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CANTIDAD DE MOVIMIENTO IMPULSO DE LA FUERZA NETA SISTEMA DE PARTÍCULAS: CHOQUE CANTIDAD DE MOVIMIENTO • Impulso lineal • Momento lineal • Momentum Definición: dada una partícula puntual de masa “m” y con velocidad 𝑣 : - Magnitud vectorial, paralela a la velocidad - Unidades en S I: 𝒌𝒈∙𝒎 𝒔 Energía cinética y cantidad de movimiento • Por definición: 𝑬𝒄 = 𝟏 𝟐 𝒎𝒗𝟐 • De cantidad de movimiento: 𝒗 = 𝟏 𝒎 𝒑 • Entonces: 𝑬𝒄 = 𝒑𝟐 𝟐𝒎 𝒑 = 𝒎 ∙ 𝒗 𝒗 𝒑 = 𝒎. 𝒗 𝒎 CANTIDAD DE MOVIMIENTO Y FUERZA • 2da Ley de Newton σ𝒊𝑭𝒊 = 𝑭𝑹 = 𝒎 ∙ 𝒂 ⇒ 𝑭𝑹 = 𝒎 ∙ 𝒅𝒗 𝒅𝒕 , donde 𝑭𝑹: 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒓𝒆𝒔𝒖𝒍𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 Si la masa no cambia: 𝑭𝑹 = 𝒅 𝒎∙𝒗 𝒅𝒕 , dado que 𝒑 = 𝒎 ∙ 𝒗 Entonces: 𝑭𝑹 = 𝒅𝒑 𝒅𝒕 o σ𝒊𝑭𝒊 = 𝒅𝒑 𝒅𝒕 este es el enunciado original de Sir Isaac Newton. IMPULSO DE UNA FUERZA • Suponiendo que la fuerza resultante, σ𝐹𝑖 =𝐹𝑅 = 𝐹 , es constante en el intervalo: ∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 • Definición I (fuerza constante en el intervalo ∆𝑡) • Se define el Impulso de la fuerza neta como: 𝑱 = 𝑭 ∙ ∆𝒕 (magnitud vectorial) Dimensiones y unidades en el S.I.: 𝐽 = 𝐹 . 𝑇 𝐸𝑛 𝑒𝑙 𝑆. 𝐼. → 𝑁. 𝑠 ≡ 𝑘𝑔 . 𝑚 𝑠 • Interpretación geométrica Suponiendo fuerza neta en la dirección “x”: Área bajo la curva 𝑱 = 𝑭 ∙ ∆𝒕 CANTIDAD DE MOVIMIENTO E IMPULSO • Fuerza resultante, σ𝐹𝑖 =𝐹𝑅 = 𝐹 , es constante en el intervalo: ∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 • Teorema Impulso y cantidad de movimiento: • Recordando: 𝐹𝑅 = 𝑑𝑝 𝑑𝑡 , como 𝐹𝑅 constante ⇒ 𝑑𝑝 𝑑𝑡 = 𝑐𝑡𝑒 ⇒ 𝑑𝑝 𝑑𝑡 = ∆𝑝 ∆𝑡 • Entonces: 𝐹𝑅 = ∆𝑝 ∆𝑡 = 𝑝 𝑡2 −𝑝 𝑡1 𝑡2 −𝑡1 ⇒ 𝐹𝑅 ∙ ∆𝑡 = ∆𝑝 • Como 𝐹𝑅 ∙ ∆𝑡 = 𝐽 , entonces: El cambio de la cantidad de movimiento entre 𝒕𝟏 𝒚 𝒕𝟐 está dado por el impulso de la fuerza neta actuante en dicho intervalo de tiempo 𝑱 = 𝒑𝟐 − 𝒑𝟏 Causa Impulso 𝐽 de la fuerza que ejerce la cuerda del arco Efecto Cambio del 𝑝 de la flecha IMPULSO DE UNA FUERZA Definición II (fuerza resultante en una dirección dada, no es constante en el tiempo) Fuerza en función del tiempo que realiza la jugadora sobre el balón IMPULSO DE UNA FUERZA Definición II (fuerza resultante en una dirección dada, no es constante en el tiempo) Particionando 𝑡2 − 𝑡1 en pequeños intervalos Δ𝑡: 𝑡2 − 𝑡1 = σΔ𝑡𝑖 Aproximando 𝐹𝑖 = 𝑐𝑡𝑒 para cada Δ𝑡, entonces: 𝐽𝑖 = 𝐹𝑖 ∙ Δ𝑡. Sumando cada 𝐽𝑖 en todo el intervalo 𝑡2 − 𝑡1: En el límite t → 0 : 𝐽 ≈ 𝑖 𝐽𝑖 = 𝑖 𝐹𝑖 ∙ ∆𝑡 𝐽 = lim ∆𝑡→0 𝑖 𝐹𝑖 ∙ ∆𝑡 𝑱 = 𝒍𝒊𝒎 ∆𝒕→𝟎 𝒊 𝑭𝒊 ∙ ∆𝒕 = න 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝑭𝑹 𝒕 𝒅𝒕 Para ∆𝑡 → 0, la polinomial se aproxima a la curva CANTIDAD DE MOVIMIENTO E IMPULSO Teorema Impulso y cantidad de movimiento(forma general) De la 2da Ley de Newton: Integrando ambos miembros de la igualdad entre 𝑡1 𝑦 𝑡2: Con: 𝒑𝟐 = 𝒑 𝒕𝟐 𝑦 𝒑𝟏 = 𝒑 𝒕𝟏 Entonces: Se llega a: 𝑭𝑹 = 𝒅𝒑 𝒅𝒕 ⇒ 𝑭𝑹 𝒕 ∙ 𝒅𝒕 = 𝒅𝒑 𝒅𝒕 𝒅𝒕 න 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝑭𝑹 𝒕 . 𝒅𝒕 = න 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝒅𝒑 𝒅𝒕 𝒅𝒕 = න 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒅𝒑 𝑱 = න 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒅𝒑 𝑱 Esta integral evalúa el cambio de la cantidad de movimiento entre 𝑡1 y 𝑡2 𝑱 = 𝒑𝟐 − 𝒑𝟏 𝑱 = න 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒅𝒑 Teorema: el cambio de la cantidad de movimiento de una partícula durante un intervalo de tiempo es igual al impulso de la fuerza neta que actúa sobre la partícula durante ese intervalo. • Ejercicio 1: Haciendo rebotar una pelota de golf Una pelota de golf, de masa “m”, se lanza sobre una pared vertical para que rebote, se lo hace de dos maneras: - Lanzándola horizontalmente, rebotando sobre la misma dirección - Formando un ángulo con la horizontal y rebota con el mismo ángulo en forma ascendente. En ambos casos la rapidez antes y después de rebotar es la misma. a) Determinar la dirección y el sentido de la fuerza, suponiéndola de módulo constante, que ejerce la bola de golf sobre la pared. b) ¿En cuál de los dos casos se podría causar mayor daño a la pared? ¿Por qué? c) ¿Cambiará en algo la respuesta del ítem anterior si se lanzara en forma descendente con el ángulo ? 𝜽 𝜽 CANTIDAD DE MOVIMIENTO E IMPULSO Fuerza media: Dado que la fuerza de impacto sobre una partícula es función del tiempo, 𝐹 𝑡 , y que generalmente no se conoce con precisión esta función pero si su duración, es conveniente definir la fuerza media del impacto. Del impulso: Se define la fuerza media como la fuerza constante en el intervalo 𝑡1 y 𝑡2, tal que produce el mismo impulso que 𝐹 𝑡 en ese intervalo de tiempo: 𝑱 = න 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝑭 𝒕 . 𝒅𝒕 𝑭 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 ∙ 𝒕𝟐 − 𝒕𝟏 = න 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝑭 𝒕 . 𝒅𝒕 ⇒ 𝑭 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 = 𝒕𝟏 𝒕𝟐 𝑭 𝒕 . 𝒅𝒕 ∆𝒕 ⇒ 𝑭 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 = 𝑱 ∆𝒕 𝑱 CANTIDAD DE MOVIMIENTO E IMPULSO Fuerza media: Interpretación geométrica para fuerzas en una dimensión: La fuerza media sería aquella fuerza constante que en el mismo intervalo ∆𝑡 produce el mismo impulso que 𝐹 𝑡 , o sea: “El área bajo la curva 𝑭 𝒕 es igual al área debajo de 𝑭𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 entre 𝒕𝟏 y 𝒕𝟐 ” 𝑭 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 = 𝑱 ∆𝒕 J F(t) Fmedia J Ejercicio 2: Sistemas pasivos de seguridad de vehículos Mediante la bolsa de aire, el cinturón de seguridad y el diseño de zonas de deformación del vehículo se logra incrementar el tiempo en el cual los tripulantes alcanzan el reposo luego detenerse bruscamente al automóvil. Analizar la fuerza media asociada al impulso responsable del ∆𝑝 sobre el tripulante tanto para el caso donde se cuentan con estos sistemas de seguridad, como sin ellos, suponiendo que el tiempo de frenado con sistemas pasivos de seguridad es “n”, con 10 ≤ n, veces mayor que sin ellos. ∆𝑡1 ∆𝑡2 = 𝑛∆𝑡1 Ԧ𝑣1 Ԧ𝑝1 = 𝑚1 ⋅ Ԧ𝑣1 Ԧ𝑣2 Ԧ𝑝2 = 𝑚2 ⋅ Ԧ𝑣2 𝑣𝑖 𝑝𝑖 = 𝑚𝑖 ⋅ 𝑣𝑖 Sistema de “n” partículas Conjunto de partículas que se desea analizar 𝒑 𝑻 = 𝒑𝟏 + 𝒑𝟐 +⋯+ 𝒑𝒊 +⋯+⋯𝒑𝒏 con: 𝒑𝒊 = 𝒎𝒊 ⋅ 𝒗𝒊 Definición: Cantidad de movimiento total del sistema ! Tener presente que es una suma de vectores ¡ Ԧ𝑝𝑛 = 𝑚𝑛 ⋅ 𝑣𝑛 𝑣𝑛 SISTEMA DE PARTÍCULAS PUNTUALES Fuerzas internas y externas: • Puede ser que las partículas interactúen entre sí, estas interacciones son fuerzas internas (fuerzas en azul) • Puede ser que las partículas del sistema también interactúen con otras masas que no pertenecen al sistema, estas serían fuerzas externas (fuerzas en rojo) SISTEMA DE PARTÍCULAS PUNTUALES Sistema de “2” partículas Partícula que no pertenece al sistema 𝑚1 𝐹12 𝐹21 𝐹 1,𝑒𝑥𝑡 𝐹 2,𝑒𝑥𝑡 𝑚2 La sumatoria de las fuerzas sobre cada partícula del sistema da la fuerza resultante sobre el sistema. Por 2da Ley, fuerza neta sobre cada partícula: 𝐹𝑅𝑖 = 𝑑𝑝𝑖 𝑑𝑡 , entonces: 𝐹𝑅 = 𝑖=1 2 𝐹𝑅𝑖 = 𝐹𝑅1 + 𝐹𝑅2 = 𝑖=1 2 𝑑𝑝𝑖 𝑑𝑡 𝐹𝑅𝑖 = 𝐹𝑖,𝑒𝑥𝑡 + 𝐹𝑖,𝑗 𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝐹1,2= = −𝐹2,1 SISTEMA DE PARTÍCULAS PUNTUALES 𝑭𝑹 = 𝒊=𝟏 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝒊 𝒅𝒑𝒊 𝒅𝒕 Fuerza resultante o neta sobre un sistema Externas Internas Acción – reacción → se anularán entre si las fuerzas internas Sistema de “2” partículas Partícula que no pertenece al sistema 𝑚1 𝐹12 𝐹21 𝐹 1,𝑒𝑥𝑡 𝐹 2,𝑒𝑥𝑡 𝑚2 La fuerza resultante sobre el sistema depende de su interacción con partículas externas SISTEMA DE PARTÍCULAS PUNTUALES 𝑭𝑹 = 𝒊 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝒊 𝒅𝒑𝒊 𝒅𝒕 (1) 𝒊 𝒅𝒑𝒊 𝒅𝒕 = 𝒅 𝒅𝒕 𝒊 𝒑𝒊 , y recordando que el “p” del sistema dado por: 𝒑𝑻 = 𝒊 𝒑𝒊Como: 𝒊 𝒅𝒑𝒊 𝒅𝒕 = 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 (2)Entonces: De (1) y (2) se concluye: Una fuerza neta externa resulta en un cambio de la cantidad de movimiento del sistema 𝑭𝑹 = 𝒊 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO Dado , si se concluye: 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 = 𝟎 𝒊 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝟎 Atención: no significa que cada partícula del sistema conserva su 𝑝 , sino que la suma de todos los 𝑝𝑖 debe ser constante Por lo tanto: 𝒑𝑻 = σ𝒊 𝒑𝒊 =𝒄𝒕𝒆 𝒊 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 Sistema de “2” partículas 𝑚1 𝐹12 𝐹21 𝑚2 Principio de conservación de la cantidad de movimiento: “Si la fuerza neta externa sobre un sistema es nula, entonces se conserva la cantidad de movimiento del sistema” SISTEMA DE PARTÍCULAS PUNTUALES 𝑚1 𝐹1𝑖 𝐹12 𝐹21 𝐹𝑖1 𝐹𝑘𝑖 𝐹𝑖𝑘 𝐹 1,𝑒𝑥𝑡 𝐹 2,𝑒𝑥𝑡 𝐹 𝑖,𝑒𝑥𝑡 𝐹 𝑘,𝑒𝑥𝑡 𝑚2 𝑚𝑖 𝑚𝑘 𝒊 𝑭 𝒊,𝒆𝒙𝒕 = 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 Si la fuerza neta externa no es nula, cambia la cantidad de movimiento del sistema 𝑚1 𝐹1𝑖 𝐹12 𝐹21 𝐹𝑖1 𝐹𝑘𝑖 𝐹𝑖𝑘 𝑚2 𝑚𝑖 𝑚𝑘 𝒅𝒑𝑻 𝒅𝒕 = 𝟎 ⇒ 𝒑 𝑻 = 𝒊 𝒑𝒊 = 𝒄𝒕𝒆 Si la fuerza neta externa es nula, se conserva la cantidad de movimiento del sistema No pertenece al sistema Válido para cualquier sistema de “n” partículas • Ejercicio 3: Retroceso al disparar un arma de fuego (“culatazo”) a) Un tirador, de masa M, sostiene holgadamente un rifle de masa 𝑚𝑅 = 𝑀/20, de manera que pueda retroceder libremente al hacer el disparo. Al efectuar el disparo la bala, de masa 𝑚𝑏 = 𝑚𝑅/600, sale con una velocidad horizontal vb =300 m/s. Determinar la velocidad de retroceso del rifle en función de las masas involucradas y la velocidad del proyectil b) Si ahora el tirador sostiene firmemente el rifle de manera que no pueda retroceder libremente al disparar, pero está parado sobre una superficie de hielo sin fricción. ¿Qué pasará con el tirador después del disparo? CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO: CHOQUES O COLISIONES • Evento durante el que dos partículas se aproximan entre si e interactúan mediante fuerzas. • Las fuerzas de interacción son mucho mayores que otras fuerzas externas cualesquiera, por lo que puede no considerárselas (sistema aislado): Se conserva la cantidad de movimiento del sistema • Las interacciones pueden ser con o sin contacto. • Con contacto: bolas de billar, choque en siniestro vial. • Sin contacto: dos cargas eléctricas o entre cuerpos celestes por interacción gravitatoria. Esquema de experiencia de Rutherford: partículas disparadas contra átomos de oro https://youtu.be/8UhdyYk3IDA • Dos cuerpos interactúan fuertemente en un lapso muy corto de tiempo. Cada cuerpo ejerce una fuerza impulsiva sobre el otro • Fuerzas iguales y opuestas: Ԧ𝐹21(𝑡) = − Ԧ𝐹12(𝑡) Fuerza sobre m2 Fuerza sobre m1 • En el lapso t, cada cuerpo altera su cantidad de movimiento m1 m2 Ԧ𝑝1 = 𝑚1 ∙ Ԧ𝑣1 Ԧ𝑝2 = 𝑚2 ∙ Ԧ𝑣2 Ԧ𝑝′1 = 𝑚1 ∙ Ԧ𝑣′1 Ԧ𝑝′2 = 𝑚2 ∙ Ԧ𝑣′2 ∆ Ԧ𝑝1= 𝑚1 ∙ ( Ԧ𝑣 ′ 1 − Ԧ𝑣1) ∆ Ԧ𝑝2= 𝑚2 ∙ ( Ԧ𝑣 ′ 2 −Ԧ𝑣2) Justo antes del choque Justo después del choque Del hecho de que: Ԧ𝐹21 = − Ԧ𝐹12 Y de la relaciones: Ԧ𝐹21 = ∆ Ԧ𝑝1 ∆𝑡 Ԧ𝐹12 = ∆ Ԧ𝑝2 ∆𝑡 • Se deduce que en un choque: ∆𝑝1 ∆𝑡 = − ∆𝑝2 ∆𝑡 → ∆𝑝1 ∆𝑡 + ∆𝑝2 ∆𝑡 = 0 • O sea que: ∆𝑝1 + ∆𝑝2 = 0 → 𝑝1 ′ − 𝑝1 + 𝑝2 ′ − 𝑝2 = 0 «La cantidad de movimiento del sistema se conserva» Ԧ𝑝1+ Ԧ𝑝2 = Ԧ𝑝′1 + Ԧ𝑝′2 antes después EL SISTEMA EN ESTUDIO SON LAS MASAS QUE COLISIONAN • No se estudia el choque en si mismo • Se analiza justo antes del choque Se analiza justo después Etapa de interacción, no se analiza Caracterizando al sistema: • Cantidad de movimiento del sistema • Antes: 𝑝𝑇 = 𝑝1 + 𝑝2 • Después: 𝑝′𝑇 = 𝑝1 ′ + 𝑝2 ′ • Energía cinética del sistema • Antes: 𝐸𝑐 = 𝐸𝑐1 + 𝐸𝑐2 = 1 2 𝑚1 ∙ 𝑣1 2 + 1 2 𝑚2 ∙ 𝑣2 2 • Después: 𝐸’𝑐 = 𝐸’𝑐1 + 𝐸’𝑐2 = 1 2 𝑚1 ∙ 𝑣 ′ 1 2 + 1 2 𝑚2 ∙ 𝑣′2 2 Se conserva la cantidad de movimiento 𝒑𝟏 + 𝒑𝟐 = 𝒑𝟏′ + 𝒑𝟐′ No necesariamente se conserva la energía cinética del sistema TIPOS DE CHOQUES • Choques elásticos: se caracterizan porque se conserva la energía cinética del sistema. • Choques inelásticos: se caracterizan porque hay pérdida de energía cinética • Choques totalmente inelásticos o plásticos: se caracterizan porque los cuerpos salen juntos luego del choque y también hay perdida de energía cinética. (En todos los casos se conserva la cantidad de movimiento del sistema) Magnitud del sistema que se conserva Tipo de choque Elástico Inelástico o Semi-plástico Totalmente inelástico o Plástico Cantidad de movimiento Si Si Si Energía cinética Si No No CHOQUE UNIDIMENSIONAL • Las velocidades de los cuerpos antes y después del choque, todas ellas tienen la misma dirección. Si es unidimensional No es unidimensional • Choque unidimensional • Se conserva la cantidad de movimiento del sistema: • 𝑝1 + 𝑝2 = 𝑝1 ′+ 𝑝2 ′ ⇒ 𝑚1. 𝑣1 +𝑚2. 𝑣2 = 𝑚1. 𝑣′1 +𝑚2. 𝑣′2 Todos los vectores tiene la misma dirección, se puede prescindir de la notación vectorial, el sentido estará dado por los signos de las velocidades. • 𝑚1. 𝑣1 +𝑚2. 𝑣2 = 𝑚1. 𝑣 ′ 1 +𝑚2. 𝑣 ′ 2 • Coeficiente de restitución: se relaciona con la pérdida de energía cinética durante el choque solo lo aplicaremos para choques unidimensionales =1, si es un choque elástico =0, si es un choque plástico 0< e < 1, choque semi-elástico𝒆 = − 𝒗𝟏 ′ − 𝒗𝟐 ′ 𝒗𝟏 − 𝒗𝟐 • Ejercicio 4: Choque elástico unidimensional Un cuerpo de masa 𝑚𝐴 con una rapidez 𝑣𝐴 colisiona frontalmente y elásticamente con una segunda 𝑚𝐵 que se encuentra en reposo. a) Determinar las expresiones de las velocidades de ambos cuerpos después del choque, en función de las masas y la rapidez 𝑣𝐴 . b) Analizar las velocidades de ambos cuerpos después del choque cuando: i. Las masas son iguales: 𝑚𝐴 = 𝑚𝐵. ii. La masa del cuerpo A es mucho mayor que la del cuerpo B: 𝑚𝐴 ≫ 𝑚𝐵 iii. La masa del cuerpo A es mucho mas pequeña que la del cuerpo B: 𝑚𝐴 ≪ 𝑚𝐵 A B A B A B CHOQUES BIDIMENSIONALES Las cantidades de movimientos, y por lo tanto las velocidades, de ambos cuerpos no tienen la misma dirección, sino que están sobre un plano Se conserva la cantidad de movimiento del sistema: 𝒑𝟏 + 𝒑𝟐 = 𝒑𝟏′ + 𝒑𝟐′ Analizando por componentes Antes = Después yyyyyy xxxxxx pppppp pppppp ''' ''' 2121 2121 =+=+= =+=+= yyyy xxxx vmvmvmvm vmvmvmvm 22112211 22112211 '' '' +=+ +=+ CHOQUES BIDIMENSIONALES 1p 2p 1'p 2'p • Ejercicio 5: Siniestro vial en intersección de calles En una intersección de dos calles perpendiculares entre si, se produce una colisión entre dos automóviles. Uno de ellos, de masa 𝑚𝐴, venía circulando de sur a norte con una rapidez 𝑣𝐴, mientras que el segundo , de masa 𝑚𝐵, lo hacía de este a oeste a una rapidez 𝑣𝐵. Como los automóviles están diseñados para que ante una colisión la energía cinética sea disipada por deformación de los mismos, ambos vehículos salen juntos inmediatamente después del choque en un ángulo “” al oeste del norte. a) Determinar el ángulo en función de las masas y las velocidades antes del choque. b) De acuerdo a lo obtenido en el ítem anterior, analizar en que casos se tiene que: i. 0 < < 45° ii. 45° ≤ < 90° iii. 90° < 𝜽 FIN DE PRESENTACIÓN
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