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TRILCE 47 Capítulo 4 CAÍDA LIBRE CARACTERÍSTICAS La caída de los cuerpos se ha estudiado con gran precisión * Si puede ignorarse el efecto del aire, Galileo está en lo cierto; todos los cuerpos en un lugar específico caen con la misma aceleración, sea cual sea su tamaño o peso. * Si la distancia de caída es pequeña en comparación con el radio terrestre, la aceleración es constante. CAÍDA LIBRE VERTICAL V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 tsubir tbajar g * bajarsubir tt (tiempo) * 71 VV ; 62 VV ; 71 VV V3 V5 (velocidad) V1=V7 ; V2=V6 ; V3=V5 (rapidez) * V4 = 0 (altura máxima) TIEMPO DE VUELO Vi g g oV2 vuelot g oV subirt i i ALTURA MÁXIMA Vi V=0 Hmáx g2 2 oV máxH i Física 48 ECUACIONES DE LA CAÍDA LIBRE ECUACIONES ESCALARES g th h t Vi Vf Vf g Baja (+) Sube (-) Vi 2 2 1 i tgtVh tgVV if hg2VV 2i 2 f 2 fViV t h )1n2(Vh 2 1 in ECUACIONES VECTORIALES g Vi Vf yi y y 2 2 1 oy tgtV tgVV of i i f Desplazamiento vertical Vi g y (+ j ) g y ( j ) Vi TRILCE 49 Velocidad Aceleración V (+ j ) V ( j ) g ( j ) NÚMEROS DE GALILEO Lo que es notable en el caso de Galileo es que avanzó mucho más que las observaciones cualitativas o semicuantitativas de sus predecesores, y pudo describir el movimiento de los cuerpos con bastante detalle matemático. Para un cuerpo que cae desde el reposo, las distancias recorridas durante intervalos iguales de tiempo, se relacionan entre sí de la misma forma que los números impares comenzado por la unidad. V=0 m/s V=10 m/s V=20 m/s V=30 m/s V=40 m/s V=50 m/s 5 m = 5(1) m 15 m 25 m = 5(5) m 35 m = 5(7) m 45 m 1 s 1 s 1 s 1 s 1 s g = 5(3) m = 5(9) m Esta relación es válida para g = 10m/s2. Física 50 EJERCICIOS PROPUESTOS 01.Desde la superficie terrestre, se lanza verticalmente hacia arriba una piedra y regresa a tierra en 2 s. Hallar su altura máxima. (g=10 m/s2). a) 2 m b) 5 m c) 10 m d) 20 m e) 50 m 02. Desde el piso, se impulsa hacia arriba una partícula y se pide determinar cuánto asciende durante los dos últimos segundos de su ascenso. (g=10 m/s2). a) 10 m b) 12 m c) 15 m d) 20 m e) 25 m 03. Se suelta una piedra y llega a tierra en 6 s. Si se considera que g=10 m/s2; entonces, la piedra fue soltada desde una altura de: a) 60 m b) 120 m c) 150 m d) 180 m e) 240 m 04. Un cuerpo es soltado desde una altura de 180 m. Halle su velocidad cuando llega a tierra y el tiempo empleado. (g=10 m/s2). a) 100 m/s, 4 s b) 80 m/s, 5 s c) 60 m/s; 6 s d) 55 m/s, 6 s e) 45 m/s, 7 s 05. Un jugador de fútbol pateó una pelota verticalmente hacia arriba con una rapidez de 20 m/s. ¿Cuántos segundos tardará la pelota en regresar al nivel de lanzamiento? (g=10 m/s2). a) 2 s b) 3 s c) 4 s d) 6 s e) 8 s 06. Se dispara un cuerpo verticalmente hacia arriba con una rapidez de 48 m/s. ¿Cuánto tiempo tardará dicho cuerpo en regresar al nivel de lanzamiento? (g=10 m/s2) a) 9,4 s b) 9,8 s c) 9,6 s d) 4,8 s e) 4,9 s 07. Una partícula es lanzada verticalmente hacia arriba con una rapidez de 30 m/s. Halle después de qué tiempo y a qué altura se encontrará respecto al nivel de lanzamiento cuando esté descendiendo con una rapidez de 20 m/s. (g=10 m/s2) a) 1 s; 5 m b) 6 s; 45 m c) 5 s; 25 m d) 4 s; 20 m e) 3 s; 50 m 08. Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba desde la superficie terrestre con una rapidez de 40 m/s. Hallar después de qué tiempo y a qué altura se encuentra cuando su rapidez sea de 10 m/s hacia abajo. (g=10 m/s2). a) 10 s; 20 m b) 5 s; 75 m c) 5 s; 200 m d) 10 s; 75 m e) 8 s; 120 m 09. Una partícula es lanzada desde P con una velocidad de 60 m/s, si tarda 10 s en llegar al punto R. ¿Qué tiempo emplea en pasar de P a Q? (g=10 m/s2). P Q R a) 5 s b) 4 s c) 3 s d) 2 s e) 1 s 10. Una partícula es lanzada desde el punto "A"; si tarda 11 s en llegar al punto "C", por el que pasa con una rapidez de 30 m/s, ¿Qué tiempo emplea para ir de "A" a "B"? (g=10 m/s2) A B C a) 5 s b) 6 s c) 7 s d) 8 s e) 9 s 11. Un objeto es lanzado verticalmente hacia arriba de la azotea de un edificio con una rapidez de 30 m/s. Si el objeto demora 8 s en llegar al suelo, hallar la altura del edificio. (g=10 m/s2). a) 80 m b) 90 m c) 100 m d) 70 m e) 60 m 12. Un proyectil es arrojado verticalmente para arriba con una rapidez de 40 m/s. ¿A qué altura del nivel de lanzamiento se encontrará después de 6 s de la partida?. (g=10m/s2). a) 100 m b) 80 m c) 60 m d) 55 m e) 45 m 13. Un móvil es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad de 40 m/s. ¿Después de qué tiempo del lanzamiento se encuentra a una altura de 75 m? (g=10 m/s2). a) 2 s y 4 s b) 3 s y 5 s c) 3 s y 6 s d) 5 s y 8 s e) 5 s y 15 s TRILCE 51 14. Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba con una rapidez de 50 m/s. ¿Después de qué tiempo del lanzamiento se encuentra a una altura de 105 m? (g=10 m/s2) a) 2 s y 6 s b) 1 s y 5 s c) 3 s y 7 s d) 2 s y 5 s e) 4 s y 7 s 15. La aceleración de la gravedad en la superficie lunar es de 1,6 m/s2. Si un objeto se deja caer en la superficie de la luna, halle su velocidad luego de 5 s. a) 16 m/s b) 12 m/s c) 8 m/s d) 10 m/s e) 15 m/s 16. Una piedra es lanzada verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 10 m/s desde la superficie lunar. La piedra permanece en movimiento durante 12 s hasta regresar a su nivel de lanzamiento. Halle la altura máxima alcanzada. a) 30 m b) 40 m c) 180 m d) 60 m e) 31,5 m 17. Desde una altura de 80 m se suelta una piedra y desciende en caída libre. Simultáneamente, desde el piso, se impulsa verticalmente hacia arriba otra piedra y chocan en el instante en que ambas tienen igual rapidez. ¿Cuál fue la velocidad de lanzamiento de la segunda piedra? (g=10 m/s2). a) 20 m/s b) 30 m/s c) 40 m/s d) 50 m/s e) 60 m/s 18. Desde el piso se lanzan verticalmente partículas con un intervalo de tiempo de 2 s y a 40 m/s dirigidos hacia arriba. ¿Qué distancia separa a la primera de la segunda en el instante que se lanza la tercera? (g=10 m/s2). a) 20 m b) 40 m c) 60 m d) 10 m e) 30 m 19. Un cohete parte del reposo y sus propulsores le imprimen una aceleración neta de 5m/s2 durante 8s. Si en ese instante se acaba el combustible, halle hasta qué altura se elevó el cohete. (g=10m/s2). a) 240 m b) 120 m c) 80 m d) 160 m e) 300 m 20. Un paracaidista salta de un helicóptero estacionario en el aire y cae libremente sin contar la fricción del aire, 500 m; luego abre su paracaídas y experimenta una desaceleración neta de 2 m/s2 y llega al suelo con una rapidez de 4 m/s. ¿De qué altura saltó el paracaidista? (g=10 m/s2). a) 2800 m b) 2596 m c) 2796 m d) 2496 m e) 2996 m 21. Se lanza a un cuerpo verticalmente hacia arriba con una velocidad V1, empleando un tiempo t1 en alcanzar su máxima altura y llegando a tierra habiendo transcurrido un tiempo t2. Luego, es correcto afirmar que el cuerpo. ... V1 x y I. Entre 0 y t1 , su aceleración es positiva. II. Entre t1 y t2 , su rapidez crece. III. Se mueve en la dirección +y. IV. Entre t1 y t2 , su aceleración es positiva. a) Sólo I b) I y II c) Todas d) Sólo II e) Ninguna 22. Cuando el cronómetro marca 5,6 s; desde lo alto de un edificio se lanza verticalmente hacia arriba una esferita con una velocidad inicial de 8 m/s y llega al piso cuando el cronómetro marca 12,2 s. Considerando que sólo actúa la gravedad g=10 m/s2. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta para un cierto sistema de referencia? I. Mientras sube la ecuación de movimiento es: y=8t-5t2 y mientras baja: y=8t+5t2. II. Durante todo el movimiento la velocidad es: V=8-10t. III. La posición es: y=165+8t-5t2. a) Sólo I b) I y II c) Sólo II d) Sólo III e) II y III 23. La ecuación de movimiento de un proyectil lanzado verticalmente desde el punto "A" cercano a tierra es: y(t)=-10+40t-5t 2. ¿Cuál es la altura alcanzada con respecto al nivel de referencia? x y A a) 70 m b) 90 m c) 60 m d) 80 m e) 50 m 24. Considerando las unidades del sistema internacional, la ecuación de posición del movimiento deuna partícula en caída libre es: y=5t2-12t+23. Expresar la ecuación de su velocidad. a) V=5t2-12t b) V=5t-12 c) V=t-12 d) V=10t+12 e) V=10t-12 Física 52 25. Se realiza un experimento en un lugar donde la dirección vertical de la aceleración de la gravedad, (g= 10 m/s2) cambia cada 5 s. Con la gravedad, orientada hacia abajo, se suelta una esferita desde y=8 m. ¿Cuál es la posición y (en m) de la esferita 9 s después de iniciado su movimiento? x y g a) -125 m b) -117 m c) -167 m d) -317 m e) -237 m 26. Un globo aerostático se encuentra ascendiendo con velocidad constante de 6 m/s. Cuando el globo se encuentra a 40 m sobre el suelo, se suelta de él un objeto. Asumiendo que sólo actúa la gravedad, ¿Cuál de las siguientes ecuaciones representa el movimiento del objeto, respecto a un observador de tierra, a partir del momento en que fue soltado? x y a) 22 g tt40y b) 22 g tt6y c) 22 g tt640x d) 22 g tt640x e) 22 g tt640y 27. Del problema anterior; determine, aproximadamente, el tiempo de vuelo, hasta que el objeto impacta en tierra. (g=10 m/s2). a) 3,4 s b) 6,4 s c) 1,4 s d) 8,4 s e) 7,4 s 28. ¿Cuánto tiempo emplearía en llegar al recinto circunferencial una esferita dejada libre en la boca del tubo liso? R a) R/g b) g/R c) g/R2 d) g/R2 e) g/R4 29. Se tienen tres puntos equidistantes A, B y C, ubicados en la misma vertical ("A" sobre "B" y éste sobre "C"). Simultáneamente, se deja caer un objeto desde "A" y se lanza otro desde "C", verticalmente, hacia arriba con una velocidad "V", encontrándose ambos en "B". Hallar el tiempo que transcurrió para el encuentro. a) 2 Vg b) V/g c) V/2g d) V2/2g e) g/V2 30. Un globo aerostático se encuentra descendiendo con una velocidad constante de 4m/s. Un paracaidista ubicado en el globo lanza una piedra verticalmente hacia abajo con una velocidad de 16 m/s, tardando 6 s en llegar a tierra. ¿Cuál de las siguientes ecuaciones representa el movi- miento de la piedra, respecto a un observador de tie- rra, a partir del momento en que fue lanzado? a) y=16t-5t2 b) y=20-5t2 c) y=60-16t+5t2 d) y=300-16t+5t2 e) y=300-20t-5t2 31. Del problema anterior; determine, aproximadamente, la altura desde la cual fue lanzada la piedra. a) 20 m b) 60 m c) 300 m d) 240 m e) 120 m 32. Desde lo alto de una torre se lanza verticalmente hacia arriba un cuerpo con una velocidad de 30 m/s. (g=10 m/s2). ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta para un cierto sistema de referencia? I. La posición es: y(t)=40+30t-5t2 II. Durante todo el movimiento la velocidad es: V=40-5t III. La ecuación de la aceleración es: a=-10t. a) Sólo I b) I y II c) Sólo II d) Sólo III e) Ninguna 33. Considerando las unidades del sistema internacional, la ecuación de posición de una partícula en caída libre es: y=5t2-8t+7. Expresar la ecuación de su aceleración. a) a=10t b) a=10t-8 c) a=-10+t d) a=-10 e) a=10 TRILCE 53 34. Un ascensor sube verticalmente con una velocidad de 72 km/h. Si del techo se desprende un foco. ¿Qué tiempo tarda en llegar al suelo, si la altura del ascensor es de 2 m?. (g=10 m/s2). a) s105 2 b) 52 c) 10 d) 109 5 e) 5 10 35. Un día se observó que el agua goteaba de un caño en intervalos de tiempos iguales. Cuando la segunda gota comenzaba a caer, la primera gota había descendido 1 m. ¿Qué distancia habrá recorrido la primera gota durante el tiempo en el cuál la separación entre la primera y la segunda gota aumentó a 3 m? (g=10 m/s2). a) 2 m b) 3 m c) 4 m d) 5 m e) 8 m 36. Un globo aerostático se mueve verticalmente hacia abajo con una velocidad de 20 m/s; el piloto lanza en cierto instante una manzana con rapidez de 35 m/s hacia arriba respecto de su mano. ¿Qué aceleración retardatriz se debe imprimir al globo para detenerse justo cuando vuelve a pasar frente a él la manzana? (g=10 m/s2). a) 4 m/s2 b) 6 m/s2 c) 8 m/s2 d) 10 m/s2 e) 3 m/s2 217. Un proyectil se arroja verticalmente hacia arriba alcanzando una velocidad de 10 m/s al llegar a la mitad de su altura máxima. Halle la velocidad con la cual se lanzó. (g=10 m/s2). a) 14,1 m/s b) 24,2 m/s2 c) 7,0 m/s2 d) 2,4 m/s2 e) 10,0 m/s2 38. Un observador ubicado a 35 m de altura ve pasar un objeto verticalmente hacia arriba y 6 s después, lo ve de regreso. Halle la velocidad con la cual fue lanzado el cuerpo desde el piso. (g=10 m/s2). a) 10 m/s b) 20 m/s c) 30 m/s d) 40 m/s e) 50 m/s 39. ¿Desde qué altura debe dejarse caer un cuerpo, para que durante los últimos 5 s recorra los 7/16 de dicha altura? (g=10 m/s2). a) 1000 m b) 2000 m c) 1200 m d) 2560 m e) 1480 m 40. Un astronauta en la Luna, lanzó un objeto verticalmente hacia arriba, con una velocidad inicial de 8 m/s. El objeto tardó 5 s en alcanzar el punto más alto de su trayectoria. La altura máxima que logró fue: a) 20 m b) 10 m c) 32 m d) 16 m e) 56 m 41. Se lanza un objeto verticalmente hacia arriba del borde de un precipicio con una velocidad de 20 m/s. ¿Después de cuánto tiempo su rapidez será de 50 m/s? (g=10 m/s2). a) 3 s b) 4 s c) 5 s d) 6 s e) 7 s 42. Un objeto se lanzó verticalmente hacia arriba. Determine la altura máxima y el tiempo que está en movimiento, si su posición a los 4 s y 10 s es tal que no existe desplazamiento entre dichas posiciones. (g=10 m/s2). a) 7 s; 490 m b) 14 s; 490 m c) 7 s; 245 m d) 12 s; 180 m e) 14 s; 245 m 43. En el planeta MK-54 de la constelación de la Osa Menor se deja caer una piedra desde cierta altura y se observa que en un segundo determinado recorre 26 m y en el siguiente segundo 32 m. Halle el valor de la aceleración de la gravedad en dicho planeta en m/s2. a) 6 b) 12 c) 10 d) 8 e) 4 44. Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba desde la superficie terrestre, a los 5 s de ser lanzado llega a una altura "h", de manera que al ascender 25 m más, sólo le falta 2 s para alcanzar su altura máxima. Halle "h". (g=10 m/s2). a) 275 m b) 125 m c) 175 m d) 375 m e) 385 m 45. Un globo aerostático asciende verticalmente con una velocidad de 22 m/s y cuando se encuentra a una altura de 1120 m, se lanza del globo una piedra verticalmente hacia abajo con una velocidad de 12 m/s. ¿Qué tiempo tarda la piedra en llegar al suelo? (g=10 m/s2). Física 54 a) 30 s b) 24 s c) 20 s d) 18 s e) 16 s 46. Un auto parte del reposo y acelera con 5 m/s2 a 10 m de un edificio de 28 m de altura; al mismo tiempo, Jorge, que se encuentra en la parte superior del edificio, lanza verticalmente hacia abajo una piedra con una rapidez inicial Vo. Si la piedra impacta en el auto, halle Vo. (g=10 m/s 2). a) 2 m/s b) 1 m/s c) 6 m/s d) 4 m/s e) 5 m/s 47. Una maceta se deja caer desde la azotea de un edificio de 45 m de altura. Halle la altura recorrida por la maceta en el último segundo de su caída. (g=10 m/s2). a) 5 m b) 25 m c) 35 m d) 22,5 m e) 20 m 48. Un cuerpo se deja caer desde cierta altura "H" y en el último segundo de su caída, recorre la mitad de dicha altura. Halle qué tiempo duró su caída. (g=10 m/s2). a) 3,0 s b) 2,0 s c) 4,0 s d) 1,2 s e) 3,4 s 49. Desde el piso se lanza una partícula hacia arriba con una rapidez de s/m310 . Halle su rapidez cuando la partícula alcance la cuarta parte de su altura máxima. (g=10 m/s2). a) 10 m/s b) 15 m/s c) 20 m/s d) 25 m/s e) 30 m/s 50. Una pelota cae verticalmente al piso y, al rebotar, alcanza una altura igual a la mitad de la altura inicial. Si su velocidad, justo antes del choque, es de 20 m/s. Halle su velocidad después del impacto. (g=10 m/s2). a) 20 m/s b) 10 m/s c) 14,1 m/s d) 28,2 m/s e) 40 m/s 51. Una pelota cae verticalmente desde una altura de 80 m y, al chocar con el piso, se eleva con una velocidad que es 3/4 de la velocidad anterior al impacto. Halle la altura alcanzada después del choque. (g=10 m/s2). a) 45 m b) 48 m c) 60 m d) 46 m e) 52 m 52. Dos cuerpos inician una caída libre partiendo del reposo y desde la misma altura con un intervalo de 1 s. ¿Cuánto tiempo después de que empieza a caer el primer cuerpo estarán éstos separados por una distancia de 10 m? (g=10 m/s2). a) 1,8 s b) 2,5 s c) 1,2 s d) 1,4 s e) 1,5s 53. El marco superior de una ventana de 8,25 m de altura se ubica a 9 m del borde de la azotea del edificio. Desde la azotea es lanzada verticalmente hacia abajo, una moneda con una velocidad de 4 m/s. ¿En cuánto tiempo la moneda pasará por toda la ventana? (g=10 m/s2). a) 1,00 s b) 3,00 s c) 0,50 s d) 0,75 s e) 1,50 s 54. Desde una misma altura, se deja caer un cuerpo y simultáneamente otro se lanza hacia abajo con una rapidez de 2 m/s. ¿Después de cuántos segundos estarán separados 12 m? (g=10 m/s2). a) 12 s b) 8 s c) 6 s d) 4 s e) 2 s 55. Dos cuerpos, uno de los cuales es más pesado que el otro, descienden en caída libre en las proximidades de la superficie terrestre; entonces, podemos afirmar correctamente: I. La aceleración del cuerpo más pesado es igual a la que adquiere el cuerpo menos pesado. II. El tiempo de caída del cuerpo más pesado es menor que el del cuerpo liviano. III. Si la aceleración de la gravedad fuera 4,9 m, los cuerpos lanzados verticalmente hacia arriba alcan- zarían mayor altura. a) Sólo I b) I y II c) I y III d) Todas e) II y III 56. Marcan verdadero (V) o falso (F): I. Si un cuerpo lanzado verticalmente desde el piso, tarda "t" segundos en alcanzar su altura máxima; entonces, demora "t/2" en subir la primera mitad de dicha altura. II. En un movimiento vertical de caída, libre se cumple que en un mismo plano de referencia los vectores velocidad de subida y bajada son iguales. III. Cuando un cuerpo en caída libre llega al piso, lue- go de estar quieto, la aceleración de la gravedad se anula. a) VFV b) FFV c) FFF d) VVF e) VFF 57. Desde la azotea de un edificio de "H" metros de altura, una persona arroja dos objetos "A" y "B", uno hacia arriba y el otro hacia abajo, con velocidades "V" respectivamente, en el mismo instante. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas? I. En el momento que "A" alcanza su altura máxima "B" impacta en el piso. II. Cuando "A" alcanza su altura máxima, la magnitud de la velocidad relativa de "B" respecto de "A" es 2V. III. "B" impacta en el piso y luego de "2V/g" segundos impacta "A". TRILCE 55 A B V V H a) Sólo III b) Sólo II c) II y III d) I y II e) Ninguna 58. Un globo aerostático asciende con rapidez constante de 90 m/s. Cuando se encuentra a una altura "H", se suelta un objeto desde el globo. Indicar las afirmaciones verdaderas: I. Para el observador "B", el objeto parte del reposo sin aceleración. II. Para el observador "A", el objeto parte con veloci- dad inicial hacia abajo y con aceleración constante. III. En t=2s, el objeto tiene velocidad diferente de cero para el observador "B". A B H a) Sólo I b) Sólo II c) I y II d) Sólo III e) II y III 59. Se lanza un cuerpo verticalmente hacia arriba con velocidad "V", tal como se muestra. Señale las afirmaciones correctas: I. Para ningún instante de tiempo, la velocidad sera "2V" en módulo. II. Para el tiempo t=5V /2g, el móvil se encuentra por debajo del plano de lanzamiento. III. Para t=2V/g la velocidad media del cuerpo es cero. V plano de lanzamiento a) Todas b) Sólo I c) Sólo II d) II y III e) Sólo III 60. Al lanzar un objeto verticalmente hacia arriba, si duplicamos su velocidad de lanzamiento, la altura máxima que alcanza ... a) permanece constante. b) se duplica. c) se reduce a la mitad. d) se cuadruplica. e) se triplica. Física 56 Claves Claves b d d c c c c b d a a c b c c a c a a e d e a e e e a d b e c a e e b a a d b a e e a a e d b e b c a e c c c c c d d d 01. 02. 03. 04. 05. 06. 07. 08. 09. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60.
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