta ligada a las interacciones de las

partículas microscópicas de las dos superficies que se encuentran en contacto.

El coeficiente de fricción es una cantidad adimensional que expresa la oposición

que ofrecen dichas superficies al movimiento relativo de una con respecto a la

otra. Usualmente se representa con la letra griega μ.

El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de

materiales, y no una propiedad intrínseca de un material en especial. Depende

además de muchos factores como la temperatura, el acabado o rugosidad de

las superficies en contacto, la velocidad relativa entre las superficies, el tiempo

que las superficies duran en contacto, etcétera, por lo que su valor se determina

experimentalmente. Sin embargo, existen manuales especializados en los que se

pueden consultar un gran número de coeficientes de fricción de los materiales

mas utilizados.

Ejemplo.

Coeficiente de rozamiento de algunas sustancias:

Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias

Materiales en contacto Fricción estática Fricción cinética

Hielo // Hielo 0,1 0,03

Vidrio // Vidrio 0,9 0,4

Vidrio // Madera 0,2 0,25

Madera // Cuero 0,4 0,3

Madera // Piedra 0,7 0,3

Madera // Madera 0,4 0,3

Acero // Acero 0,74 0,57

Acero // Hielo 0,03 0,02

Acero // Latón 0,5 0,4

Acero // Teflón 0,04 0,04

Teflón // Teflón 0,04 0,04

Caucho // Cemento (seco) 1,0 0,8

Caucho // Cemento (húmedo) 0,3 0,25

Cobre // Hierro (fundido) 1,1 0,3

Esquí (encerado) // Nieve (0ºC) 0,1 0,05

Articulaciones humanas 0,02 0,003

Coeficientes de fricción estática y dinámica.

Usualmente se distinguen dos valores. Como se ilustra en la tabla anterior.

Coeficiente de rozamiento estático μe: se mide cuando ambas superficies en

contacto están en reposo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Hielo


http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio



http://es.wikipedia.org/wiki/Madera


http://es.wikipedia.org/wiki/Cuero


http://es.wikipedia.org/wiki/Piedra



http://es.wikipedia.org/wiki/Acero





http://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%B3n


http://es.wikipedia.org/wiki/Tefl%C3%B3n



http://es.wikipedia.org/wiki/Caucho

http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento

http://es.wikipedia.org/wiki/Caucho

http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Esqu%C3%AD

http://es.wikipedia.org/wiki/Nieve

http://es.wikipedia.org/wiki/Articulaci%C3%B3n

103


Coeficiente de rozamiento dinámico μd: se mide cuando ambas superficies

están en movimiento relativo el uno respecto del otro, puede moverse una sola

superficie o ambas.

El coeficiente de rozamiento dinámico es, para la mayoría de los pares de

materiales, menor que el estático, cosa que puede comprobarse fácilmente.

Cuando intentamos empujar un objeto pesado comprobamos que la fuerza que

tenemos que realizar para que se comience a mover es mayor que la fuerza

necesaria para mantenerlo movimiento. Parece como si el bloque estuviera

inicialmente pegado al suelo de modo que una vez que lo despegamos se

desliza con cierta facilidad.

Cálculo de la fuerza de rozamiento

Conocido el valor del coeficiente de rozamiento aplicable a nuestro caso, la

fuerza de rozamiento FR máxima que puede ejercer una superficie sobre la otra

se expresa como el producto del coeficiente de rozamiento µ por la fuerza

normal N, perpendicular, a ambas superficies.

Leyes del rozamiento para cuerpos sólidos.

La fuerza de rozamiento es paralela a la dirección de la superficie de apoyo.

El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de la

superficie de contacto.

El coeficiente de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en

contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.

La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal

que actúa entre las superficies de contacto.

Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes del

movimiento que cuando se está en movimiento.

En el primer caso el fenómeno recibe el nombre de fricción estática o fricción seca,

en el segundo el de fricción cinética o fricción viscosa.

Para comprender mejor la forma que actúan las fuerzas de fricción se tienen las

siguientes leyes empíricas:

La dirección de la fuerza de fricción estática Fe entre cualesquiera dos superficies

en contacto se opone a la dirección de cualquier fuerza aplicada y su valor se

puede obtener mediante:

Fe eN

En donde la constante adimensional e recibe el nombre de coeficiente de

fricción estática, y N es la magnitud de la fuerza normal.

La dirección de la fuerza de fricción cinética Fc que actúa sobre un objeto es

opuesta a la dirección de su movimiento y está dada por:

Fc = cN

En donde c es el coeficiente de fricción cinética.


104

Los valores de c y e dependen de la naturaleza y rugosidad de las superficies

y se obtienen experimentalmente, aunque c es, por lo general, menor que e.

Los valores característicos de varían de casi siempre de 0.05 hasta 1.5.

Antes de resolver problemas de aplicación de las leyes de Newton es muy

importante aprender a dibujar diagramas de cuerpo libre.

3.2.2. Diagrama de Cuerpo Libre

Con el fin de tener buenos resultados al aplicar la segunda ley de Newton a un

sistema mecánico, se debe ser capaz, primero, de saber y reconocer todas

fuerzas que actúan sobre el sistema. Es decir, debemos poder construir el

diagrama de cuerpo libre correcto.

Cuando se hace un diagrama de cuerpo libre se deben de tomar en cuenta cada

uno de los elementos que interactúan en el sistema.

A continuación, se muestran algunos ejemplos de diagramas de cuerpo libre,

para eso se debe saber que: F denota cierta fuerza aplicada, w = mg es el peso

o fuerza que la gravedad ejerce sobre los cuerpos, n es la fuerza normal, f es la

fuerza de fricción y T es la fuerza de tensión en la cuerda que jala al objeto.

A la izquierda se ilustran varios sistemas mecánicos y a la derecha los

diagramas de cuerpo libre correspondientes. El término rugoso significará

únicamente que la superficie tiene fricción.

105


3.2.3. Fuerza de fricción estática

Existe una fuerza de fricción entre dos objetos que no están en movimiento

relativo. Tal fuerza se llama fuerza de fricción estática. En la siguiente figura

aplicamos una fuerza F que aumenta gradualmente, pero el bloque permanece

en reposo. Como en todos estos casos la aceleración es cero, la fuerza F

aplicada es igual y opuesta a la fuerza de fricción estática Fe , ejercida por la

superficie.

La máxima fuerza de fricción estática Fe max

, corresponde al instante en que el

bloque está a punto de deslizar. Los experimentos demuestran que:

Fe máx

= eN.

Donde la constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de fricción

estática. Por tanto, la fuerza de fricción estática varía, hasta un cierto límite para

impedir que una superficie se deslice sobre otra:

Fe máx

<= e.

Ejemplo.

El objetivo de este ejemplo, es analizar el movimiento de los tres cuerpos que

forman el sistema que aparece en la figura.

Un cuerpo A cuelga de una cuerda que pasa a través de una polea de masa

despreciable y que está unida a un bloque B que puede deslizar a lo largo de un

plano horizontal. Sobre el bloque B se coloca un cuerpo C. Se supone que el

rozamiento entre el cuerpo B y el plano horizontal es despreciable. Mientras que

existe un rozamiento entre el cuerpo C y el cuerpo B.


106

Este ejemplo puede servir como experiencia simulada para medir el coeficiente

de rozamiento estático. Se va variando la masa del cuerpo A; es decir, la

aceleración del sistema, hasta observar que el cuerpo C comienza a deslizar

sobre el cuerpo B. Con los datos de las masas de los tres cuerpos calculamos la

aceleración del sistema y a partir de este dato determinamos el coeficiente de

rozamiento estático. De la siguiente forma:

En la figura, vemos el diagrama de fuerzas, a partir del cual obtenemos las

ecuaciones del movimiento de cada uno de los cuerpos en las distintas

situaciones

Cuando el cuerpo C está en reposo sobre el cuerpo B.

Ambos tienen la misma aceleración a que la del cuerpo A

mAg-T=m

A·a Movimiento del cuerpo A

T-Fr=m

B·a Movimiento del cuerpo B

Fr=m

C·a Movimiento del cuerpo C

La fuerza de rozamiento Fr es la que hace que el cuerpo C esté ese mueva con el

cuerpo B: el cuerpo B ejerce una fuerza Fr sobre el cuerpo C dirigida hacia la

derecha. Por el Principio de Acción y Reacción el cuerpo C ejerce una fuerza

igual y de sentido contrario sobre el cuerpo B.

De estas ecuaciones obtenemos la aceleración a y la fuerza Fr de rozamiento

entre los cuerpos B y C.

Cuando el cuerpo C va a empezar a deslizar sobre el cuerpo B

Cuando Fr=m

C·a alcance el valor máximo

sN o bien,

sm

Cg, el cuerpo C va a

empezar a deslizar sobre el cuerpo B. s es el coeficiente de rozamiento

estático.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/general/rozamiento.htm#Fuerza de rozamiento estático

107


Incrementando la masa de A, incrementamos la aceleración, en el momento en

el que el cuerpo C va a empezar a deslizar se cumple que

a= sg

Calculamos la aceleración crítica a, a partir de los valores de las masas mA, m

B y

mC

en la fórmula anterior y a continuación, obtenemos el valor del coeficiente de

rozamiento estático.

Cuando el cuerpo C desliza sobre el cuerpo B

Cuando se incrementa aún más la masa de A, se incrementa la aceleración a, el

cuerpo C desliza sobre el cuerpo B, el valor de la fuerza de rozamiento

disminuye y vale ahora

Fr=

km

C·g

Donde k es el coeficiente de rozamiento por deslizamiento.

Las aceleraciones a del cuerpo B y la aceleración a' del cuerpo C ya no son las

mismas

mAg-T=m

A·a Movimiento del cuerpo A

T-Fr=m

B·a Movimiento del cuerpo B

Fr=m

C·a’ Movimiento del cuerpo C

Fr=

km

C·g Fuerza de rozamiento

Como la aceleración a de B, es mayor que la aceleración a’ de C, la aceleración

relativa de C respecto de B, es a’-a. Desde el punto de vista de un observador

situado en B, el cuerpo C se mueve hacia atrás con una aceleración |a’-a|.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/general/rozamiento.htm#Fuerza de rozamiento cinético


108

El cuerpo C tarda en llegar al

final del cuerpo B un tiempo t,

dado por

donde x es la distancia recorrida

del cuerpo C sobre el cuerpo B.

La velocidad con respecto al Laboratorio del cuerpo C cuando abandona el

cuerpo B será

donde t es el tiempo que C está deslizando sobre B.

En el momento en el que el cuerpo C abandona el bloque B, la aceleración del

sistema formado por los bloques A y B cambia,

mAg-T=m

A·a

Movimiento del cuerpo

A

T=mB·a

Movimiento del cuerpo

B

El cuerpo C abandona el cuerpo B

Ahora el cuerpo C que

tiene una velocidad inicial

vC dirigida hacia la

derecha, se mueve bajo la

sola influencia de su

peso. Describe, por tanto,

un movimiento curvilíneo

bajo la aceleración

constante de la gravedad,

o un tiro parabólico.

El tiempo que tarda en llegar al plano horizontal es

donde h es la altura del bloque B.

La distancia que recorre horizontalmente es

x=vCt

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cinematica/parabolico/parabolico.htm



109


El cuerpo C desliza sobre el plano horizontal

Una vez que el

cuerpo C entra en

contacto con el

plano horizontal,

sobre el cuerpo C

actúa una fuerza de

rozamiento que hace

que se pare al cabo

de un cierto tiempo.

Suponemos que la fuerza de rozamiento entre el plano horizontal y el bloque C,

es la misma que entre el bloque C y el bloque B. El cuerpo C, con una velocidad

inicial horizontal vC,

se parará después de haber recorrido una distancia x, dada

por

3.2.4. Fuerza de fricción cinética

En la siguiente figura mostramos un bloque de masa m que se desliza por una

superficie horizontal con velocidad constante. Sobre el bloque actúan tres

fuerzas: el peso mg , la fuerza normal N, y la fuerza de fricción Fk entre el bloque

y la superficie. Si el bloque se desliza con velocidad constante, la fuerza aplicada

F será igual a la fuerza de fricción Fk.

Podemos ver que si duplicamos la masa m, se duplica la fuerza normal N, la

fuerza F con que tiramos del bloque se duplica y por tanto Fk se duplica. Por

tanto la fuerza de fricción cinética Fk es proporcional a la fuerza normal N.

Fk =

k N

La constante de proporcionalidad k es un número sin dimensiones que se

denomina coeficiente de fricción cinético.

FRICCIONES.

Ejemplo:

Una mujer en el aeropuerto jala su maleta de 20 kg con una rapidez constante.

La correa de la maleta forma un ángulo θ con respecto a la horizontal. La mujer

jala la correa con una fuerza de 35N. La fuerza de fricción que hay entre la

maleta y el piso es de es 20 N. Dibuja un diagrama de cuerpo libre para la

maleta y calcula:




110

a) El ángulo que forma la correa con la horizontal.

b) La fuerza normal que ejerce el piso sobre la maleta.

Datos:

m = 20 Kg.

F = 35 N.

FR = 20N.

a) θ =?

b) N =?

a) ∑ FX = 0 (No existe aceleración por que se desplaza a velocidad constante)

FX – F

R = 0

FX = F

R

Como: FX = F cos θ Tenemos que:

F cos θ = FR

35 cos θ = 20N

θ = cos-1

0.5714

θ = 55.150

b) ∑ FY = 0

N + FY – W = 0

N = W - FY

Como: FY = F sen θ

FY = 35 N sen 55.15

0

FY = 28.7227 N

N = W - FY N

N = m g – FY

N = 20 Kg. ( 9.8 m/s2

) – 28.7227 N

N = 196 N – 28.7227 N

N = 167.27 N

111


De acuerdo con las indicaciones de tu profesor resuelve el siguiente problema.

Un bloque de 3 kg parte del reposo en la parte superior de un plano inclinado

que tiene una pendiente de 300

. Y se desliza 2 metros hacia abajo en 1.5 seg.

Dibuja una figura que ilustre el enunciado del problema y el diagrama de cuerpo

libre correspondiente que te ayuden a calcular lo siguiente:

a) La magnitud de la aceleración del bloque.

b) El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano.

c) La fuerza de fricción que actúa sobre el bloque.

d) La rapidez del bloque después de que se ha deslizado 2 metros.

3.2.4. Principio Fundamental de la Dinámica de Traslación

El cambio de movimiento, llamado cantidad de movimiento p, que experimenta

un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que se ejerce sobre él. Tiene

la misma dirección y sentido que la fuerza aplicada. Actualmente a la cantidad

de movimiento también se le da el nombre de momento lineal.

La cantidad de movimiento o momento lineal p se define como el producto de la

masa m de un cuerpo en movimiento por su velocidad v.

p = mv

Al ser la masa una magnitud escalar y la velocidad una magnitud vectorial, la

cantidad de movimiento ha de ser necesariamente vectorial de dirección y

sentido iguales las del vector velocidad.

Si se modifica la velocidad de un cuerpo por la acción de una fuerza externa, ya

sea en valor, dirección y/o sentido, se modifica, y en consecuencia, su cantidad

de movimiento. Este cambio no es inmediato, sino que lleva instantes de tiempo.

Así pues podemos relacionar la variación de momento lineal con el tiempo y la

fuerza de la siguiente forma:

F = p/ t Por lo tanto. F = p-po /t-t

o Tomando en cuenta que. a = v/ t

De esta manera reobtiene otra forma de representar matemáticamente la 2a

Ley

de Newton, que es la expresión conocida como Ecuación de la Dinámica de

Traslación, como se estudia en cinemática.

F = ma

De esta forma podemos redefinir esta ley como:

Si sobre un cuerpo actúan una o varias fuerzas cuya resultante sea diferente de

cero, este adquiere una aceleración con un valor que es directamente

proporcional al valor de la o las fuerzas e inversamente proporcional a la masa

del cuerpo.

a = F/m

Los sistemas de fuerzas en los que esta ley no se verifica se llaman sistemas no

inerciales.

EJERCICIO 3


112

ENERGÍA CINÉTICA DE ROTACIÓN.

Las leyes de Newton facilitan la comprensión y el análisis de muchos problemas

de mecánica. Ahora vamos a examinar otro método basado en uno de los

conceptos verdaderamente fundamentales y universales de la Física: la energía.

Hay muchas clases de energía, por ahora abordaremos principalmente la

energía cinética rotacional, que se relaciona con un cuerpo rígido en movimiento.

3.3.1. Trabajo de un peso

En el curso de Física I (tema 3.2) se definió el trabajo como el producto de un

desplazamiento por la componente de la fuerza en la dirección del

desplazamiento. CosdFT . El trabajo del peso de un cuerpo, es decir, el

que la gravedad ejerce sobre ese cuerpo, se obtiene al sustituir peso (P) por

fuerza, por lo tanto el trabajo será:

hPTrabajo

Donde h es la altura que se desplazará el cuerpo.

Ahora consideremos el trabajo realizado en el desplazamiento rotacional bajo la

influencia de un momento de torsión resultante.

Considerando la fuerza F que actúan al borde de una polea de radio r, como se

muestra en la figura 3.4. El efecto de dicha fuerza es hacer girar la polea a través

de un ángulo mientras el punto en el que se aplica la fuerza se mueve una

distancia “s”. La distancia del arco “s” se relaciona con un mediante.

rs

Así, el trabajo de la fuerza F es por definición

FrFsTrabajo

pero Fr es el momento de torsión debido a la fuerza, por lo tanto

Trabajo

La energía mecánica generalmente se transmite en forma de trabajo rotacional.

Cuando hablamos de la potencia de salida que desarrollan las máquinas, lo que

nos interesa es la rapidez con que se realiza el trabajo rotacional. Por lo tanto, la

potencia rotacional puede determinarse dividiendo ambos lados de la ecuación

por el tiempo t requerido para que el momento de torsión lleve a cabo un

desplazamiento .

tt

TrabajoPotencia

Puesto que t

representa la velocidad media angular , escribimos

33..33..

t=0

s

θ F

r t=t

F

Figura 3.x. Movimiento de

rotación

El ángulo debe

expresarse en radianes

en cualquier sistema de

unidades de modo que

el trabajo pueda

expresarse en Joule,

Ergios o libras-pie.

113


Potencia

Observe la similitud entre esta relación y su análoga FP .

Ejemplo 3.x

Calcular el trabajo para levantar verticalmente una escalera de 2.5 m de longitud

cuya masa es de 20 kg, si ésta tiene su centro de gravedad a 1.6 m del nivel

inferior y se encuentra horizontalmente

El trabajo que se realiza contra la gravedad para poner verticalmente la escalera

es igual al peso de la escalera por la distancia al centro de gravedad.

PhCosT

Como el ángulo es cero y P=mg, entonces:

10Cos y P=(20kg)(9.8m/seg2

) = 196 Nw

JoulesmNwT 6.313)6.1)(196(

1. Una gata decide trasladar su camada de 6 gatitos, cada una de 200 gr de

tal manera que los lleva (uno por uno) 10 m por el piso horizontal con

rapidez constante y luego los sube a una caja situada a 3 m sobre el piso,

por una escalera. Calcular el trabajo realizado por la gata.

2. Una lámpara de 2 kg se desprende del techo y cae sobre el piso, desde

una altura de 2.5 m. Calcular la Energía potencial y cinética antes de

soltarse. Obtener el trabajo que realiza la lámpara al caer.

3.2.2 Ley de la conservación de la energía

V m5

m m4

m3

θ r m2

m1

Una partícula que se mueve en un círculo de radio R tiene una velocidad lineal

R

Si la partícula tiene una masa m tendrá una energía cinética igual a

Figura del ejemplo3.x

EJERCICIO 4

TAREA 1

Página 121.


114

222

2

1

2

1Rmmk

Un cuerpo rígido se puede considerar formado por muchas partículas de

diferentes masas localizadas a diversas distancias del eje de rotación 0. La

energía de cinética total de un cuerpo será entonces la suma de las energías

cinéticas de cada partícula que forma el cuerpo.

22

2

1rmk

Puesto que la constante ½ y la velocidad angular w son las mismas para todas

las partículas, se puede reorganizar la ecuación anterior y obtener:

22

2

1mrk

La cantidad entre paréntesis, 2mr tiene el mismo valor para un cuerpo dado

independientemente de su estado de movimiento. Se define esta cantidad como

“el momento de inercia” y se representa por I:

...332211 rmrmrm

O bien

2mr

La unidad del SI para la I es el kilogramo- metro al cuadrado. Utilizando esta

definición, podemos expresar la energía cinética rotacional de un cuerpo en

términos de su momento de inercia y de su velocidad angular.

Nota la similitud entre los términos m para el movimiento lineal e I para el

movimiento rotacional.

La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Se mide en

Joule que corresponde a 1 Nw m.

Energía cinética: el trabajo realizado por una fuerza sobre un cuerpo es igual a

una variación de su energía cinética:

c

2

2

1mc

Energía potencial: el trabajo realizado por una fuerza conservativa sobre un

cuerpo es igual a la disminución de la energía potencial:

p

mghp

Si es la fuerza conservativa la única fuerza que actúa sobre el cuerpo podemos

decir que:

pc

0pc

Si sobre un cuerpo sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica se

conserva en todos los puntos de su trayectoria.

115


Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza para trasladar una partícula

material de un punto A a otro B o depende del camino seguido sino tan sólo de

los puntos inicial y final.

El trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la suma del trabajo realizado

por las fuerzas conservativas más el trabajo realizado por las fuerzas no

conservativas.

cncct

pcnc

nc

Ejemplo3.2x

En un esfuerzo por ser estrelle del espectáculo durante el intermedio, una

bastonera hace girar un bastón hecho con 4 esferas sujetas a los extremos de

varillas ligeras, a una altura inusual (fig. 3.2x). Cada varilla mide 1.0 m de largo.

Determine el momento de inercia del sistema alrededor de un eje perpendicular

a la página y que pase por el punto donde se cruzan las varillas.

Solución:

Al aplicar la ecuación 2mrI obtenemos

2

44

2

33

2

22

2

11

2 rmrmrmrmmrI

2222 )5.0)(3.0()5.0)(2.0()5.0)(3.0()5.0)(2.0( mkgmkgmkgmkgI

225.0 mkgI

Calcular el momento de inercia del sistema que se muestra en la figura 3.2.

Considerando que el peso de las barras que sostienen las masas es

despreciable y el sistema gira con una velocidad angular de 5 rad/seg. Calcular

la Energía Cinética rotacional (Considerar que las masas están concentradas en

un punto).

Figura del ejemplo 3.2

EJERCICIO 5


116

ÍÍMMPPEETTUU EE IIMMPPUULLSSOO AANNGGUULLAARR..

Como decíamos la cantidad de movimiento angular es un vector cuya magnitud es

IL y que está dirigido a lo largo del eje de rotación. Si la torca resultante

sobre el cuerpo es cero, la cantidad de movimiento angular permanece constante

tanto en magnitud como en dirección. A esta ley se le conoce como Ley de

conservación de momento angular.

De acuerdo con la ecuación fundamental del movimiento angular, I y

t

ofpor lo tanto la segunda ley de Newton quedaría:

tI

of

Multiplicando por t, obtenemos:

of IIt

Impulso angular = cambio en cantidad de movimiento angular

3.4.1. Momento de inercia de figuras regulares

El momento de inercia es una magnitud cuyo valor depende de la distribución de la

masa respecto del eje considerado, por lo tanto un mismo cuerpo puede tener

infinitos momentos de inercia.

Si los elementos de masa de un objeto se distribuyen paralelos al eje de rotación, el

momento de inercia del objeto no cambia. Por lo tanto, la expresión I = MR2

se

puede usar con igual eficiencia para calcular el momento de inercia axial de un

anillo de bordado o de un largo tubo de drenaje. De igual modo, una puerta que

gira en sus bisagras se describe con la misma expresión de momento de inercia

que la tabulada para una varilla larga y delgada que gira alrededor de su extremo.

A continuación tenemos algunas figuras regulares con su momento de inercia

CILINDRO MACIZO

Respecto a su eje Respecto a eje por su centro

(deducción) (deducción)

33..44..

El trompo gira sobre

un eje

117


CAPA CILÍNDRICA

Respecto a su eje Respecto a eje por su centro

(deducción)

(deducción)

CILINDRO HUECO RESPECTO A SU EJE

(deducción)

VARILLA DELGADA

Respecto a eje perpendicular por centro Respecto a eje perpendicular por

extremo



118

ESFERA

Maciza respecto a un diámetro Corteza respecto a diámetro


DISCO

Respecto a un diámetro Respecto a eje perpendicular en su

centro


PARALELEPÍPEDO RECTANGULAR MACIZO

Eje por su centro y perpendicular a una cara

(deducción)

119


PLACA PLANA RECTANGULAR

Eje por centro de masa paralelo a un

lado Eje por un lado

(deducción)

(deducción)

Ejemplo

Una esfera uniforme de 600 g y de 8 cm de radio gira a 40 rev/seg a través del eje

que pasa por el centro. Calcular su:

a) Energía cinética rotacional

b) Cantidad de movimiento angular, y

c) Radio de giro

Solución

El momento de inercia de una esfera uniforme alrededor de un eje que pasa por su

centro se calcula con:

2

5

2MrI

Sustituyendo

mkgmkgI 001536.0)08.0)(6.0(5

2 2

a) Como segrev /40 = 251.3 rad/seg, entonces

JoulessegradmkgIEcr 5.48)/3.251)(001536.0(2

1

2

1 222

b) La cantidad de movimiento angular se obtiene con:

segmkgsegradmkgIL /3859.0)/3.251)(001536.0( 22


120

¡Ojo! Recuerda que debes resolver la autoevaluación y los

ejercicios de reforzamiento; esto te ayudará a enriquecer los

temas vistos en clase.

c) Para cualquier objeto, 2MkI , donde k es el radio de giro o bien es la

distancia a la cual se debe colocar una masa puntual M, si la masa va a tener la

misma I que tiene el cuerpo real. Por lo tanto:

M

Ik =

kg

mkg

6.0

001536.0

mk 05.0 = 5 cm

Ejemplo

Un disco sólido rueda sobre una pista; en la parte alta de una colina su rapidez

es de 0.9 m/seg. Eliminando las fuerzas disipativas, ¿Cuál será la rapidez

cuando se encuentre a 20 cm por debajo de la cima?

En la cima, el disco posee Ect y Ec

r además de la Ep

g relativa al punto 20 cm

abajo. En el punto final, se elimina la Epg quedando la Ec

t más la Ec

r; por lo

tanto, con h=20cm

finalrtinicialrt EcEcmghEcEc )()(

2222

2

1

2

1

2

1

2

1ffii ImvmghImv

Como se trata de un disco sólido, 2

2

1mrI . También rv / . Al sustituirse

se obtiene

2222

4

1

2

1

4

1

2

1ffii vvghvv

Si sustituimos la v0 = 0.9 m/seg y la h = 0.2 m en la fórmula anterior para

despejar vf nos quedaría:

segmv f /85.1

1. Un disco sólido de 15 kg rueda sobre una superficie horizontal a razón de 5

m/s. Calcular su Energía cinética.

2. Un anillo de 5 cm de radio parte del reposo y rueda hacia debajo de una colina

hasta un punto que se encuentra 2.0 m por debajo del punto inicial. Calcular la

rapidez en ese punto.

3. Una rueda de 5.0 kg que tiene 30 cm de radio de giro, está rodando a 420rpm.

La torca debida a la fuerza de fricción es de 0.2Nw·m. Calcular el tiempo

necesario para llevar la rueda hasta el reposo.

TAREA 2

Página 123.

EJERCICIO 5

121



1. Una saco de cemento de 50 kg se eleva hasta una altura de 30 m en 1.0 min, calcular la potencia

necesaria en Hp.

2. Un motor de 50 Hp hace funcionar un ascensor de masa igual a 1000 kg. Calcular el tiempo

requerido para que el ascensor suba 35 m.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 1


122

3. Calcular el trabajo realizado al elevar un cuerpo de 10 kg hasta una altura de 5 m en 2 seg.

Expresarla en Joules y en Ergios.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

123



1. Una cuerda enrollada en un disco de 4 kg y 20 cm de diámetro recibe una fuerza de tracción de 50 N

que la desplaza una distancia lineal de 4 m. Calcular el trabajo lineal realizado por la fuerza de 50 N y el

trabajo rotacional realizado sobre el disco.

2. Una barra delgada de 90 cm de largo tiene una masa de 5 kg. Si la barra se apoya sobre su centro y gira

con una velocidad de 20 rad/seg., calcular su cantidad de movimiento

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2


124

3. Una varilla de 400 gr y 40 cm de longitud oscila sobre su centro y gira a 200rpm. Calcular el momento

angular.

4. Un motor de 1500 W impulsa en 6 seg una rueda cuyo momento de inercia es 3 kg·m2

. Si la rueda parte

del reposo, ¿qué rapidez angular media llegó a adquirir?

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

_

125




1. Selecciona la afirmación verdadera.

Las columnas que sostienen el aula realizan mucho trabajo al sostener carga.

Un alumno que carga su mochila en el trayecto de su casa realiza trabajo.

Juan, que empuja su carro hasta el taller, realiza trabajo.

Todas las anteriores.

2. Una pelota de softbol, un balón de voleibol y uno de basketball se suelta al mismo tiempo desde la cima de

un plano inclinado. ¿Quién llega primero?

La pelota de softbol

El balón de voleibol

El balón de basketball

Llegan todos iguales

3. Una patinadora disminuye su velocidad angular al extender los brazos por:

Perder la mayor parte de su energía al hacer actuar fuerzas no conservativas.

Aumentar el rozamiento de sus patines.

Aumentar su momento de inercia.

Aumentar el rozamiento de sus brazos con el aire.

4. Un volante de masa 20 kg gira a 600 rpm alrededor de su eje. Si el radio de giro del volante es de 0.5 m, su

energía cinética de rotación es:

9869.6 J

10000 J

9354.6 J

8754.5 J

5. ¿Cuál de las siguientes ecuaciones dimensionales es falsa?

Momento de una fuerza: m·l2

·t-2

Momento angular: m·l2

·t-1

Impulso angular: m·l·t-2

Cantidad de movimiento: m·l·t-1

Nombre _________________________________________________________



AUTOEVALUACIÓN


126

6. Es el caso de traslación, rotación y de ambos al mismo tiempo.

Un carro desplazándose, nuestro planeta y un disco, tocando en el estéreo

Un carro desplazándose, un disco, tocando en el estéreo y nuestro planeta

Nuestro planeta, un carro desplazándose y un disco, tocando en el estéreo

Un disco, tocando en el estéreo, un carro desplazándose y nuestro planeta

7. Si el calentamiento global continúa, es probable que parte del hielo de los casquetes polares de nuestro

planeta se derrita y el agua se distribuya más cerca del ecuador. Si esto sucede, la duración del día (una

revolución):

Aumentaría.

Disminuiría.

Seguiría igual.

Aumentaría en verano solamente.

8. Dos esferas, una hueca y otra sólida, giran con la misma rapidez angular alrededor de sus centros. Ambas

esferas tienen la misma masa y radio.

La esfera hueca tiene mayor energía.

La esfera sólida tiene mayor energía.

Ambas esferas tienen la misma energía.

Falta mas información.

9. Las unidades en que se expresan la energía son:

Newton y Dinas

Ergios y Dinas

Joule y Newton

Ergios y Joules

Si todas tus respuestas fueron correctas: excelente, por lo que te

invitamos a continuar con esa dedicación.

Si tienes de 8 a 9 aciertos, tu aprendizaje es bueno, pero es

necesario que nuevamente repases los temas.

Si contestaste correctamente 7 o menos reactivos, tu aprendizaje es

insuficiente, por lo que te recomendamos solicitar asesoría a tu

profesor.

Consulta las

claves de

respuestas en la

página XXX.

ESCALA DE MEDICIÓN DEL APRENDIZAJE

127


INSTRUCCIONES: Resuelve los siguientes problemas, compáralos con tus compañeros y entrégaselos a tu

profesor.

1. Un motor de 1600 W impulsa durante 6 seg una rueda que parte del reposo y cuyo momento de inercia es 2

kg·m2

. ¿Cuál será su rapidez angular final?

2. Un disco rectificador de 8 kg tiene 50 cm de diámetro y gira a 800 rev/min. ¿Qué fuerza de frenado se

deberá aplicar tangencialmente al disco para detener su movimiento de rotación en 6 seg?

EJERCICIO DE

REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________




128

129

ALONSO, M. y Finn, E. Física. Volumen I: Mecánica. Addison–Wesley

Iberoamericana. 1986.

BUECHE, Federico. Física para estudiantes de ciencia e ingeniería, Mc. Graw

Hill. México. 1978.

CARNAP, R, La estructura lógica de la Física. Editorial Sudamérica. Buenos

Aires. 1965. RESNICK, R. y HALLIDAY, D., Física. Tomo I, Compañía Editorial

Continental, 7a. impresión, México. 1984.

RUSELL C. Hibbeler, Ingeniería mecánica: Estática. 7a. edición. 1996.

SERWAY, Raymond, Física. Tomo I, Mc Graw-Hill, 4a. edición, México. 1998.

SHAMES, Irving H. Mecánica vectorial: Estática, The George Washington

University. 4a. edición, 1998.

TIPLER, P.A. Física universitaria (2 volúmenes), Editorial Reverté, Barcelona,

1991.

Consulta bibliográfica por internet

EAGLESON H. V., An experimental method for determining coefficients of

sliding friction. Am. J. Phys. 13 (1945), pp. 43-44

REIDL C. The coefficient of kinetic friction. The Physics Teacher. September

1990, pp. 402

Vínculos de internet relacionados

http://www.fisicanet.com.

http://www.tutoria.com.

http://www.Cuerpo Conciente Pilates – Método

http://www.MecanESO.

http://www.es.wikipedia.org/wiki/Palanca - 25k.

http://www.ib.edu.ar/bib2007/Szklarz.pdf.

http://www.wiki.gleducar.org.ar/wiki/El cuerpo humano como sistema de

palancas.

http://apuntes.rincondelvago.com/coeficiente-de-friccion.html Pertenece a

grupos.

http://www.itc.edu.co/carreras_itc/mantenimiento/lubricacion/friccion.htm.

http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n.

http://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente de rozamiento.

http://es.www.kalipedia.com.

Bibliografía General

http://www.monografias.com/trabajos/histomex/histomex.shtml

111111111 lbr de tsf1

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