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Péndulo compuesto

De Laplace

Contenido

1 Enunciado

Se tiene un péndulo compuesto consistente en una barra de longitud H y masa M suspendida por un punto situado a una distancia b del centro de la barra (b < H / 2). Suponiendo que la barra se desvía un ángulo pequeño $\theta_0$ respecto de la vertical y a partir de ahí se suelta:

  1. Determine el periodo de oscilación de la barra
  2. Calcule la fuerza ejercida sobre el punto de anclaje cuando la barra pasa por la vertical en su oscilación.

2 Ecuaciones de movimiento

Determinaremos en primer lugar la ecuación de movimiento para el ángulo θ que la barra forma con la vertical.

La barra constituye un sólido rígido sometido a dos fuerzas:

  • Su peso, M\vec{g}
  • La fuerza de reacción, Φ ejercida por el soporte

La suma de estas dos fuerzas produce la aceleración del centro de masas

M\vec{g}+\vec{\Phi} = M\vec{a}_C

La suma de los momentos produce la variación del momento cinético de la partícula

\vec{r}_C\times(M\vec{g})+\vec{r}_S\times\vec{\Phi} = \frac{\mathrm{d}\vec{L}_O}{\mathrm{d}t}

siendo \vec{r}_S la posición del soporte respecto al punto de referencia que tomemos. La fuerza de reacción es en sí misma una incógnita del problema. Podemos eliminarla de esta ecuación si elegimos como punto de referencia el propio soporte, con lo que \vec{r}_S=\vec{0}.

Elegimos entonces un sistema de ejes centrado en el soporte con OX el horizontal en el plano del péndulo y OZ el vertical (OY sería perpendicular a ambos e iría hacia el interior de la figura). En este sistema, la posición del centro de masas de la barra (que está en su centro geométrico) vale

\vec{r}_C = b\,\mathrm{sen}(\theta)\vec{\imath}-b\cos(\theta)\vec{k}

y el momento del peso

No se pudo entender (Falta el ejecutable de <strong>texvc</strong>. Por favor, lea <em>math/README</em> para configurarlo.): \vec{M}_O = \left|\begin{matrix}\vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ b\,\mathrm{sen}(\theta) & 0 & b\cos(\theta) \\ 0 & 0 & -Mg\end{\matrix}\right| = Mgb\,\mathrm{sen}(\theta)\vec{\jmath}

El momento cinético es el correspondiente a un eje permanente de rotación.

\vec{L}_O = I_O\vec{\omega}

siendo

\vec{\omega}=-\dot{\theta}\vec{\jmath}

y el momento de inercia respecto del soporte lo podemos hallar por el teorema de Steiner

I_O = I' + Md^2 = \frac{1}{12}MH^2 + M b^2

Derivando respecto

3 Periodo

4 Fuerza de reacción

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