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77 Este capítulo está referido al movimiento de rotación o giro que puede experimentar un cuerpo alrededor de un punto fijo o eje de rotación cuando está sometido a fuerzas externas. Para dar una explicación física cualitativa y cuantitativa de la rotación de un cuerpo, analicemos el esquema que se muestra a continuación: se trata de una placa sólida que puede pivotar alrededor del punto O. Dicha placa está sometida a la acción de una fuerza externa → F , aplicada en el punto A. Ver Fig. 6.1. a Fig. 6.1. a Fig. 6.1. b O = Punto alrededor del cual la placa puede girar (puede ser también un eje de giro perpendicular al plano del papel que pasa por O). OA = Distancia del centro de giro al punto de aplicación de la fuerza. La fuerza → F ha sido descompuesta en dos componentes mutuamente perpendiculares: F// paralela a OA y FP perpendicular a OA. Ver Fig. 6.1.b. siendo OA brazo de FP, por ser perpendicular a ésta. EFECTOS FÍSICOS DE F// Y F⊥: De la gráfica se observa que F// produce un efecto de tracción sobre la placa (trata de desarticularla del punto O). La componente F⊥ (que es perpendicular a OA) hace que la placa gire en sentido horario. De esto se desprende que sólo aquellas fuerzas que son perpendiculares a su respectivo brazo de fuerza producen giro o rotación, respecto al punto O. Es posible que F// produzca un efecto de compresión y F⊥ un efecto de rotación en sentido antihorario, cambiando la dirección de la fuerza F → . La Fig. 6.2 muestra dichos efectos. Fig. 6.2 Dinámica Rotacional 78 SIGNO DEL MOMENTO DE FUERZA Cuando la rotación es antihoraria, el momento de fuerza se considera positivo (+). Cuando la rotación es horaria, el momento de fuerza es considerado negativo (-). Unidad: En el S.I. el momento de fuerza se mide en mN. MMOOMMEENNTTOO DDEE FFUUEERRZZAA OO TTOORRQQUUEE ( o → M ) Es la magnitud física vectorial que mide el grado de rotación que experimenta un cuerpo respecto a un centro o eje de giro. Su módulo se expresa por: Mo = OA.FP = d.FP Donde: d = OA : Brazo de palanca La dirección del vector momento de fuerza es perpendicular al plano formado por el brazo de fuerza y la fuerza aplicada. El sentido se obtiene mediante la regla de la mano derecha. Cada vez que se quiera calcular un momento de fuerza, debe seleccionarse primero el punto de giro o rotación, luego efectuar la multiplicación de brazo y fuerza (o componente de fuerza) mutuamente perpendiculares TTEEOORREEMMAA DDEE VVAARRIIGGNNOONN Cuando sobre un cuerpo actúa un conjunto de fuerzas, existe la posibilidad de encontrar una fuerza (fuerza resultante), que produce el mismo efecto de rotación que todo el sistema en conjunto. <> Así: ∑ = →→ = n 1i iFR es la fuerza resultante del conjunto de fuerzas aplicadas y, por otro lado, de R o n 1i F o MM i =∑ = indica que la fuerza resultante produce el mismo torque que el conjunto de momentos de las fuerzas aplicadas evaluados respecto al mismo punto O. 79 CCUUPPLLAA OO PPAARR DDEE FFUUEERRZZAA Una cupla o par de fuerza está constituido por dos fuerzas paralelas de igual magnitud y sentido opuesto, con líneas de acción separadas una distancia “d”, cuyo efecto físico es el de producir una rotación variada. La Fig. 6.3 muestra una cupla, en la que se observa una fuerza neta nula. F 0 → → =∑ C = Mo = d . F El par o cupla es independiente del punto de rotación “O” elegido como referencia, eso significa que se puede elegir el punto “O” en cualquier lugar del espacio. Fig. 6.3 EEQQUUIILLIIBBRRIIOO DDEE RROOTTAACCIIÓÓNN Se ha visto que el momento de fuerza es sinónimo de rotación o giro variado, de esto se desprende que si dicho momento de fuerza es diferente de cero, entonces el cuerpo en consideración rotará con movimiento circular variado si la fuerza es variable ó MCUV si la fuerza es constante en módulo; y si el momento de fuerza resultante es igual a cero, entonces el cuerpo no rotará ó girará con MCU y en consecuencia presentará equilibrio de rotación ó la segunda condición de equilibrio (equilibrio de un cuerpo rígido). Algebraicamente, esto puede escribirse de la siguiente manera: → M O = ∑ F i OM → ≠ 0 → (habrá rotación variada) → M O = ∑ F i OM → = 0 → (no habrá rotación ó gira con MCU) ¡ ATENCIÓN ! Las cuplas o pares de fuerzas constituyen una excepción al Teorema de Varignon, pues en estos sistemas la fuerza resultante es: ∑ = →→ = n 1i iFR = → 0 , lo que ocasiona que RoM = 0, sin embargo, 0M n 1i F o i ≠= ∑ = C 80 EQUILIBRIO DE ROTACIÓN EQUILIBRIO DE ROTACIÓN ESTÁTICO Cuando Esto implica → α = 0 → Con posibilidades → ω = 0 → → ω = cte Σ → F oM = 0 → EQUILIBRIO DE ROTACIÓN CINÉTICO Aceleración angular nula ó EQUILIBRIO TOTAL EQUILIBRIO DE TRASLACIÓN Cuando Σ → F oM = 0 → EQUILIBRIO DE ROTACIÓN Σ → F = 0 → + + EEQQUUIILLIIBBRRIIOO TTOOTTAALL DDEE UUNN CCUUEERRPPOO RRÍÍGGIIDDOO Un cuerpo rígido sujeto a fuerzas externas estará en equilibrio tanto de traslación como de rotación si cumple las siguientes condiciones físicas: Σ → F = 0 → : 1a condición de equilibrio (equilibrio de traslación) → =∑ 0M Fo : 2a condición de equilibrio (equilibrio de rotación) Es decir que tanto la fuerza resultante como el momento de fuerza resultante son nulos. 81 CCEENNTTRROO DDEE GGRRAAVVEEDDAADD Es el punto de aplicación del peso de un cuerpo. ∑=⇒∑=+++= = →→ = →→→→→ n 1i i n 1i in21 WWWW...WWW (1) Donde: → w i ( i = 1 nK ) es el peso de cada partícula del cuerpo. CARACTERÍSTICAS: 1. Es un punto que puede estar ubicado dentro o fuera del cuerpo 2. Se le llama también “centro de equilibrio”, debido a que en este punto debe aplicarse una fuerza igual al peso del cuerpo, pero en sentido contrario para lograr el estado de equilibrio de dicho cuerpo. 3. Para cuerpos con aberturas, agujeros o cavidades, se considera la longitud, área o volumen respectivamente negativos. DETERMINACIÓN ANALÍTICA DEL CENTRO DE GRAVEDAD (C.G.) 82 q Aplicando el Teorema de Varignon respecto al eje “y” : W X = W1 X1 + W2 X2 + ... + Wn Xn ⇒ X = ∑ ∑ = +++ = i n 1i ii nn2211 W XW W XW...XWXW (2) q Aplicando teorema de varignon respecto al eje “x”: W Y = W1 Y1 + W2 Y2 + ... + Wn Yn ⇒ Y Y = ∑ ∑ = +++ = i n 1i ii nn2211 W YW W YW...YWYW (3) q Para cuerpos linealmente homogéneos: (densidad lineal consonante) El peso se puede escribir en función de su longitud, esto es: Wi = KLi (4) Reemplazando (4) en (2) y (3) se tiene que : L YL L yL Y; L XL L XL X n 1i ii n 1i i n 1i ii n 1i ii n 1i i n 1i ii ∑ = ∑ ∑ = ∑ = ∑ ∑ = = = == = = (5) q Para cuerpos superficialmente homogéneos (superficial constante), el peso es directamente proporcional al área, esto es : Wi = K Ai (6) Reemplazando (6) en (2) y (3), se tiene que : A YA A yA Y; A XA A XA X n 1i ii i n 1i ii n 1i ii n 1i i n 1i ii ∑ = ∑ ∑ = ∑ = ∑ ∑ = === = = (7) q Para un sistema de cuerpos de igual peso específico (γ = W/V) W = γ V (8) Reemplazando (8) en (2) y (3) V YVV yV Y; V XV V XV X n 1i ii i n 1i ii n 1i ii n 1i i n 1i ii ∑ = ∑ ∑ = ∑ = ∑ ∑ = === = = (9) 83 CCEENNTTRROO DDEE GGRRAAVVEEDDAADD DDEE AALLGGUUNNOOSS CCUUEERRPPOOSS HHOOMMOOGGÉÉNNEEOOSS NOMBRE FIGURA X Y LONGITUD SEGMENTO RECTO L/2 0 L TRIÁNGULO El CG se ubica en el baricentro del triángulo formado al unir los puntos medios de los lados a + b + c CUADRILÁTEROS El CG se ubica en el punto de intersección de las diagonales Y = h/2 Suma de los lados CIRCUNFERENCIA 0 0 2πr ARCO DE CIRCUNFERENCIA θ θSenr 0 2θr (θ en rad) SEMI-CIRCUNFERENCIA 0 π r2 πr CUADRANTE DE CIRCUNFERENCIA π r2 π r2 2 rπ 84 NOMBRE FIGURA X Y ÁREA TRIÁNGULO 3 ba + 3 h 2 bh CUADRADO L / 2 L / 2 L2 RECTÁNGULO b /2 h /2 bh PARALELOGRAMO h /2 bh ROMBO Punto de intersección de las diagonales ½ Dd TRAPECIO Intersección de MN con la línea que une los puntos medios de las bases bB )b2B( 3 h + + (B b)h 2 + CÍRCULO 0 0 πr2 SECTOR CIRCULAR α α 3 senr2 0 2rlr 2 1 θ= SEMICÍRCULO 0 π3 r4 2 2rπ CUARTO DE CÍRCULO π3 r4 π3 r4 2r 4 π 85 r NOMBRE FIGURA Z ÁREA VOLUMEN PRISMA RECTO h/2 2(ab+ah+bh) abh CILINDRO h/2 2πr(r + h) πr2 h PIRÁMIDE RECTA h/4 a2 + 2 la 2a h 3 CONO RECTO h/4 πr(r + l) 1/3 πr2h ESFERA 0 4πr2 4/3 πr3 SEMIESFERA 8 r3 2 π r2 2/3 π r3 86 CCEENNTTRROO DDEE MMAASSAA Centro de masas, es el punto donde puede considerarse que está concentrada toda la masa de un cuerpo para estudiar determinados aspectos de su movimiento. El centro de masas de una esfera de densidad uniforme está situado en el centro de la esfera. El centro de masas de una varilla cilíndrica de densidad uniforme está situado a la mitad de su altura. En algunos objetos, el centro de masas puede estar fuera del objeto. Para tratar de comprender y calcular el movimiento de un objeto, suele resultar más sencillo fijar la atención en el centro de masas. Por ejemplo, si se arroja una varilla al aire, ésta se mueve de forma compleja. La varilla se mueve por el aire y al mismo tiempo tiende a girar. Si se siguiera el movimiento de un punto situado en el extremo de la varilla, su trayectoria sería muy complicada. Pero si se sigue el movimiento del centro de masas de la varilla, se comprueba que su trayectoria es una parábola que puede describirse matemáticamente con facilidad. El complicado movimiento del extremo de la varilla puede describirse como una combinación de su rotación en torno al centro de masas y del movimiento parabólico de éste. El centro de masas también puede ser un concepto útil cuando se estudia el movimiento de sistemas complicados que están formados por muchos objetos, por ejemplo, el movimiento de los planetas alrededor del Sol. En conclusión el centro de masa de un cuerpo no siempre coincide con el centro de gravedad, ya que no es lo mismo masa que peso, magnitudes que sirven de base para cada una respectivamente; pero, para fines prácticos, podemos considerarlos coincidentes Ejemplos ilustrativos: 1. Sobre una barra horizontal AB, se aplica una cupla como se muestra en la figura. Determinar las reacciones en los apoyos, en N, si la cupla se desplaza 1m hacia la derecha sobre la barra AB, manteniéndose el equilibrio. a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 Solución: Una cupla se equilibra con otra cupla del mismo valor y sentido opuesto 20(2) = R(8) R = 5 N Rpta. e 87 2. Sobre una barra AB de 1m de longitud están actuando tres fuerzas verticales, según como se indica en la figura. Determinar la posición “x”, en cm, que corresponde al punto de aplicación de la fuerza resultante "R". a) 50 b) 52 c) 54 d) 56 e) 58 Solución: Aplicamos el teorema de Varignon: Ro F o MM =∑ Tomamos momentos con respecto al punto “A”: + 2 (60) – 4(100) = R(x) De la figura: R = ∑ F = -3 + 2 – 4 = -5N = 5N ↓ 120 – 400 = -5 (x) x = 56 cm Rpta. d 3. El triángulo ABC es equilátero, se extrae un triángulo PQR equilátero. Calcular la ordenada del C.G. de la figura sombreada, en m. a) 3 3 b) 3 32 c) 3 34 d) 6 3 e) 4 3 Solución: El eje “y” es un eje de simetría de la figura por lo tanto el C.G. se encuentra en el eje “y” ∆ ABC __ RB = H = 2 3 ==> A1 = 2H y1 = 3 H ∆ PQR __ RS = h = 3 ==> A2 = -h (Área hueca) y2 = h 3 2 YG = 21 2211 AA YAYA + + 88 YG = 332.2 )3( 3 2)32( 3 2 hH2 h 3 2.h 3 H.H2 22 − − = − − YG = 3 32 33 6 33 28 == − m Rpta. b 4. El sistema está en equilibrio. La barra AB pesa “P” → Kg y el bloque "Q" Newton. Determine la relación entre P/Q (g = 10m/s2). a) 30 7 b) 30 1 c) 15 1 d) 15 2 e) 15 4 Solución: Considerando __ AB = L ∑ MA = 0 Q (L Sen 53°) – °53Cos 2 LW = 0 5 3. 2 W 5 4.Q = W = 10P N 4Q = 2 3 . 10P ⇒ 15 4 Q P = Rpta. e 89 DINAMICA ROTACIONAL PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Determine el torque resultante con respecto al punto “M”. a) b) c) d) e) 2. Un alambre rígido homogéneo de 50cm de longitud es doblado como se indica en la figura. Para mantenerse en equilibrio y en la posición mostrada, determinar “x” en cm. a) 14,5 b) 24,5 c) 30,6 d) 40,5 e) 28,4 3. Determine el módulo de la fuerza resultante dando su posición respecto al punto A, en la figura indicada. Considere la barra ingrávida. a) 200N; 5,6m b) 100N; 2m c) 300N; 3,4m d) 500N; 3,8m e) 300N; 10,6m 4. Se tiene un cajón donde su altura es el doble de la base. Determine µs, de manera que cuando se aplica una fuerza “F” esté a punto de volcar. a) 0,15 b) 0,2 c) 0,25 d) 0,5 e) 0,75 F µs 8m 8m 8m 50 150N 200N A 10cm 60° A X 100N 2m 2m 2m M 100N 180N 180N x y 90 5. La estructura homogénea en forma de L de masa 10kg. Determine el valor de “α” para el equilibrio, la longitud de la barra es 10m; g=10m/s2. a) arctg (4/9) b) arctg (1/2) c) arctg (2/3) d) arctg (4/5) e) arctg (2/7) 6. Una placa rectangular uniforme de 300N de peso y dimensiones de 2mx2√3m, se cuelga de los extremos mediante cuerdas verticales . Halle la diferencia de tensiones T1-T2 en N. A) -100 B) 0 C) 100 D) 80 E) -80 7. El diagrama muestra una estructura de barras ingrávidas rígidas articuladas. Si la fuerza horizontal actúa en el punto medio de la barra vertical. Encuentre la reacción en la articulación “B” en N. a) 8 b) 10 c) 12 d) 15 e) 6 8. Se muestra una estructura metálica articulada en “A”. Determine la rapidez angular de esta estructura de tal manera que el lado “AB” se establece en forma vertical. Las esferas soldadas a las barras ingrávidas son de igual masa; g=10m/s2; l=1,6m 53° B F 4m 6m α 91 a) 1,25rad/s b) 2,18rad/s c) 3rad/s d) 5rad/s e) 5,25rad/s 9. La barra lisa se encuentra en reposocuando se le aplica una fuerza horizontal F. Determine el módulo F. (g= 10 m/s2; tanө= 2/3). a) 10N b) 12N c) 15N d) 20N e) 24N 10. En la figura se muestra una barra de 20N de peso afectada por la acción de fuerzas distribuidas. Uno de los apoyos tienen como reacción en N: a) 24,32 b) 26,40 c) 28,33 d) 30,0 e) 32,4 11. Un motociclista se traslada con una rapidez de 90km/h sobre una superficie horizontal. Si ingresa a una curva cuyo radio de curvatura es 250m. ¿Qué medida tendrá el ángulo respecto a la vertical que debe inclinarse el motociclista para que pase la curva? (g=10m/s2) a) arctg (1/4) b) arctg (2/5) c) arctg (1/5) d) arctg (3/5) e) arctg (2/7) W l l l l A B L L R F ө 3,6 Kg 92 12. El módulo de la fuerza “F” en N aproximadamente y la distancia en metros del punto “B” a la que debe ser aplicada para que la barra ingrávida de 15m quede en equilibrio son respectivamente: a) 10 y 3 b) 11,66 y 4 c) 11,66 y 3 d) 6 y 3 e) 11,66 y 5 13. Una partícula de masa m=1kg atada de una cuerda de 1m de longitud desarrolla un movimiento circunferencial sobre un plano sin fricción donde θ=16°. Si por el punto más alto de su trayectoria pasa con una rapidez de 5m/s. En ese instante determine en N la tensión de la cuerda. (g=10m/s2) a) 12,5 b) 15,6 c) 18,5 d) 22,2 e) 30,2 14. Aplicada la fuerza horizontal “F” la tuerca metálica está a punto de volcar y deslizarse. Determine el coeficiente de rozamiento estático entre la tuerca y el piso. a) b) c) d) e) 15. Determine la rapidez angular en “rad/s”, del sistema rotatorio, alrededor del eje “AB” para que la cuerda de 1m de largo se incline en 37° con respecto a la vertical (a=0,38m) a) b) c) d) e) B A a m F θ A 2N F 37° 10N B 93 16. La esfera de 2kg que fue abandonada en “A”, al pasar por “B” experimenta una fuerza resultante de módulo 20N. Para dicho instante, ¿qué módulo en N tiene la fuerza de tensión? (g=10m/s2) a) b) 10 c) 20 d) e) 17. La rueda tiene radios “r” y “R”, logra el equilibrio atándola horizontalmente a un riel inclinado en 37°. Si el coeficiente de rozamiento estático entre la rueda y el riel es 0,5. Determinar “R/r”, si la rueda está a punto de resbalar sobre el riel. a) ½ b) 3/2 c) 5/3 d) 5/2 e)3/4 18. Una partícula se mueve con MCUV, si parte del reposo con una aceleración angular de módulo 1rad/s2. Determine la relación entre la fuerza centrípeta y la fuerza tangencial (Fc / Ft) tres segundos después de su partida, a) 9 b) 10 c) 12 d) 16 e) 25 19. Un pequeño balde, con contenido de agua, es atado a una cuerda de 2,5m y se provoca una rotación vertical. ¿Qué rapidez en “m/s” debe tener el balde en su parte más alta tal que el agua no se derrame? (g=10m/s2) a) 2 b) 3 c) 4 d) 5 e) 8 r R 37° A B varilla 30°
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