Autor Tema: Dos discos acoplados, una polea y aceleraciones angulares

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04 Noviembre, 2024, 12:07 am
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hernanlopezpardo

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Buenas tardes, les consulto por el
siguiente ejercicio. Escribi por separado los diagramas de cuerpo libre de cada objeto (disco grande A, disco chico B y caja C).

1) Un disco A y un tambor cilíndrico macizo B se encuentran rígidamente unidos y giran, sin rozamiento,
alrededor de un eje fijo vertical (eje y de la figura) bajo la acción del bloque C. El bloque C está unido a
una cuerda que pasa por una polea fija de masa despreciable, enrollada
alrededor del tambor B. El eje y pasa por los centros de A y B. El primer
tramo de la cuerda permanece siempre horizontal.



a) Calcule el momento de inercia del conjunto A+B alrededor del eje y.
b) Determine la aceleración angular del disco A y la aceleración del bloque C.
c) Determine la energía cinética del sistema (A+B+C) y la velocidad angular
del disco A cuando el bloque C descendió 1 m después de partir del reposo.
\( m_{A}=16 kg, m_{B}=4 kg, m_{C}=5 kg, r_{A}=0.6 m, r_{B}=0.2 m  \)

Cuerpo A
\( \displaystyle\sum{F_{y}}=-P_{A}+N_{A}=0 \)
\( \displaystyle\sum{F_{x}}=T_{A} =m_{A}a_{A} \) (1)

Cuerpo B
\( \displaystyle\sum{F_{y}}=-P_{B}+N_{B}-N_{B}=0 \)
\( \displaystyle\sum{F_{x}}=T_{B} =m_{B}a_{B} \) (2)

Cuerpo C
\( \displaystyle\sum{F_{y}}=P_{C}-T_{C}=m_{c}a \) (3)

Para el piso opte para la aceleración positiva hacia la derecha y para el cuerpo C la aceleración positíva hacia abajo.

el punto a) me quedo \( I_{ab}=2,96kgm^2 \)

Luego escribi las ecuaciones de vínculo para igualar las aceleraciones y reemplazar en las ecuaciones de Newton.
\( a_{A}=\alpha.R \)
\( a_{B}=\alpha.r \)

\( \displaystyle\sum{F_{x}}=T_{A} =m_{A}\alpha.R \) (4)
\( \displaystyle\sum{F_{x}}=T_{B} =m_{B}\alpha.r \) (5)

En la ecuación (3) reemplace \( a_{B}=\alpha.r \) y despeje la tension. (aca pense que la la aceleración de el cuerpo B, se transmite  por la polea al cuerpo C.

\( T=50N-5kg.0,2m\alpha \) (6)



\( 0,2m(-5kg.0,2m.\alpha+50N)=I_{AB}.\alpha \)
\( \alpha=3.16 s^{-2} \)

Luego la aceleración de C \( 0,2m.3,16s^{-2}=0,63\displaystyle\frac{m}{s^{2}} \)

Ahí subi la imagen, no sabia se podía.
Hernan López Pardo
Estudiando Ingeniería Electrónica
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04 Noviembre, 2024, 08:24 pm
Respuesta #1

JCB

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Hola a tod@s.

hernanlopezpardo: ¿ has pensado en añadir un croquis ?. Tengo la seguridad de que incentivaría respuestas al tema.

Saludos cordiales,
JCB.
"Lo consiguieron porque no sabían que era imposible", autor: Jean Cocteau.

04 Noviembre, 2024, 08:27 pm
Respuesta #2

hernanlopezpardo

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Yo tengo los diagramas aca en mi cuaderno, pero nose si se pueden subir JCB. De ser asi, los hago en detalle y los subo.
Hernan López Pardo
Estudiando Ingeniería Electrónica
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06 Noviembre, 2024, 08:34 pm
Respuesta #3

JCB

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Hola a tod@s.

Llego a que la aceleración del bloque \( C \), es \( a_C=\dfrac{m_Cg}{\dfrac{I}{r_B^2}+m_C}=0,6203\ m/s^2 \) (utilizo \( g=9,8\ m/s^2 \). Parece que tú has utilizado \( g=10\ m/s^2 \)).

\( \alpha=\dfrac{a_C}{r_B}=3,1013\ rad/s^2 \)

A partir de aquí, como el bloque \( C \) parte del reposo, su velocidad después de descender un metro, es
\( v_C=\sqrt{2a_Cd}=1,1138\ m/s \). En consecuencia, la velocidad angular del conjunto disco – tambor es \( \omega=\dfrac{v_C}{r_B}=5,5689\ rad/s \).

Finalmente la energía cinética de todo el sistema es \( E_c=\dfrac{1}{2}I\omega^2+\dfrac{1}{2}mv_C^2=49\ J \).

Saludos cordiales,
JCB.
"Lo consiguieron porque no sabían que era imposible", autor: Jean Cocteau.

06 Noviembre, 2024, 10:33 pm
Respuesta #4

ani_pascual

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Hola:
...
Llego a que la aceleración del bloque \( C \), es \( a_C=\dfrac{m_Cg}{\dfrac{I}{r_B^2}+m_C}=0,6203\ m/s^2 \) (utilizo \( g=9,8\ m/s^2 \). Parece que tú has utilizado \( g=10\ m/s^2 \)).

\( \alpha=\dfrac{a_C}{r_B}=3,1013\ rad/s^2 \)

A partir de aquí, como el bloque \( C \) parte del reposo, su velocidad después de descender un metro, es
\( v_C=\sqrt{2a_Cd}=1,1138\ m/s \). En consecuencia, la velocidad angular del conjunto disco – tambor es \( \omega=\dfrac{v_C}{r_B}=5,5689\ rad/s \).

Finalmente la energía cinética de todo el sistema es \( E_c=\dfrac{1}{2}I\omega^2+\dfrac{1}{2}mv_C^2=49\ J \).
...
Coincido con tus resultados, JCB.  :) Por aportar algo, escribo el planteamiento:
a) \(  I_{AB}=\dfrac{1}{2}m_Ar_A^2+\dfrac{1}{2}m_Br_B^2=2,96\,kg\cdot m^2 \)
b) \( \left\{\begin{array}{l}m_Cg-T=m_Ca\\Tr_B=I_{AB}\alpha\\a=\alpha r_B\end{array}\right.\Longrightarrow (m_Cg-m_Ca)r_B=I_{AB}\dfrac{a}{r_B}\Longrightarrow a=\dfrac{m_Cg}{\dfrac{I_{AB}}{r_B^2}+m_C}\simeq 0,6203\,m/s^2\\\alpha=\dfrac{a}{r_B}=3,1013\,rad/s^2 \)
c) \( v^2=v_0^2+2ad\Longrightarrow v=\sqrt{2ad}=1,1138\,m/s\Longrightarrow \omega=\dfrac{v}{r_B}=5,569\,rad/s \) de donde
\( E_c=\dfrac{1}{2}I_{AB}\omega^2+\dfrac{1}{2}m_Cv^2=49\,J \)
Saludos

07 Noviembre, 2024, 02:23 am
Respuesta #5

hernanlopezpardo

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Les agradezco todos los aportes, ayer lo vimos con el profesor. Entre otras cosas pude aclarar conceptos del movimiento de los 2 discos como 1 sólo y así tener menos incógnitas.

Pensaba subir hoy las ecuaciones y soluciones pero estuve estudiando choque y torque.

Comprobé los resultados suyos y son los mismos de la guía.

Muchas gracias
Hernan López Pardo
Estudiando Ingeniería Electrónica
en la UNSAM

07 Noviembre, 2024, 02:53 am
Respuesta #6

delmar

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Hola

Sí los resultados son correctos. En el enunciado esta claro que el disco A y B constituyen un solo cuerpo rígido y la cuerda esta actuando sobre la parte B.


Saludos

07 Noviembre, 2024, 03:09 am
Respuesta #7

hernanlopezpardo

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Hola

Sí los resultados son correctos. En el enunciado esta claro que el disco A y B constituyen un solo cuerpo rígido y la cuerda esta actuando sobre la parte B.


Saludos

Cómo estás, había interpretado que ambos discos estaban actuando juntos ya que antes de todo obtuve el momento de inercia de los 2 juntos, pero tenla un problema conceptual y de como ordenar el ejercicio para resolverlo.

Saludos.
Hernan López Pardo
Estudiando Ingeniería Electrónica
en la UNSAM

07 Noviembre, 2024, 07:55 pm
Respuesta #8

JCB

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Hola tod@s.

A mi entender, para asegurar de forma más rigurosa que los resultados son correctos, se tendrían que confrontar con los obtenidos mediante un método alternativo (aunque soy consciente de que esto no siempre es posible). Afortunadamente, en este ejercicio, podemos emplear alternativamente el método energético.

Establezco como referencia \( 0 \) de la energía potencial gravitatoria a la posición inicial de \( m_C \) (antes de iniciarse el movimiento). De esta manera, la energía mecánica del sistema en la posición inicial es \( 0 \), \( E_{mi}=0 \).

En la posición final, la energía mecánica es \( E_{mf}=-m_Cgd+\dfrac{1}{2}I\omega^2+\dfrac{1}{2}m_Cv_C^2 \). Igualando las energías, sustituyendo \( v_C=\omega r_B \), y despejando,

\( \omega=\sqrt{\dfrac{2m_Cgd}{I+m_Cr_B^2}}=5,5689\ rad/s^2 \)

A partir de aquí, \( v_C=\omega r_B=1,1138\ m/s \), \( a_C=\dfrac{v_C^2}{2d}=0,6203\ m/s^2 \), \( \alpha=\dfrac{a_C}{r_B}=3,1013\ rad/s^2 \), \( E_c=49\ J \).

Saludos cordiales,
JCB.
"Lo consiguieron porque no sabían que era imposible", autor: Jean Cocteau.

08 Noviembre, 2024, 04:03 am
Respuesta #9

delmar

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Solamente para complementar las respuestas se dan haciendo algunas hipótesis simplificativas, que siempre hay que tenerlas en cuenta :

1) Constancia de la longitud de la cuerda.

2) Masa cero de la cuerda.

3) Masa cero de la polea que esta en contacto con la cuerda.

4) No hay deslizamiento entre la cuerda y el tambor B. Todos los puntos de la cuerda en contacto con el tambor, tienen la misma velocidad que los puntos del tambor correspondientes.

5) A y B son cilindros, en realidad no lo son hay un espacio para el eje.

Saludos