Autor Tema: Otro ejercicio de energía

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25 Febrero, 2011, 12:34 am
Respuesta #20

jordioj

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El problema no es que los razonamientos y ecuaciones no tengan sentido, al contrario, el problema es que no quieres o no puedes entenderlos.
1 \( \dfrac{MV^{2}+I\omega ^{2}}{2}=\dfrac{Mv^{2}}{2} \) , conociendo el momento de inercia, que con el teorema de Steiner sale sencillo, y sabiendo que la velocidad angular es \( \omega=\dfrac{V}{d}=\dfrac{v}{l/2} \) ya he indicado en el mensaje 10 que se cumple.
2 Sistema de referencia situado a una distancia d por debajo del eje de la varilla, el sistema equivalente de masa M se encuentra inicialmente acoplado a la varilla en posición horizontal a una distancia d del eje. La energía potencial depende de la posición, al inicio se encuentra a una distancia d del sistema de referencia, por tanto \( E_i =Mgd \) ; al final la masa se encuentra por debajo del eje a una distancia nula del sistema de referencia, estando la varilla en posición vertical, por tanto \( E_f =0 \) . El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria, al ser conservativa equivale a \( -(E_f -E_i)=Mgd \) . El trabajo realizado también equivale a la variación de la energía cinética, y el sistema equivalente se tiene una masa M y un momento de inercia I, por tanto \( K_f -K_i=\dfrac{MV^{2}+I\omega ^{2}}{2}-0 \).
Reitero que me confundí, tus argumentos son totalmente correctos, si quieres olvidarlo como quieras, pero si dices que me equivoco demuéstralo.

26 Febrero, 2011, 04:28 am
Respuesta #21

Jorge quantum

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Reconciliemos ideas  ;) :

Pues yo si estoy de acuerdo con el hecho de que hay que considerar el momento de inercia.Con esto, para cada masa, la energía cinética total está dada por la energía cinética de rotación alrededor del eje, y está dada por:

\( \displaystyle E_c=\displaystyle\frac{1}{2}I\omega^2 \)

Para cada masa, el momento de inercia es \( \displaystyle I=m\left ( \frac{l}{2} \right )^2 \) entonces \( \displaystyle E_c=\displaystyle\frac{1}{8}ml^2\omega^2 \)

Ahora, aplicando el Teorema TE:

\( \displaystyle 0=\Delta E_c+\Delta Ep=\frac{1}{8}l^2\omega^2(m_1+m_2)+g\left\(\displaystyle\frac{l}{2}\right\)(m_1-m_2) \)

Esto suponiendo que \( m_1 \) es la masa que queda arriba y evidenciando que ambas masas adquieren igual velocidad.

Despejando:

\( \displaystyle \omega =2\sqrt{\frac{m_2-m_1}{m_1+m_2} \frac{g}{l}} \)

Ahora bien, no estoy del todo convencido de que se cumpla la relación \( \displaystyle \omega=\displaystyle\frac{v}{r} \) ya que la velocidad como tal no es constante en todo el tiempo, por lo que \( \displaystyle \omega(t)=\displaystyle\frac{v(t)}{r} \).

Con esto quiero demostrar dos cosas:

1- Aunque mi ecuación coincide con la solución para la velocidad angular de Jabato, no se puede despejar de ella la velocidad de cada partícula por el hecho de que no se conoce la relación de ésta con el tiempo, así, que Jabato no ha calculado la velocidad del sistema que están pidiendo, ya que no ha considerado la restricción (ligadura) via momento de Inercia.

2-El sistema que propone Jordioj no es del todo correcto, ya que si se quiere rebajar el problema al de un solo cuerpo, es necesario considerar la MASA REDUCIDA, más no la masa total del sistema.

Espero haber ayudado.

Éxitos!!!...



26 Febrero, 2011, 08:34 am
Respuesta #22

Jabato

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Bueno, vayamos por partes:

1º).- El sistema formado por la varilla y las dos masas constituye un sólido rígido puesto que es indeformable por estar las dos masas solidamente unidas a los extremos de la varilla, que tiene una longitud fija dada en el enunciado.

2º).- Por tener dicho sólido un punto fijo, el punto medio de la varilla, dicho sólido solo puede girar, no puede trasladarse.

3º).- Las energías cinética y potencial de un cuerpo como ése se pueden calcular siempre como suma de las energías cinéticas ó potencial de cada una de las partículas que lo forman, valor que es único en ambos casos:

\( U=\displaystyle\sum_{i=1}^n{U_i} \)          \( E_c=\displaystyle\sum_{i=1}^n{E_{ci}} \)

que es la forma en que yo calculé dichas energías en mi solución del ejercicio, por ser un sistema formado por solo dos partículas.

4º).- Pero, por ser este cuerpo además un sólido rígido que solo gira (no se traslada), su energía cinética total puede también calcularse como la energía cinética de un sólido rígido en rotación, que es el método que ha utilizado Jorge quantum, pero los valores obtenidos usando uno y otro método deben coincidir necesariamente, es decir ambos métodos son equivalentes:

\( E_c=\displaystyle\sum_{i=1}^n{E_{ci}}=I\omega^2 \)

de ahí la coincidencia entre los valores de la velocidad angular de rotación que obtuvo Jorge quantum y la que obtuve yo antes, no es casualidad, es que debe salir lo mismo usando uno y otro método.

5º).- Por supuesto que es válida la relación \( v=\omega r \), ya que dicha relación se demuestra para todo sólido en rotación (sin traslación), y que por supuesto puede encontrarse demostrada en cualquier texto elemental que trate del tema:

\( v_i=\omega\times r_i \)

Cuestionarla supone cuestionar toda la teoría clásica del movimiento instantáneo de rotación para el sólido rígido, lo cual de entrada es una de las mayores barbaridades que he oido ó leido nunca.

En fin, que no cuela.

Saludos, Jabato. ;D

26 Febrero, 2011, 02:27 pm
Respuesta #23

Jorge quantum

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Citar
5º).- Por supuesto que es válida la relación [v=\omega r] , ya que dicha relación se demuestra para todo sólido en rotación (sin traslación), y que por supuesto puede encontrarse demostrada en cualquier texto elemental que trate del tema:

[v_i=\omega\times r_i]

Claro que se cumple la relación, no he dicho lo contrario: lo que he tratado de decir es que las velocidades implicadas en dicha relacion no son constantes, sino que dependen del tiempo y habría que encontrar la función que  las describe.

Éxitos!!!...

26 Febrero, 2011, 07:27 pm
Respuesta #24

Jabato

  • Visitante
Pues siento contradecirte otra vez, pero no es necesario hallar dicha ley. Para resover este ejercicio basta con averigual cual es el incremento de energía cinética y potencial del sistema entre las posiciones inicial (cuando la varilla se encuentra en posición horizontal) y final (aquella en la que la varilla se encuentra en posición vertical con la masa mayor en su parte inferior) y aplicar el teorema de la conservación de la energía para determinar las velocidades en la posición final del sistema. No es necesario determinar la ley de variación de las velocidades en función del tiempo, aunque podría hacerse si fuera necesario.

Saludos, Jabato. ;D

26 Febrero, 2011, 08:22 pm
Respuesta #25

feriva

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Supongo que \( m_1 \) es la que sube.

\( \Delta E_p=m_1g\frac{l}{2} \)
\( \Delta E_c=\frac{1}{2}m_1v^2 \)
\( \Delta E_p = -\Delta E_c \Rightarrow{m_1g\frac{l}{2}=-\frac{1}{2}m_1v^2} \)

Termino con la velocidad siendo un número imaginario.

¿Donde me equivoco?

 Hola, Mushotoku.Con la discusión, no sé si te han dicho directamente dónde te equivocas, aunque a lo mejor ya lo has deducido de la solución del problema. Principalmente te equivocas en que, si consideras que una masa sube, "g" es negativa, el objeto desacelera. Fíjate en esa última igualdad que has escrito, en el lado derecho; es una expresión negativa, pero la velocidad al cuadrado es positiva, la masa no puede ser negativa tampoco... Y a la izquierda tienes todo positivo, o sea "+=-", eso es un absurdo matemático más allá de la interpretación física, pues \( g=9,8 \), es una constante que se da en postivo, si la consideras negativa tienes que ponerle el signo menos. Y luego tienes la masa, que se cancela, tienes \( 1/2 \), que se cancela sin el signo y entonces... ¿te das cuenta del absurdo?

 En la expresión

\( (m_1-m_2)g\displaystyle\frac{l}{2}=\displaystyle\frac{1}{2}(m_1+m_2)v^2 \)

"g" está sacado fuera como  factor común. El signo menos de dentro, delante de la masa, no pertenece a la masa si no a "g" cuando la masa implicada sube mientras la otra baja. No vayas a interpretar eso como una diferencia entre masas, ése no es el sentido del problema.

Un saludo.

26 Febrero, 2011, 11:25 pm
Respuesta #26

jordioj

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Hola Jorge Quantum. La velocidad angular que has hallado \( \displaystyle \omega =2\sqrt{\frac{m_2-m_1}{m_1+m_2} \frac{g}{l}} \) es máxima, se alcanza cuando la varilla se encuentra verticalmente como te han indicado, no hace falta tener en cuenta el tiempo. Y si se quiere rebajar el problema al de un solo cuerpo no tendría sentido ponerle más o menos masa de la que existe en el sistema original, el nuevo sistema nunca sería equivalente.

16 Marzo, 2024, 09:42 pm
Respuesta #27

Richard R Richard

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Recien me encontre con este ejercicio...

Yo lo planteo de manera distinta, y dudo si lo que expongo esta bien o sumo dos veces la misma energía....


Molesto con otro ejercicio:
Una varilla de longitud \( l  \)y masa despreciable que puede girar alrededor de su eje que pasa por su centro tiene en sus extremos dos masas \( m_1 \) y \( m_2 \) distintas. Se libera el sistema cuando la varilla está horizontal. Determine la velocidad de cada cuerpo cuando la varilla llega a la posición vertical.



El sistema es un péndulo físico de dos masas, cuando se libera de la posición horizontal la masa mayor produc mas momento sobre el eje provocando que esta descienda y su opuesta ascienda

El momento e inercia de tal sistema es

$$I=(m_1+m_2)\dfrac{L^2}{4}$$

Si se conserva la energía  la variación de energía cinetica debe ser igual y opuesta a la variación de potencial gravitatorio

tomando la altura del eje como cero de referencia y $$m_1>m_2$$

$$\Delta E_p=-m_1g\dfrac{L}{2}+m_2g\dfrac{L}{2}$$
 equivocado

$$\Delta E_c=\dfrac12 (m_1+m_2)V^2+\dfrac12 I\left(\dfrac {2V}{L}\right)^2$$

igualando conservando la energía \( \Delta E_c=-\Delta E_p \)

$$\dfrac12 (m_1+m_2)V^2+\dfrac12 I\left(\dfrac {2V}{L}\right)^2=(m_1-m_2)g\dfrac{L}{2}$$

reemplazando el momento de inercia

$$\dfrac12 (m_1+m_2)V^2+\dfrac12 (m_1+m_2)\dfrac{L^2}{4}\dfrac {4V^2}{L^2}=(m_1-m_2)g\dfrac{L}{2}$$

$$ \dfrac12 (m_1+m_2)V^2+\dfrac12 (m_1+m_2)V^2=(m_1-m_2)g\dfrac{L}{2}$$


$$  (m_1+m_2)V^2=(m_1-m_2)g\dfrac{L}{2}$$

\( V=\sqrt{\dfrac{(m_1-m_2)gL}{2(m_1+m_2)}} \)

No coincidiendo con ninguno de los expositores , si no lei mal previamente.

si $$m_1=m_2$$ el sistema estará en equilibrio y su velocidad es cero, si $$m_2$$ tienda a cero la velocidad tiende a $$V=\sqrt{\dfrac{gL}{2}}$$ que se corresponde con la de un péndulo simple de longitud $$L/2$$  o no? no era $$V=\sqrt{2gh}=\sqrt{gl}$$ pero dudo que sea lo mismo un péndulo físico que uno simple me imagino que en el limite sí.
[cerrar]
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

16 Marzo, 2024, 10:38 pm
Respuesta #28

JCB

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Hola a tod@s.

Estableciendo a la altura del eje de la varilla como referencia \( 0 \) de la energía potencial gravitatoria, en el estado inicial, la energía mecánica es \( 0 \), porque tampoco hay energía cinética.

En el estado en que la varilla llega a su posición vertical, y suponiendo que \( m_1>m_2 \), la energía potencial gravitatoria es

\( E_{pgf}=m_2g\dfrac{l}{2}-m_1g\dfrac{l}{2}=\dfrac{gl}{2}(m_2-m_1) \).

La energía cinética en este estado es \( E_{cf}=\dfrac{1}{2}I\omega^2=\dfrac{1}{2}\left(m_1\dfrac{l^2}{4}+m_2\dfrac{l^2}{4}\right)\omega^2=\dfrac{l^2}{8}(m_1+m_2)\omega^2 \)

Igualando la energía del estado final con el inicial, \( \dfrac{gl}{2}(m_2-m_1)+\dfrac{l^2}{8}(m_1+m_2)\omega^2=0 \). Despejando \( \omega \),

\( \omega=2\sqrt{\dfrac{g(m_1-m_2)}{l(m_1+m_2)}} \)

Expresión que coincide con la obtenida por Jabato, en su respuesta # 2.

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

16 Marzo, 2024, 10:46 pm
Respuesta #29

Richard R Richard

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La energía cinética en este estado es \( E_{cf}=\dfrac{1}{2}I\omega^2=\dfrac{1}{2}\left(m_1\dfrac{l^2}{4}+m_2\dfrac{l^2}{4}\right)\omega^2=\dfrac{l^2}{8}(m_1+m_2)\omega^2 \)




Dices que la energía cinetica , solo es la del conjunto en rotación sin la de las masas individuales...


viendolo como que la energía cinetica se puede descomponer como la energía cinetica del conjunto respecto del centro de masas mas la energía cinetica del centro de masas... llevas razón... pero hoy no sé porque no lo razone así.
 
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)