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Dinamica de una partícula




Enviado por Pablo Turmero



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    I. INTRODUCCIÓN En el capítulo anterior se estudio
    el movimiento de partículas sin tener en cuenta las causas
    que la producen. En este capítulo se estudiará el
    movimiento teniendo en cuenta las causas que la producen,
    respondiendo a preguntas como ¿qué mecanismo
    produce el movimiento?; ¿Porqué un cuerpo lanzado
    sobre una superficie se detiene?, etc. Por nuestra experiencia se
    sabe que el movimiento es el resultado de su interacción
    con otros cuerpos. Para esto se usa el concepto de fuerza

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    I. INTRODUCCIÓN La cinética básicamente
    estudia la relación entre las fuerzas y los cambios que
    originan en el movimiento de las partículas. Es decir la
    cinética estudia el movimiento teniendo en cuenta las
    causas que la producen

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    II. OBJETIVOS Estudiar la segunda ley de Newton del movimiento y
    la ley de Gravitación universal y definir la masa y el
    peso. Analizar el movimiento acelerado de una partícula
    usando las ecuaciones de movimiento con diferentes sistemas de
    coordenadas. Investigar el movimiento bajo una fuerza central y
    aplicarlos a la solución en el espacio
    mecánico

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    III. CONCEPTO DE FUERZA La idea de fuerza está asociada a
    muchas actividades del quehacer cotidiano. Por ejemplo halar de
    la cuerda para subir un bloque, golpear la pelota con el bate.
    Estos ejemplos muestran que la fuerza está asociada a una
    actividad muscular.

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    III. CONCEPTO DE FUERZA Sin embargo, en la naturaleza existen
    fuerzas que no producen movimiento macroscópico . Un
    ejemplo es la fuerza de gravedad que actúa sobre un cuerpo
    ubicado sobre una mesa, o la fuerza de gravedad sobre un auto en
    reposo

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    III. CONCEPTO DE FUERZA ¿Qué fuerza hace que un
    cuerpo celeste distante vague libremente por el espacio ?. Newton
    dio respuesta a esta inquietud señalando que el cambio en
    la velocidad es provocado por una fuerza. Por tanto diremos que
    la fuerza es la causa capaz de producir un cambio en la
    velocidad, es decir produce aceleración. Por otro lado,
    diremos que si sobre una partícula actúan varias
    fuerzas el cuerpo se acelerara si la resultante es diferente de
    cero. Debe señalarse además que si la fuerza
    actúa sobre un cuerpo produce deformaciones las mismas que
    pueden llegar a ser permanentes o no

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CONTACTO. Aparecen cuando
    los cuerpos en interacción están en contacto
    mecánico directo . Son el resultado de las fuerzas entre
    las moléculas de los cuerpos en interacción . Son
    ejemplos las fuerzas en resorte, cables, etc

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CONTACTO. En todos los
    casos, estas fuerzas están distribuidas en una
    región. Si el área de contacto es pequeña se
    dice que la fuerza es concentrada. En caso contario pueden ser
    linealmente distribuidas o superficialmente distribuidas

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CUERPO. Pueden ser:
    Gravitacionales Es la más débil de las cuatro
    interacciones Se considera despreciable si las partículas
    en interacción son electrones, protones, neutrones, etc.
    Es de gran importancia cuando se analiza cuerpos de gran masa
    tales como planetas satélites, estrellas Son de
    carácter atractivo La ley establece

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CUERPO. Pueden ser:
    ELECTROMAGNÉTICAS. Incluyen a las fuerzas
    eléctricas y magnéticas La fuerza eléctrica
    es originada por las cargas eléctricas, siendo de
    atracción o de repulsión. La fuerza
    magnética es originada por cargas eléctricas en
    movimiento. Son de origen dipolar y también son de
    atracción y repulsión

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CUERPO. Pueden ser: LA
    INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE. Tienen lugar entre
    partículas fundamentales llamadas hadrones (protones,
    neutrones) Es la que mantiene a los protones en el núcleo
    Son de corto alcance decreciendo rápidamente con la
    distancia

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    IV. FUERZAS DE LA NATURALEZA FUERZAS DE CUERPO. Pueden ser: D. LA
    INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL. también son de
    corto alcance, Tienen lugar entre electrones y protones Es la
    responsable de la desintegraciones radioactivas

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    V. MARCOS DE REFERENCIA MARCO DE REFERENCIA INERCIAL Lugar del
    espacio que se considera en reposo o con MRU, en donde en forma
    real o imaginaria se ubica un observador quien estudiara el
    movimiento

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    V. MARCOS DE REFERENCIA MARCO DE REFERENCIA NO INERCIAL Lugar del
    espacio que tiene un movimiento con aceleración. Este
    marco se usa cuando desde tierra que el cuerpo posee dos
    aceleraciones . Para estos marcos no se cumplen las leyes de
    Newton

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    VI. MOMENTUM LINEAL Es una cantidad vectorial definida como el
    producto de la masa por la velocidad. Es una cantidad importante
    que combina dos elementos que caracterizan el estado
    dinámico de una partícula su masa y
    velocidad.

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    VII. CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM LINEAL Considere dos
    partículas aisladas sujetas a su interacción mutua
    como se ve en la figura. Debido a la interacción sus
    velocidades cambian Sus trayectorias son curvas. El momento del
    sistema en el instante t es El momento del sistema en el instante
    t’ es

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    VII. CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM LINEAL Cuando el sistema es
    aislado se cumple El momento de un sistema de dos
    partículas sujetas sólo a su interacción
    mutua permanece constante Aún cuando este principio ha
    sido demostrado para dos partículas se cumple para
    cualquier sistema de partículas Es decir

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    VII. CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM LINEAL Analizando la
    ecuación de conservación del momento se ve que el
    cambio de momento de una partícula en un intervalo de
    tiempo ?t es igual y opuesto al cambio de momento de la otra. Es
    decir una interacción produce un intercambio de momento, o
    el momento ganado por una es igual al momento perdido por la
    otra

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    VIII. MASA INERCIAL 8.1 INERCIA. Resistencia que ofrece un cuerpo
    a cambiar su estado de reposo o movimiento. Por ejemplo se
    requiere mayor esfuerzo para mover un bloque metálico que
    uno de madera aún cuando ambos tienen la mismas
    dimensiones. Es decir el cuerpo metálico tiene mayor
    inercia 8.2 MASA Es una propiedad intrínseca de la materia
    que mide su inercia o su resistencia a la aceleración.
    Para medirla basta comparar las aceleraciones que produce una
    fuerza a dos cuerpos diferentes. Si dicha fuerza produce
    aceleraciones a cada cuerpo, la razón entre masas es

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    IX. SEGUNDA LEY DE NEWTON La primera ley de Newton explica lo que
    le sucede a un cuerpo cuando su resultante de fuerzas que
    actúa sobre ella es nula. La segunda ley de Newton
    responde a la pregunta ¿qué le sucede a un cuerpo
    cuando su resultante es diferente de cero Para determinar dicha
    ley dividamos al intercambio de momento entre el intervalo de
    tiempo Es decir las variaciones temporales respecto del tiempo de
    l momento de las partículas son iguales en magnitud pero
    direcciones opuestas Cuando el intervalo de tiempo tiende a cero
    se tiene

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    IX. SEGUNDA LEY DE NEWTON Designase al cambio temporal del
    momento como fuerza sobre un cuerpo. Se tiene Esta
    ecuación establece que “la razón de cambio
    del momento lineal de una partícula es igual a la fuerza
    que actúa sobre ella Teniendo en cuenta que La fuerza se
    expresa Cuando la masa m permanece constante Es decir la fuerza
    es igual al producto de la masa por la aceleración siempre
    y cuando la masa permanezca constante

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    X. Fuerza debido a la gravedad La fuerza más común
    es la debida a la atracción gravitacional entre la tierra
    y los cuerpos situados muy cerca de ella. Esta fuerza se denomina
    peso W. Esta fuerza siempre se encuentra dirigida hacia el centro
    de la tierra. Es decir Debido a que W depende de g el peso varia
    según la ubicación geográfica

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    XI. TERCERA LEY DE NEWTON La tercera ley de Newton establece Si
    dos cuerpos interactúan mutuamente entre sí, la
    fuerza que ejerce uno de los cuerpos sobre el otro es igual y
    opuesta a la fuerza que ejerce el segundo sobre el primero

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    XII. ECUACIÓN DE MOVIMIENTO Si una partícula de
    masa m interactúa con otras m1, m2,…… mn,
    aparece un sistema de fuerzas actuando sobre m. Cuando m es
    constante En componentes rectangulares se escribe

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    XIII. FUERZAS DE FRICCIÓN 1. NATURALEZA DE LA
    FRICCIÓN. La fricción es una fuerza tangente a las
    superficies de contacto entre cuerpos que tiende a resistir el
    deslizamiento relativo entre ellos. Se debe a la
    interacción molecular de las superficies en contacto.
    Algunas veces se llama adhesión o cohesión En la
    figura se observa la vista microscópica de dos superficies
    en contacto

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    XIII. FUERZAS DE FRICCIÓN 2. CLASES DE FRICCIÓN.
    ROZAMIENTO SECO También llamado de coulomb , aparece
    cuando las superficies en contacto son secas. Este rozamiento
    puede ser: (a) Estático. Aparece cuando las superficies en
    interacción están en reposo relativo. (b)
    Cinético. Aparece cuando las superficies en
    interacción están en movimiento relativo.

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    XIII. FUERZAS DE FRICCIÓN 2. CLASES DE FRICCIÓN.
    ROZAMIENTO HUMEDO Se presenta entre capas de fluidos que se
    mueven a distintas velocidades. Es de importancia cuando se
    considera el movimiento de fluidos en tubos. También es de
    importancia cuando se estudia el movimiento de mecanismos
    lubricados.

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    XIII. FUERZAS DE FRICCIÓN 2. CLASES DE FRICCIÓN.
    ROZAMIENTO HUMEDO También se observa rozamiento fluido
    cuando un cuerpo sólido de mueve en un fluido.

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    XIII. FUERZAS DE FRICCIÓN 2. CLASES DE FRICCIÓN.
    ROZAMIENTO POR RODADURA Aparece cuando los cuerpos en
    interacción tienen un movimiento relativo de rodadura La
    rueda del tractor gira a la vez que se traslada.

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    XIV. ROZAMIENTO SECO Cuando un cuerpo se mueve o tiende a moverse
    por la aplicación de fuerzas, aparece una fricción
    estática o cinética. La fuerza de fricción
    estática entre cuerpos aumenta en magnitud en la misma
    forma que lo hace la fuerza externa. La fuerza de fricción
    cinética varía con la velocidad.

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    XIV. ROZAMIENTO SECO Cuando el bloque se encuentra en la
    superficie horizontal actúan su peo W y la reacción
    normal. Al aplica P, en la superficie de contacto aparece una
    fuerza de fricción estática. Conforme P se
    incrementa la fricción estática también
    aumenta hasta alcanzar un valor máximo. Al seguir
    aumentando P llega un instante en que comienza a moverse el
    cuerpo disminuyendo la fricción

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    XIV. ROZAMIENTO SECO: Leyes de la fricción En la tabla se
    muestran los coeficientes de fricción estática para
    algunas superficies en contacto La máxima fuerza de
    fricción estática es. La fuerza de fricción
    cinética es. La fuerza de fricción estática
    máxima y la fricción cinética son: 1.
    Proporcionales a la reacción normal 2. Dependen de las
    condicione de las superficies en contacto 3. Ambas fuerzas son
    independientes del área de contacto 4. La fricción
    cinética es independiente de la velocidad relativa para
    velocidades moderadas.

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    XIV. ROZAMIENTO SECO: Coeficiente de fricción Se define
    como la razón entre la fuerza de fricción y la
    reacción normal. Se determinan experimentalmente Dependen
    de los materiales de los cuales están hechos las
    superficies y del estado de las superficies Se observa que Los
    valores de cada uno de los coeficientes de fricción
    están en el rango

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    XIV. ROZAMIENTO SECO: Angúlo de fricción Cuando un
    cuerpo está en contacto con una superficie pueden ocurrir
    cuatro situaciones No hay fricción Px = 0 No hay
    movimiento Px < Fs Inicio del movimiento Px =Fmax Movimiento
    relativo Px > Fk

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    8 – 35 ANGULOS DE FRICCIÓN A veces es conveniente
    remplazar la fuerza normal N y la fuerza de fricción por
    su resultante R (Gp:) No hay fricción (Gp:) Movimiento
    inminented (Gp:) No hay movimiento (Gp:) Movimienton

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    8 – 36 ANGULOS DE FRICCIÓN Si el bloque se encuentra en
    una superficie inclinada No hay fricción Movimiento
    inminented (Gp:) No hay movimiento (Gp:) Movimienton

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    EJEMPLO 01 La caja de 50 kg reposa sobre una superficie
    horizontal para el cual el coeficiente de fricción
    cinética es µk = 0.3. Si a la caja se le aplica una
    fuerza constante de 400 N. Determine la velocidad de la caja
    después de 3 s

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    EJEMPLO 02 Un proyectil de 10 kg es lanzado verticalmente hacia
    arriba desde el piso con una velocidad uncial de 50 m/s.
    Determine la máxima altura a la cual llegará si:
    (a) Se desprecia la resistencia del aire y, (b) la fuerza de
    rozamiento debido al aire es

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    EJEMPLO 03 El bloque indicado en la figura tiene una masa de 50
    kg y se encuentra sometido a la acción de una fuerza
    variable P = (25t) N. determine la velocidad del bloque 4 s
    después de la aplicación de P. La velocidad inicial
    es 1 m/s y el coeficiente de fricción cinética es
    0,25

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