27 de octubre de 2010

Transcripción

1 Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Física FIZ 11 Mecánica Clásica Profesor: Andrés Jordán Ayudantes: Eduardo Bañados T. Ariel Norambuena Torque, Momento Angular y Momento de Inercia 7 de octubre de 1 Problema 1. a) Calcule el momento de inercia del cable con forma de S que se muestra en la figura con respecto a un eje que pasa por A perpendicular al plano del papel. EL cable tiene masa M y el radio de curvatura de cada mitad es R. b) Siete monedas se ordenan como se muestra en la figura. Cada monedas es un disco uniforme de masa m y radio r. Cuál es el momento de inercia del sistema de las 7 monedas con respecto a un eje que pasa a través del centro de la moneda central y que es normal al plano de las monedas. (a) (b) Recordemos la definición de momento de inercia: Z I = r dm (1) Donde r es la distancia al eje de giro del elemento con masa dm. a) Para calcular el momento de inercia lo que nos interesa es el cuadrado de la distancia, luego este cable en forma de S para efectos de momento de inercia se puede pensar como un anillo que gira en torno al punto A En clases se vio que el momento de inercia de un anillo con respecto a un eje que pasa por su centro de masa es I CM = MR. Para calcular nuestro problema usaremos el teorema de los ejes paralelos: Donde d es la distancia del centro de masa al eje de giro. Por lo tanto, b) El momento de una moneda o disco con respecto a su centro de masa es I = I CM + Md () I = MR + MR = MR (3) I CM = 1 mr (4) 1

2 El momento de inercia para las monedas que están en la parte exterior la calculamos por el teorema de los ejes paralelos: Donde d = r. Luego, el momento de inercia total para el sistema viene dado por I = I CM + md = 9 mr (5) I = 1 mr mr = 55 mr (6) Problema. Una barra uniforme de largo 1 m y masa kg es balanceada con un pivote. Una masa de 4 kg se encuentra en un extremo de la barra, mientras que en el extremo opuesto hay una masa de kg, como se muestra en la figura. A qué distancia está el pivote del centro de la barra para que el sistema esté en equilibrio? Como el sistema está en equilibrio sabemos que se tiene que cumplir X τ = (7) Si llamamos x a la distancia entre el pivote y el centro de masa de la barra (su centro), tenemos que la distancia de la masa de kg al pivote es x + 5, mientras que para la masa de 4 kg es 5 x. Luego podemos escribir (7) como Despejando x obtenemos (x + 5)g + xg 4(5 x)g = (8) x = 1,5 m (9)

3 Problema 3. Una delgada tabla de masa M y largo l está pivoteada en un extremo (ver figura de abajo). La tabla es soltada desde un ángulo θ respecto a la vertical. Cuál es la magnitud y dirección de la fuerza sobre el pivote cuando la tabla está en la posición horizontal?. Inicialmente la energía de la tabla es E i = mg l cos(θ) que es la energía potencial gravitatoria del centro de masa (el nivel cero de potencial se ha tomado en la posición horizontal que pasa por el pivote). Cuando la barra pasa por la posición horizontal la energía es E f = 1 I θ que es puramente energía rotacional, donde θ es la velocidad angular e I es el momento de inercia respecto al pivote. El momento de inercia lo calculamos a continuación, si σ = M/lw es la densidad de masa superficial de la tabla (w ancho de la tabla, del alto despreciable, pues la tabla es muy delgada), entonces I = Z L Z w σx dydx = M lw Z w dy Z l x dx = 1 3 Ml acá la variable x recorre el largo de la tabla y representa la distancia perpendicular respecto al eje de rotación e y recorre el ancho de la tabla. Luego por conservación de energía mg l cos(θ) = 1 6 Ml θ θ = 3g cos(θ) l que es la velocidad angular de la tabla en la posición horizontal. El torque que siente la tabla es puramente debido a la gravedad, siendo τ = Mg l sin(θ) donde θ es un ángulo arbitrario medido respecto a la vertical (note que este torque actúa sobre el centro de masa de la tabla). Sabemos que τ = I α, siendo α ( α = θ) el vector aceleración angular, cuyo dirección y sentido está dado por la regla de la mano derecha (perpendicular al plano de movimeinto) y cuyo módulo es la aceleración angular θ que aparece en coordenadas polares. No confundir con el vector θ en coordenadas polares, cuya dirección está contenida en el plano de movimiento. Luego como τ = I α = I θ Mg l sin(θ) = 1 3 Ml θ y para θ = π/ (que es la posición que queremos analizar) tenemos θ = 3g l 3

4 como concemos la velocidad y aceleración angular de la tabla para θ = π/ (posición horizontal), usando la segunda Ley de Newton, dado que las fuerzas que actúan sobre la table son: la gravedad M g y la fuerza que ejerce el pivote sobre la tabla F P/T, entonces M g + F P/T = M a = Ml θ ˆr + θˆθ donde a es la aceleración del centro de masa, luego para θ = π/, si ˆx denota la dirección vertical hacia arriba y ŷ la dirección horizontal derecha, nos queda F P/T = Mgˆx + Ml 3g cos(θ) ŷ 3g «l l ˆx = 1 4 Mgˆx 3 Mg cos(θ)ŷ y como lo que nos piden es la fuerza que ejerce la tabla sobre el pivote, es decir F P/T, obtenemos el módulo es F P/T = 1 4 Mgˆx + 3 Mg cos(θ)ŷ F P/T = Mg r cos (θ ) y cuyas componentes están diriguidas hacia abajo (-ˆx) y derecha (ŷ). 4

5 Problema 4. Un alambre (de masa despreciable) de largo L se dobla al centro de manera que forma un ángulo α. En cada extremo el alambre tiene una masa m. Este dispositivo se cuelga de un eje tal como se muestra en la figura adjunta. Calcule el periodo de oscilación del sistema para pequeñas oscilaciones en torno a su posición de equilibrio estable. Verifique que la expresión general, en los casos límites α = y α = π, da los resultados esperados. Sea ɛ una pequeño ángulo medido respecto a su posición de equilibrio, ver figura. Podemos ver que el momentum angular del sistema es L = r 1 m v 1 + r m v = L(mL ɛ)ˆx + L(mL ɛˆx) = ml ɛˆx donde r 1 = L(cos(α/ ɛ)ẑ + sin(α/ ɛ)ŷ) (masa de la izquierda), r = L(cos(α/ + ɛ)ẑ sin(α/ + ɛ)ŷ) (masa de la derecha), en donde se sebe resolver r 1 m v 1 = ml(cos(α/ ɛ)ẑ + sin(α/ ɛ)ŷ) ( L ɛ(sin(α/ ɛ)ẑ cos(α/ ɛ)ŷ)) = ml ɛ `cos (α/ ɛ)ˆx + sin (α/ ɛ)ˆx = ml ɛˆx y análogamente para r m v, siendo v = r en ambos casos. Ahora bien, sabemos que torque y momentun angular se relacionan mediante d L/dt = τ, pero el torque de la fuerza gravitatoria se puede evaluar directamente τ = r 1 F 1 + r F = mgl sin(α/ ɛ)ˆx mgl sin(α/ + ɛ)ˆx = mgl cos(α/) sin(ɛ)ˆx entonces usando esto en la relación dl/dt = τ, se obtiene mgl cos(α/) sin(ɛ) = ml ɛ 5

6 o sea para pequeñas oscilaciones sin(ɛ) ɛ, por lo cual g ɛ + L cos(α/) ɛ = es decir, la varaible ɛ describe la ecuación de un oscilador armónico simple con frecuencia angular de oscilación q` ω = g cos(α/), cuyo periodo es simplemente L s L 1 T = π g cos(α/) para α = se obtiene el periodo de un péndulo simple para pequeñas oscilaciones, tal como era de esperar, puesto que si α = la barra se transforma literalmente en un péndulo simple. Si α = π se tiene que la ecuación diferencial nos queda como ɛ =, lo cual tiene por solución ɛ(t) = At + B, es decir el ángulo crece linealmente en el tiempo y no realiza un movimiento armónico simple, lo cual era de esperar, ya que si α = π, la barra está en una posición de equilibrio inestable y sabemos que sólo en el caso de perturbar levemente en torno a una posición de equilibrio estable aparecerá como primera corrección un M.A.S, este no es el caso. Por otra parte, si reemplazamos α = π directamente en el período hallado, notamos que T, es decir, la barra nunca vuelve a us posición original (le toma un tiempo infinito), o en otras palabras, no oscila, porque el equilibrio es inestable. 6