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Una simple mecánica clásica rotacional




Enviado por Antonio A. Blatter



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    a a o a a a a a a a o a a a i Una Simple Mec´nica
    Cl´sica Rotacional Antonio A. Blatter Licencia Creative
    Commons Atribuci´n 3.0 (2015) Buenos Aires Argentina En
    mec´nica cl´sica, este trabajo presenta una simple
    mec´nica cl´sica rotacional que puede ser aplicada en
    cualquier sistema de referencia inercial o no inercial.
    Introducci´n i) Poder hallar de la manera m´s
    sencilla posible la velocidad angular ? de cualquier sistema de N
    part´iculas (sea un cuerpo r´igido o no) respecto a
    cualquier sistema de refe- rencia inercial o no inercial de
    manera tal que no sea necesario utilizar una componente radial y
    otra componente angular en cada una de las part´iculas del
    sistema. ii) Posteriormente, poder desarrollar una din´mica
    rotacional lo m´s sencilla posible que se pueda aplicar en
    cualquier sistema de referencia inercial o no inercial.
    Opci´n A Cinem´tica En mec´nica cl´sica,
    para cualquier sistema de referencia S (inercial o no inercial)
    la velocidad angular ? de cualquier sistema de N
    part´iculas (que gira sobre su centro de masa) respecto al
    sistema de referencia S es igual a la velocidad angular ?S de un
    sistema de referencia S’ (que gira sobre su origen
    O’) respecto al sistema de referencia S de manera tal que
    el origen O’ del sistema de referencia S’ coincida
    siempre con el centro de masa del sistema de part´iculas y
    que el momento angular L del sistema de part´iculas
    respecto al sistema de referencia S’ siempre sea igual a
    cero. Por lo tanto, el momento angular L del sistema de
    part´iculas respecto al sistema de referencia S’
    siempre es igual a cero. L = mi ( ri × vi ) = 0 1

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    i e a r ¯ r o r v r i i ¯r r r r r r r r i i ¯r r
    r r r r r r a i i i i ¯r ¯r r r r r r r r ¯ iculas
    r r r i i ¯r i i r r r Ahora, la posici´n ri y la
    velocidad vi de la i-´sima part´icula respecto al
    sistema de referencia S, est´n dadas por: ri = ri – R = (ri
    – R) = ¯i vi = vi – ?S × ri – V = (vi – V) – ?S
    × (ri – R) = vi – ?S × ¯i donde R y V son la
    posici´n y la velocidad respectivamente del centro de masa
    del sistema de part´iculas respecto al sistema de
    referencia S. Sustituyendo ri y vi en la primera ecuaci´n,
    se obtiene: mi [ ¯i × (¯i – ?S × ¯i )]
    = 0 mi (¯i × vi ) – mi [ ¯i × (?S ×
    ¯i )] = 0 Puesto que ¯i × (?S × ¯i ) =
    |¯i |2 ?S – (?S · ¯i ) ¯i , resulta: mi
    (¯i × vi ) – mi [ |¯i |2 ?S – (?S ·
    ¯i ) ¯i ] = 0 Como ?S = 1 · ?S (tensor unitario)
    y (?S · ¯i ) ¯i = (¯i ? ¯i ) ·
    ?S (producto tensorial o di´dico) entonces: mi (¯i
    × vi ) – mi (¯i × vi ) – mi [ |¯i |2 1
    · ?S – (¯i ? ¯i ) · ?S ] = 0 mi [
    |¯i |2 1 – (¯i ? ¯i ) ] · ?S = 0 Si
    de?nimos a i mi (¯i × vi ) como el momento angular L
    del sistema de part´ respecto al sistema de referencia S y
    a i mi [ |¯i |2 1 – (¯i ? ¯i ) ] como el tensor de
    inercia I del sistema de part´iculas con respecto al punto
    R, entonces queda: L – I · ?S = 0 Despejando ?S y como la
    velocidad angular ?S del sistema de referencia S’ respec-
    to al sistema de referencia S es igual a la velocidad angular ?
    del sistema de part´iculas respecto al sistema de
    referencia S, ?nalmente se obtiene: ? = I-1 · L a =
    d(?)/dt L = mi (¯i × vi ) = mi [(ri – R) × (vi –
    V)] I = mi [ |¯i |2 1 – (¯i ? ¯i ) ] = mi [ |(ri –
    R)|2 1 – (ri – R) ? (ri – R) ] El sistema de part´iculas
    puede ser cualquier sistema de part´iculas (sea un cuerpo
    r´igido o no) y si el sistema es de 1 sola part´icula
    entonces el momento angular y la velocidad angular siempre son
    iguales a cero. 2

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    a a a a i i i i i i i i i o a a o o Din´mica En
    mec´nica cl´sica, para cualquier sistema de
    referencia S (inercial o no inercial) el momento angular L de un
    sistema de N part´iculas, est´ ahora dado por: L = mi
    [(ri – R) × (vi – V)] = mi [(ri – R) × vi ] = mi [ ri
    × (vi – V)] Derivando con respecto al tiempo, resulta:
    d(L)/dt = mi [(ri -R)×(ai -A)] = mi [(ri -R)×ai ] =
    mi [ ri ×(ai -A)] Utilizando solamente la segunda igualdad,
    se tiene: d(L)/dt = mi [(ri – R) × ai ] Ahora como en todo
    sistema de referencia inercial ai = Fi /mi (as´ como en
    todo sistema de referencia no inercial considerando a las fuerzas
    ?cticias) ?nalmente se obtiene: d(L)/dt = [(ri – R) × Fi ]
    = M Opci´n B En mec´nica cl´sica, para
    cualquier sistema de referencia S con origen O (inercial o no
    inercial) la velocidad angular ? de cualquier sistema de N
    part´iculas (que gira sobre el origen O) respecto al
    sistema de referencia S es igual a la velocidad angular ?S de un
    sistema de referencia S’ (que gira sobre su origen
    O’) respecto al sistema de referencia S de manera tal que
    el origen O’ del sistema de referencia S’ coincida
    siempre con el origen O del sistema de referencia S y que el
    momento angular L del sistema de part´iculas respecto al
    sistema de referencia S’ siempre sea igual a cero. El
    desarrollo de la opci´n B es el mismo que el desarrollo de
    la opci´n A y las ecuaciones de la opci´n B son las
    mismas que las ecuaciones de la opci´n A con la
    particularidad que R, V y A siempre son iguales a cero, ya que
    ahora no representan la posici´n, la velocidad y la
    aceleraci´n del centro de masa del sistema de
    part´iculas respecto al sistema de referencia S sino que
    representan la posici´n, la velocidad y la
    aceleraci´n del origen O del sistema de referencia S
    respecto al sistema de referencia S. La ventaja de la
    opci´n B es que el momento angular y la velocidad angular
    de un sistema de 1 sola part´icula no siempre son iguales a
    cero. 3

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    a a a i i i i i i i Generalizando En mec´nica
    cl´sica, para cualquier sistema de referencia S (inercial o
    no inercial) el momento angular L de cualquier sistema de N
    part´iculas (sea un cuerpo r´igido o no) con respecto
    a un punto O (con posici´n Ro y velocidad Vo ) est´
    ahora dado por: L = mi [ (ri – Ro ) × (vi – Vo ) ] d(L)/dt
    = Mo = mi [ (ri – Ro ) × (ai – Ao ) ] [ (ri – Ro ) ×
    (Fi – mi Ao ) ] I = mi [ |(ri – Ro )|2 1 – (ri – Ro ) ? (ri – Ro
    ) ] Por lo tanto, en cualquier sistema de N part´iculas, se
    tiene: L = I · ? M = I · a ? = I-1 · L a =
    I-1 · M M = Mo + M1 + M2 Mo = + M1 = – M2 = + [ (ri – Ro )
    × (Fi – mi Ao ) ] mi (ri – Ro ) × { 2 ? × (vi –
    Vo ) } mi (ri – Ro ) × { ? × [ ? × (ri – Ro ) ]
    } Por lo tanto, se deduce que el momento angular L de un sistema
    aislado de N part´iculas permanece constante si los
    momentos internos Mo (int) logran anularse. 4

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    a o a o o o o o o Observaciones Estas ecuaciones son
    v´lidas en cualquier sistema de referencia inercial o no
    inercial. Los sistemas de referencia inerciales nunca deben
    introducir las fuerzas ?cticias sobre Fi y los sistemas de
    referencia no inerciales siempre deben introducir las fuerzas
    ?cticias sobre Fi . La magnitud M contiene un momento ((real)) (
    Mo ) y dos momentos ((?cticios)) ( M1 y M2 ) Los sistemas de
    referencia inerciales y los sistemas de referencia no inerciales
    siempre deben introducir los momentos ((?cticios)) sobre M. La
    magnitud M puede hallarse a partir de [ d(L )/dt = i mi ( ri
    × ai ) = 0 ] (Opci´n A) utilizando el mismo
    procedimiento que se utiliz´ para hallar ? pero esta vez es
    para hallar a (considerando que a = aS ) Al trabajar con
    cualquier sistema de N part´iculas (sea un cuerpo
    r´igido o no) entonces casi nunca el tensor de inercia I
    puede permanecer constante. La ecuaci´n Mo = i [ (ri – Ro )
    × (Fi – mi Ao ) ] solamente puede ser v´lida si Ao es
    igual a cero o si Ao puede quitarse de la ecuaci´n. En
    cualquier sistema de referencia S (inercial o no inercial) la
    elecci´n del punto O es libre pero teniendo en cuenta el
    punto anterior. Si el punto O es el origen del sistema de
    referencia S entonces Ro , Vo y Ao siempre son iguales a cero. Si
    el punto O es un punto ?jo o si tiene velocidad vectorial
    constante respecto al sistema de referencia S entonces Ao es
    igual a cero. Si el punto O es el centro de masa del sistema de
    part´iculas entonces Vo y Ao se pueden quitar de las
    ecuaciones ya que las ecuaciones obtenidas son iguales a las
    ecuaciones originales. La velocidad angular ? de cualquier
    sistema de part´iculas (respecto al punto O) siempre es
    igual a la velocidad angular ?S de un sistema de referencia
    S’ (cuyo origen siempre coincide con el punto O) en el cual
    el momento angular L del sistema de part´iculas siempre es
    igual a cero. La aceleraci´n angular a de cualquier sistema
    de part´iculas (respecto al punto O) siempre es igual a la
    aceleraci´n angular aS de un sistema de referencia S’
    (cuyo origen siempre coincide con el punto O) en el cual el
    momento angular L del sistema de part´iculas siempre es
    igual a cero. 5

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