Autor Tema: Más rápido que la velocidad de la luz.

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06 Noviembre, 2009, 08:07 am
Respuesta #40

Luis Fuentes

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Hola

 Don Equis, creo que vuelves al principio: tu aproximación es justo la incial que hacíamos yoyontzin, argentinator y yo. Lo único que estás llamando "aceleración" a la derivada del espacio. No. Eso serían velocidades. Sea como sea relee los primeros mensajes del hilo y compara.

Saludos.

06 Noviembre, 2009, 04:20 pm
Respuesta #41

Don Equis

  • Aprendiendo de a poco...
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Hola.

Es que yo no quiero referirme al caso particular de la escalera, sino a una noción geométrica. Tú decías algo semejante a cómo era posible que una aceleración aplicada a un extremo de un cuerpo que estaba inicialmente en reposo compense una velocidad que se le apliqua a la otra punta del cuerpo. O eso es lo que yo entendí. Como si sólo una 'velocidad ya obtenida' puede competir sólo con otra 'velocidad ya obtenida'. En otra palabras, lo que yo mostré es que si variamos "una cantidad diferencial" el lado nulo del triángulo degenerado agrandándolo, entonces para mantener constante la hipotenusa el otro lado no necesita variar en absoluto; y a medida que seguimos agrandando el otro lado (siempre a una velocidad constante), entonces el otro va a ir necesitando una velocidad cada vez mayor, pero que pudo haber sido tan chica como quisiéramos (¡cuántas veces dije otro!). Que en sí está escrito en el planteo de yoyonitz.

Digamos que el planteo de yoyonitz no es físicamente correcto, pero sí permite deducir ciertas cosas que son ciertas. Por ejemplo, que no puede existir ningún movimiento del estilo donde la escalera se mantenga fija contra la pared (hecho que lo llevó a plantear el problema). Pero también puede deducirse que si se aplicara una fuerza hacia abajo a la izquierda en la punta de arriba tan pequeña como uno quisiera, entonces no habría forma de despegar inmediatamente la escalera de la pared. Y esto no tiene nada que ver con el aspecto físico del problema, es tan sólo una cuestión geométrica (a menos que, naturalmente, yo esté equivocado). Si analizáramos un segundo caso donde la pared se encuentra inclinada hacia el segundo cuadrante y nosotros le diéramos una velocidad inicial al extremo de abajo perpendicular a la pared ¿habría forma de separar la punta de arriba de la pared en el instante inicial? Mi análisis me dice que no.

Saludos.
I believe a leaf of grass is no less than the journey-work of the stars.

 \( e^{i\pi}+1=0 \)

06 Noviembre, 2009, 08:54 pm
Respuesta #42

Jabato

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La ecuación:

\( \boxed{\displaystyle\frac{\theta ''}{Sen(\theta)}=\displaystyle\frac{3g}{2L}} \)

al no contener la variable indepediente explícita puede reducirse de orden mediante un cambio de variable:

Hagamos que \( \theta=x \) y \( \theta' =y \), con estos cambios resulta que \( \theta ''=\displaystyle\frac{dy}{dt}=\displaystyle\frac{dy}{dx}\displaystyle\frac{dx}{dt}=y\displaystyle\frac{dy}{dx} \), y la ecuación se transforma en:

\( \boxed{y\frac{dy}{dx}=\displaystyle\frac{3g}{2L}Sen(x)} \)

que se integra con relativa facilidad:

\( 2ydy =\displaystyle\frac{3g}{L}Sen(x)dx\quad\longrightarrow{}\quad y^2=-\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(x)+K \)

y al deshacer los cambios aplicados resulta la ecuación:

\( \theta '^2+\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(\theta)=K \)

que es una ecuación diferencial de primer orden, teóricamente más sencilla, aunque sospecho que es ésta la que no vamos a poder resolver. El valor de la constante K puede conocerse ya que dicha ecuación se debe satisfacer en el punto crítico lo que nos permite escribir:

\( {K=\displaystyle\frac{v_0^2}{L^2Cos^2(\theta_c)}+\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(\theta_c)=\displaystyle\frac{v_0^2}{L^2Cos^3(\theta_c)}Cos(\theta_c)+\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(\theta_c)=\displaystyle\frac{3g}{2L}Cos(\theta_c)+\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(\theta_c)=\displaystyle\frac{9g}{2L}Cos(\theta_c)} \)

conforme a las condiciones de contorno que obtuve anteriormente, falta solo resolver la última integración, pero esa ya no la veo ni clara ni nada que se le parezca:


\( \boxed{\theta '^2+\displaystyle\frac{3g}{L}Cos(\theta)=\displaystyle\frac{9g}{2L}Cos(\theta_c)} \)

siendo esta ecuación diferencial la que regula el valor de \( \theta \) una vez que las escalera deja de apoyarse en la pared. Podemos expresar esta ecuación en términos de energía multiplicandola simplemente por el momento de inercia de la escalera respecto a su base y obtenemos:

\( \boxed{I\theta '^2+mgh=\displaystyle\frac{3}{2}mgh_c} \)

que expresa que la energía cinética de rotación de la escalera más su energía potencial debe sumar 3/2 de la energía potencial que tenía la escalera en el punto crítico. Esta ecuación parece no estar conforme con el teorema de la conservación de la energía, ya que lo correcto hubiera sido quizás obtener:

\( I\theta '^2+mgh=mgh_c \)

Es posible que se me haya colado un error en los cálculos, aunque sinceramente no me siento con demasiados ánimos para revisar todos los números para buscar ese error, si alguien tiene ganas y es capaz de encontrarlo pues se agradecerá aunque también es posible que se deba a que el CDG de la escalera no describe un movimiento uniforme si no que presenta una aceleración horizontal negativa (lo que provoca que pierda parte de su energía cinética) ó bien al hecho de que en el punto crítico la escalera tiene ya una cierta energía de rotación que se debe sumar a su energía potencial a la hora de aplicar el teorema de la conservación de la energía, efectos que serían capaces de compensar quizás la diferencia observada. No se cual es la respuesta correcta ni voy a investigarlo, a ver si alespa tiene ganas y es capaz de dar una interpretación correcta a este resultado.

Aunque solo haré un intento más, la enrgía cinética de rotación que presenta la escalera en el punto crítico vale exactamente:

\( {I\theta_c '^2=\displaystyle\frac{1}{3}mL^2\theta_c'^2=\displaystyle\frac{1}{3}mL^2\displaystyle\frac{v_0^2}{L^2Cos^3(\theta_c)}Cos(\theta_c)=mg\displaystyle\frac{L}{2}Cos(\theta_c)=\displaystyle\frac{1}{2}mgh_c} \)

que efectivamente pone de manifiesto que el teorema de la conservación de la energía se cumple exactamente ya que entonces la ecuación puede escribirse como:

\( \boxed{I\theta '^2+mgh=I\theta_c '^2+mgh_c=\displaystyle\frac{3}{2}mgh_c=Cte} \)        ó bien         \( \boxed{E_r+E_p=Cte} \)

que expresa que la suma de las enegías de rotación y potencial de la escalera se mantiene constante en todo instante, conclusión que es por lo tanto la confirmación de que los resultados obtenidos son correctos. La pena es que con un problema tan bonito como éste no podamos obtener la ecuación del movimiento de la cabeza de la escalera dada la imposibilidad de obtener la expresión de \( \theta \) en función del tiempo al no poder integrar la ecuación diferencial que regula el movimiento. Una lástima.

Saludos, Jabato. ;D

07 Noviembre, 2009, 02:22 am
Respuesta #43

Rogelio Yoyontzin

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Hola.

Si la escalera tiene la base fija, y se deja caer desde una posición inicial con un ángulo inicial, entonces la punta de la escalera describe un círculo claramente. Pero, cuál es la parametrización de dicho circulo que describe el movimiento de la punta? o en dado caso, cómo es la función que mide la distancia al suelo de la punta de la escalera después de t segundos?...

Es que si sabemos esta parametrización, entonces dibujar la curva que sigue la escalera cuando se le pone movimiento horizontal a la base es fácil, y tengo la impresión que esta curva intersección con la recta que describiría la pared, es precisamente el punto en el que la escalera deja de tocar la pared.
Yoyontzin.

07 Noviembre, 2009, 04:19 am
Respuesta #44

Jabato

  • Visitante
La ecuación que debe satisfacerse en este caso es la misma:

\( E_r+E_p=Cte \)

solo que si ahora suponemos que la posición inicial es una cualquiera y que la escalera parte del reposo entonces solo cambia el valor de la constante, que se corresponderá ahora con la energía potencial de la escalera en la posición inicial, de manera que:

\( I\theta '^2 +\displaystyle\frac{1}{2}mgLCos(\theta)=\displaystyle\frac{1}{2}mgLCos(\theta_0) \)

pero la ecuación diferencial es básicamente la misma, con lo que nos encontramos exactamente con el mismo problema, la derivada elevada al cuadrado y la función como argumento de un Coseno, y eso tiene un aspecto horrible para intentar resolverlo.

Personalmente creo que tu intuición no es correcta, aunque sospecho que no va a ser fácil averiguar cual de los dos tiene razón. Piensa solo una cosa, si tu intuición fuera correcta, cuando está la pared la velocidad debería de cambiar bruscamente, ya que en la primera fase del movimiento es vertical y en la segunda fase adoptaría un determinado ángulo con la pared, de forma repentina, eso puede ocurrir en física con las aceleraciones, pero no con las velocidades, que siempre son funciones continuas (eso se llama movimiento inercial). Un objeto másico no puede cambiar bruscamente su velocidad, tiene que hacerlo de forma gradual, incluso en el caso clásico del choque, ya sea elástico ó no, aunque en este caso se supone que las variaciones son muy rápidas, pero la velocidad siempre será una función continua.

A mí la intuición me dice que el momento en que la escalera se separa de la pared es justo cuando al componer vectorialmente las velocidades de la cabeza (supuesta la base fija) con la velocidad horizontal de la base (supuesta ésta moviéndose a velocidad constante) la resultante es precisamente una velocidad vertical, pero ya te digo que eso creo que no va a ser fácil averiguarlo porque no podemos determinar la expresión de la velocidad angular de giro de la escalera en función del tiempo.

Saludos, Jabato. ;D

07 Noviembre, 2009, 05:31 am
Respuesta #45

Jabato

  • Visitante
Aunque se me ocurre que hay un caso particular que podemos resolver. Es cuando la escalera parte del reposo y con una inclinación de \( \theta_0 \) ya que entonces como no hay aporte exterior de energía podemos escribir:

\( \boxed{I\theta '^2+mgh=I\theta_c '^2+mgh_c=\displaystyle\frac{3}{2}mgh_c=\displaystyle\frac{1}{2}mgLCos(\theta_0)} \)

con lo que obtenemos facilmente:

\( \boxed{h_c=\displaystyle\frac{1}{3}LCos(\theta_0)} \)   ?

aunque no sé si esta ecuación es demasiado correcta (es posible que sea muy aproximada) porque presupone que la base de la escalera pasa instantaneamente del reposo a la velocidad \( v_0 \) y eso como ya te he comentado es físicamente imposible, tiene que aplicarse una fuerza para que eso ocurra y esa fuerza va a realizar un trabajo, lo que supone un aporte exterior de energía, lo que va a provocar que esa fórmula sea solo aproximada:

\( \boxed{h_c\approx{}\displaystyle\frac{1}{3}LCos(\theta_0)} \)


Saludos, Jabato. ;D

07 Noviembre, 2009, 07:26 pm
Respuesta #46

argentinator

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Encontré esta página, que creo dice conclusiones como las que ya han obtenido Alespa y Jabato.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/solido/din_rotacion/escalera/escalera.htm



07 Noviembre, 2009, 07:47 pm
Respuesta #47

Jabato

  • Visitante
Pues efectivamente es exactamente el mismo problema, aunque el trabajo que hemos hecho aquí resulta bastante más completo que el que se muestra en esa web, al menos eso creo yo.

Sin embargo el modelo gráfico, resulta interesante. Quizás ese pudiera servir para ver el grado de aproximación que nos da la ecuación:

\( \boxed{h_c\approx{}\displaystyle\frac{1}{3}LCos(\theta_0)} \)

que deduje antes. Parece que la aproximación es buena para velocidades pequeñas, pero empeora con las velocidades grandes, lo cual es lógico ya que mientras mayor es la velocidad de la base mayor es la energía que se debe aportar exteriormente para conseguirla y logicamente mayor es el error que se comete al suponer que esta energía es nula, que es como se ha deducido esa ecuación.

Saludos, Jabato. ;D

07 Noviembre, 2009, 07:56 pm
Respuesta #48

alespa07

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Encontré esta página, que creo dice conclusiones como las que ya han obtenido Alespa y Jabato.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/solido/din_rotacion/escalera/escalera.htm

Hola. Pues sí, el problema es el mismo. El applet que tiene la página es bastante bueno. De todos modos, ahora que tengo un poco de tiempo haré la simulación de la trayectoria de la cabeza de la escalera con mathematica para que podamos apreciar el fenómeno. También me pondré a leer detenidamente las conclusiones de Jabato para ver si consigo explicaros que se cumple la conservación de la energía.

Saludos.


Las matemáticas son el alfabeto con el cual dios creó el universo.
Galileo Galilei.

07 Noviembre, 2009, 07:57 pm
Respuesta #49

argentinator

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Lo que pasa es que no termino de entender qué pasa con la velocidad final del punto P cuando toca el piso.

Hay una fórmula al final que depende la velocidad horizontal \( v_0 \).
Supongo que habrá que analizar eso.
A mí me da que, cuanto más pequeña es \( v_0 \), también se hace más pequeña la velocidad final del punto P en el piso.
Usando:

\( v_p=-v_0\sqrt{(3gL/2v_0^2)^{2/3}-1} \)