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Conservación en un movimiento rectilíneo y uniforme

De Laplace

(Diferencias entre revisiones)
(Página creada con '==Enunciado== Una partícula de masa <math>m = 2.00\,\mathrm{kg}</math> se mueve según las leyes horarias, en el SI <center><math>x=(4.00+8.00t)\,\mathrm{m}\qquad\qquad y = (-…')
 
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==Enunciado==
==Enunciado==
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Una partícula de masa <math>m = 2.00\,\mathrm{kg}</math> se mueve según las leyes horarias, en el SI
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Una partícula de masa <math>m</math> describe el movimiento rectilíneo y uniforme
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<center><math>x=(4.00+8.00t)\,\mathrm{m}\qquad\qquad y = (-2.00+1.00t)\,\mathrm{m}\qquad\qquad z = (-4.00-4.00t)\mathrm{m}</math></center>
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<center><math>\vec{r}=\vec{r}_0+\vec{v}_0t</math></center>
Demuestre que su cantidad de movimiento, su momento cinético respecto al origen de coordenadas y su energía cinética permanecen constantes. Halle el valor de estas tres cantidades.
Demuestre que su cantidad de movimiento, su momento cinético respecto al origen de coordenadas y su energía cinética permanecen constantes. Halle el valor de estas tres cantidades.
==Introducción==
==Introducción==
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En lugar de sustituir directamente los diferentes valores numéricos, conviene expresarlos primero algebraicamente, ya que así ganan en generalidad.
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Tenemos la ecuación horaria
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A partir de las tres coordenadas de la partícula obtenemos su vector de posición en cada instante
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<center><math>\vec{r}=x\vec{\imath}+y\vec{\jmath}+z\vec{k}=\left((4.00+8.00t)\vec{\imath}+(-2.00+1.00t)\vec{\jmath}+(-4.00-4.00t)\vec{k}\right)\mathrm{m}</math></center>
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Agrupando los términos que dependen del tiempo, podemos ver que esta posición corresponde a un movimiento rectilíneo y uniforme
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<center><math>\vec{r}=\vec{r}_0+\vec{v}_0t</math></center>
<center><math>\vec{r}=\vec{r}_0+\vec{v}_0t</math></center>
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donde
 
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<center><math>\vec{r}_0=\left(4.00\vec{\imath}-2.00\vec{\jmath}-4.00\vec{k}\right)\mathrm{m}</math>{{qquad}}{{qquad}}<math>\vec{v}_0=\left(8.00\vec{\imath}+1.00\vec{\jmath}-4.00\vec{k}\right)\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
 
Al tratarse de un movimiento rectilíneo y uniforme, la aceleración de la partícula es nula y por tanto, la resultante de las fuerzas aplicadas de la partícula es también nula.
Al tratarse de un movimiento rectilíneo y uniforme, la aceleración de la partícula es nula y por tanto, la resultante de las fuerzas aplicadas de la partícula es también nula.
Línea 28: Línea 18:
<center><math>\vec{v}=\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}t}=\vec{v}_0\qquad\qquad \vec{p}=m\vec{v}=m\vec{v}_0</math></center>
<center><math>\vec{v}=\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}t}=\vec{v}_0\qquad\qquad \vec{p}=m\vec{v}=m\vec{v}_0</math></center>
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Al ser constante tanto la masa como la velocidad de la partícula, se conserva la cantidad de movimiento. Su valor es
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Al ser constante tanto la masa como la velocidad de la partícula, se conserva la cantidad de movimiento.  
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<center><math>\vec{p}=m\vec{v}_0=\left(16.00\vec{\imath}+2.00\vec{\jmath}-8.00\vec{k}\right)\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
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El que se conserve la cantidad de movimiento es también una consecuencia inmediata de que sobre la partícula la fuerza neta aplicada es nula.
El que se conserve la cantidad de movimiento es también una consecuencia inmediata de que sobre la partícula la fuerza neta aplicada es nula.
Línea 47: Línea 35:
<center><math>\vec{F}=\vec{0}\qquad\Rightarrow\qquad \frac{\mathrm{d}\vec{L}_O}{\mathrm{d}t}=\vec{M}_O=\vec{r}\times\vec{F}=\vec{0}</math></center>
<center><math>\vec{F}=\vec{0}\qquad\Rightarrow\qquad \frac{\mathrm{d}\vec{L}_O}{\mathrm{d}t}=\vec{M}_O=\vec{r}\times\vec{F}=\vec{0}</math></center>
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El valor del momento cinético en este caso particular es
 
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<center><math>\vec{L}_O =m\vec{r}_0\times\vec{v}_0 = 2.00\left|\begin{matrix}\vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 4.00 & -2.00 & -4.00\\ 8.00 & 1.00& -4.00\end{matrix}\right|\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}}=\left(24.00\vec{\imath} -32.00\vec{\jmath}+ 40.00\vec{k}\right)\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}}</math></center>
 
==Energía cinética==
==Energía cinética==
Si la rapidez de la partícula es constante, también lo es su energía cinética, siendo su valor
Si la rapidez de la partícula es constante, también lo es su energía cinética, siendo su valor
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<center><math>K = \frac{1}{2}m|\vec{v}|^2=\frac{1}{2}m|\vec{v}_0|^2=\frac{1}{2}(2.00)\left(8.00^2+1.00^2+(-4.00)^2\right)\,\mathrm{J}=81.00\,\mathrm{J}</math></center>
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<center><math>K = \frac{1}{2}m|\vec{v}|^2=\frac{1}{2}m|\vec{v}_0|^2</math></center>
En este caso la constancia de la energía cinética, de acuerdo con el teorema de las fuerzas vivas, expresa que no se está realizando trabajo sobre la partícula, lo cual es evidente teniendo en cuenta que no se ejerce fuerza sobre ella.
En este caso la constancia de la energía cinética, de acuerdo con el teorema de las fuerzas vivas, expresa que no se está realizando trabajo sobre la partícula, lo cual es evidente teniendo en cuenta que no se ejerce fuerza sobre ella.
[[Categoría:Problemas de energía y leyes de conservación (GIE)]]
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última version al 09:55 26 nov 2015

Contenido

1 Enunciado

Una partícula de masa m describe el movimiento rectilíneo y uniforme

\vec{r}=\vec{r}_0+\vec{v}_0t

Demuestre que su cantidad de movimiento, su momento cinético respecto al origen de coordenadas y su energía cinética permanecen constantes. Halle el valor de estas tres cantidades.

2 Introducción

Tenemos la ecuación horaria

\vec{r}=\vec{r}_0+\vec{v}_0t

Al tratarse de un movimiento rectilíneo y uniforme, la aceleración de la partícula es nula y por tanto, la resultante de las fuerzas aplicadas de la partícula es también nula.

3 Cantidad de movimiento

La cantidad de movimiento de la partícula es igual al producto de su masa por su velocidad

\vec{v}=\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}t}=\vec{v}_0\qquad\qquad \vec{p}=m\vec{v}=m\vec{v}_0

Al ser constante tanto la masa como la velocidad de la partícula, se conserva la cantidad de movimiento.

El que se conserve la cantidad de movimiento es también una consecuencia inmediata de que sobre la partícula la fuerza neta aplicada es nula.

4 Momento cinético

El momento cinético respecto al origen de coordenadas es igual al momento de su cantidad de movimiento

\vec{L}_O = \vec{r}\times\vec{p}=m\vec{r}\times\vec{v}

Sustituyendo la posición y la velocidad instantáneas

\vec{L}_O=m(\vec{r}_0+\vec{v}_0t)\times\vec{v}_0 = m\vec{r}_0\times\vec{v}_0+m\overbrace{\vec{v}_0\times\vec{v}_0}^{=\vec{0}}t = m\vec{r}_0\times\vec{v}_0

Vemos que el momento cinético también es constante, aunque la posición sea variable en el tiempo. La razón es que lo que varía es paralelo a la velocidad y por tanto se anula en el producto vectorial.

Esto está en completo acuerdo con que la fuerza aplicada es nula. Si la fuerza es nula,

\vec{F}=\vec{0}\qquad\Rightarrow\qquad \frac{\mathrm{d}\vec{L}_O}{\mathrm{d}t}=\vec{M}_O=\vec{r}\times\vec{F}=\vec{0}

5 Energía cinética

Si la rapidez de la partícula es constante, también lo es su energía cinética, siendo su valor

K = \frac{1}{2}m|\vec{v}|^2=\frac{1}{2}m|\vec{v}_0|^2

En este caso la constancia de la energía cinética, de acuerdo con el teorema de las fuerzas vivas, expresa que no se está realizando trabajo sobre la partícula, lo cual es evidente teniendo en cuenta que no se ejerce fuerza sobre ella.

Obtenido de "http://tesla.us.es/wiki/index.php/Conservaci%C3%B3n_en_un_movimiento_rectil%C3%ADneo_y_uniforme"

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