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Momento lineal, momento angular y momento radial




Enviado por Antonio A. Blatter



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    Momento Lineal, Momento Angular

    & Momento Radial

    Antonio A. Blatter

    Licencia Creative Commons Atribuci´n 3.0
    (2015) Buenos Aires
    Argentina

    Este trabajo presenta el momento lineal, el momento angular y el momento radial
    de un sistema de N part´iculas, que dan origen a las leyes de conservaci´n
    del momento lineal, del momento angular y de la energ´ia.

    Momento Lineal

    El momento lineal P de un sistema de N part´iculas con respecto a un punto O
    (con posici´n Ro , velocidad Vo y aceleraci´n Ao ) est´ dado por:
    P =
    mi (vi – Vo )
    d(P)/dt =
    mi (ai – Ao )
    F =
    (Fi – mi Ao )
    La ecuaci´n (F) s´lo puede ser v´lida si el punto O logra que Ao sea igual a cero.
    Por lo general, en el momento lineal el punto O es el origen O del sistema de referencia,
    logrando que Ro , Vo y Ao sean siempre iguales a cero. Sin embargo, el punto O no
    necesariamente tiene que ser el origen O del sistema de referencia. La unica condici´n
    aqu´ es que la aceleraci´n Ao del punto O debe ser igual a cero.

    Ahora, relacionando P y F con las magnitudes lineales v y a, se obtiene:

    P = M v

    d(P)/dt = F = M a

    donde M ( = i mi ) es la masa del sistema de part´iculas, v y a son la velocidad y la
    aceleraci´n (lineales) del sistema de part´iculas (con respecto al punto O)

    Por lo tanto, se deduce que el momento lineal P de un sistema aislado de N
    part´iculas permanece constante si las fuerzas internas F (int) logran anularse.

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    Momento Angular

    El momento angular L de un sistema de N part´iculas con respecto a un punto O
    (con posici´n Ro , velocidad Vo y aceleraci´n Ao ) est´ dado por:
    L =
    mi [ (ri – Ro ) × (vi – Vo ) ]
    d(L)/dt =
    mi [ (ri – Ro ) × (ai – Ao ) ]
    M =
    [ (ri – Ro ) × (Fi – mi Ao ) ]
    La ecuaci´n (M) s´lo puede ser v´lida si el punto O logra que Ao sea igual a cero
    o si el punto O es el centro de masa del sistema de part´iculas, puesto que:
    [ (ri – Rcm ) × (Fi – mi Acm ) ] =
    [ (ri – Rcm ) × Fi ]
    Ahora, relacionando L y M con las magnitudes angulares ? y a, se obtiene:

    L = I · ?

    d(L)/dt = M = I · a + I · ?

    donde I es el tensor de inercia del sistema de part´iculas, ? y a son la velocidad y la
    aceleraci´n (angulares) del sistema de part´iculas (con respecto al punto O)
    I =
    mi [ |(ri – Ro )|2 1 – (ri – Ro ) ? (ri – Ro ) ]
    I · ? = – ( M1 + M2 )
    M1 = –

    M2 = +
    mi (ri – Ro ) × { 2 ? × (vi – Vo ) }

    mi (ri – Ro ) × { ? × [ ? × (ri – Ro ) ] }
    Si M1 y M2 son considerados como momentos ((?cticios)) de manera tal que resulte
    la igualdad ( M* = M + M1 + M2 ) entonces se logra:

    L = I · ?

    M* = I · a

    Por lo tanto, se deduce que el momento angular L de un sistema aislado de N
    part´iculas permanece constante si los momentos internos M (int) logran anularse.

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    ? ? r
    Momento Radial

    El momento radial G de un sistema de N part´iculas con respecto a un punto O
    (con posici´n Ro , velocidad Vo y aceleraci´n Ao ) est´ dado por:
    G =
    1/2
    mi [ (vi – Vo ) · (ri – Ro ) ]
    ?G =
    ? 1/2 mi [ (vi – Vo ) · (ri – Ro ) ]
    d(?G)/dt =

    d(?G)/dt =
    ? 1/2 mi [ (vi – Vo ) · (vi – Vo ) + (ai – Ao ) · (ri – Ro ) ]

    mi [ ? 1/2 (vi – Vo ) · (vi – Vo ) + ? 1/2 (ai – Ao ) · (ri – Ro ) ]
    d(?G)/dt =
    mi [
    2
    1
    (ai
    – Ao ) · d(ri – Ro ) + ? 1/2 (ai – Ao ) · (ri – Ro ) ]
    ?T =
    i
    [
    2
    1
    (Fi
    – mi Ao ) · d(ri – Ro ) + ? 1/2 (Fi – mi Ao ) · (ri – Ro ) ]
    La ecuaci´n (?T ) s´lo puede ser v´lida si el punto O logra que Ao sea igual a cero
    o si el punto O es el centro de masa del sistema de part´iculas, puesto que:
    2
    1
    (Fi
    – mi Acm ) · d(ri – Rcm ) ] =
    2
    1
    Fi · d(ri – Rcm ) ]
    [ ? 1/2 (Fi – mi Acm ) · (ri – Rcm ) ] =
    [ ? 1/2 Fi · (ri – Rcm ) ]
    Ahora, relacionando G y T con las magnitudes radiales r , r y ¨, se obtiene:

    ?G = ? 1/2 M (r r )

    d(?G)/dt = ?T = ? 1/2 M (r r + ¨ r )

    donde M es la masa del sistema de part´iculas, (r r ) y ( r r + ¨ r ) son la velocidad y la
    aceleraci´n (escalares) del sistema de part´iculas (con respecto al punto O)

    La posici´n escalar, la velocidad escalar y la aceleraci´n escalar de un sistema de
    part´iculas formado por una sola part´icula, est´n dadas por:
    Posici´n escalar:
    1/2 (r
    · r)
    =
    1/2 (r
    · r)
    =
    1/2 (r
    r )
    Velocidad escalar:

    Aceleraci´n escalar:
    1/2

    1/2
    d(r · r)/dt

    d2 (r · r)/dt2
    =

    =
    (v · r)

    (v · v + a · r)
    =

    =
    (r r )

    (r r + ¨ r )
    donde ri es el vector de posici´n de la part´icula, r = (ri – Ro ) y r = |(ri – Ro )|

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    ia a
    ia a
    i
    i
    o
    ?
    ? ? r
    ? ? r
    Ahora, si ?T es considerado como el trabajo W realizado por las fuerzas que act´an
    sobre un sistema de part´iculas, entonces:
    W =
    i
    [
    2
    1
    Fi · d(ri – Ro ) + ? 1/2 Fi · (ri – Ro ) ]
    Por lo tanto, siempre resulta la siguiente igualdad:
    W =
    ? 1/2 mi [ (vi – Vo ) · (vi – Vo ) + (ai – Ao ) · (ri – Ro ) ]
    Si la expresi´n del lado derecho de la igualdad anterior es considerada como la
    variaci´n en la energ´ cin´tica K de un sistema de part´iculas, entonces:
    ? K =
    ? 1/2 mi [ (vi – Vo ) · (vi – Vo ) + (ai – Ao ) · (ri – Ro ) ]
    Por lo tanto, siempre resulta tambi´n la siguiente igualdad: W = ? K

    Ahora, dado que el trabajo W realizado por las fuerzas conservativas que act´an
    sobre un sistema de part´iculas es igual y de signo opuesto a la variaci´n en la energ´ia
    potencial U del sistema de part´iculas, entonces:
    ? U = –
    2
    1
    Fi · d(ri – Ro ) + ? 1/2 Fi · (ri – Ro ) ]
    Por lo tanto, se deduce que la energ´ia mec´nica E de un sistema de N part´iculas
    permanece constante si el sistema est´ sujeto s´lo a fuerzas conservativas.
    ? E = ? K + ? U = 0
    E = K + U = constante
    Las magnitudes E , K y U est´n relacionadas con las magnitudes convencionales
    E , K y U . De hecho, la energ´ mec´nica E de un sistema de part´iculas es igual a
    la energ´ mec´nica convencional E del sistema de part´iculas (E = E ) puesto que:
    1/2
    mi (ai – Ao ) · (ri – Ro ) –
    1/2
    Fi · (ri – Ro ) = 0
    Sin embargo, si todos los sistemas de referencia inerciales y no inerciales eligen el
    mismo punto O (el centro de masa del sistema de part´iculas) entonces las magnitudes
    E , K y U son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de referencia y los
    sistemas de referencia no inerciales no deben introducir las fuerzas ?cticias sobre Fi .

    En esta secci´n, por lo tanto, se obtienen las siguientes relaciones:

    G = 1/2 M (r r )

    d(G)/dt = 1/2 M (r r + ¨ r ) = K

    d(?G)/dt = ?T = ? 1/2 M (r r + ¨ r ) = W = ? K

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    Observaciones
    Todas las ecuaciones de este trabajo pueden ser aplicadas en cualquier sistema de
    referencia inercial o no inercial.
    Los sistemas de referencia no inerciales en la secci´n Momento Lineal y en la secci´n
    Momento Angular s´ deben introducir las fuerzas ?cticias sobre Fi .
    Los sistemas de referencia no inerciales en la secci´n Momento Radial no deben
    introducir las fuerzas ?cticias sobre Fi (en T , en W y en U ) si el punto O es el centro
    de masa del sistema de part´iculas.
    El momento lineal de un sistema de part´iculas est´ relacionado con las magnitudes
    lineales y especialmente con la velocidad lineal (m/s) del sistema de part´iculas.
    El momento angular de un sistema de part´iculas est´ relacionado con las magnitudes
    angulares y especialmente con la velocidad angular (rad/s) del sistema de part´iculas.
    El momento radial de un sistema de part´iculas est´ relacionado con las magnitudes
    radiales y especialmente con la velocidad escalar (m2 /s) del sistema de part´iculas.
    La energ´ mec´nica E , la energ´ia cin´tica K y la energ´ia potencial U de un sistema
    de part´iculas est´n relacionadas con las magnitudes radiales y especialmente con la
    aceleraci´n escalar (m2 /s2 ) del sistema de part´iculas.
    Si el punto O es el centro de masa de un sistema de part´iculas entonces la energ´
    mec´nica E , la energ´ cin´tica K y la energ´ia potencial U del sistema de part´iculas
    son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de referencia.
    La energ´ia mec´nica E de un sistema de part´iculas es igual a la energ´ia mec´nica
    convencional E del sistema de part´iculas (E = E )
    Bibliograf´
    A. Einstein, Sobre la Teor´ia de la Relatividad Especial y General.
    G · Gamow, Uno, Dos, Tres, … In?nito.
    E. Mach, La Ciencia de la Mec´nica.
    H. Goldstein, Mec´nica Cl´sica.
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