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Resorte con rozamiento seco

De Laplace

Contenido

1 Enunciado

Se tiene una masa m=5.00\,\mathrm{kg} atada a un resorte de constante k=10.0\,\mathrm{N}/\mathrm{cm} y longitud en reposo l_0=150\,\mathrm{mm}. La masa reposa sobre una superficie horizontal sobre la que existe un pequeño coeficiente de rozamiento μ = 0.10. El muelle se comprime una cantidad b=50\,\mathrm{mm} respecto a su posición de equilibrio.

  1. Despreciando en primer lugar el rozamiento, determine la máxima distancia de la pared a la que llega la masa.
  2. Teniendo en cuenta el rozamiento, ¿cuánto vale la distancia de máximo alejamiento?
  3. Al volver a comprimirse el muelle, la masa no retorna a su posición inicial. ¿A qué distancia de la pared se detiene instantáneamente?
  4. ¿Al cabo de cuantas oscilaciones se detiene del todo? ¿Dónde se queda parada?
Archivo:resorte-pared-rozamiento.png

2 Máxima distancia sin rozamiento

Cuando no hay rozamiento, el análisis es sencillo.

Tenemos un movimiento rectilíneo, por lo que podemos emplear cantidades escalares.

Si llamamos x a la distancia desde la pared, la ecuación de movimiento para la masa la da la ley de Hooke,

ma = -k(x-l_0)\,

La única fuerza que afecta al movimiento es la fuerza elástica debida al resorte. Además de esta actúan el peso y la reacción normal del plano, pero éstas se anulan mutuamente y no producen movimiento.

En la posición inicial el muelle está comprimido una cierta cantidad y a partir de ahí se suelta desde el reposo. El movimiento que describe la masa es un movimiento armónico simple alrededor de la posición de equilibrio

x = l_0 + A\cos(\omega t-\varphi)\qquad\qquad \omega = \sqrt{\frac{k}{m}}

Aplicando que conocemos la posición y la velocidad iniciales

\left\{\begin{array}{rcl} x(t=0) & = & l_0-b = l_0+A\cos(\varphi) \\ v(t=0) & = & 0 =-A\omega\,\mathrm{sen}(-\varphi)\end{array}\right.\qquad\Rightarrow\qquad A=b\,\qquad\varphi = \pi

De estas ecuaciones podría tomarse como solución que A = − b, \varphi=0, pero, aunque el resultado final es el mismo, debemos procurar tomar la amplitud como una cantidad positiva. Lo que nos dice la constante de fase \varphi=\pi es que la oscilación comienza en el punto de mínima elongación en lugar del de máxima.

La posición para todo instante es entonces de la forma

x = l0 + bcos(ωt − π) = l0bcos(ωt)


3 Máxima distancia con rozamiento

4 Posición de la segunda parada

5 Oscilaciones hasta la detención

6 Consideraciones sobre la energía

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