TRABAJO Y ENERGÍA: CHOQUES

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1 . TRABAJO Y ENERGÍA: CHOQUES Una bola de acero que cae verticalmente rebota en una placa ríida que forma un ánulo con la horizontal. Calcular para que la bola sala con una velocidad horizontal después del choque. Calcular la velocidad después del choque. Solución: I.T.I. 93 Una pelota de masa M que se mueve con una velocidad v choca de frente con una seunda bola de masa m que se encuentra en reposo. Sea e el coeficiente de restitución entre las dos pelotas. Determinar el porcentaje de enería que se pierde en el choque. Solución: I.T.I. 94 Qué fracción de enería se pierde en un choque central directo parcialmente elástico? Solución: I.T.I. 0, I.T.T. 0, 04 Teniendo en cuenta la conservación del momento lineal (las velocidades son componentes a lo laro de la dirección de choque, y no módulos) y la definición del coeficiente de restitución e: + m 2 v 2 ʹ + m 2 e v ʹ 2 ʹ v 2 v 2 ʹ ( ) + v 2 m 2 + e ʹ m 2 e + m 2 v ʹ 2 v m m e m 2 ( ) ( ) + + e ( ) Una vez calculadas las velocidades de las dos partículas después del choque podemos calcular la enería cinética final y compararla con la que tenían inicialmente. El cambio en la enería cinética del conjunto de las dos partículas se suele representar por la letra Q, que con los valores obtenidos anteriormente vale: Física Tema Páina

2 Q ΔE c 2 ʹ m 2 2v 2 ʹ 2 v m 2 2v 2 2 ( e2) m 2 + m 2 v 2 ( ) 2 Si Q es cero el coeficiente de restitución e es iual a la unidad (el caso particular en que v 2 no constituye un choque entre las partículas). En eneral Q será una cantidad neativa, lo que implica que se pierde enería en el choque. La fracción f de enería perdida sería: f Q E c,inicial 2 ( e2) m 2 + m 2 v 2 ( ) m 2v 2 2 ( ) chocan con velocidades Tomemos un caso concreto: dos partículas idénticas m 2 iuales y de sentido contrario ( v 2 ) y el coeficiente de restitución es e 0.5. Seún la expresión anterior f 0.75, lo que indica que el 75% de la enería cinética de las partículas se pierde en el choque. Física Tema Páina 2

3 Una bola de acero A cae desde una altura h.2m para chocar con una placa B también de acero y rebotar al punto C. Sabiendo que el coeficiente de restitución es e 0.8, calcular la distancia d. B A 5º d C Solución: I.T.I. 0, 02, 04, 05, I.T.T. 0, 04 Primeramente aplicaremos el principio de conservación de la enería para calcular el módulo de la velocidad con la que la bola impacta con la placa B (tomamos el nivel nulo de enería potencial ravitatoria a la altura del impacto): E inicial mh E final 2 mv 2 E inicial E final v 2h En el choque la componente tanencial de la velocidad permanece constante: v v ʹ t v t 2h sen Para la componente normal utilizamos la expresión del coeficiente de restitución: e v ʹ n v ʹ v n e v n e n 2h cos ʹ v γ u n u t El módulo de la velocidad a la salida del choque será: v ʹ v ʹ 2 t + v ʹ 2 n 2h sen 2 + e 2 cos m / s El ánulo γ que forma dicha velocidad con el plano inclinado será: tγ v ʹ n e ct γ 7.48º v ʹ t El ánulo β que formará dicha velocidad con la horizontal será: β γ 56.48º Después del choque la bola realizará un movimiento parabólico con velocidad inicial v ʹ formando un ánulo β con la horizontal. Si tomamos el orien de coordenadas en el punto de impacto, ponemos a cero el cronómetro en el instante del choque, y orientamos los ejes X e Y horizontal y verticalmente, las ecuaciones del movimiento serán: x( t) v ʹ cosβ t y( t) v ʹ senβ t 2 t2 Física Tema Páina 3

4 Si la bola olpea en el punto C en el instante t t c : y( t c ) 0 v ʹ senβ t c 2 t 2 c 0 t c 2v ʹ senβ La distancia d que nos piden será la coordenada x de la bola en ese instante: d x( t c ) v ʹ cosβ t c 2 ʹ v 2 cosβ senβ v ʹ 2 sen( 2β).47m Una bola se deja caer desde una altura h sobre el rellano de una escalera y desciende rebotando como se muestra en la fiura. cuál será el valor del coeficiente de restitución e para el cual la pelota rebotará a la misma altura sobre cada escalón? h h d h Solución: I.T.I. 0, I.T.T. 0 Primeramente aplicaremos el principio de conservación de la enería para calcular la velocidad con la que la bola impacta con el escalón superior. Tomando el nivel nulo de enería potencial ravitatoria a la altura del impacto, los ejes X e Y horizontal y vertical respectivamente, y teniendo en cuenta que la componente x de la velocidad no cambia en el movimiento parabólico de la bola: E inicial mh + 2 mv 2 x E inicial E final v y 2h E final 2 mv 2 2 m v 2 2 ( x + v y ) La componente x de la velocidad no cambia en el choque. Para hallar la componente y aplicamos la ecuación del coeficiente de restitución: e v ʹ y v ʹ v y e v y e y 2h Aplicando de nuevo el principio de la enería para calcular la altura rebota: h ʹ hasta la que Física Tema Páina 4

5 2 ( v y ) E inicial 2 mv ʹ 2 2 m v 2 x + ʹ E final mh ʹ + 2 mv 2 x E inicial E final h ʹ v ʹ 2 y 2 e2 h Si queremos que la altura sobre el siuiente escalón sea iual a la altura inicial: h h ʹ + d e 2 h + d e d h Desde la azotea de un edificio de altura h se deja caer una bola cuyo coeficiente de restitución con el suelo es e. Calcular la altura a la que asciende la pelota después del n-ésimo rebote. Solución: I.T.I. 00 Una bola cae sobre un suelo liso y rebota varias veces como se indica en la fiura obtener una expresión de las alturas y distancia recorridas en el bote n-ésimo. h 0 h h 2 d 0 d d 2 d 3 Solución: I.T.I. 02, I.T.T. 02, 05 En cada uno de los botes que realiza la bola la componente x de la velocidad no cambia (la dirección del eje X es tanente a la superficie de contacto en el choque oblicuo entre la bola y el suelo). Si un objeto cae desde una altura h se puede demostrar, utilizando lo aprendido en 2h cinemática, que el tiempo que tarda en caer es: t, y que la componente y de la velocidad al llear al suelo es: v y 2 2h (esto último se puede demostrar también fácilmente aplicando la conservación de la enería entre su posición inicial a altura h y su posición a ras del suelo). Dada la simetría del movimiento parabólico, las mismas fórmulas pueden aplicarse para el movimiento de subida desde el suelo hasta una altura h. Si llamamos v y,i a la componente vertical de la bola después de caer de la altura h i justo antes del bote i+, y v ʹ y,i + a la velocidad de la bola justo después del bote i+, iniciando el movimiento de subida hasta la altura h i+, tenemos que, puesto que el suelo está Física Tema Páina 5

6 quieto, en ese bote se verifica lo siuiente ( cuidado con los sinos de las componentes y de la velocidad!): e v ʹ 0 y,i+ ʹ 0 v y,i v y,i+ v y,i 2h i+ 2h i h i+ h h i + e 2 h i i h i e 2i h 0 En cada bote la altura es un factor e 2 menor que la altura del bote anterior. Si llamamos ahora t i al tiempo de caída desde la altura h i entre el bote i y el i+: t i+ t i h i + h i e t i+ e t i t i e i t 0 En cada bote el tiempo de caída (o de subida) del movimiento parabólico es un factor e menor que el del bote precedente. Para las distancias recorridas tendríamos que: d i 2v x t i d i + t i+ e d i t i d 0 v x t 0 v x 2h 0 d i+ e d i d 2e d 0 i, 2, 3, En cada bote la distancia recorrida horizontalmente es un factor e menor que la recorrida en el bote anterior. Podemos incluso calcular la distancia horizontal total recorrida por la bola hasta que deja de botar: d d 0 + d + d 2 + d 3 + d 0 + 2ed 0 + 2e 2 d 0 + 2e 3 d 0 + 2d e + e2 + e 3 + 2d e e Física Tema Páina 6

7 Una bola abandona el borde de una mesa horizontal con una velocidad de 3 m/se. La altura de la mesa es de m y el coeficiente de restitución entre el suelo y la bola es de 0.6. Determinar: a) la relación entre la altura de un bote y el siuiente, b) la relación entre el avance horizontal de un bote y el siuiente, c) la distancia horizontal entre el pie de la mesa y el último bote de la bola. Solución: I.T.I. 92, 03, I.T.T. 00, 03 a) En cada uno de los botes que realiza la bola la componente x de la velocidad no cambia (la dirección del eje X es tanente a la superficie de contacto en el choque oblicuo entre la bola y el suelo). h 0 h h 2 d 0 d d 2 d 3 Si un objeto cae desde una altura h se puede demostrar, utilizando lo aprendido en 2h cinemática, que el tiempo que tarda en caer es: t, y que la componente y de la velocidad al llear al suelo es: v y 2 2h (esto último se puede demostrar también fácilmente aplicando la conservación de la enería entre su posición inicial a altura h y su posición a ras del suelo). Dada la simetría del movimiento parabólico, las mismas fórmulas pueden aplicarse para el movimiento de subida desde el suelo hasta una altura h. Si llamamos v y,i a la componente vertical de la bola después de caer de la altura h i justo antes del bote i+, y v ʹ y,i + a la velocidad de la bola justo después del bote i+, iniciando el movimiento de subida hasta la altura h i+, tenemos que, puesto que el suelo está quieto, en ese bote se verifica lo siuiente ( cuidado con los sinos de las componentes y de la velocidad!): e v ʹ 0 y,i+ ʹ 0 v y,i v y,i+ v y,i 2h i+ 2h i h i+ h i h i+ e 2 h i h i e 2i h 0 En cada bote la altura es un factor e veces la altura del bote anterior. Si llamamos ahora t i al tiempo de caída desde la altura h i entre el bote i y el i+: t i+ t i h i + h i e t i+ e t i t i e i t 0 En cada bote el tiempo de caída (o de subida) del movimiento parabólico es un factor e 0.6 veces el del bote precedente. b) Para las distancias recorridas tendríamos que (si llamamos v x a la velocidad con que la bola abandonó la mesa): Física Tema Páina 7

8 d i 2v x t i d i + t i+ e d i t i d 0 v x t 0 v x 2h 0 d i+ e d i d 2e d 0 i, 2, 3, En cada bote la distancia recorrida horizontalmente es un factor e 0.6 veces la recorrida en el bote anterior. c) La distancia horizontal total recorrida por la bola hasta que deja de botar: d d 0 + d + d 2 + d 3 + d 0 + 2ed 0 + 2e 2 d 0 + 2e 3 d 0 + 2d e + e2 + e 3 + 2v x 2h e e 6.78 m Una pelota se mueve con velocidad constante y cae desde el borde de una mesa que se encuentra a una altura de 75 cm sobre el suelo. Sabiendo que la pelota choca contra el suelo a una distancia de 50 cm del pie de la mesa y que el coeficiente de restitución en el choque es de 0.85 determinar la altura y la distancia que avanza la pelota en cada uno de los dos primeros rebotes. Calcular el espacio horizontal recorrido por la pelota entre el primer y el último rebote. h 0 h h 2 d 0 d d 2 d 3 Solución: I.T.I. 94 Física Tema Páina 8

9 Entre una partícula y otra que permanecía en reposo 2 tuvo luar una colisión perfectamente elástica. Determinar la relación entre sus masas si: a) la colisión es frontal y las partículas se separan en sentidos contrarios y a velocidades iuales, b) las partículas se separan simétricamente respecto de la dirección inicial del movimiento de la partícula y el ánulo entre sus direcciones de movimiento es de 60. Solución: I.T.I. 00, 03, I.T.T. 00, 02, 05 a) Si aplicamos la conservación del momento lineal y la ecuación del coeficiente de restitución, que al ser un choque elástico tendremos e, la relación entre las masas será ( cuidado con los sinos!): v + m 2 v 2v v 2 b) Si aplicamos la conservación del momento lineal y la conservación de la enería por ser un choque elástico: m 2 3 ʹ v 2 ʹ ʹ + m 2v 2ʹ 2 mv 2 2 m v ʹ m v ʹ m ʹ cos 2 + m v ʹ cos m ʹ sen 2 m v 2 ʹ sen 2 2 Tenemos tres ecuaciones con tres incónitas cuya solución es: ʹ 2cos 2 3 v ʹ 2 4cos 2 2 2cos cos 2 m Física Tema Páina 9

10 Una bola de billar en reposo es olpeada por otra idéntica que se mueve con una velocidad 2 m/s, y ésta última es desviada un ánulo ϕ 30º de su dirección inicial. La bola que estaba en reposo adquiere una velocidad que forma un ánulo ϕ 2 45º con la velocidad inicial. Hallar la velocidad de cada bola después del choque. Determinar si el choque es elástico. Solución: I.T.I. 00, 03, I.T.T. 00, 03 Si aplicamos la conservación del momento lineal (ténase en cuenta que ϕ 2 < 0): mv mv ʹ + mv ʹ 2 m m ʹ cos( ϕ ) + mv ʹ 2 cos( ϕ 2 ) 0 m ʹ sen( ϕ ) + mv ʹ 2 sen( ϕ 2 ) ʹ v 2 ʹ ϕ 2 ϕ Tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incónitas cuya solución es: ʹ v ʹ 2 senϕ 2 sen ϕ ϕ 2 ( ) senϕ sen ϕ ϕ 2 ( ).464 m / s v.035 m / s Para comprobar si se trata o no de un choque elástico bastaría con comprobar si se conserva la enería cinética en el choque: E c, final m E c,inicial m 2 v 2 2 m 2 / s 2 2 v ʹ ʹ 2.6 m 2 / s 2 v 2 CHOQUE INELASTICO Podemos incluso hasta calcular el valor del coeficiente de restitución en este choque. Considerando que las componentes de las velocidades no cambian en la dirección tanencial y que sólo cambian en la dirección normal tenemos que dichas direcciones en nuestro problema están orientadas como se indica en la fiura (ténase en cuenta que si la partícula 2 se encontraba en reposo inicialmente la componente tanencial de su velocidad después del choque debe ser también nula, es decir, la velocidad que adquiere después del choque nos está mostrando la dirección normal): ˆ u t ˆ u n ʹ v 2 ʹ ϕ 2 ϕ Física Tema Páina 0

11 e v ʹ 2,n,n ʹ,n 0 v ʹ 2 ʹ cos( ϕ ϕ 2 ) cosϕ Una bola de billar en reposo es olpeada por otra idéntica que se mueve con una velocidad. Las partículas se separan simétricamente respecto de la dirección inicial del movimiento de la partícula y el ánulo entre sus direcciones de movimiento es de 2. Hallar la velocidad de cada bola después del choque. Determinar el valor máximo máx. que puede alcanzar el ánulo. Determinar el coeficiente de restitución si 2 máx.. Solución: I.T.T. 04 Si aplicamos la conservación del momento lineal: mv mv ʹ + mv ʹ 2 m m ʹ cos + mv 2 ʹ cos 0 m ʹ sen mv 2 ʹ sen ʹ ʹ v 2 Tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incónitas cuya solución es: ʹ v 2 ʹ 2 cos La enería cinética final debe ser iual (si el choque es elástico) o inferior (si el choque es inelástico) a la enería cinética inicial. E c,inicial 2 mv 2 E c, final 2 mvʹ mvʹ 2 2 mv 2 4 cos 2 E c,inicial 2cos 2 E c,inicial 2cos 2 cos 2 45º El ánulo máximo se alcanza por lo tanto si el choque es elástico. Considerando que las componentes de las velocidades no cambian en la dirección tanencial y que sólo cambian en la dirección normal tenemos que dichas direcciones en nuestro problema están orientadas como se indica en la fiura (ténase en cuenta que si la partícula 2 se encontraba en reposo inicialmente la componente tanencial de su ˆ u t ˆ u n ʹ v 2 ʹ Física Tema Páina

12 velocidad después del choque debe ser también nula, es decir, la velocidad que adquiere después del choque nos está mostrando la dirección normal). El coeficiente de restitución será: e vʹ vʹ 2,n,n,n 0 cos ( 2 ) vʹ vʹ 2 cos cos ( 2 ) 2 cos 2 t 2 t 2 máx Una pequeña esfera de masa 00 se halla colada de un hilo inextensible y sin masa, de lonitud 2 m sujeto por su otro extremo a un punto fijo. lanzamos horizontalmente otra pequeña esfera para que realice un choque frontal con la primera. Calcular la mínima velocidad de la esfera que lanzamos y su masa para que realizado el choque la esfera colada del hilo describa una circunferencia completa en el plano vertical y la bola lanzada caia verticalmente. Coeficiente de restitución e /4. Dónde la tensión del hilo es máxima?, determínela. Las esferas se consideran como masas puntuales. Solución: I.T.I. 00, 02, 05, I.T.T. 00, 03 Llamemos a la velocidad de la primera bola antes del choque, y v 2 a la velocidad de la seunda bola después del choque. Aplicando la conservación del momento lineal y la del coeficiente de restitución: m 2 v 2 v 2 m 2 e 4 v 2 m v 2 4 La seunda bola va a realizar un movimiento circular de radio l 2 m. Las únicas fuerzas que actúan sobre ella son: la tensión, que no realiza trabajo al ser perpendicular a la trayectoria, y el peso que es una fuerza conservativa. Podemos por lo tanto aplicar la conservación de la enería para calcular la velocidad de la seunda bola en la parte superior de su trayectoria circular. Tomando el nivel cero de enería potencial ravitatoria en la parte inferior: 2 m v m v ,arriba + 2m 2 l v 2,arriba v 2 2 4l v 2 6 4l Dibujando el diarama de fuerzas cuando se encuentra en la parte más alta del círculo vemos que su aceleración va a ser vertical y por lo tanto sólo tendrá componente normal: T m a a n v 2 2,arriba l. Aplicando la seunda ley de Newton: Física Tema Páina 2

13 T + m ma T + m ma m v 2 2,arriba l mv 2 6l 4m T + 5m m ( ) 6l La tensión en la parte superior debe como mínimo ser nula lo que implica que la velocidad mínima para la bola uno debe ser:,mínima 80l 39.6 m / s Si dibujamos el diarama de fuerzas en un momento en el que la cuerda forme un ánulo con la vertical y descomponemos en componentes normales: T T mcos ma m m v 2 2( ) l T m v 2 2 ( ) + mcos l m Los dos términos que aparecen en la expresión para la aceleración toman un valor máximo en la posición inferior cuando 0, con lo que para el caso analizado en la primera parte del problema: T máxima m v 2 2 l ( + m m,mínima / 4) 2 l + m 6m Dos bolas de marfil B y B 2, de masas M y M 2, están suspendidas de dos hilos inextensibles de lonitud m. Las bolas se tocan, sin presión, cuando los hilos están verticales. Separamos B de su posición de equilibrio un ánulo de 60, manteniendo el hilo extendido y en el mismo plano vertical que el otro hilo; soltamos B y entonces viene a chocar contra la bola B 2, que estaba inmóvil. Se pide calcular en los tres casos siuientes: a) M 2 2M, b) M 2 M /2, c) M 2 M. ) La velocidad de B cuando ésta choca con B 2 2) Las velocidades de ambas bolas después del choque, supuesto perfectamente elástico. 3) Las alturas a que ascenderán después del choque en el tercer caso. Solución: I.T.I. 04 ) Aplicando la conservación de la enería entre la situación inicial en la que se suelta la bola B y la situación final que es justo cuando dicha bola entra en contacto con la bola B 2 (tomamos el nivel nulo de enería potencial en la situación final) podemos calcular la velocidad con la que la primera bola impacta en la seunda y que será iual en los tres casos: Física Tema Páina 3

14 M L( cos) 2 M V 2 V 2L( cos) 3.3 m/s 2) Aplicando la conservación del momento lineal y el hecho de que el coeficiente de resitución es e : M V M V ʹ + M 2 e Vʹ Vʹ 2 V V 2 ʹ V ʹ M M 2 M + M 2 V 2M V 2 ʹ M + M 2 V aplicándolo a los tres casos propuestos: a) V ʹ.04 m/s V ʹ 2.09 m/s b) V ʹ.04 m/s V ʹ 4.7 m/s c) V ʹ 0 m/s V ʹ 3.3 m/s 3) En el tercer caso las bolas (que tienen la misma masa) intercambian sus velocidades y por conservación de la enería es fácil ver que la seunda bola alcanzará exactamente la misma altura desde la que partió la primera: h 2 L( cos) 0.5 m Dos esferas de masa 2 k y m 2 3 k se mueven en la misma dirección con velocidades de 8 m/s y v 2 5 m/s. Determinar la velocidad después del choque si: a) llevan el mismo sentido, b) llevan sentidos contrarios. El coeficiente de restitución es e. Solución: I.T.T. 00 Física Tema Páina 4

15 . Demuéstrese que solamente en el caso de que el choque de una bola contra una pared sea totalmente elástico el ánulo que forma la velocidad con la línea de choque antes y después del mismo son iuales. Solución: I.T.I. 92 Una pelota se lanza contra una pared vertical lisa. Inmediatamente antes de que la pelota olpee a la pared, su velocidad tiene un módulo V y forma un ánulo de 30º con la horizontal. Sabiendo que el coeficiente de restitución es e 0.9, calcular el módulo y dirección de la velocidad de la pelota cuando rebota. v 30 Solución: I.T.T. 00 Una esfera A de masa 2 k se suelta desde el reposo en la posición indicada y choca con la superficie inclinada de la cuña B de masa 6 k con una velocidad de 3 m/s. La cuña está soportada por rodillos de forma que puede moverse libremente y se encuentra inicialmente en reposo. Sabiendo que el ánulo de la cuña es de 60º y que e 0.80 determinar las velocidades de la cuña y de la bola inmediatamente después del choque. B A Solución: I.T.I. 94 Física Tema Páina 5

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