Autor Tema: Ejercicio de cinemática

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18 Agosto, 2008, 04:56 pm
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Springer

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Hola, gente.

Necesito ayuda con el siguiente ejercicio de cinemática:

Una bola cae libremente desde una altura \( h \) sobre un plano inclinado que forma un ángulo \( \alpha \) con la horizontal. Encontrar la relación de las distancias entre los puntos, en los cuales la bola saltando toca el plano. Considerar los choques completamente elásticos.

El gráfico del movimiento es el siguiente:



Respuesta:

Spoiler
Si \( d_n \) es la distancia entre el \( n \)-ésimo y el \( (n+1) \)-ésimo choque sobre el plano, entonces \( \displaystyle\frac{d_{n+1}}{d_n} = \displaystyle\frac{n+1}{n} \), y \( d_1 = 8h \sin \alpha \).
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20 Agosto, 2008, 12:08 am
Respuesta #1

Springer

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¿Alguien sabe cómo resolverlo?

Realmente no se me ocurre ningún planteo.

20 Agosto, 2008, 12:55 am
Respuesta #2

Jabato

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Pues yo quizás tenga alguna idea de como hacerlo, aunque no lo he resuelto.

1º La clave está en lo que dice el enunciado de que los choques sean elasticos, puesto que ese tipo de choques conservan la energía, lo que quiere decir que la velocidad de la bola (su energía cinética) en cada momento (no su dirección) depende solo de la altura, y se puede obtener por diferencia entre la energía total, la que tenía antes de iniciar la caida y la que ha perdido por diferencia de cotas, eso por una parte.

2º Por otra cabe decir que la componente horizontal de la velocidad en el intervalo entre dos choques consecutivos debe ser constante como corresponde a un movimiento de caida libre, ya que no hay aceleración horizontal, pero en cada tramo será en general distinta, por el efecto de cambio de dirección que provoca el choque.

3º Y por último los choques modifican la cantidad de movimiento de la bola solo en su dirección, de manera que esta cambia en la misma forma en que se refleja un rayo de luz al chocar contra un espejo, la dirección de salida es simétrica a la dirección de llegada con respecto a la normal al plano inclinado.

Si con estas tres ideas eres capaz de plantear las ecuaciones, me alegraré, pero no es fácil puesto que el ángulo de llegada de la bola solo es conocido en el primer choque, en los demás debe ser calculado y depende de cual sea el ángulo de salida del choque anterior, la cosa no parece fácil. Este parece el clásico problema de "idea feliz", es decir si se te ocurre el truco para resolverlo lo resuelves, pero si no lo llevas claro.

Saudos, Jabato.

20 Agosto, 2008, 10:27 am
Respuesta #3

Luis Fuentes

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Hola

 Una forma.

 Tomamos un sistema de referencia con el eje \( X \) paralelo al plano y el eje \( Y \) perpendicular a este, y el origen en el primer punto de impacto.

 La velocidad en ese punto es:

 \( v=\sqrt{2gh} \)

 Y al rebotar la velocidad inicial en cada componente es:

 \( v_x=vsin(\alpha),\qquad v_y=vcos(\alpha) \)

 Tenemos ahora un movimiento uniformementa acelerado en cada componente, con aceleraciones:

 \( g_x=gsin(\alpha),\qquad g_y=-gcos(\alpha) \)

 Las ecuaciones del movimiento son:

 \( x(t)=v_xt+\dfrac{g_xt^2}{2} \)

 \( y(t)=v_yt+\dfrac{g_yt^2}{2} \)

 De la segunda obtenemos que el tiempo que tarda en volver a chocar la bola es:

 \( t_0=\dfrac{2v}{g} \)

 Ahora la clave está en que la velocidad \( v_y \) de salida siempre es la misma al rebotar, luego ese tiempo es siempre el que se tarde de choque en choque.

 Por otro lado la ecuación de \( x(t) \) es válida incluso después de chocar ya que la velocidad con la que sale en cada choque en el eje \( X \) es es la misma con la que llegó.

 Por tanto la distancia recorrida en el choque n-simo (entendemos que la primera caída es el choque 0) es:

\(  x(nt_0)=vsin(\alpha)\dfrac{2vn}{g}+gsin(\alpha)\dfrac{4v^2n^2}{2g^2}=\dfrac{2v^2sin(\alpha)}{g}n(n+1) \)

 y de ahí:

 \( d_n=x(nt_0)-x((n-1)t_0)=\dfrac{4vsin(\alpha)}{g}n \)

Saludos.