Autor Tema: Tiene que existir una explicación

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30 Enero, 2011, 11:16 pm
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Weierstrass

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Supongamos un cuerpo a 2 metros de altura respecto al extremo de un resorte que se encuentra en su posición de relajación (tomamos este como el origen de coordenadas y el eje y positivo para arriba). Dejamos caer el cuerpo y despreciamos fuerzas de rozamiento. ¿Cuánto se comprime el resorte cuya constante es de 3000 N/m?

Sabemos que como no hay fuerzas de rozamiento la energía mecánica se conserva, de esta manera la energía potencial gravitatoria se transforma en energía potencial elástica y gravitatoria al llegar a la  máxima compresión. Bien al efectuar los cálculos y quedar una expresión cuadrática las raíces son : -0.17 m y  0.15 m. La duda es ¿no tendrían que ser iguales las raíces en modulo? ¿influye en algo que el resorte este en forma vertical y actúe el peso cuando sube? Me piden que justifique esto

Gracias.
Saludos.

Weierstrass.
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30 Enero, 2011, 11:51 pm
Respuesta #1

Jabato

  • Visitante
Bien, me gustaría revisar tus cálculos porque no es posible que al recibir el impacto el resorte se estire, así que una de las dos soluciones es incorrecta (ó las dos).

Trabajo para comprimir el resorte una longitud \( x \) viene dado por:

\( W=kx^2 \)

que debe ser igual a la pérdida de energía potencial de la masa al caer, por lo tanto:

\( mg(h+x)=kx^2 \)

No has dado el dato de la masa ó el peso del cuerpo que cae, y es necesario para hacer algunos números. En cualquier caso solo es válida la raíz positivade esta ecuación, la negativa debe despreciarse ya que no representa un estado posible del sistema puesto que la inercia de la masa que cae solo puede comprimir el resorte, y nunca estirarlo.

Saludos, Jabato. ;D

30 Enero, 2011, 11:59 pm
Respuesta #2

Weierstrass

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Dado el sistema de coordenadas con eje y para arriba positivo. Me tendría que quedar con el negativo, pues, al comprimir va por debajo del cero. Pesa 2kg. Acá lo que es raro es que ambas soluciones sean distintas en modulo, me dijeron que se debe a que el peso influye en el momento de subir, por eso sube menos de lo que baja. Como si la otra raíz fuera la posición que alcanza al estirarse después de la bajada. Pero esto dicen tendría que ser 0.17 m. Algo hace el peso del cuerpo ya que el resorte está en forma vertical.

Saludos
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31 Enero, 2011, 03:34 am
Respuesta #3

feriva

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Dado el sistema de coordenadas con eje y para arriba positivo. Me tendría que quedar con el negativo, pues, al comprimir va por debajo del cero. Pesa 2kg. Acá lo que es raro es que ambas soluciones sean distintas en modulo, me dijeron que se debe a que el peso influye en el momento de subir, por eso sube menos de lo que baja. Como si la otra raíz fuera la posición que alcanza al estirarse después de la bajada. Pero esto dicen tendría que ser 0.17 m. Algo hace el peso del cuerpo ya que el resorte está en forma vertical.

Saludos

Hola, Weierstrass. El problema te engaña porque lo que comparas con este ejemplo: se tira una piedra hacia arriba con una velocidad inicial \( V_i \). La piedra, según sube, va desacelerando, la acelaración es negativa. Sube hasta que se para, es decir, su velocidad final es \( V_f=0 \), momento en el que empieza a bajar y la acelaración se hace positiva. Al llegar al suelo lo hace con la misma velocidad que se lanzo; ahí esta el kid de la cuestión en cuanto a la conservación de la energía, fíjate en ello.
 En tu problema partimos desde arriba, en reposo, y es verdad que en principio existe una energía potencial \( mgh \). Si dejáramos caer la piedra sin muelle, no subiría, el problema no es igual, aquí se considera una subida que tiene que ver con la elasticidad del muelle y con la pérdida de energía cinética que ello conlleva.
Oye, si subiera tanto como ha bajado, qué maravilla, tendríamos conseguido el movimiento perpetuo y la energía nos saldría baratísima, incluso gratis  :laugh

Aquí lo que ocurre es que el experimento no está terminado, el muelle no se queda arriba, baja otra vez, luego es una consideración parcial, y su lo sujetásemos para pararlo cuando llega arriba la primera vez estaríamos alterando el curso natural de la conservación de esa energía.

Yo no he hecho el experimento pero supongo que si se deja subir y bajar al muelle, éste realizará una serie de paradas, por un instante, a alturas \( h_1 \), \( h_2 \), \( h_3 \) hasta que se pare del todo. Lo lógico será que, si consideramos las energías potenciales en los momentos de parada, \( mgh_1 \), \( mgh_2 \).. su sumatoria coincida con la de las análogas energías cinéticas y así se conserve la energía; despreciando fuerzas no conservativas, claro. Pero ya digo que esto es una hipótesis por mi parte, no sé si es así. No obstante parece lógico, ya que, las velocidades van siendo menores, pero también los recorridos entre las distintas \( h_i \) y \( h_r \) van siendo más cortos.

Saludos.

01 Febrero, 2011, 12:07 am
Respuesta #4

Weierstrass

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Si el peso no estaría, ustedes dicen que la fuerza de restitución haría de esto una oscilación que en teoría sería infinita. ¿Pero la fuerza debida a la gravedad hace que en cada oscilación la altura máxima conseguida sea menor?
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01 Febrero, 2011, 04:42 am
Respuesta #5

feriva

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Si el peso no estaría, ustedes dicen que la fuerza de restitución haría de esto una oscilación que en teoría sería infinita. ¿Pero la fuerza debida a la gravedad hace que en cada oscilación la altura máxima conseguida sea menor?

Hola, Weierstrass. No tengo un muelle aquí para observarlo pero una cosa es clara: hace cada vez recorridos más cortos desde los puntos en que cambia su sentido; antes pararse de apenas recorre nada, es una simple vibración. La suma de las energías potenciales, en esos momentos en los que se para un instante, será la sumatoria de  \( mg(h_f-h_i) \). Eso es lo importante, el recorrido, que va siendo más corto.
 Si la constante de recuperación es considerable, el muelle no va a bajar si no hay un peso colgando de él, si la constante de recuperación es poca cosa, el muelle no subirá al punto de partida, subirá un poco menos y, cuando se pare, lo hara a una altura media; desde luego no se queda pegado al suelo ni comprimido del todo en el techo.

 Un saludo y buenas noches.

13 Febrero, 2022, 08:48 pm
Respuesta #6

JCB

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Hola a tod@s.

Repasando este antiguo ejercicio, tomo como referencia \( 0 \) de la energía potencial gravitatoria al extremo libre (superior) del muelle. Por conservación de la energía,

\( mgh=mg(-\Delta h)+\dfrac{1}{2}k(\Delta h)^2 \)

\( \Delta h=0,1683\ m \) (solución positiva de la ecuación de 2º grado anterior. La otra solución, \( -0,1553\ m \), no tiene significado físico). El muelle se comprimiría (hacia abajo) este valor.

Editado para revisar el último párrafo escrito. Espero que la barbaridad que había escrito antes, solo la haya visto argentinator :-[

La distancia que se estiraría el muelle en el recorrido de subida, se puede determinar aplicando otra vez la conservación de la energía,

\( mg(-\Delta h)+\dfrac{1}{2}k(\Delta h)^2=mg\Delta h’+\dfrac{1}{2}k(\Delta h’)^2 \)

Resolviendo la ecuación de 2º grado anterior,

\( \Delta h’=0,1553\ m \) (solución positiva de la ecuación de 2º grado anterior. La otra solución es \( -0,1683\ m \)).

Por otra parte, tal y como está planteado el ejercicio (idealmente), la masa oscilaría indefinidamente en el tiempo, pues al no haber rozamientos, se trata de oscilaciones libres no amortiguadas.

Nota: la distancia que se estiraría el muelle en el recorrido de subida, también se puede obtener a partir de

\( mgh=mg\Delta h'+\dfrac{1}{2}k(\Delta h')^2 \)

De esta manera, se ve más claramente el porqué de los módulos y de los signos, en las soluciones de las dos ecuaciones de 2º grado.

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