Avión girando alrededor de un eje
De Laplace
El avión (sólido ``0) de la figura se mueve de modo que el centro $C$ de su hélice describe una circunferencia de radio $L$ y centro $O$. El módulo de la velocidad angular de este giro es $|\wb_{01}|=\Omega$(cte). Además, la hélice (sólido ``2), cuyo radio es $R$, gira en torno a un eje perpendicular a ella y que pasa por su centro, con velocidad angular de módulo $|\wb_{20}|=\omega$(cte). Se pide \begin{enumerate} \item La reducción cinemática de los movimientos \{01\} y \{20\}. \item Aplicando la composición de velocidades, calcular $\wb_{21}$ y
$\aab_{21}$.
\item La velocidad $\vb_{21}^P$ y aceleración $\ab_{21}^P$ del punto
más alto de la hélice (punto $P$ en la figura), así como la ecuación del
E.I.R.M.D. de \{21\} ¿Qué tipo de movimiento es éste?
\item Calcule numéricamente $|\vb_{21}^P|$ y $|\ab_{21}^P|$ para los
valores $R=1\un{m}$, $L=100\un{m}$, $\omega=100\un{rad/s}$ y $\Omega=1\un{rad/s}$.
\end{enumerate} \textbf{Nota:} Se recomienda utilizar el triedro asociado al sólido ``0 para resolver el problema.
\begin{center}
\includegraphics[height=6cm]{avion.eps}
\end{center}
\bigskip
\subsection*{Solución}
\subsubsection*{Reducción cinemática de \{01\}} El movimiento \{01\} es un rotación permanente cuyo eje es la recta $OZ_1\equiv OZ_0$. El punto $O$ pertenece al eje de giro, por lo que $\vb_{01}^{O}=\mathbf{0}$. El enunciado dice que el módulo de la velocidad angular es $|\wb_{01}|=\Omega$. Según el giro que se indica en la figura apunta en el sentido positivo del eje $Z_0$. Por tanto la reducción en el punto $O$ es \begin{equation}
\label{eq:1}
\begin{array}{lcl}
\wb_{01}=\Omega\,\kb_0=\Omega\,\kb_1&&\Delta_{\mathrm{EPR}}\equiv
OZ_0\equiv OZ_1\\ &&\\\vb_{01}^{O}=\mathbf{0}&&
\end{array}
\end{equation}
\subsubsection*{Reducción cinemática de \{20\}} Este movimiento es un rotación instantánea alrededor de la línea que pasa por el centro de la hélice y es perpendicular a ella. Así pues, el punto $C$ pertenece al eje de giro, por lo que $\vb_{20}^{C}=\mathbf{0}$. En el dibujo también se observa que el eje de giro es paralelo a $OY_0$. Como el enunciado dice que el módulo de la velocidad angular es $|\wb_{20}|=\omega$, la reducción en el punto $C$ es \begin{equation}
\label{eq:2}
\begin{array}{lcl}
\wb_{20}=\omega\,\jb_0&&\Delta_{\mathrm{EIR}}\equiv CY_0\\
&& \\
\vb_{20}^{C}=\mathbf{0} &&
\end{array}
\end{equation}
\subsubsection*{Movimiento \{21\}} Para encontrar las magnitudes que nos pide el problema vamos a usar la composición \begin{equation}
\label{eq:2}
\{21\}=\{20\}+\{01\}
\end{equation} La composición de velocidades angulares es \begin{equation}
\label{eq:9}
\wb_{21} = \wb_{20}+\wb_{01}
\end{equation} Usando (\ref{eq:1}) y (\ref{eq:2}) tenemos \begin{equation}
\label{eq:10}
\fbox{$\wb_{21} = \omega\,\jb_0+\Omega\,\kb_0$}
\end{equation} Para la aceleración angular usamos \begin{equation}
\label{eq:11}
\aab_{21} = \aab_{20}+\aab_{01}+\wb_{01}\times\wb_{20}
\end{equation} El enunciado nos dice que tanto $|\wb_{01}|$ como $|\wb_{20}|$ son constantes. Por tanto se cumple \begin{equation}
\label{eq:12}
\aab_{01}=\aab_{20}=\mathbf{0}
\end{equation} Calculando el producto vectorial a partir de (\ref{eq:1}) y (\ref{eq:2}) resulta \begin{equation}
\label{eq:13}
\fbox{$\aab_{21}=-\omega\,\Omega\,\ib_0$}
\end{equation}
Calculamos ahora $\vb_{21}^P$. Para ello usamos la composición de movimientos y, dentro de cada movimiento, la ecuación del campo de velocidades \begin{equation}
\label{eq:3}
\begin{split}
\vb_{21}^P=&\vb_{20}^P+\vb_{01}^P\\
&\vb_{20}^P=\vb_{20}^C+\wb_{20}\times\vecl{CP}=(\omega\,\jb_0)\times(R\,\kb_0)=R\omega\,\ib_0 \\
&\vb_{01}^P=\vb_{01}^{O}+\wb_{01}\times\vecl{OP}=
(\Omega\,\kb_0)\times(L\,\ib_0+R\,\kb_0)=R\omega\,\ib_0 =L\Omega\,\jb_0
\end{split}
\end{equation} Por tanto \begin{equation}
\label{eq:4}
\fbox{$\vb_{21}^P = R\omega\,\ib_0 + L\Omega\,\jb_0$}
\end{equation}
Para calcular $\ab_{21}^P$ necesitamos determinar la aceleración en un punto de los movimientos \{01\} y \{20\}. En ambos casos, los puntos de los ejes de rotación respectivos tienen aceleración nula.Entonces \begin{equation}
\label{eq:5}
\begin{array}{ccc}
\ab_{01}^{O}=\mathbf{0}&&\ab_{20}^{C}=\mathbf{0}
\end{array}
\end{equation} Ahora podemos calcular $\ab_{21}^P$ usando la composición y las ecuaciones del campo de velocidades de los correspondientes sólidos \begin{equation}
\label{eq:7}
\begin{split}
\ab_{21}^P =& \ab_{20}^P+\ab_{01}^P+2\wb_{01}\times\vb_{20}^P\\
&\ab_{20}^P = \ab_{20}^C
+\aab_{20}\times\vecl{CP}+\wb_{20}\times(\wb_{20}\times\vecl{CP})=
-R \omega^2\,\kb_0\\
&\ab_{01}^P = \ab_{01}^{O}
+\aab_{01}\times\vecl{OP}+\wb_{01}\times(\wb_{01}\times\vecl{OP})=
-L \Omega^2\,\ib_0\\
&2\wb_{01}\times\vb_{20}^P =
2(\Omega\,\kb_0)\times(R\omega\,\ib_0)= 2R\omega\Omega\,\jb_0
\end{split}
\end{equation} Resulta \begin{equation}
\label{eq:8}
\fbox{$\ab_{21}^P=-L\Omega^2\,\ib_0+2R\omega\Omega\,\jb_0-R\omega^2\,\kb_0$}
\end{equation}
Para encontrar el eje $\Delta_{21}$, vamos a calcular $\vb_{21}^O$, para hacer más sencilla la descripción de la posición del eje. Utilizando la ecuación del campo de velocidades de \{21\} tenemos \begin{equation}
\label{eq:14}
\begin{split}
\vb_{21}^O =& \vb_{21}^P+\wb_{21}\times\vecl{PO} \\
& \wb_{21}\times\vecl{PO} =
\left|
\begin{array}{ccc}
\ib_0&\jb_0&\kb_0\\
0&\omega&\Omega\\
-L&0&-R
\end{array}
\right|=
-R\omega\,\ib_0-L\Omega\,\jb_0+L\omega\,\kb_0\\
\vb_{21}^O =& L\omega\kb_0
\end{split}
\end{equation} Podemos encontrar un punto de $\Delta_{21}$ usando la expresión \begin{equation}
\label{eq:15}
\vecl{OC^*}=\dfrac{\wb_{21}\times\vb_{21}^O}{|\wb_{21}|^2}=
\dfrac{L\omega^2}{\omega^2+\Omega^2}\,\ib_0
\end{equation} La ecuación vectorial de $\Delta_{21}$ es \begin{equation}
\label{eq:16}
\fbox{$\Delta_{21}\equiv \vecl{OC} = \vecl{OC^*}+\lambda\wb_{21}=
\dfrac{L\omega^2}{\omega^2+\Omega^2}\,\ib_0 +\lambda(\omega\jb_0+\Omega\kb_0)$}
\end{equation} Como $\omega^2/(\omega^2+\Omega^2)<1$, el punto $C^*$ está sobre el eje $OX_0$ en un punto intermedio entre el punto $O$ y el punto $C$. La figura muestra la posición aproximada del eje.
Para determinar el tipo de movimiento calculamos la velocidad mínima \begin{equation}
\label{eq:35}
v^{\text{mín}}=\dfrac{\vb_{21}^P\cdot\wb_{21}}{|\wb_{21}|} =
\dfrac{L\omega\Omega}{\sqrt{\omega^2+\Omega^2}} \neq 0
\end{equation} Como $\wb_{21}\neq0$ y $v^{\text{mín}}\neq0$ el movimiento instantáneo es helicoidal tangente.
\subsubsection*{Aplicación numérica} Con los valores numéricos dados y usando las expresiones (\ref{eq:4}) y (\ref{eq:8}) obtenemos \begin{equation}
\label{eq:6}
\begin{array}{l}
|\vb_{21}^P| = \sqrt{R^2\omega^2+L^2\Omega^2} = 141 \un{m/s}=509
\un{km/h}\\ \\
|\ab_{21}^P| = \sqrt{L^2\Omega^4+4R^2\omega^2\Omega^2+R^2\omega^4}
=
1.00\times10^4\un{m/s^2}
\end{array}
\end{equation} Damos los valores numéricos con 3 cifras significativas.
\begin{center}
\includegraphics{eje_avion.eps}
\end{center}
\subsubsection*{Errores habituales detectados en la corrección} \begin{enumerate} \item Hay que explicar los pasos que se dan. No se puede poner una
ristra de fórmulas sin incluir al menos una línea de texto que explique lo que se está haciendo.
\item Al calcular un punto del eje central, mucha gente ha aplicado
mal la fórmula. EL punto del eje se calcula respecto al punto en el
que se considera la velocidad. Es decir, si se usa $\vb_{21}^P$, la
fórmula nos da el vector $\vecl{PI^*}$, y la posición del punto del
eje respecto al origen sería $\vecl{OI^*}=\vecl{OP}+\vecl{PI^*}$.
\item También ha sido frecuente decir que el movimiento es helicoidal
tangente sin justificarlo. Hay que calcular la velocidad mínima del movimiento, es decir, la proyección de la velocidad en cualquier punto sobre la dirección del vector velocidad angular. Sólo si esta velocidad mínima es no nula se puede asegurar que es un movimiento helicoidal tangente.
\item Otra variante de este mismo error es decir que es un movimiento
helicoidal tangente porque $\vb_{21}^P$ o $\vb_{21}^C$ son no
nulas. Esto no vale, porque esos puntos no están el eje instantáneo
de rotación.
\end{enumerate}
