Física. Conceptos y aplicaciones 7ma Edición Paul E. Tippens.pdf
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Este documento presenta un resumen del contenido de la 7ma edición revisada del libro de texto "Física, conceptos y aplicaciones" escrito por Paul E. Tippens. El libro contiene 39 capítulos organizados en 4 secciones principales que cubren diversos temas de física como mecánica, termodinámica, electricidad, magnetismo, óptica y física moderna. El documento incluye agradecimientos del autor y lista de profesores que revisaron la obra.
![2.7 Geometría 19
Figura 2.4 Gráfica del tiempo necesario para recorrer una distancia de 1 km como función de la rapidez
(una relación inversa).
Cuando la gráfica de una cantidad frente a otra produce una línea recta que pasa por el
origen hay entre ellas una relación directa. En este ejemplo, la distancia recorrida es directa
mente proporcional al tiempo. Cuando una de esas cantidades cambia, la otra también, y en la
misma proporción. Si se duplica el tiempo transcurrido, se duplica la distancia recorrida.
También existen las relaciones inversas o indirectas, en las que el aumento de una can
tidad produce como resultado la disminución proporcional de la otra cantidad. Si disminu
yéramos la rapidez de un automóvil, veríamos que se requerirían intervalos de tiempo cada
vez mayores para recorrer la misma distancia. Suponga que hemos medido, en segundos (s),
el tiempo requerido para recorrer una distancia de 1 kilómetro (km) [0.621 millas (mi)] con
rapidez de 20, 40, 60, 80 y 100 kilómetros por hora (km/h). De esta manera registramos los
datos siguientes:
Rapidez, km/h 20 40 60 80 100
Tiempo, s 180 90 60 45 36
En la figura 2.4 se muestra una gráfica de estos datos. Nótese que la gráfica de una relación
inversa no es una línea recta sino una curva.
Una gráfica sirve para obtener información con la que no se contaba antes de elaborarla.
Por citar un caso, en la figura 2.4 advertimos que se requeriría un tiempo de 120 s para reco
rrer la distancia si nuestra rapidez fuera de 30 km/h.
Geometría
En este breve repaso presuponemos que usted conoce el concepto de punto y de recta. Ve
remos otros conceptos importantes sólo en la medida en que sean necesarios para resolver
problemas de física. No es indispensable hacer un amplio repaso de los muchos teoremas
posibles de esta disciplina. Comenzaremos con ángulos y rectas.
El ángulo comprendido entre dos líneas rectas se define trazando un círculo cuyo cen
tro se ubica en el punto de intersección (véase la figura 2.5a). La magnitud del ángulo A es
proporcional a la fracción de un círculo completo que se encuentra entre las dos rectas. Los
ángulos se miden en grados, como se define en la figura 2.5b. Un grado (0) es una parte de un
círculo igual a 1/360 de una revolución completa (rev). Por tanto, en 1 rev hay 360°:](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-39-320.jpg)
![26 Capítulo 2 Matemáticas técnicas
Ejemplo 2.11
Solución: De acuerdo con los pasos 2 y 3, se elige el ángulo de 40° como referencia y
luego se marcan en la figura los lados op, ady e hip. En el paso 4, se toma la decisión de
resolver para x (el lado opuesto al ángulo de 40°). En seguida, puesto que la función seno
incluye op e hip, elegimos la función y escribimos la ecuación
sen 40° = ——
—
20 m
Resolvemos para x multiplicando ambos lados por 20 m, y obtenemos
x = (20 m) sen 40° o x = 12.9 m
En algunas calculadoras podemos hallar x de esta forma:
(20 m) sen 40° = 20 [ x ] 40 f^hTI Q = 12-9 m
El procedimiento varía según la calculadora. Debe comprobar esta respuesta y usar su
calculadora para mostrar que el lado y = 15.3 m.
^ Un automóvil sube por la rampa mostrada en la figura 2.20, cuya base es de 20 m y tiene
una altura de 4.3 m. ¿Cuál es el ángulo de su inclinación?
Plan: Trace un esquema y márquelo (véase la figura 2.20) sin perder de vista la informa
ción proporcionada y las relaciones del ángulo de inclinación. Luego siga la estrategia de
resolución de problemas.
Solución: Identifique los lados op, ady e hip para el ángulo 6 y observe que la función
tangente es la única que implica los dos lados conocidos. Escribimos
op 4.3 m
tan 6 = —— = ------- o tan 6 = 0.215
ady 20 m
El ángulo 6 es aquel cuya tangente es igual a 0.215. En la calculadora obtenemos
6 = 12.1°
En algunas calculadoras la secuencia de teclas sería
4.3 [ ± 20 ^ F 1
En algunas calculadoras hay que usar INV TAN, ATAN, ARCTAN u otros símbolos en vez
de tan-1. Lo reiteramos: es preciso que lea el manual incluido con su calculadora.
Figura 2.20](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-46-320.jpg)
![giga (G) = 109
mega (M) = 106
kilo (k) = 103
centi (c) = 10~2
Resumen
La medición técnica es esencial para el campo de aplicaciones
de la física. Hemos aprendido que hay siete unidades funda
mentales y que cada una de ellas tiene una sola unidad aprobada
en el SI. En mecánica, las tres cantidades fundamentales para
la mayor parte de las aplicaciones son la longitud, la masa y el
tiempo. Algunas de las aplicaciones incluyen vectores y otras
sólo escalares. Debido a que las cantidades vectoriales tienen
dirección, se deben sumar o restar mediante métodos especia
les. Los siguientes puntos resumen esta unidad de estudio:
8 Los prefijos del SI utilizados para expresar múltiplos y
submúltiplos de las unidades básicas se indican a conti
nuación:
mili (m) = 1CT3
micro (yU
,) = 10'6
nano (n) = 10-9
pico (p) = 10~1
2
Para convertir una unidad en otra:
a. Escriba la cantidad que se desea convertir (número y
unidad).
b. Recuerde las definiciones necesarias.
c. Forme dos factores de conversión para cada definición.
d. Multiplique la cantidad que se va a convertir por aque
llos factores de conversión que cancelen todas las uni
dades, menos las deseadas.
Método delpolígono para sumar vectores: El vector resul
tante se obtiene dibujando cada vector a escala, colocando
el origen de un vector en la punta de la flecha del otro
hasta que todos los vectores queden representados. La re
sultante es la línea recta que se dibuja a partir del origen
del primer vector hasta la punta del último (figura 3.26).
Método delparalelogramo para sumar vectores: La resul
tante de sumar dos vectores es la diagonal de un paralelo-
gramo que se forma tomando los dos vectores como lados
adyacentes. La dirección se indica en el punto más lejano
del origen común de los dos vectores (figura 3.27).
Figura 3.26
Figura 3.27
Las componentes x y y de un vector (R, 6):
Rx = R eos i R,. = R sen i
La resultante de dos vectores perpendiculares (Rx, R):
R = V R 2
X + Rl tan <
¿
>=
El método de las componentes para sumar vectores:
Rr = Ay + Br + C, + • ■•
Ry = A, + Bv + Cv +
R = V r*
R
R]
tan d
> =
Conceptos clave
cantidad escalar 45
cantidad vectorial 45
componentes 50
desplazamiento del pistón 35
dimensiones 44
factor de conversión 43
fuerza dinámica 50
fuerza estática 50
fuerza resultante 51
fuerzas concurrentes 51
magnitud 35
método de las componentes 62
método del paralelogramo 47
método del polígono 47
metro 38
patrón 35
peso 49
rapidez 43
segundo 38
sistema internacional de unidades
(unidades del SI) 36
vector unitario 59
62](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-82-320.jpg)
![76 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción
Equilibrio traslacional
1. Trace un bosquejo y anote las condiciones del
problema.
2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre (véase la sección
4.5).
3. Encuentre todas las componentes x y y de las fuerzas,
aunque incluyan factores desconocidos, tales como A
eos 60° o B sen 60°. (Tal vez desee elaborar una tabla
de fuerzas como se muestra en la tabla 4.1.)
4. Use la primera condición de equilibrio [ecuación (4. 1)]
para formar dos ecuaciones en términos de las fuerzas
desconocidas.
5. Determine algebraicamente los factores desconocidos.
Tabla 4.1
Fuerza e X
Componente x Componente y
A 60° Ax = —
A eos 60° Av = A sen 60°
B 0° Bx = B Bx = 0
W
1
V
O
Oo
Wx = 0 = —100 N
2 Fx = B — A eos 60° 2 Fy = A sen 60° - 100 N
Una pelota de 100 N suspendida por una cuerda A es jalada hacia un lado en forma hori
zontal mediante otra cuerda B y sostenida de tal manera que la cuerda A forma un ángulo
de 30° con el muro vertical (véase la figura 4.9). Encuentre las tensiones en las cuerdas A
y b .
Plan: Se sigue la estrategia para resolver problemas.
Solución:
1. Trace un bosquejo (figura 4.9a).
2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre (figura 4.9b).
3. Determine las componentes de todas las fuerzas (tabla 4.1). Observe que en la figura
A y W son negativas.
4. Ahora aplique la primera condición de equilibrio. La suma de fuerzas a lo largo del eje
x es:
^ F x = B - A eos 60° = 0
(b)
Figura 4.9 Las fuerzas que actúan en el nudo se representan en un diagrama de cuerpo libre.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-96-320.jpg)
![128 Capítulo 6 Aceleración uniforme
Tabla 6.3
Movimiento uniformemente acelerado y proyectiles
Fórmulas de aceleración general Modificadas para el movimiento de proyectiles
(1) x — X = v 0xt
( V y + V0v
y = [ 2 >
(2) vf = v 0 + a t r.v = V0.v Vv = V0v + g t
(3) X — 1
V qÍ ~r ~ C lt X =
1 ,
V = V0 yt + ^ g t "
(4) X —
i ,
V f t -------- Clt~
1 2
X = v0J y = yyt ~ ^
(5) 2 ax
O
I
O
1
I
I
ax = 0 2gy = Vy - Vqv
Ejemplo 6.11
mv/s
Un esquiador inicia un salto horizontalmente con una velocidad inicial de 25 m /s, como se
muestra en la figura 6.10. La altura inicial al final de la rampa es de 80 m arriba del punto
de contacto con el suelo, (a) ¿Cuánto tiempo permanece en el aire el esquiador? (b) ¿Cuán
lejos viaja horizontalmente? (c) ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la
velocidad final?
Plan: Para la proyección horizontal, se observa que la velocidad vertical inicial es cero
y que la velocidad horizontal no cambia. Además, si se elige como positiva la dirección
descendente, la aceleración será +9.8 m /s2 y el resto de los parámetros también serán
positivos. Cada inciso del problema se resuelve sustituyendo los datos proporcionados en
las ecuaciones apropiadas de la tabla 6.3.
Solución (a): El tiempo que pasa en el aire sólo es función de parámetros verticales.
Dados: vQ
j = 0, a = +9.8 m /s2, y = +80 m Encontrar: t = ?
Necesitamos una ecuación que incluya / y no v .
1 7
J = VQyt + ~ g t
Igualando v = 0 y resolviendo para t se obtiene
1 ,
>
' = T g f y t =
2y
Figura 6.10 Un esquiador se lanza en un salto con una velocidad horizontal inicia] de 25 m/s. Su posi
ción y su velocidad pueden determinarse en función del tiempo.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-148-320.jpg)
![Objetivos
C uando term ine de estudiar este capítulo el alum no:
1. Describirá la relación entre fuerza, masa y aceleración, e indicará las unidades
congruentes para cada una de esas variables en el sistema m étrico y en los
sistemas de unidades usuales de Estados Unidos.
2. Definirá las unidades newton y slug, y explicará p or qué son unidades deriva
das y no fundam entales.
3. Dem ostrará m ediante definiciones y ejem plos su com prensión de la diferencia
entre masa y peso.
4. D eterm inará la masa a partir del peso, y el peso a partir de la masa en un lugar
donde se conozca la aceleración debida a la gravedad.
5. Dibujará un diagram a de cuerpo libre para objetos en m ovim iento con acele
ración constante, estableciendo que la fuerza resultante es igual a la masa total
m ultiplicada p or la aceleración, y calculará los parám etros desconocidos.
De acuerdo con la primera ley de Newton sobre el movimiento, un objeto sufrirá un cam
bio en su estado de movimiento o de reposo únicamente cuando actúe sobre él una fuerza
resultante, no equilibrada. Ahora sabemos que un cambio en el movimiento, por ejemplo un
cambio en la rapidez, da por resultado una aceleración. En múltiples aplicaciones industriales
necesitamos predecir la aceleración que se producirá mediante una determinada fuerza. Por
ejemplo, la fuerza hacia adelante que se requiere para acelerar un automóvil en reposo, hasta
una rapidez de 60 km/h en 8 s es algo que interesa a la industria automotriz. En este capítulo
se estudiarán las relaciones entre fuerza, masa y aceleración.
138 Capítulo 7 Segunda ley de Newton
Segunda ley de Newton sobre el movimiento
Antes de estudiar formalmente la relación entre una fuerza resultante y la aceleración, con
sideraremos primeroun experimento sencillo. Una pista lineal de aire es un aparato para
estudiar el movimiento de objetos en condiciones que se aproximan a una fricción de cero.
Cientos de pequeños chorros de aire originan una fuerza ascendente que equilibra el peso
del deslizador, como se muestra en la figura 7.1. Se ata un hilo al frente del deslizador y se
coloca un dinamómetro de peso despreciable para medir la fuerza horizontal aplicada, como
se muestra en la figura. La aceleración que recibe el deslizador puede medirse determinando
el cambio de rapidez en un intervalo de tiempo definido. La primera fuerza aplicada F en la
figura 7.1a origina una aceleración a,. Si se duplica la fuerza, o sea 2F , se duplicará la acele
ración, 2a,, y si.se triplica la fuerza, 3F,, se triplicará la aceleración, 3a,.
Estas observaciones demuestran que la aceleración de un determinado cuerpo es directa
mente proporcional a la fuerza aplicada, lo cual significa que la relación de fuerza a acelera
ción siempre es constante:
Fj Fi F3
— = — = — = constante
el] 3.9
La constante es una medida de la eficacia de una fuerza dada para producir aceleración. Vere
mos que esta relación es una propiedad del cuerpo, llamada su masa m, donde
F
m — ~
a
La masa de un kilogramo (1 kg) se definió en el capítulo 3 por comparación con un patrón.
Conservando esta definición, ahora podemos definir una nueva unidad de fuerza que imparti
ría a la unidad de masa una unidad de aceleración.
La fuerza de un new ton (1 N) es la fuerza resultante que im parte a una masa de
1 kg una aceleración de 1 m /s 2.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-158-320.jpg)
![148 Capítulo 7 Segunda ley de Newton
(a)
10 kg
i
T
>f
W, = g
(b)
l
T
m2-
£ 2rl"~
W2=m2Í
(c)
Figura 7.8 Dos masas cuelgan de una polea fija. Se muestran los diagramas de cuerpo libre; la dirección
positiva de la aceleración se elige hacia arriba a la izquierda, y hacia abajo a la derecha.
ley de Newton en forma separada a cualquiera de las dos masas para obtener la tensión en
la cuerda.
Solución (a): Primero se traza el esquema y los diagramas de cuerpo libre para cada
masa, como se muestra en la figura 7.8. Los pesos de las masas se escriben como m g y
m7g, respectivamente. Al organizar los datos escribimos
Dados: mx = 2 kg; m2 = 10 kg; g = 9.8 m /s- Encuentre: a y T.
Determinaremos la aceleración al considerar todo el sistema. Observe que la polea
simplemente cambia la dirección de las fuerzas. Si omitimos la masa del cable, la fuerza
no equilibrada es tan sólo la diferencia en los pesos (m^g —mtg). La tensión en el cable no es
un factor porque el cable ligero es parte del sistema de movimiento. Si omitimos la masa
del cable, la masa total es la suma de todas las masas en movimiento (m2g + m g). Al elegir
una dirección positiva constante para el movimiento (hacia arriba en la izquierda y hacia
abajo en la derecha), aplicamos la segunda ley de Newton:
m2g — mx
g = (7
nl + m2)a
= m28 ~ "hg = {m2 ~ mx)g
m] + m2 ml + m2
(10 kg - 2 kg)(9.8 m /s2)
10 kg + 2 kg
a — 6.53 m /s2
Solución (b): Para resolver para la tensión T en el cable, se debe considerar cualquiera
de las masas en forma individual ya que si se considera el sistema como un todo, no se
incluye la tensión en el cable. Suponga que consideramos sólo aquellas fuerzas que actúan
sobre la masa izquierda my
Fuerza resultante en mí = masa mxX aceleración de m
La aceleración de m] es, desde luego, la misma que para el sistema total (6.53 m /s2). Así
que,
T —m{g = mx
a o T = mxa + mx
g = mx(a + g)
T = (2 kg)(6.53 m /s2 + 9.8 m /s2)
T = 32.7 N
Demuestre que se obtendría la misma respuesta si se aplica la segunda ley de Newton a la
segunda masa.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-168-320.jpg)
![7.4 Técnicas para resolver problemas 149
Ejemplo 7.10 jP ^Jn bloque m] de 5 kg se encuentra en reposo sobre una mesa sin fricción. Tiene atada una
cuerda que pasa sobre una polea liviana sin fricción y que está atada en su otro extremo
a una masa m , como se muestra en la figura 7.9. (a) ¿Cuál debe ser la masa m2 para im
partir al sistema una aceleración de 2 m /s2? (b) ¿Cuál es la tensión en la cuerda para este
arreglo?
Plan: De nuevo resulta conveniente calcular la aceleración de todo el sistema al sumar las
fuerzas a lo largo de toda la línea de movimiento. Después de determinar la aceleración,
aplicaremos la segunda ley de Newton sólo a una de las masas para hallar la tensión en la
cuerda que une las masas.
Solución (a): Dibuje diagramas de cuerpo libre para cada cuerpo del sistema, como se
muestra en la figura 7.9. La dirección positiva constante es hacia la derecha en la mesa y
hacia abajo para la masa suspendida. La información dada es
Dados: mx 5 kg; a = 2 m /s2; g = 9.8 m /s2; Encuentre: m2 y T.
La fuerza normal TI equilibra el peso mx
g de la masa de la mesa y la cuerda es parte del
sistema, así que la fuerza resultante sobre el sistema es simplemente el peso de la masa
suspendida m7
g. Al aplicar la segunda ley de Newton a todo el sistema se obtiene
Fuerza resultante sobre el sistema = masa total X aceleración
m.2g = (ni + m2)a
Para determinar la masa m2, debemos despejar la variable como se muestra a continuación:
m2g = mxa + m2a
m2g —m2a = mx
a
m2(g —a) = mx
a
mx
a
m2 = --------
Ahora, la sustitución de valores conocidos da lo siguiente:
(5 kg)(2 m /s2)
ra9 =
9.8 m /s2 - 2 m /s2
= 1.28 kg
Solución (b): Ahora que conocemos la masa m1, podemos encontrar la tensión en la cuer
da al considerar cualquiera de las masas en forma independiente, m o mr La opción más
m j = 5 kg
(a)
Figura 7.9
+2 m/s2
(b)
i
T
- I
' <
(C)
+2 m/s2](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-169-320.jpg)
![150 Capítulo 7 Segunda ley de Newton
simple sería la masa de la mesa m , ya que la fuerza resultante sobre la masa es la tensión
en la cuerda.
T = m¡a = (5 kg)(2 m /s2)
T = 10.0 N
La misma respuesta se obtiene si aplicamos la segunda ley de Newton sólo para la masa
suspendida. Al elegir la dirección positiva hacia abajo obtenemos
m2g — T = m2a o T = m2(g —a)
De nuevo, la sustitución muestra que la tensión debe ser 10.0 N.
jf Considere las masas ml = 20kgy«?, = 18 kg en el sistema representado en la figura 7.10.
Si el coeficiente de fricción cinética es 0.1 y el ángulo de inclinación d es 30°, encuentre (a)
la aceleración del sistema y (b) la tensión en la cuerda que une las dos masas.
Pía n: Este problema es parecido al ejemplo 7.10 excepto que una de las masas se mueve
hacia arriba por el plano inclinado contra la fricción. Elegiremos con cuidado una línea
consistente de movimiento para todo el sistema. La ley de Newton se aplicará primero a
todo el sistema y después a una sola masa.
Solución (a): Trace un diagrama de cuerpo libre para cada objeto y luego liste la infor
mación dada.
Dadas: m] = 20 kg; m2 = 18 kg; g = 9.8 m /s2; Encuentre: a y T.
Observe la línea positiva de movimiento que se muestra en la figura 7.10. Necesitaremos
trabajar con las componentes de los vectores que están a lo largo de esta línea o son per
pendiculares a la misma. El ángulo de la pendiente es 30°, esto significa que el ángulo de
referencia para el peso mtg es 60° o el ángulo complementario del ángulo de la pendiente.
Por tanto, la fuerza resultante en el sistema es la diferencia entre el peso suspendido m g y
las fuerzas opuestas de fricción f ky la componente del peso my
g hacia abajo por el plano
inclinado. Al aplicar la ley de Newton obtenemos
Fuerza resultante sobre todo el sistema = masa total X aceleración del sistema
>n2g ~ fk - mx
g eos 60° = (mí + m2)a (7 .5)
Si observamos el diagrama de cuerpo libre y recordamos la definición de la fuerza de fric
ción, vemos que
fk = !¿kn y n = mg sen 60°
18 kg
(a)
Figura 7.10
(b) (c)](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-170-320.jpg)
![8.8 Potencia 171
4. La energía total del sistema en cualquier instante es fuerza de fricción/por el desplazamiento x. Recuerde
la suma de las energías cinética y potencial. Por con- que / =
siguiente, la energía total inicial EQy la energía total ¿ Escr¿ba la ecuación de la conservación de la energía y
final Ef son despeje la incógnita
E0 = mgh0 + -m v l Ef = mghf + -m v j mgh0 + —mvl = mghf + + ¡pérdidas de energía]
5. Determine si hay fuerzas de fricción. Si la fricción o la
resistencia del aire están presentes, entonces la pérdi
da de energía debe darse como dato o calcularse. Con
frecuencia, la pérdida de energía al realizar un traba
jo contra la fricción es simplemente el producto de la
7. Recuerde utilizar el valor absoluto de la pérdida de
energía cuando aplique la relación anterior. El trabajo
real contra la fricción siempre es negativo, pero en este
caso se está tomando en cuenta como una pérdida.
Potencia
En nuestra definición de trabajo, el tiempo no participó en forma alguna. La misma cantidad
de trabajo se realiza si la tarea dura una hora o un año. Si se le da tiempo suficiente, aun el
motor menos potente llega a levantar una carga enorme. Sin embargo, si deseamos realizar
una tarea con eficiencia, la razón de cambio con la que se efectúa el trabajo se vuelve una
cantidad importante en ingeniería.
Potencia es la razón de cambio con la que se realiza el trabajo.
La unidad del SI para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Por
tanto, un foco de 80 W consume energía a razón de 80 J/s.
En unidades del SUEU, se utiliza la libra-pie por segundo (ft • Ib/s) y no se da ningún nombre
en particular a esta unidad.
El watt y la libra-pie por segundo tienen el inconveniente de ser unidades demasiado pe
queñas para la mayor parte de los propósitos industriales. Por ello, se usan el kilowatt (kW)
y el caballo defuerza (hp), que se definen como:
En Estados Unidos, el watt y el kilowatt se usan casi exclusivamente en relación con la
energía eléctrica; el caballo de fuerza se reserva para la energía mecánica. Esta práctica es
simplemente una convención y de ningún modo es obligatoria. Resulta perfectamente correc
to hablar de un foco de 0.08 hp o mostrar muy ufanos un motor de 238 kW. Los factores de
conversión son:
1 hp = 746 W = 0.746 kW
1 kW = 1.34 hp
Puesto que el trabajo se realiza de manera continua, es útil disponer de una expresión
para la potencia que incluya la velocidad. Así,
P = ------—
tiempo
trabajo
(8.12)
1 W = 1 J/s
1 kW = 1000 W
1 hp = 550 ft ■lb/s
P = ------ — = —
t t
trabajo Fx
(8.13)
de donde
x
P = F ~ = Fv
t (8.14)
donde v es la velocidad del cuerpo sobre la que se aplica la fuerza paralela F.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-191-320.jpg)
![9.3 Choques elásticos e inelásticos 185
Debido a su cantidad
de movimiento, un
buque superpetrolero
con carga completa
que navega a 16 nudos
tardará 20 minutos en
detenerse. Si un objeto
inmóvil apareciera a
tres millas náuticas de
distancia, habría un
choque.
Figura 9.5 Conservación de la cantidad de movimiento.
sólo rueda un balín de la izquierda, suponiendo que lo haga a una velocidad de 40 cm/s. La
explicación se basa en el hecho de que la energía debe conservarse. Si un balín saliera disparado
con el doble de velocidad, su energía cinética sería mucho mayor que la disponible a partir de
los otros dos de la izquierda. La energía cinética que entraría entonces al sistema sería
Eq = ^m v2 = ^ (0.1 kg)(0.2 m/s)2
= 2 X 10 3J
La energía cinética de un balín que viaja a 40 cm/s es exactamente del doble de este valor.
Ef = ^mv2 = —
(0.05 kg)(0.4 m/s)2
= 4 X 10 3J
Por tanto, la energía, al igual que la cantidad de movimiento, es importante en la descripción
del fenómeno de choque.
Choques elásticos e inelásticos
A partir del experimento descrito en la sección 9.2, se puede suponer que la energía cinéti
ca, al igual que la cantidad de movimiento, no cambia a causa de un choque o colisión. Sin
embargo, esta suposición sólo es aproximadamente cierta para los cuerpos duros, como los
balines y las bolas de billar; pero no resulta verdadera en el caso de los cuerpos blandos que
rebotan con mucho mayor lentitud después de chocar. Durante el impacto, todos los cuerpos
se deforman ligeramente y así se liberan pequeñas cantidades de calor. El vigor con el que
un cuerpo recobra su forma original, después de sufrir una deformación, es una medida de su
elasticidad o capacidad de restitución.
Si la energía cinética permanece constante en un choque (el caso ideal), se dice que el
choque es completamente elástico. En este ejemplo no se pierde ningunaenergía en forma
de calor o deformación en un choque. Una bola de acero templado quese deja caer sobreuna
placa de mármol se aproxima a lo que sería un choque completamente elástico.
Cuando los cuerpos que chocan se adhieren entre sí y se mueven como un solo cuerpo
después del choque, se dice que el choque es completamente inelástico. Una bala que se
incrusta en un bloque de madera es un ejemplode este tipo dechoque. La mayoría de los
choques se encuentran entre estos dos extremos.
En una colisión completamente elástica entre dos masas m1y m,, podemos decir que
tanto la energía como la cantidad de movimiento se conservan. Por tanto, es posible aplicar
dos ecuaciones:
1 , 1 - 1 , 1 ,
Energía: —
m,iq H
— m7u? = -~m,v, -I— m?v•
>
& 2 i i 2 2 2 2 2
Cantidad de movimiento: mlu] + m2u2 —
mlv1+ m2v2
podemos simplificar y obtener
m{(u —v2) = m2(y — u2)
m{{ux — Vj) = m2(v2 - u2)
Al dividir la primera ecuación entre la segunda nos queda
2 ? ? ?
lt± V
j V
2 U
-2
u ~ V1 v 2 ~ u 2](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-205-320.jpg)
![186 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento
Factorizando los numeradores y efectuando la división obtenemos
Ui + Vj = u2 + v2
o bien,
Vi Vn lh U| = (¿íj ll2) ^
Por consiguiente, en el caso ideal de un choque completamente elástico, la velocidad
relativa después del choque, - v„ es igual al valor negativo de la velocidad relativa antes
del choque. Cuanto más parecidas sean estas cantidades, tanto más elástica será la colisión.
La relación negativa de la velocidad relativa después del choque entre la velocidad relativa
antes del choque se llama coeficiente de restitución.
El coeficiente de restitución e es la razón o relación negativa de la velocidad
relativa después del choque, entre la velocidad relativa antes del choque.
vi - v2
e = ------------
U
— u2
Al incorporar el signo menos en el numerador de esta ecuación, nos queda
v2 ~ v,
e = —------1 (9.4)
«j —u2
Si el choque es completamente elástico, entonces e = 1. Si el choque es completamente
inelástico, e = 0. En el caso del choque inelástico, los dos cuerpos salen despedidos con la
misma velocidad, es decir, v2 = vv En general, el coeficiente de restitución tiene un valor
entre 0 y 1.
Un método sencillo para determinar el coeficiente de restitución aparece en la figura 9.6.
Una esfera del material que se va a medir se deja caer sobre una placa fija, desde una altura
hv El rebote se mide a una altura h2. En este caso, la masa de la placa es tan grande que v, es
aproximadamente 0. Por lo tanto,
V2 — V, Vj
U l — u2 u.¡
La velocidad ul es simplemente la velocidad adquirida durante la caída desde la altura h , y
se determina a partir de
u] - ul = 2gh}
Pero la velocidad inicial u = 0, por lo cual
u = 2gh]
o bien,
«1 = V 2~ghx
Figura 9.6](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-206-320.jpg)
![9.3 Choques elásticos e inelásticos 187
Para que las pelotas
deportivas cumplan
con un estándar de uso
aceptable, deben tener
un alto coeficiente de
restitución. El coeficiente
de restitución se mide
al dejar caer las pelotas
desde ciertas alturas en
una superficie dura. Des
pués se mide la altura de
rebote. Las pelotas que
alcanzan una altura acep
table se desechan. ¿Por
qué el coeficiente debe
ser menor que 1.00?
Hemos considerado la dirección hacia abajo como positiva. Si la pelota rebota hasta una
altura h , su velocidad de rebote vl debe ser - V 2gh2. (El signo menos indica el cambio de
dirección.) Así pues, el coeficiente de restitución está dado por
e — —
- V 2gh2
V 2gh,
o bien,
e =
h2
hx
(9.5)
El coeficiente resultante es una propiedad conjunta de la pelota y de la superficie sobre la cual
rebota.
En el caso de una superficie muy elástica, el valor de e es de 0.95 o mayor (acero o vi
drio); mientras que para sustancias menos elásticas e puede ser muy pequeño. Es interesante
observar que la altura de rebote es una función del vigor con que se restablece la deformación
por el impacto. Contrariamente a la creencia popular, un balín de acero o una canica rebotan
a mucho mayor altura que la mayoría de las pelotas de hule.
Conservación de la cantidad de movimiento:
Choques
1. Lea el problema y luego trace y marque un diagrama
sencillo. Indique la dirección del movimiento para
cada masa, trazando vectores en el diagrama.
2. Elija el eje x a lo largo de la línea de choque e indique
la dirección positiva. Las velocidades se considerarán
positivas o negativas de acuerdo con esta elección.
3. Escriba una lista de las masas y velocidades conocidas,
teniendo cuidado de utilizar en forma apropiada el sig
no y las unidades para cada velocidad. El uso de subín
dices y letras adecuados le ayudará a seguir la pista de
las diferentes masas y velocidades, antes y después del
choque.
4. Escriba la ecuación de la conservación de la cantidad
de movimiento:
w í j M j + m2 u2 = mxv¡ + m2v2
5. Sustituya en esa ecuación todas las cantidades conoci
das y simplifique la expresión resultante. Cuando sus
tituya las velocidades, es esencial que incluya el signo
apropiado para cada una de ellas.
6. Si el choque es completamente inelástico, proceda a
resolver la ecuación de la cantidad de movimiento para
la cantidad desconocida.
7. Si la colisión es elástica, la conservación de la energía
le ofrecerá una segunda ecuación independiente:
v? V
] = e(ul — u2)
donde e es el coeficiente de restitución. (Para choques
perfectamente elásticos, e = 1.) Por último, resuelva
esta ecuación simultáneamente con la ecuación de la
cantidad de movimiento. Tenga cuidado de no con
fundir los signos de sustitución con los signos de ope
ración.
W Una pelota de 2 kg que se desplaza hacia la izquierda con una rapidez de 24 m/s choca de
frente con otra pelota de 4 kg que viaja hacia la derecha a 16 m/s. (a) Encuentre la veloci
dad resultante si las dos pelotas se quedan pegadas después del choque, (b) Determine sus
velocidades finales si el coeficiente de restitución es 0.80.
Plan: Dibujaremos y marcaremos un esquema que indique la dirección a la derecha como
positiva. Luego, después de listar la información dada, aplicaremos la ecuación de la con
servación para una colisión completamente inelástica en la que la velocidad combinada
después del choque puede determinarse directamente a partir de la conservación. Segundo,
usaremos la definición del coeficiente de restitución para establecer otra relación entre las
velocidades finales. Eso resolverá dos ecuaciones simultáneas para hallar las velocidades
finales de cada masa.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-207-320.jpg)
![188 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento
Solución (a):Primero organizamos los datos:
Dados: m1 = 2 kg, ul = —
24 m/s, e = 0.8 Encuentre: V
j = ?
m2 — 4 kg, u2 = +16 m/s v2= ?
Para el caso inelástico, e = 0 y la velocidad combinada después del choque es
Vc = V! = V2
Por tanto, podemos escribir la ecuación (9.2) como sigue:
mlul + m2u2 = mjV, + m2v2 = + m2)vc
Dado que la dirección hacia la derecha se considera positiva, sustituyendo, obtenemos:
(2 kg)(—24 m/s) + (4 kg)( 16 m/s) = (2 kg +4 kg)vc
—
48 kg • m/s + 64 kg • m/s = (6 kg)vc
.
16 kg ■m/s = (6 kg)vc
de donde
vc = 2.67 m/s
El hecho de que esta velocidad también sea positiva indica que ambos cuerpos se mueven
juntos hacia la derecha después del choque.
Solución (b): En este caso e no es cero y las balas rebotan después del choque con dife
rentes velocidades. Por tanto, necesitamos más información de la que es posible obtener
de la ecuación de la cantidad de movimiento por sí sola. Tanto el valor e = 0.80 como la
ecuación (9.4) nos ofrecen más información.
v2 —v,
e = 0.80 = —------1
Hy
o bien,
v2 —V
j = (0.80)(w! —u2)
Al sustituir los valores conocidos para u y uv obtenemos
v2 —V
j = (0.80)(—
24 m/s — 16 m/s)
= (0.80)(—
40 m/s)
o finalmente
v2 —V
! = —
32 m/s
Ahora podemos utilizar la ecuación de la cantidad de movimiento para obtener otra rela
ción entre v2y vv lo cual nos permite resolver las dos ecuaciones simultáneamente.
m]ul + m2u2 = MVl + m2v2
El lado izquierdo de esta ecuación ya fue resuelto en la parte (a) y es igual a 16 kg • m/s.
Por tanto, sustituimos los valores de m, y m, en el lado derecho
16 kg • m/s = (2 kg)v, + (4 kg)v2
de donde
2v¡ + 4v 2 = 1 6 m/s
o bien,
v, + 2v-, = 8 m/s](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-208-320.jpg)
![208 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme
Figura 10.9 La ley de la gravitación universal.
Esta proporcionalidad suele enunciarse en forma de una ecuación:
m.mi
F = (10.16)
donde m] y m2 son las masas de cualquier par de partículas separadas por una distancia r,
como se muestra en la figura 10.9.
La constante de proporcionalidad G es una constante universal igual a
G = 6.67 X 10“n N •m2/kg2
= 3.44 X 10~s Ib •ft2/slug2
Ejemplo 10.7 Dos pelotas, una de 4 kg y otra de 2 kg, están colocadas de modo que sus centros quedan
separados una distancia de 40 cm. ¿Cuál es la fuerza con la que se atraen mutuamente?
Solución: La fuerza de atracción se determina a partir de la ecuación (10.16):
mxm2 (6.67 X 10“11N •m2/kg2)(4 kg)(2 kg)
F = G-
F = 3.34 X 10_9N
(0.40 m)2
La fuerza gravitacional es, en realidad, pequeña. Debido a que la masa de la Tierra es
relativamente grande en comparación con la de los objetos que se hallan en su superficie,
solemos suponer que las fuerzas gravitacionales son muy grandes. Sin embargo, si con
sideramos dos canicas muy cercanas entre sí que yacen sobre una superficie horizontal,
nuestra experiencia nos permite comprobar que la atracción gravitacional es débil.
Ejemplo 10.8
jsmr
En la superficie de la Tierra, la aceleración debida a la gravedad es de 9.8 m/s2. Si el radio
de la Tierra es de 6.38 X 106m, calcule la masa de la Tierra.
Pía n: Para calcular la masa de la Tierra se considerará una pequeña masa de prueba m'
cercana a la superficie de nuestro planeta y cuyo radio se denotará con R Para nuestros
fines, diremos que toda la masa de la tierra mese halla en su centro geométrico. La anterior
suposición es razonable, ya que representa la distancia media de la masa rrí desde cada
partícula que forma la Tierra. La fuerza gravitacional sobre nuestra masa de prueba puede
calcularse con la ecuación W = m'g, así como con la ecuación (10.6). Si se igualan ambas
expresiones, la masa de prueba se cancela y la única incógnita que queda será la masa de
la Tierra.
Solución: Suponga que la masa de la Tierra está dada por mey que su radio es R . Para
una masa de prueba m ' cercana a la superficie terrestre se tiene que
Gm'm,
W = m'g =
Rl](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-228-320.jpg)
![254 Capítulo 12 Máquinas simples
Este importante resultado muestra que la ventaja mecánica se logra a expensas del movimien
to de rotación. Dicho de otro modo, si la ventaja mecánica es 2, el eje de rotación de entrada
debe girar con una velocidad angular igual al doble de la rapidez angular del eje de rotación de
salida. La razón co./a>ose conoce a veces como razón de rapideces.
Si la razón de rapidez es mayor que 1, la máquina produce un momento de torsión de
salida mayor que el momento de torsión de entrada. Como ya hemos visto, esta proeza puede
realizarse a costa de la rotación. Por otra parte, muchas máquinas se diseñan a fin de incre
mentar la rapidez rotacional de salida. En estos casos, la razón de rapideces es menor que 1
y el aumento en la rapidez rotacional trae consigo una reducción en el momento de torsión
de salida.
Ejemplo 12.4 7 Considere la transmisión por banda de la figura 12.9, en la que el diámetro de la pequeña
polea motriz es de 6 in y el de la polea de carga es de 18 in. Un motor de 6 hp acciona
la polea de entrada a 600 rpm. Calcule las revoluciones por minuto y el momento de tor
sión suministrados a la polea de carga si el sistema tiene una eficiencia de 75%.
Plan: Primero calculamos la ventaja mecánica ideal (100% de eficiencia) a partir de la
razón de los diámetros de las poleas. Al multiplicar este valor por el valor de la eficiencia
se obtiene la ventaja mecánica real, que es la razón del momento de torsión de salida al
de entrada. Con ello será posible despejar el momento de torsión de salida. Por último, la
velocidad de rotación de salida puede obtenerse con base en la razón de los diámetros de
las poleas.
Solución: La ventaja mecánica ideal se obtiene con la ecuación (12.11)
D, 6 in
Puesto que la eficiencia es de 75%, la ventaja mecánica real está dada por la ecuación
(12.5)
Ma = eM¡ = (0.75)(3) = 2.25
Ahora, la ventaja mecánica real es la simple razón del momento de torsión de salida (r )
al momento de torsión de entrada (r.). Si recordamos que la potencia en el movimiento
rotacional es igual al producto del momento de torsión por la velocidad angular, podemos
calcular r. como srnue:
P, (6 hp)[(550 ft • lb/s)/hp]
<
w
¿ (600 rev/min)(2-77 rad/rev)(l min/60 s)
(6)(550 ft • lb/s)
= — ™ ------r;-------= 52-5 ft - Ib
2077 rad/s
Puesto que MA = rJ t ., el momento de torsión está dado por
ro = M at . = (2.25)(52.5 ft • Ib)
= 118 ft • Ib
Suponiendo que la banda no se deslice, se moverá con la misma velocidad tangencial
v alrededor de cada polea. Puesto que v = wr, podemos escribir la igualdad
coD = co D
de donde
=
<
O
jD
j (600 rpm)(6 in)
D„ 18 in
200 rpm](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-274-320.jpg)
![280 Capítulo 14 Movimiento armónico simple
6. Calculará la frecuencia o el periodo en el movimiento armónico simple cuando
se conocen la posición y la aceleración.
7. Describirá el movimiento de un péndulo simple y calculará la longitud necesa
ria para producir una determinada frecuencia.
Hasta ahora hemos estudiado el movimiento de objetos que reciben la influencia de una
fuerza constante e invariable. Describimos ese tipo de movimiento calculando la posición y
velocidad en función del tiempo. Sin embargo, en el mundo real existen fuerzas variables.
Ejemplos muy conocidos de ello son los péndulos oscilantes, las ruedas de compensación o
balance de los relojes, los diapasones, una masa que vibra en el extremo de un resorte en es
piral y las columnas de aire en vibración de los instrumentos musicales. En estos y en muchos
otros casos se precisa una descripción más completa del movimiento causado por una fuerza
resultante que varía de forma predecible.
Figura 14.1. Vibración
periódica de un trampolín.
Movimiento periódico
Siempre que se deforma un objeto, aparece en él una fuerza elástica de restitución propor
cional a la deformación. Cuando la fuerza deja de actuar, el objeto vibra de un lado a otro
respecto de su posición de equilibrio. Por ejemplo, después de que un clavadista salta del
trampolín (figura 14.1), éste continúa vibrando de arriba abajo de su posición normal durante
cierto tiempo.
Se dice que este tipo de movimiento esperiódico porque la posición y la velo
cidad de las partículas en movimiento se repiten en función del tiempo. Puesto que
la fuerza de restitución disminuye después de cada vibración, tarde o temprano el
trampolín volverá al estado de reposo.
El movimiento periódico es aquel en el que un cuerpo se mueve de un lado a
otro, sobre una trayectoria fija, y regresa a cada posición y velocidad después
de un intervalo de tiempo definido.
Una mesa de aire es un aparato de laboratorio sobre el que los objetos se deslizan con
muy poca fricción. Suponga que fijamos un extremo de un resorte ligero a la pared y el otro
a un disco circular libre para deslizarse sobre esa mesa, como se muestra en la figura 14.2.
Denotaremos su posición inicial de equilibrio con x = 0, y luego estiraremos el resorte a la
derecha una distancia x = A. Al soltarlo, se observa que el disco oscila de un lado a otro por
la posición de equilibrio con fricción despreciable. De acuerdo con la ley de Hooke (véase el
capítulo anterior), la fuerza de restitución F es directamente proporcional al desplazamiento a
Mesa de aire
Presión del aire
+A
F=-kx
I
I
I
. . ] r i
i
k
__________________________________________________________
~
~
l
I
I
I
I
----------
X
Figura 14.2. Un disco unido a un resorte oscila a un lado y otro sobre una mesa de aire, lo que ejemplifica
el movimiento armónico simple.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-300-320.jpg)
![14.6 Aceleración en el movimiento armónico simple 289
Solución (a): Sabemos que / = 0.5 Hz, A = 0.06 m y 9 = 90°. La velocidad máxima se
determina sustituyendo estos datos en la ecuación (14.9). Recuerde que sen 90° = 1.
V
m
áx = -277/A sen90° = - 2 t t/A
= -27r(0.5H z)(0.06m )
= —0.188 m/s
El signo negativo indica que la primera velocidad máxima es —18.8 cm /s en dirección
izquierda. Si hubiéramos sustituido 270° para el ángulo 9, la velocidad máxima hubiera
sido +18.8 cm /s hacia la derecha.
Solución (b): En este caso se pide determinar la posición y la velocidad en un instante
determinado: 5.2 s. Cuando el ángulo de referencia 6 se escribe como 2 v ft es indispen
sable recordar que los ángulos deben expresarse en radianes, no en grados. Cerciórese de
que su calculadora está configurada para leer los ángulos en radianes. Como un pequeño
error en la medida de éstos es importante, mejor asegúrese de no redondear sus datos hasta
que haya alcanzado la respuesta final. El desplazamiento en t = 5.2 s se halla a partir de
la ecuación (14.9)
x = Acos(27rft) = (0.06 m) cos[2tt(0.5 Hz)(5.2 s)]
= (0.06 m )cos(l6.34 rad) = (0.06 m )(-0.809)
= —0.0485 m = —4.85 cm
La velocidad se encuentra con la ecuación (14.11) usando el mismo ángulo, en radianes
v = -2irfA sen(16.34 rad)
= —2ir(0.5 Hz)(0.06 m )(-0.588)
= +0.111 m/s = +11.1 cm/s
Cabe observar que la velocidad después de 5.2 s es positiva, lo que indica que la masa se
mueve a la derecha en ese instante.
Aceleración en el movimiento armónico simple
La velocidad de un cuerpo que oscila jamás es constante. Por tanto, la aceleración tiene suma
relevancia en las ecuaciones obtenidas para la posición y la velocidad en la sección anterior.
Ya contamos con una expresión para predecir la aceleración en función de la distancia; ahora
deduciremos la relación con el tiempo.
En la posición de desplazamiento máximo (±A), la velocidad de una masa que oscila
es igual a cero. Es en ese instante cuando la masa está sometida a la máxima, fuerza de resti
tución. Por consiguiente, su aceleración es máxima cuando su velocidad es cero. Cuando la
masa se aproxima a su posición de equilibrio, la fuerza de restitución (y, por tanto, la acelera
ción) se reduce hasta llegar a cero en el centro de la oscilación. En la posición de equilibrio,
la aceleración es igual a cero y la velocidad alcanza su valor máximo.
Miremos el círculo de referencia de la figura 14.9, trazado para estudiar la aceleración a
de una partícula que se mueve con movimiento armónico simple (MAS). Note que la acelera
ción centrípeta a de una masa que se mueve en un círculo de radio R = A se compara con la
aceleración de su propia sombra. La aceleración a de la sombra representa el MAS y es igual
a la componente horizontal de la aceleración centrípeta acde la masa. Con base en la figura,
a = —aceos 9 = —aceos cot (14.12)
donde <
w= 2nrf. El signo menos indica que la aceleración es opuesta al desplazamiento pero
igual a la dirección de la velocidad.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-309-320.jpg)
![15.1 Densidad 303
m — 11.3 i m = 0.81 g
Plomo Madera
1 cm3
m — 11.3 g
1
Plomo®
1cm3
fTTTTVn—í]
n = 11.31
14 cm I i
A j ¡ / j
Madera
1 cm3
Figura 15.1 Comparación de la masa y el volumen para bloques de plomo y madera. El volumen de la
madera debe ser 14 veces el del plomo si tienen la misma masa.
El peso específico D de un cuerpo se define como la relación entre su peso W
y su volumen V. La unidad común es la libra por pie cúbico (lb/ft3).
D =
W
V
W = DV (15.2)
Por ejemplo, el peso específico del agua es 62.4 lb/ft3.
La relación entre peso específico y densidad se determina recordando que W = mg. Por
consiguiente,
D = = pg (15.3)
Las densidades para los sólidos, líquidos y gases comunes se proporcionan en la tabla
15.1.
Tabla 15.1
Densidad y peso específico
P
Sustancia kg/m3 g/cm3 D, lb/ft3
Sólidos:
Acero 7800 7.8 487
Aluminio 2700 2.7 169
Cobre 8890 8.89 555
Hielo 920 0.92 57
Hierro 7850 7.85 490
Latón 8700 8.7 540
Oro 19300 19.3 1204
Plata 10500 10.5 654
Plomo 11300 11.3 705
Roble 810 0.81 51
Vidrio 2600 2.6 162
Líquidos:
Agua 1000 1.0 62.4
Alcohol 790 0.79 49
Benceno 880 0.88 54.7
Gasolina 680 0.68 42
Mercurio 13600 13.6 850
Gases (0°C):
Aire 1.29 0.00129 0.0807
Helio 0.178 0.000178 0.0110
Hidrógeno 0.090 0.000090 0.0058
Nitrógeno 1.25 0.00126 0.0782
Oxígeno 1.43 0.00143 0.00892](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-323-320.jpg)
![316 Capítulo 15 Fluidos
Figura 15.13 Cálculo de la velocidad de un fluido que circula por un tubo.
¿Bats de béisbol con
hoyuelos?
Tal vez haya visto o
incluso probado un
nuevo tipo de bat
de béisbol que tiene
hoyuelos a lo largo
del mismo parecidos
a los de una pelota de
golf. Estos hoyuelos en
realidad ayudan al bat a
balancearse m ás rápido
por el aire debido a la
dinámica de fluidos. Los
hoyuelos provocan una
turbulencia m icroscópica
que a su vez genera un
flujo aerodinám ico más
global.
Para expresar esta razón en forma cuantitativa, consideraremos el caso de un líquido que fluye
a lo largo de una tubería como la que se ilustra en la figura 15.13, con una velocidad media v.
En un espacio de tiempo f, cada partícula en la corriente se mueve a través de una distancia vi.
El volumen V que fluye a través de la sección transversal A está dado por
V = Avt
Por lo tanto, el gasto (volumen por unidad de tiempo) se puede calcular partiendo de
Avt
R = — M vA
t
Gasto = velocidad X sección transversal
(15.11)
Las unidades de R expresan la relación de una unidad de volumen entre una unidad de tiem
po. Ejemplos frecuentes de esto son: pies cúbicos por segundo, metros cúbicos por segundo,
litros por segundo y galones por minuto.
Si el fluido es incompresible y no tomamos en cuenta los efectos de la fricción interna, el
gasto R permanecerá constante. Esto significa que una variación en la sección transversal en
la tubería, como se muestra en la figura 15.14, da por resultado un cambio en la rapidez del
líquido, de tal modo que el producto vA permanece constante. Simbólicamente escribimos
R = VjAj = v2A2 (15.12)
Un líquido fluye con más rapidez a través de una sección estrecha de tubería y más lentamente
a través de secciones más amplias. Este principio es la causa de que el agua fluya más rápido
en las partes de un arroyo donde las orillas del mismo están más cercanas entre sí.
Figura 15.14 En el flujo laminar, el producto de la velocidad del fluido por el área de la sección transversal
del tubo es constante en cualquier punto.
i? El agua fluye a través de una manguera de hule de 2 cm de diámetro a una velocidad de
4 m/s. (a) ¿Qué diámetro debe tener el chorro si el agua sale a 20 m /s? (b) ¿Cuál es el
gasto en metros cúbicos por minuto?
Plan: El gasto debe ser el mismo tanto en la manguera como a través del chorro, así que
A [vl = A2vr A partir de esto, determinamos la velocidad a través del chorro. Después de deter
minar el área de cualquier abertura, podemos multiplicar por la velocidad para hallar el gasto.
Solución (a): Como el área A es proporcional al cuadrado del diámetro, podemos escribir
Vid]
d 1 V1 = div2 d =
v2](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-336-320.jpg)
![15.8 Presión y velocidad 317
A partir de lo cual
d2 =
vd]
v2
(4 m/s)(2 cm)‘
(20 m/s)
= V0.80 cm2 = 0.894 cm
Solución (b): Para calcular el gasto, primero debemos determinar el área de la manguera
de 2 cm de diámetro.
A, =
ird] tt(2 cm)2
= 3.14 cm2
, , 1 X 10 4m2 , ,
= 3.14 cm2 -----:-----;---- I = 3.14 X 10~4m2
1 _ 2
1 cm
El gasto es R = A {vv así que
R = (3.14 X 10~4 m2)(4 m/s) = 1.26 X 10~3m3/s
= (1.26 X 10-3 m3/s)(60 s/min) = 0.0754 m3/min
El mismo valor debe obtenerse considerando el producto A,v,.
Problem as sobre gasto
1. Lea el problema cuidadosamente, y, después de dibu
jar un esquema, elabore una lista con la información
proporcionada.
2. Recuerde que el gasto R representa el volumen del flui
do que pasa por una determinada sección transversal
por unidad de tiempo.
3. Cuando un volumen de fluido pasa de una sección
transversal A, a otra A2, el gasto no cambia.
R = VjA] = v2
A2
Asegúrese de utilizar unidades congruentes para el volu
men y el área.
4. Puesto que el área A de una tubería es proporcional
al cuadrado de su diámetro d, una forma más útil de
expresar la ecuación anterior puede ser:
v ¡ ¿ / j — v 2 d 2
5. Las unidades elegidas para la velocidad o el diámetro
en una sección de la tubería deben ser las mismas que
se usen en la segunda sección de la tubería.
Presión y velocidad
Hemos observado que la velocidad de un fluido aumenta cuando fluye a través de un angosta-
miento. Un incremento en la velocidad únicamente se puede deber a la presencia de una fuer
za de aceleración. Para acelerar un líquido que entra al angostamiento, la fuerza de empuje
proveniente de la sección transversal amplia debe ser mayor que la fuerza de resistencia del
angostamiento. En otras palabras, la presión en los puntos A y C, en la figura 15.15 debe ser
mayor que la presión en B. Los tubos insertados en la tubería sobre dichos puntos indican cla
ramente la diferencia de presión. El nivel del fluido en el tubo situado sobre la parte angosta
es más bajo que el nivel en las áreas adyacentes. Si h es la diferencia de altura, la diferencia
de presión está dada por
Pa ~ Pb = P§h (15.13)
Esto es cierto si se supone que la tubería está en posición horizontal y que no se producen
cambios de presión debido al cambio de energía potencial.
El ejemplo anterior, como se muestra en la figura 15.15, muestra el principio del medidor
venturi. Partiendo de la determinación de la diferencia de la presión, este dispositivo hace
posible el cálculo de la velocidad del agua en una tubería horizontal.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-337-320.jpg)
![15.9 Ecuación de Bernoulli 319
Un bum erang vuela
en círculo debido a ¡a
form a y curvatura de sus
brazos. El borde exterior
del brazo superior y el
borde interior del brazo
inferior crean un piano
aerodinám ico. Cuando
se lanza el bum erang, la
presión del aire empuja
hacia la izquierda,
form ando un mom ento
de torsión. Com o la
presión del aire está
dirigida hasta un lado,
la aceleración centrípeta
im pulsa al bum erang en
su trayectoria circular.
v 2
F o - P 7A 9
hi
(a)
Figura 15.17 Deducción de la ecuación de Bernoulli.
(b)
Pero Fl = P¡A l y F2 = Pn
Av de modo que
Trabajo neto = PjAjj] —P2A2s2
El producto del área y la distancia representa el volumen V del fluido que se mueve a través de
la tubería. Puesto que este volumen es el mismo en la parte inferior que en la parte superior
de la tubería, podemos sustituir
V —A]Sj —A2s2
y obtener
Trabajo neto = P X
V —P2V = (Pl — P2)V
La energía cinética E de un fluido se define como j/nv2, donde m es la masa del fluido
y v es su velocidad. Puesto que la masa permanece constante, únicamente hay un cambio en
la energía cinética AEk debido a la diferencia de velocidad del fluido. En nuestro ejemplo, el
cambio en la energía cinética es
1 , 1 ,
= ~m v2 - ~m vl
La energía potencial de un fluido a una altura h sobre algún punto de referencia se define
como mgh, donde mg representa el peso del fluido. El volumen del fluido que se mueve a lo
largo de la tubería es constante. Por consiguiente, el cambio en la energía potencial AE es el
resultado del incremento de altura del fluido de h a h2:
AEp = mgh2 — mghl
Ahora estamos preparados para aplicar el principio de la conservación de la energía. El
trabajo neto realizado sobre el sistema debe ser igual a la suma de los incrementos en energía
cinética y energía potencial. Por tanto,
Trabajo neto = AK + A.U
(Pi ~ P jV = {^m v - + (mgh2 - mghx)
Si la densidad del fluido es p, podemos sustituir V = mlp, lo que nos da
m 1 9 1 i
(Pl — Pi)~p = ^)mvi ~ 2 mví mS^i ~ m§h 1
Si se multiplica por p/m y se reordenan los términos se obtiene la ecuación de Bernoulli:
Pi + Pgh 1 + p v] = P2 + pgh2 + ^pv¡ (15.14)
En vista de que los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos cualesquiera, la ecuación de
Bernoulli se puede enunciar en una forma más simple como
1 ,
P + pgh + —pv~ = constante Ecuación de Bernoulli (15.15)](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-339-320.jpg)
![322 C apítulo 15 Fluidos
3. En la ecuación de Bernoulli, la densidad p es densi
dad de masa y las unidades apropiadas son kg/m 3 y
slug/ft3.
4. Escriba la ecuación de Bernoulli para el problema y
simplifique eliminando aquellos factores que no cam
bian:
1 , 1 ,
P + Pgh i + ~ p v l = P2 + pgh2 + ~pv.
5. Para un fluido estacionario v = v0 y el tercer térmi
no de cada lado se elimina; los términos de en medio
desaparecen para una tubería horizontal (h = h ) , y,
si no hay cambio en la presión (P ¡ = P 2), los primeros
términos no aparecen y el resultado es el teorema de
Torricelli (ecuación 15.17). Consulte las ecuaciones
que aparecen en el resumen.
6. Sustituya las cantidades proporcionadas como datos y
despeje la que no se conoce.
Ejemplo 15.11 ' Por un tubo venturi como el de la figura 15.20 fluye agua a una velocidad de v = 4 m /s. Si
h = 8 cm, ¿cuál será la velocidad de salida v2 cuando fluye hacia el tubo más grande?
Pía n: Primero calcularemos la diferencia de presión entre las regiones más estrecha y más
amplia con base en la diferencia de alturas h del líquido. Luego, aplicaremos la ecuación
de Bernoulli para el flujo de fluido horizontal con el fin de hallar otra expresión para la
diferencia en la presión. Al usar las otras ecuaciones, podemos eliminar la necesidad de
conocer la presión y resolver para la velocidad de salida.
Solución: La diferencia de presión, a partir de la ecuación (15.13), es
P i ~ P = Pgh
Usando la ecuación de Bernoulli donde el centro del flujo de fluido no cambia, tenemos
1 , 1 ,
P2 ~ P = ~PVÍ ~ 2 ^ V
2
Al combinar estas dos ecuaciones, obtenemos
1 , 1 ,
pgh = ~ p v l - -pv-2
Multiplicando por 2 y dividiendo entre la densidad p, se puede simplificar ésta expresión:
2gh = vj - v?
Note que esta relación es similar a la de la caída libre de un cuerpo. Ahora se puede resol
ver ésta ecuación para la velocidad de salida v .
v = V
] — 2gh o v, = V v 2 — 2gh
v, = V (4 m /s)2 - 2(9.8 m /s2)(0.08 m) = V 14.4 m2/s2
v2 = 3.80 m /s
La velocidad es menor en la tubería que tiene una sección transversal más grande.
En el ejemplo anterior, la densidad p del fluido no participó en nuestros cálculos debido
a que la densidad del fluido en el angostamiento fue la misma que en la sección transversal
más grande. En éste tipo de aplicaciones se debe recordar que la densidad p en la ecuación de
Bernoulli es la densidad de m asa y no el peso específico.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-342-320.jpg)
= 2200J
La medición del calor
Con frecuencia hemos destacado la importancia de distinguir entre energía térmica y tempe
ratura. El término calor se ha presentado como la energía térmica absorbida o liberada du
rante un cambio de temperatura. La relación cuantitativa entre calor y temperatura se describe
mejor por medio del concepto de calor específico tal como aparece en la ecuación (17.4). Las
relaciones físicas entre todos estos términos ahora están tomando su lugar.
El principio del equilibrio térmico nos dice que siempre que los objetos se coloquen jun
tos en un ambiente aislado, finalmente alcanzarán la misma temperatura. Esto es el resultado
de una transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los cuerpos más fríos.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-375-320.jpg)
 = (160 g)[l cal/(g • °C)](25°C - 20°C)
mFe(6.79 cal/g) = 800 cal
m-pe = 118 g
En este sencillo ejemplo no hemos tomado en cuenta dos hechos importantes: (1) el agua
se encuentra en un recipiente, el cual también absorbe calor del cobre; (2) el sistema completo
debe aislarse de las temperaturas externas. De otro modo, el equilibrio de temperatura siem
pre se alcanzaría a temperatura ambiente. Un dispositivo de laboratorio llamado calorímetro
(véase la figura 17.4)se usa para tener bajo control este tipo de dificultades. Elcalorímetro
consiste en un recipiente metálico delgado K, generalmente de aluminio, sostenido en su parte
central y colocado dentro de una camisa externa A por medio de un soporte de hule no conduc
tor H. La pérdida de calor se minimiza de tres maneras: (1) el empaque de hule evita pérdidas](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-376-320.jpg)
= 600 cal
QA] = me t = (60 g)[0.22 cal/(g • °C)](22°C - 18°C)
= (60 g)(0.22 cal/g • °C)(4°C) = 52.8 cal
Ahora, el calor total ganado es la suma de estos valores.
Calor ganado = 600 cal + 52.8 cal = 652.8 cal
Esta cantidad debe ser igual que el calor perdido por el hierro:
Calor perdido = QFe = mcFe At = (80 g)cFe(95°C — 22°C)
Al establecer que el calor perdido es igual que el calor ganado nos queda
(80 g)cFe(73°C) = 652.8 cal
Despejando cFe, obtenemos
652.8 cal
cFe = ------------------= 0.11 ca /(g • °C)
Fe (80 g)(73 C) '
En este experimento el calor ganado por el termómetro no se considera por ser insigni
ficante. En un experimento real, la porción del termómetro que queda dentro del calorímetro
absorbería aproximadamente la misma cantidad de calor que 0.5 g de agua. Esta cantidad,
llamada el equivalente del agua del termómetro, debe sumarse a la masa de agua en un ex
perimento de precisión.
Cambio de fase
Cuando una sustancia absorbe una cierta cantidad de calor, la rapidez de sus moléculas au
menta y su temperatura se eleva. Dependiendo del calor específico de la sustancia, la ele
vación de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e
inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un sólido se funde
o cuando un líquido hierve ocurre algo curioso. En estos casos, la temperatura permanece
constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido hierve.
Para comprender lo que le sucede a la energía aplicada, consideremos un modelo simple,
como el que se ilustra en la Fig. 17.6. En las condiciones apropiadas de temperatura y presión,
todas las sustancias pueden existir en tresfases, sólida, líquida o gaseosa. En la fase sólida, las
moléculas se mantienen unidas en una estructura cristalina rígida, de tal modo que la sustan
cia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las
Sólido
Q = mLf
Líquido
-
QQq Q®Q>Qq
° Q ®0 o
Q = mLv
Q- G a s
o r *
. Q O -*-
í ^y
Figura 17.6 Un modelo simplificado muestra las separaciones moleculares relativas en las fases sólida,
líquida y gaseosa. Durante un cambio de fase, la temperatura permanece constante.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-378-320.jpg)
= 1045J
El calor requerido para fundir los 20 g de hielo es
Q2 = mLf = (0.020 kg)(3.34 X 105J/kg) =6680 J
El calor para elevar la temperatura de 20 g de agua a 100°C es
03 = mcagaa At = (0.020 kg)(4186 J/kg • °C)(100°C - 0°C) = 8372 J
El calor para evaporar los 20 g de agua es
Q4 = mLv = (0.020 kg)(2.26 X 106J/kg) = 45,200 J
Finalmente, debemos aumentar la temperatura del vapor a 120°C. Supondremos que el
vapor está contenido de alguna manera ya que está en forma de vapor y debe ser posible
sobrecalentarlo.
Qs = mcmpoiA t = (0.020 kg)[2000 J/(kg • °C)](120°C - 100°C)
= (0.020 kg)[2000 J/(kg • °C)](20°C) = 800 J
El calor total requerido es la suma de estos cinco procesos:
Qt = S Q = 1045 J + 6680 J + 8372 J + 45,200 J + 800 J
Qt = 62,097 J o Qt = 62.1 kJ
Cuando se extrae calor de un gas, su temperatura cae hasta que alcanza la temperatura a la
cual hirvió. Si se sigue extrayendo calor, el vapor retorna a la fase líquida. Este proceso se co
noce como condensación. Al condensarse, un vapor libera una cantidad de calor equivalente
al calor requerido para evaporarlo. Por tanto, el calor de condensación es equivalente al calor
de vaporización. La diferencia radica únicamente en la dirección del calor transferido.
En forma similar, cuando se extrae calor de un líquido, su temperatura disminuirá hasta
que alcance la temperatura a la cual se funde. Si se sigue extrayendo calor, el líquido retor
na a su fase sólida. Este proceso se conoce como congelación o solidificación. El calor de
solidificación es exactamente igual al calor de fusión. Por tanto, la única diferencia entre la
congelación y la fusión consiste en que el calor se libera o se absorbe.
En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, es posible que una sustancia
cambie directamente de la fase sólida a la fase gaseosa sin pasar por la fase líquida. Este
proceso se conoce como sublimación. El dióxido de carbono sólido (hielo seco), el yodo y el
Ejemplo 17.4](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-381-320.jpg)
 + (100 g)[l cal/(g • °C)](50°C - te)
= 550 - 11te + 5000 - 100re
= 5550 - l i l i .
Calor ganado = Q por el hielo + Q por lafusión + Q para alcanzar te
^ h ie lo ^ hielo ( 1 0 C ) + 1
1
1h¡e]0Zy "1“ ^^hielo^agua (fe ^
= (12 g)[0.48 cal/(g • °C)](10°C) + (12 g)(80 cal/g)
+ (12 g)[l cal/(g • °C)] te - 0
= 1018 — 12r,
Ahora bien, establecemos la pérdida de calor total igual a la ganancia de calor total y re
solvemos para hallar la temperatura final.
5550 - 11 Ir, = 1018 + 12f,
123rc = 4532
r, = 36.8°C
: Si 10 g de vapor a 100°C se introducen en una mezcla de 200 g de agua y 120 g de hielo,
determine la temperatura final del sistema y la composición de la mezcla.
Plan: El hecho de que la cantidad de vapor sea tan pequeña, en comparación con el hielo
y el agua, nos lleva a preguntarnos si será suficiente el calor que desprende el vapor para
fundir todo el hielo. Para resolver esta duda, calcularemos el calor necesario para fundir
Ejemplo 17.6
Ejemplo 17.5](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-382-320.jpg)
(3600 s)(120 K) ,
Q = 1---------------—----- ---------- ---------- =5.04 X 106J
^ 0.060 m
Por tanto, 5.04 MJ de calor fluye cada hora del interior de la pared de ladrillos al exterior.
Siempre es conveniente indicar cuáles son las unidades que corresponden a cada cantidad
durante toda la resolución de un problema. Esta práctica le evitará muchos errores innecesarios.
Por ejemplo, a veces es fácil olvidar que, en las unidades del SUEU, el espesor debe expresarse en
pulgadas y el área enpies cuadrados. Si durante la sustitución las unidades de la conductividad
térmica se indican junto con su respectivo valor numérico, no se cometerá ese tipo de errores.
Cuando se conectan dos materiales de diferente conductividad, la razón a la que se con
duce el calor a través de cada uno de ellos debe ser constante. Si no hay fuentes o sumideros
de energía térmica dentro de los materiales y los extremos se mantienen a temperatura cons
tante, se logrará finalmente un flujo estacionario, ya que el calor no puede “acumularse” ni
“acelerarse” en un punto determinado. La conductividad de los materiales no cambia y el
espesor es fijo, lo que significa que los intervalos de temperatura de cada material deben ajus
tarse para producir el flujo estacionario de calor a lo largo de la estructura compuesta.
1#-'
f S * I . 'v % 11
La pared compuesta de una planta congeladora está formada por una capa de corcho de
10 cm de espesor en el interior y una pared de concreto sólido de 14 cm de espesor en el
exterior (figura 18.3). La temperatura de la superficie interior de corcho es de —
20°C, y
la superficie exterior de concreto se encuentra a 24°C. (a) Determine la temperatura de la
interfaz o zona de contacto entre el corcho y el concreto, (b) Calcule la razón de flujo de
calor perdido de calor en watts por metro cuadrado.
Plan: En el caso de un flujo estacionario, la razón de flujo de calor a través de la cubierta
de corcho es igual a la razón de flujo de calor a través del concreto. Como las áreas son las
mismas, podemos igualar las razones de flujo de calor por unidad de área (.HIA) para la pa
red de corcho y para la pared de concreto. Con base en esta ecuación podemos determinar
Figura 18.3 Conducción de calor por una pared compuesta.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-393-320.jpg)
![374 Capítulo 18 Transferencia de calor
la temperatura de la zona de contacto y luego usar el resultado para encontrar la razón de
flujo de calor por cualquiera de las paredes, ya que las razones son iguales.
Solución (a): Se consulta en la tabla 18.1 la conductividad del corcho y la del concreto.
Usaremos el subíndice 1para denotar el corcho y el 2 para el concreto. Con t. se represen
tará la temperatura en la zona de contacto de ambos materiales. Como H/A es igual en los
dos, podemos escribir
H, H,
— (corcho) = — (concreto)
A[ A2
kdtj ~ (~20°C)] k2(24°C - t¡)
0.10 m 0.14 m
[0.04 W/(m •K)](ff + 20°C) _ [0.8 W/(m • K)](24°C - t,)
0.10 m ~
~ 0.14 m
Ahora, para simplificar multiplicamos cada término por 14 para obtener
5.6(t¡ + 20 °C) = 80(24 °C - t¡)
t¡ = 21.1 °C
Solución (b): El flujo de calor por unidad de área por unidad de tiempo puede encon
trarse ahora partiendo de la ecuación (18.1), ya sea que se aplique al corcho o al concreto.
Para el concreto tenemos
H2 _ k2(24°C - t¡)
A2 0.14 m
_ [0.8 W/(m ■K)](24°C - 21.1°C)
0.14 m
= 16.4 W/m2
Observe que el intervalo kelvin y el Celsius se cancelan mutuamente, ya que ambos
son iguales. La misma razón se calcularía para el corcho. La diferencia de temperatura entre
los puntos extremos del corcho es 41.1°C, mientras que la diferencia de temperatura del
concreto es de sólo 2.9°C. Los intervalos de temperatura diferentes resultan principalmente
de la diferencia en la conductividad térmica de las paredes.
Aislamiento: el valor R
La convección forzada
es un proceso de
convección en el que el
movimiento del fluido
(o el aire) se mantiene
por algo diferente del
contenido calorífico
del fluido.
Las pérdidas de calor en los hogares e industrias con frecuencia se deben a las propiedades
aislantes de sus diversos muros compuestos. A veces se desea saber, por ejemplo, cuáles
serían los efectos de remplazar con material aislante de fibra de vidrio los espacios cerrados
(sin ventilación) que se encuentran entre los muros. Para resolver esos casos en varias aplica
ciones de ingeniería se ha introducido el concepto de resistencia térmica R. El valor R de un
material de espesor L y de conductividad térmica k se define de este modo:
L
R = -
k
Si reconocemos que el flujo de calor de estado estacionario por un muro compuesto es cons
tante (véase el ejemplo 18.2) y aplicamos la ecuación de conductividad térmica a cierto nú
mero de espesores de diferentes materiales, se puede demostrar que
Q A A t A A t
2 .(L A )
(18.3)
La cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (Q/t) a través de cierto número de espe
sores de diferentes materiales es igual al producto del área A y la diferencia de temperatura At](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-394-320.jpg)
(800 K)4
= 29.2 W
Hemos dicho que todos los objetos emiten radiación sin cesar, independientemente de su
temperatura. Si esto es cierto, ¿cómo es que no se les agota su “combustible”? La respuesta
es que se les agotaría si no se les proporcionara más. El filamento de un foco de luz eléctrica
se enfría más rápidamente a la temperatura ambiente cuando se interrumpe el suministro de
energía eléctrica. No se sigue enfriando, puesto que al llegar a este punto, el filamento está
absorbiendo energía radiante a la misma razón que la está emitiendo. La ley que sirve de fun
damento a este fenómeno se conoce como ley de Prevost del intercambio de calor:
Un cuerpo que se halla a la misma temperatura que sus alrededores irradia y
absorbe calor con la misma razón.
En la figura 18.7 se muestra un objeto aislado en equilibrio térmico con las paredes del reci
piente donde se encuentra.
La razón con la que un cuerpo absorbe energía está dada también por la ley Stefan-Boltz-
mann [ecuación (18.5)]. Por tanto, podemos calcular la transferencia neta de energía radiante
emitida por un objeto rodeado por paredes a diferentes temperaturas. Considere un delgado
filamento de alambre de una lámpara que está cubierto con una envoltura, como aparece en
la figura 18.8. Denotemos la temperatura del filamento con T y la del recubrimiento con Tr
La emisividad del filamento es e y sólo consideraremos los procesos radiantes positivos. En
este ejemplo se advierte que
Razón de radiación neta = razón de emisión de energía — razón de absorción de energía
R = eaT —eaT
R = ea(T - T$) (18.6)
La ecuación (18.6) puede aplicarse a cualquier sistema para calcular la energía neta emitida
por un radiador a temperatura Txy emisividad e en presencia de los alrededores a temperatura
Tr
Figura 18.7 Cuando un obje
to y lo que lo circunda tienen la
misma temperatura, la energía ra
diante emitida es la misma que la
absorbida.
Figura 18.8 La energía neta
emitida por un radiador en un
entorno que tiene diferente tem
peratura.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-398-320.jpg)
![19.4 Masa molecular y mol 389
Solución: Puesto que V = V,, simplificamos la ecuación (19.5) para obtener
P]Xl = M l 0 p i _
mlTl m2T2 mxTl m2T2
La razón mJm representa la fracción de la masa de helio que permanece ahí, así que
m2 _ P2Tx
ml Px
T2
Las presiones y las temperaturas se ajustan a sus valores absolutos en la siguiente forma:
P, = 2000 lb/in2 + 14.7 lb/in2= 2014.7lb/in2
Pl = 1500 lb/in2 + 14.7 lb/in2= 1514.7lb/in2
Tj = 27 + 273 = 300 K
T2 = 17 + 273 = 290 K
Al sustituir estos valores se obtiene
m2 (1514.7 lb/in2)(300 K)
—1 ^ --------- = 0.778
ni (2014.7 lb/in2)(290 K)
Por tanto, el 77.8 por ciento del helio aún permanece dentro del recipiente.
La ecuación (19.5) es de carácter general, pues en ella se toman en cuenta las variacio
nes en la presión, volumen, temperatura y masa de un gas. Sin embargo, lo que en realidad
influye en la presión y el volumen no es la masa de un gas, sino el número de moléculas del
mismo. De acuerdo con la teoría cinética de los gases, la presión se debe a las colisiones
moleculares que se producen contra las paredes del recipiente. Al aumentar el número de mo
léculas aumentará el número de partículas que chocan por segundo, y, por lo tanto, la presión
del gas será mayor. Si estamos considerando un proceso térmico que implique cantidades del
mismo gas, podemos aplicar con la mayor seguridad la ecuación (19.5), puesto que la masa
es proporcional al número de moléculas.
Cuando se trabaja con diferentes tipos de gas, como el hidrógeno comparado con el oxí
geno, es necesario considerar la igualdad en el número de moléculas, en vez de masas iguales.
Cuando se colocan en recipientes similares, 6 g de hidrógeno pueden originar una presión
mucho mayor que 6 g de oxígeno. Hay muchas más moléculas de hidrógeno en 6 g de H, que
moléculas de oxígeno en 6 g de 0 2. Para lograr una expresión más general, debemos revisar
la ecuación (19.5) con el fin de tomar en cuenta las diferencias en el número de moléculas de
gas en lugar de la diferencia en masa. Primero, debemos desarrollar métodos para relacionar
la cantidad de gas con el número de moléculas presentes.
Masa molecular y mol
Aun cuando es difícil determinar la masa de los átomos individuales debido a su tamaño, por
medio de métodos experimentales se ha logrado medir la masa atómica. Por ejemplo, ahora
sabemos que un átomo de helio tiene una masa de 6.65 X 10-24 g. Cuando se trabaja con can
tidades macroscópicas como el volumen, la presión y la temperatura, es mucho más adecuado
comparar las masas relativas de los átomos individuales.
Las masas atómicas relativas se basan en la masa de un átomo de referencia que se conoce
como carbono 12. Al asignar arbitrariamente un valor exacto de 12 unidades de masa atómica
(u) a este átomo, se cuenta con un patrón con el cual se pueden comparar otras masas atómicas.
La masa atómica de un elemento es la masa de un átomo de dicho elemento
comparada con la masa de un átomo de carbono tomado como 12 unidades
de masa atómica.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-409-320.jpg)
1 atm
= 22.4 L o 0.0224 m3
Por consiguiente, 1 mol de cualquier gas ideal a temperatura y presión estándares tiene un
volumen de 22.4 L.
Ejemplo 19.8
T 4'
jjjf ¿Cuántos gramos de oxígeno ocuparán un volumen de 1.6 m3 a una presión de 200 kPa y
a una temperatura de 27°C?
Plan: Se necesitará determinar la masa molecular del oxígeno que es diatómico; es decir,
cada molécula contiene dos átomos de oxígeno. Por tanto, hay 32 g/mol (M = 16 u +
16 u = 32 u). Usando la ley del gas ideal, podemos determinar la masa directamente
a partir de la ecuación (19.12).
Solución: La temperatura absoluta es (27 + 273) o 300 K. Al sustituir se obtiene
m
PV = — RT
M
(32 g/mol)(200 X 103 Pa)(1.6 m3)
m = ----------------------------------------------= 4105.5 g
[8.314 J/(mol • K)](300K)
m = 4 105.5 g
Licuefacción de un gas
Hemos definido un gas ideal como aquel cuyo comportamiento térmico no se ve afectado en
lo absoluto por fuerzas de cohesión o por el volumen molecular. Si ese gas se comprime a
temperatura constante, permanecerá como gas sin importar la presión a la cual se le someta.
En otras palabras, obedecerá la ley de Boyle a cualquier temperatura. Las fuerzas de enlace
necesarias para la licuefacción nunca están presentes.
Todos los gases reales están sometidos a fuerzas intermoleculares. Sin embargo, a bajas
presiones y altas temperaturas, los gases reales se comportan en forma muy similar a un gas
ideal. Se les aplica entonces la ley de Boyle porque las fuerzas intermoleculares en estas con
diciones son prácticamente despreciables. Un gas real a altas temperaturas se puede compri
mir dentro de un cilindro, como lo muestra la figura 19.4, aplicando presiones relativamente
altas, sin que se produzca la licuefacción. Si se traza una gráfica del incremento de presión
expresado como una función del volumen, se obtiene la curva A S . Observe la similitud entre
esta curva y la que corresponde a un gas ideal, como se muestra en la figura 19.2.](https://image.slidesharecdn.com/fisica-paul-e-220606034039-3ff5a84d/85/Fisica-Conceptos-y-aplicaciones-7ma-Edicion-Paul-E-Tippens-pdf-412-320.jpg)
Física. Conceptos y aplicaciones 7ma Edición Paul E. Tippens.pdf
- 3. Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada
- 5. SEPTIMA EDICION REVISADA Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada Paul E. Tippens Profesor Emérito Southern Polytechnic State University Traducción Angel Carlos González Ruiz Universidad Nacional Autónoma de México Revisión técnica Ana Elizabeth García Hernández Cinvestav-Instituto Politécnico Nacional M e G r a w H ill MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA • MADRID NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO
- 6. Publisher: Javier Neyra Bravo Director editorial: Ricardo Martín del Campo Mora Editor sponsor: Luis Amador Valdez Vázquez Física, Conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor. ¡ Educación DERECHOS RESERVADOS © 2011 respecto a la séptima edición revisada en español por: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary ofThe McGraw-Hill Companies, Inc. Corporativo Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015 Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Alvaro Obregón C.P 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN : 978-607-15-0471-5 (ISBN: 970-10-6260-4 edición anterior) Translated from the 7th edition of PHYSICS. Copyright © MMVII by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Previous editions © 2001, 1991. 1985, 1978, and 1973. ISBN-13: 978-0-07-301267-X 2345678901 209876543201 Impreso en Perú. Printed in Perú Impreso en Empresa Editora El Comercio S.A. Printed by Empresa Editora El Comercio S.A. The McGrQW-Hill Companies
- 7. Acerca del autor Paul E. Tippens ha escrito dos libros de texto de gran éxito para McGraw-Hill Companies, así como el material complementario correspondiente. Su libro más reconocido, Física, con ceptos y aplicaciones, ganó el Premio McGuffey, prestigioso y antiguo galardón otorgado a los libros de texto cuya excelencia se ha demostrado a lo largo de los años. Por añadidura, es autor de Física técnica básica, segunda edición. Esos libros se han traducido al español, francés, chino y japonés. Entre otros trabajos del autor se cuentan cuatro volúmenes de tutoriales com- putarizados y numerosos documentos publicados en ediciones destacadas. El doctor Tippens es miembro activo de la Text and Academic Authors Association (t a a ) y un firme defensor de la tarea de brindar información, asesoría y trabajo en red para los creadores de propiedad intelectual. Fungió durante un par de años como VP/presidente electo de la t a a , asociación que se considera como una institución muy importante para dar voz a los autores con objeto de ase gurar sus derechos de propiedad intelectual. Tiene un doctorado en administración educativa por la Universidad de Aubum y una maestría en física por la Universidad de Georgia. Además, ha terminado varios cursos breves en al menos otras cuatro universidades reconocidas. En la actualidad, es profesor emérito de la Universidad Politécnica Estatal del Sur en Marieta, Geor gia, donde ha dado clases de física para bachillerato durante 30 años. Agradecimientos Un texto clásico como el que ahora tiene el lector en sus manos es una obra en mejora permanente. La lectura crítica y la revisión del autor, de los editores y de profesores y estudiantes contribuyen a mejorarlo, a enriquecerlo. Así, el libro se convierte en una suerte de medio por el que los lectores mantienen un diálogo constante con el autor, lo que irremediablemente desemboca en nuevas ediciones o en ediciones revisadas, como la presente. En este sentido, el profesor Víctor Manuel Jiménez Romero, del Colegio Rossland, merece un reconocimiento especial por la meticulosa y paciente revisión que hizo de esta obra. Sus ideas, observaciones y sugerencias resultaron muy valiosas en el momento de editar esta séptima edición revisada. Asimismo, se extiende un agradecimiento a los profesores siguientes, quienes con sus ideas y comentarios han contribuido a enriquecer el libro. Alfonso Alfaro Peña CECyT 7 1PN Alfonso Espinosa Navarro Colegio Michelet Ángel Peña Chaparro CECyT 7 IPN Avelardo Cruz Colegio Westminster Fernando Varela CECyT 3 IPN Francisco J. Suárez Alvarado CECyT 15 IPN Gabriel de Anda López CECyT 7 IPN Gabriel Ramírez Guzmán Colegio de Bachilleres de Quintana Roo, plantel 2 Gamaliel Teja Gutiérrez CECyT 7 IPN Homero García Martínez ITESM campus Santa Fe Hugo Ramos Ángeles CECyT 3 IPN Isaac Hernández Ardieta UVM Coacalco Ismael Muñoz ITESM campus Hidalgo Israel Ávila García UVM Coacalco Javier Rangel Páez Universidad de Guadalajara Jesús Homero Cruz Reyes CECyT 7 IPN Jesús Manuel Heras Martínez CECyT 7 IPN José Luis Noriega Corella CECyT 7 IPN Leonel Infante Colegio Hebreo Monte Sinaí y Hebreo Tarbut Leonel Ramírez Ramírez La Salle Benjamín Franklin Lyzzette Tiburcio Colegio Washington Manuel Cruz Nava CECyT 7 IPN Marco Antonio Cárdenas Ayala UVM Tlalpan Marcos Angulo Tamayo CECyT 7 IPN Marcos F. Amaro Merino CECyT 7 IPN Mariana Cárdenas Ramos Universidad de Guadalajara Miguel Ángel Marcial ENP 7 UNAM Miguel Ángel Vázquez Ibarra UVM Lomas Verdes Moisés Gustavo Martínez CECyT 7 IPN Rafael Morales Contreras CECyT 7 IPN Raquel Núñez Mora CECyT 7 IPN Rodolfo Vega García CECyT 7 IPN Silvia Maffey García CECyT 2 IPN v
- 8. Para Jared Andrew Tippens y Elizabeth Marie Tippens Y para todo el elenco de apoyo: Sarah, Travis y Ryan Tippens Ser bisnieto es estupendo: plenitud de alegría y sin responsabilidades
- 9. Resumen de contenido J J jjjjl Mecánica Capítulo 1 Introducción 1 Capítulo 2 Matemáticas técnicas 6 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores 34 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción 68 Capítulo 5 Momento de torsión y equilibrio rotacional 93 Capítulo 6 Aceleración uniforme 111 Capítulo 7 Segunda ley de Newton 137 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia 157 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento 179 Capítulo 10 Movim iento circular uniforme 196 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos 220 Capítulo 12 Máquinas simples 245 Capítulo 13 Elasticidad 265 Capítulo 14 Movim iento armónico simple 279 Capítulo 15 Fluidos 301 Termodinámica, ondas mecánicas y sonido Capítulo 16 Temperatura y dilatación 329 Capítulo 17 Cantidad de calor 350 Capítulo 18 Transferencia de calor 369 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia 383 Capítulo 20 Termodinámica 403 Capítulo 21 Movim iento ondulatorio 426 Capítulo 22 Sonido 441 Electricidad, magnetismo y óptica Capítulo 23 La fuerza eléctrica 463 Capítulo 24 El campo eléctrico 478 Capítulo 25 Potencial eléctrico 496 Capítulo 26 Capacitancia 512 Capítulo 27 Corriente y resistencia 532 Capítulo 28 Circuitos de corriente continua 548 Capítulo 29 Magnetismo y campo magnético 567 Capítulo 30 Fuerzas y momentos de torsión en un campo magnético 589 Capítulo 31 Inducción electromagnética 601 Capítulo 32 Circuitos de corriente alterna 622 Capítulo 33 Luz e iluminación 642 Capítulo 34 Reflexión y espejos 661 Capítulo 35 Refracción 678 Capítulo 36 Lentes e instrumentos ópticos 696 Capítulo 37 Interferencia, difracción y polarización 714 Capítulo 38 Capítulo 39 Física moderna La física moderna y el átomo 731 La física nuclear y el núcleo 757 vii
- 10. Prefacio xiii Capítulo 1 Introducción 1 1.1 ¿Qué es la física? 2 1.2 ¿Qué importancia tienen las matemáticas? 3 1.3 ¿Cómo estudiar física? 3 Capítulo 2 Matemáticas técnicas 6 2.1 Números con signo 7 2.2 Repaso de álgebra 10 2.3 Exponentes y radicales (optativo) 12 2.4 Solución a ecuaciones cuadráticas 15 2.5 Notación científica 16 2.6 Gráficas 18 2.7 Geometría 19 2.8 Trigonometría del triángulo rectángulo 22 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores 34 3.1 Cantidades físicas 35 3.2 El Sistema Internacional 36 3.3 Medición de longitud y tiempo 12 3.4 Cifras significativas 39 3.5 Instrumentos de medición 41 3.6 Conversión de unidades 42 3.7 Cantidades vectoriales y escalares 45 3.8 Suma o adición de vectores por métodos gráficos 47 3.9 Fuerza y vectores 49 3.10 La fuerza resultante 51 3.11 Trigonometría y vectores 52 3.12 El método de las componentes para la suma o adición de vectores 55 3.13 Notación de vectores unitarios (opcional) 16 3.14 Resta o sustracción de vectores 61 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción 68 4.1 Primera ley de Newton 69 4.2 Segunda ley de Newton 69 4.3 Tercera ley de Newton 70 4.4 Equilibrio 71 4.5 Diagramas de cuerpo libre 72 4.6 Solución de problemas de equilibrio 75 4.7 Fricción 79 Capítulo 5 Momento de torsión y equilibrio rotacional 93 5.1 Condiciones de equilibrio 94 5.2 El brazo de palanca 95 5.3 Momento de torsión 96 5.4 Momento de torsión resultante 99 5.5 Equilibrio 100 5.6 Centro de gravedad 72 Capítulo 6 Aceleración uniforme 111 6.1 Rapidez y velocidad 112 6.2 Aceleración 113 6.3 Movimiento uniformemente acelerado 114 6.4 Otras relaciones útiles 116 6.5 Resolución de problemas de aceleración 117 6.6 Convención de signos en problemas de aceleración 119 6.7 Gravedad y cuerpos en caída libre 121 6.8 Movimiento de proyectiles 126 6.9 Proyección horizontal 126 6.10 El problema general de las trayectorias 129 Capítulo 7 Segunda ley de Newton 137 7.1 Segunda ley de Newton sobre el movimiento 138 7.2 Relación entre peso y masa 140 7.3 Aplicación de la segunda ley de Newton a problemas de un solo cuerpo 143 7.4 Técnicas para resolver problemas 145 7.5 Resolución de problemas de aceleración 117 7.6 Convención de signos en problemas de aceleración 119 7.7 Gravedad y cuerpos en caída libre 121 7.8 Movimiento de proyectiles 126 7.9 Proyección horizontal 126 7.10 El problema general de las trayectorias 129 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia 157 8.1 Trabajo 158 8.2 Trabajo resultante 159 8.3 Energía 161 8.4 Trabajo y energía cinética 162 viii
- 11. Contenido ix 8.5 Energía potencial 165 8.6 Conservación de energía 166 8.7 Energía y fuerzas de fricción 168 8.8 Potencia 171 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento 179 9.1 Impulso y cantidad de movimiento 180 9.2 Ley de la conservación de la cantidad de movimiento 182 9.3 Choques elásticos e inelásticos 185 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme 196 10.1 Movimiento en una trayectoria circular 197 10.2 Aceleración centrípeta 197 10.3 Fuerza centrípeta 200 10.4 Peralte de curvas 201 10.5 El péndulo cónico 204 10.6 Movimiento en un círculo vertical 205 10.7 Gravitación 207 10.8 El campo gravitacional y el peso 209 10.9 Satélites en órbitas circulares 210 10.10 Leyes de Kepler 213 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos 220 11.1 Desplazamiento angular 221 11.2 Velocidad angular 223 11.3 Aceleración angular 224 11.4 Relación entre los movimientos rotacional y rectilíneo 226 11.5 Energía cinética rotacional: momento de inercia 227 11.6 La segunda ley del movimiento en la rotación 229 11.7 Trabajo y potencia rotacionales 232 11.8 Rotación y traslación combinadas 233 11.9 Cantidad de movimiento angular 235 11.10 Conservación de la cantidad de movimiento angular 236 Capítulo 12 Máquinas simples 245 12.1 Máquinas simples y eficiencia 246 12.2 Ventaja mecánica 247 12.3 La palanca 249 12.4 Aplicaciones del principio de la palanca 250 12.5 La transmisión del momento de torsión 253 12.6 El plano inclinado 255 12.7 Aplicaciones del plano inclinado 258 Capítulo 13 Elasticidad 265 13.1 Propiedades elásticas de la materia 266 13.2 Módulo de Young 268 13.3 Módulo de corte 271 13.4 Elasticidad de volumen; módulo volumétrico 272 13.5 Otras propiedades físicas de los metales 273 Capítulo 14 Movimiento armónico simple 279 14.1 Movimiento periódico 280 14.2 La segunda ley de Newton y la ley de Hooke 283 14.3 Trabajo y energía en el movimiento armónico simple 284 14.4 El círculo de referencia y el movimiento armónico simple 286 14.5 Velocidad en el movimiento armónico simple 287 14.6 Aceleración en el movimiento armónico simple 289 14.7 El periodo y la frecuencia 291 14.8 El péndulo simple 293 14.9 El péndulo de torsión 294 Capítulo 15 Fluidos 301 15.1 Densidad 302 15.2 Presión 304 15.3 Presión del fluido 305 15.4 Medición de la presión 308 15.5 La prensa hidráulica 310 15.6 Principio de Arquímedes 311 15.7 Flujo de fluidos 315 15.8 Presión y velocidad 317 15.9 Ecuación de Bemoulli 318 15.10 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 320 E S S íB Í" Termodinámica, ondas mecánicas y sonido Capítulo 16 Temperatura y dilatación 329 16.1 Temperatura y energía térmica 330 16.2 La medición de la temperatura 331 16.3 El termómetro de gas 335 16.4 La escala de temperatura absoluta 336 16.5 Dilatación lineal 338
- 12. Contenido 16.6 Dilatación superficial 341 16.7 Dilatación volumétrica 342 16.8 La dilatación anómala del agua 344 Capítulo 17 Cantidad de calor 350 17.1 El significado del calor 351 17.2 La cantidad de calor 351 17.3 Capacidad de calor específico 353 17.4 La medición del calor 355 17.5 Cambio de fase 358 17.6 Calor de combustión 364 Capítulo 18 Transferencia de calor 369 18.1 Métodos de transferencia de calor 370 18.2 Conducción 371 18.3 Aislamiento: el valor R 314 18.4 Convección 375 18.5 Radiación 376 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia 383 19.1 Gases ideales, ley de Boyle y ley de Charles 384 19.2 Ley de Gay-Lussac 386 19.3 Leyes generales de los gases 387 19.4 Masa molecular y mol 389 19.5 La ley del gas ideal 391 19.6 Licuefacción de un gas 392 19.7 Vaporización 393 19.8 Presión de vapor 394 19.9 Punto triple 396 19.10 Humedad 397 Capítulo 20 Termodinámica 403 20.1 Calor y trabajo 404 20.2 Función de la energía interna 405 20.3 Primera ley de la termodinámica 406 20.4 Procesos isobáricos y el diagrama P-V 407 20.5 Caso general para la primera ley 409 20.6 Procesos adiabáticos 410 20.7 Procesos isocóricos 411 20.8 Proceso isotérmico 412 20.9 Segunda ley de la termodinámica 412 20.10 Ciclo de Carnot 414 20.11 La eficiencia de una máquina ideal 415 20.12 Máquinas de combustión interna 416 20.13 Refrigeración 418 Capítulo 21 Movimiento ondulatorio 426 21.1 Ondas mecánicas 427 21.2 Tipos de ondas 427 21.3 Cálculo de la rapidez de onda 428 21.4 Movimiento ondulatorio periódico 429 21.5 Energía de una onda partícula 431 21.6 Principio de superposición 433 21.7 Ondas estacionarias 434 21.8 Frecuencias características 435 Capítulo 22 Sonido 441 22.1 Producción de una onda sonora 442 22.2 La velocidad del sonido 443 22.3 Vibración de columnas de aire 445 22.4 Vibración forzada y resonancia 448 22.5 Ondas sonoras audibles 448 22.6 Tono y timbre 452 22.7 Interferencia y pulsaciones 453 22.8 El efecto Doppler 454 Electricidad, magnetismo y óptica Capítulo 23 La fuerza eléctrica 463 23.1 La carga eléctrica 464 23.2 El electrón 466 23.3 Aislantes y conductores 467 23.4 El electroscopio de hoja de oro 467 23.5 Redistribución de la carga 469 23.6 Carga por inducción 469 23.7 Ley de Coulomb 470 Capítulo 24 El campo eléctrico 478 24.1 El concepto de campo 479 24.2 Cálculo de la intensidad de campo eléctrico 482 24.3 Líneas de campo eléctrico 485 24.4 La ley de Gauss 386 24.5 Aplicaciones de la ley de Gauss 38£
- 13. Contenido Capítulo 25 Potencial eléctrico 496 29.7 Fuerza sobre un conductor por el que 25.1 Energía potencial eléctrica 497 circula una corriente 577 25.2 Cálculo de la energía potencial 499 29.8 Campo magnético de un conductor largo 25.3 Potencial 501 y recto 578 25.4 Diferencia de potencial 504 29.9 Otros campos magnéticos 580 25.5 Experimento de Millikan de la gota de aceite 506 29.10 Histéresis 581 25.6 El electrón volt 507 Capítulo 30 Fuerzas y momentos de torsión en un campo Capítulo 26 Capacitancia 512 magnético 589 26.1 Limitaciones al cargar un conductor 513 30.1 Fuerza y momento de torsión en una 26.2 El capacitor 515 espira 590 26.3 Cálculo de la capacitancia 517 30.2 Momento de torsión magnético sobre 26.4 Constante dieléctrica; permitividad 519 un solenoide 592 26.5 Capacitores en paralelo y en serie 523 30.3 El galvanómetro 592 26.6 Energía de un capacitor cargado 526 30.4 30.5 El voltímetro de cc 593 El amperímetro de cc 594 Capítulo 27 Corriente y resistencia 532 30.6 El motor de cc 595 27.1 El movimiento de la carga eléctrica 533 27.2 La dirección de la corriente eléctrica 535 Capítulo 31 Inducción 27.3 Fuerza electromotriz 535 electromagnética 601 27.4 Ley de Ohm; resistencia 537 31.1 Ley de Faraday 602 27.5 Potencia eléctrica y pérdida de calor 539 31.2 Fem inducida por un conductor en movimiento 605 27.6 Resistividad 540 31.3 Ley de Lenz 606 27.7 Coeficiente de temperatura de 31.4 El generador de ca 607 la resistencia 541 31.5 El generador de cc 611 27.8 Superconductividad 542 31.6 31.7 Fuerza electromotriz en un motor 611 Tipos de motores 612 Capítulo 28 Circuitos de corriente continua 548 31.8 El transformador 614 28.1 Circuitos simples; resistores en serie 549 Capítulo 32 Circuitos de corriente alterna 622 28.2 Resistores en paralelo 551 32.1 El capacitor 623 28.3 Fem inducida y diferencia de potencial 32.2 El inductor 626 terminal 554 32.3 Corrientes alternas 628 28.4 Medición de la resistencia interna 555 32.4 Relación de fase en circuitos de ca 629 28.5 Inversión de la corriente a través de una 32.5 Reactancia 631 fuente Fem 556 32.6 Circuitos en serie de ca 632 28.6 Leyes de Kirchhoff 557 32.7 32.8 Resonancia 634 El factor de potencia 635 Capítulo 29 Magnetismo y campo magnético 567 Capítulo 33 Luz e iluminación 642 29.1 Magnetismo 568 33.1 ¿Qué es la luz? 643 29.2 Campos magnéticos 570 33.2 Propagación de la luz 645 29.3 La teoría moderna del magnetismo 570 33.3 Espectro electromagnético 647 29.4 Densidad de flujo y permeabilidad 571 33.4 La teoría cuántica 648 29.5 Campo magnético y 33.5 Rayos de luz y sombras 649 corriente eléctrica 574 33.6 Flujo luminoso 651 29.6 Fuerza sobre una carga en 33.7 Intensidad luminosa 653 movimiento 574 33.8 Iluminación 654
- 14. xii Contenido Capítulo 34 Reflexión y espejos 661 34.1 Las leyes de la reflexión 662 34.2 Espejos planos 664 34.3 Espejos esféricos 665 34.4 Imágenes formadas por espejos esféricos 667 34.5 La ecuación del espejo 669 34.6 Amplificación 671 34.7 Aberración esférica 673 Capítulo 35 Refracción 678 35.1 índice de refracción 679 35.2 Leyes de refracción 680 35.3 Longitud de onda y refracción 683 35.4 Dispersión 685 35.5 Refracción interna total 685 35.6 Fibras ópticas y aplicaciones 687 35.7 ¿Es lo mismo ver que creer? 689 35.8 Profundidad aparente 690 Capítulo 36 Lentes e instrumentos ópticos 696 36.1 Lentes simples 697 36.2 Longitud focal y la ecuación del fabricante de lentes 698 36.3 Formación de imágenes mediante lentes delgadas 701 36.4 La ecuación de las lentes y el aumento 703 36.5 Combinaciones de lentes 705 36.6 El microscopio compuesto 706 36.7 Telescopio 708 36.8 Aberraciones de las lentes 708 Capítulo 37 Interferencia, difracción y polarización 714 37.1 Difracción 715 37.2 Experimento de Young: interferencia 715 37.3 La red de difracción 719 37.4 Poder de resolución de instrumentos 721 37.5 Polarización 724 l/a a H K Física moderna Capítulo 38 La física moderna y el átomo 731 38.1 Relatividad 732 38.2 Eventos simultáneos: la relatividad del tiempo 733 38.3 Longitud, masa y tiempo relativistas 734 38.4 Masa y energía 737 38.5 Teoría cuántica y el efecto fotoeléctri co 739 38.6 Ondas y partículas 740 38.7 El átomo de Rutherford 742 38.8 Orbitas electrónicas 742 38.9 Espectro atómico 743 38.10 El átomo de Bohr 745 38.11 Niveles de energía 747 38.12 Láser y luz láser 750 38.13 Teoría atómica moderna 751 Capítulo 39 La física nuclear y el núcleo 757 39.1 El núcleo atómico 758 39.2 Los elementos 759 39.3 La Unidad de Masa Atómica 761 39.4 Isótopos 764 39.5 Defecto de masa y energía de enlace 766 39.6 Radiactividad 769 39.7 Decaimiento radiactivo 770 39.8 Vida media 771 39.9 Reacciones nucleares 773 39.10 Fisión nuclear 774 39.11 Reactores nucleares 775 39.12 Fusión nuclear 777 índice 1 -1 Manual de uso de HP 50G M-1
- 15. Prefacio La séptima edición de Física, conceptos y aplicaciones está escrita para un curso propedéutico de un año de introducción a la física. El énfasis en las aplicaciones y la amplia gama de temas cubiertos lo hace adecuado para estudiantes que se es pecializan en ciencia y tecnología, lo mismo que en biología, las disciplinas de la salud y las ciencias del ambiente. También puede emplearse en cursos introductorios en una variedad de instituciones comerciales e industriales, donde las necesidades de un curso de aplicaciones no limiten las futuras opciones edu cativas de sus estudiantes. En cuanto a las matemáticas, que se han revisado ampliamente, se suponen ciertos conocimientos de álgebra, geometría y trigonometría, pero no de cálculo. Esta obra comenzó en ediciones anteriores como un pro yecto amplio para encarar la necesidad de un libro de texto que presente los conceptos fundamentales de la física de for ma comprensible y aplicable por estudiantes con anteceden tes y preparación diversos. El objetivo fue escribir un libro de texto legible y fácil de seguir, pero también que ofreciera una preparación sólida y rigurosa. Los generosos comentarios de muchos atentos lectores en tomo a las primeras seis ediciones han contiibuido a conservar el objetivo, y el trabajo ha recibido reconocimiento nacional que ha cobrado forma en el presti gioso Premio McGuffey presentado por la Text and Academic Authors Association (t a a ) por su excelencia y larga duración. En la física que se enseña en el bachillerato hay tres tendencias que influyen hoy día en la instrucción; las bases para el estudio avanzado en casi cualquier área: 1. La ciencia y la tecnología crecen exponencialmente. 2. Los empleos disponibles y las opciones de carreras pre cisan mayores conocimientos de las bases de la física. 3. En el nivel medio básico, la preparación en matemáti cas y ciencias (por diversas razones) no está mejoran do con la rapidez suficiente. La meta de esta séptima edición de Física, conceptos y aplicaciones radica en atacar los dos frentes de los proble mas ocasionados por tales tendencias. Si bien brindamos los conocimientos necesarios de matemáticas, no nos com prometemos con los resultados educativos. Organización El texto consta de 39 capítulos que abarcan todo el espectro de la física: mecánica, física térmica, movimiento ondulato rio, sonido, electricidad, luz y óptica y física atómica y nu clear. Esta sucesión normal se adecúa a las necesidades de un plan de estudios de bimestral, aunque puede usarse en uno de tres semestres con un ligero cambio de orden en la expo sición de los temas. También es posible utilizarlo en cursos más breves con una selección sensata de los temas. Donde es posible, la exposición fue diseñada de forma que sea posi ble cambiar el orden de éstos. Hay ciertas áreas donde las explicaciones difieren de las que se ofrecen en la mayor paite de los libros de texto. Una diferencia relevante es el reconocimiento de que muchos estudiantes ingresan en su primer curso de física sin poder aplicar las habilidades básicas del álgebra y la trigonometría. Han cursado los cursos anteriores, pero por diversas razo nes parecen incapaces de aplicar los conceptos para resolver problemas. El dilema radica en cómo lograr el éxito sin sa crificar la calidad. En esta obra dedicamos todo un capítulo a repasar las matemáticas y el álgebra necesarias para resolver problemas de física. Cuando otros libros de texto realizan un repaso semejante, lo hacen en un apéndice o en material complementario. Nuestro método permite a los estudiantes reconocer la importancia de las matemáticas y ponderar muy pronto sus necesidades y sus deficiencias. Puede obviarse sin problema, según la preparación de los estudiantes o a discre ción de cada maestro; sin embargo, no puede ignorarse como un requisito fundamental en la resolución de problemas. En seguida, abordamos la necesidad de satisfacer los estándares de calidad mediante la exposición de la estática antes que la dinámica. La primera, segunda y tercera leyes de Newton se explican al principio para ofrecer conocimien tos cualitativos de la fuerza, mas la exposición integral de la segunda ley se difiere hasta que se han comprendido los conceptos de diagrama de cuerpo libre y equilibrio estático. Lo anterior permite a los estudiantes forjar sus conocimientos sobre una base lógica y continua; de manera simultánea, las habilidades matemáticas se refuerzan de manera paulatina. En otros libros el tratamiento de la estática en capítulos ulteriores suele precisar un repaso de fuerzas y vectores. Con el método de esta obra, es posible ofrecer ejemplos más detallados de aplicaciones significativas de la segunda ley de Newton. También incluimos un capítulo sobre máquinas sim ples a fin de ofrecer a los maestros la posibilidad de hacer énfasis en muchos ejemplos del mundo real que implican conceptos de fuerza, fuerza de torsión, trabajo, energía y eficiencia. Este capítulo puede omitirse sin dificultad si el tiempo es escaso, pero ha gozado de gran aceptación en algunos colegios donde las aplicaciones son primordiales. La física moderna se aborda como un curso general sobre los principios de la relatividad, física atómica y nuclear. En este caso, la exposición es tradicional y los temas han sido elegidos de forma que los estudiantes pue dan comprender y aplicar las teorías subyacentes a muchas aplicaciones modernas de la física atómica y la nuclear. Novedades en la séptima edición Cambios en el contenido • Exposición sobre vectores. Se hace énfasis en el méto do tradicional de las componentes en la suma de vecto- xiii
- 16. xiv Prefacio res, pero se ha añadido una opción que permite usar vectores unitarios. • Segunda ley de Newton. Desde el principio se presenta la relación entre la aceleración y la fuerza a fin de ofrecer conocimientos cuali tativos de fuerza, aunque después que se ha tenido práctica conside rable con los diagramas de cuerpo libre se hace una exposición más detallada. • Energía cinética de rotación. Una adición significa tiva amplía la explicación de la rotación en los proble mas de conservación de la energía, ya que se abarca el problema de los objetos que tienen a la vez movimien tos de traslación y de rotación. • Ondas electromagnéticas. Antes de la exposición de la luz y la óptica se presenta más ampliamente el tema de las ondas electromagnéticas. • Ejemplos. Se han agregado ejemplos nuevos y todos los presentados se han vuelto a trabajar para simplifi car la explicación y esclarecer el proceso de resolución de los problemas. • Se han eliminado las secciones sobre electroquímica y el capítulo sobre electrónica con base en comentarios vertidos por lectores y revisores. Programa de imágenes mejoradas • Fotografías de entrada de capítulo. Se ha hecho un esfuerzo por lograr que la física luzca más visual mediante la inclusión de fotografías introductorias en cada capítulo acompañadas por un breve comentario. Esas imágenes se eligieron con sumo cuidado para que demostraran los conceptos y las aplicaciones expues tas en los capítulos. • Figuras. Todas las figuras fueron revisadas o redibuja- das. En muchos casos, se insertaron fragmentos de foto grafías en los dibujos para mejorarlos, además de que se usaron más recuadros de color para destacar conceptos. Determine la masa de un cuerpo cuyo peso en la Tierra es de 100 N. Si esta masa se llevara a un planeta distante donde g = 2.0 m /s2, ¿cuál sería su peso en ese planeta? Plan: Primero hallamos la masa en la Tierra, donde g = 9.8 m /s2. Como la masa es cons tante, podemos usar el mismo valor para determinar el peso en el planeta distante donde g = 2.0 m /s2. Solución: El peso del planeta es W _ 100N 8 9.8 m /s2 = 10.2 kg Figura 3.3 Se usan calibradores para medir un diámetro interno. W = mg — (10.2 kg)(2 m /s2); W = 20.4 N Párrafos de pianeación Los estudiantes de primer curso suelen decir: “es que no sé por dónde empezar”. Para encarar esta queja hemos incluido un paso adicional para muchos de los ejemplos del libro. Los párrafos del plan tienden un puente entre la lectura de un problema y la aplicación de una estrategia de aprendizaje. Temas de física cotidiana Se han incluido apostillas a lo lar go del texto para fomentar el inte rés y motivar el estudio ulterior. w w w .mhhe.com/ bachillerato/tippensfis7e McGraw-Hill ofrece abundantes artículos en línea y apoyos para es tudiar que mejoran de forma con siderable la experiencia de enseñar y aprender física (en inglés). Digital Contení Manager/ Administrador de contenido digital Es un disco compacto de sólo lec tura (CD-ROM) que contiene to das las ilustraciones del libro. Los profesores pueden usarlas para elaborar presentaciones a la me dida de su clase u otras herramientas similares (en inglés). Programas interactivos Hay un total de 16 programas interactivos disponibles en el CD-ROM y en línea en el Online Learning Center. Es tos programas ofrecen un método fresco y dinámico para enseñar y aprender los fundamentos de la física mediante applets completamente precisos que funcionan con datos reales (en inglés). Características que se conservan Se han conservado varias características de las ediciones anteriores, las cuales captan y mantienen la atención de los estudiantes. Entre ellas se cuentan las siguientes: Preparación en matemáticas El capítulo 2 se dedica íntegramente a repasar las matemá ticas y la trigonometría indispensables para resolver pro blemas de física. ¿Sabe cuánto tiempo pasan los satélites expuestos a la luz solar para recargar sus baterías? Para la órbita terrestre baja, toman 60 min de luz solar y 35 min de oscuridad. Los satélites en la órbita geosíncrona (GEO) de la Tierra, que se hallan mucho más distantes, pasan menos tiempo en la sombra de nuestro planeta. Se exponen 22.8 h a la luz del Sol y 1.2 a la oscuridad. Durante el periodo oscuro, la potencia para hacer caminar a los satélites debe proceder completamente de las baterías.
- 17. Prefacio xv Objetivos del capítulo A fin de encarar los problemas de los resultados educati vos, cada capítulo empieza con una definición clara de los objetivos. El estudiante sabe desde el principio qué temas son relevantes y qué resultados cabe esperar. Estrategias de resolución de problemas A lo largo del texto se han incluido secciones destacadas en color con procedimientos detallados, paso por paso, para re solver problemas difíciles de física. Los estudiantes pueden emplear estas secciones como guía hasta familiarizarse con el proceso de razonamiento necesario para aplicar los con ceptos fundamentales expuestos en el libro. Gracias a los nu merosos ejemplos incluidos se refuerzan estas estrategias. Redacción informativa Un sello de las ediciones previas que continua destacando en esta edición es la presentación de la física con un estilo amigable e informativo. Uso de color Se ha utilizado el color para destacar en el texto las ca racterísticas pedagógicas. Los ejemplos, las estrategias de aprendizaje y las ecuaciones más importantes se han desta cado con color, además de que se han usado tonos diversos para hacer énfasis en algunas partes de las figuras. Ejemplos textuales A lo largo de todos los capítulos hay una profusión de ejemplos resueltos, que sirven como modelos para que el estudiante mire cómo aplicar los conceptos expuestos en el libro. El alumno aprende a formarse un cuadro general de la situación y luego pone en práctica lo aprendido para resolver el problema. Material al final de cada capítulo Al terminar cada capítulo se incluye un juego de auxiliares para el aprendizaje que ayudan al estudiante a repasar el contenido recién expuesto, a evaluar lo captado de los con ceptos más relevantes y a utilizar lo aprendido. 9 Resúmenes. Se ofrece un resumen detallado de to dos los conceptos esenciales. Asimismo, en el texto se destacan las ecuaciones importantes, además de que se resumen al terminar cada capítulo. e Palabras clave. Al final de cada capítulo se enume ran las palabras clave, las cuales se destacan también en negritas la primera vez que aparecen en el texto. Entre estas palabras se cuentan los términos centrales explicados en el capítulo, de forma que el estudiante pueda comprobar cuánto comprende de los conceptos que les subyacen. 9 Preguntas de repaso. Se han incluido más de 500 preguntas cuyo propósito es fomentar la reflexión y estimular las ideas, así como mejorar el pensamiento conceptual. • Problemas y problemas adicionales. Se ofrecen más de 1750 problemas elaborados especialmente y que van de lo simple a lo complejo, pasando por lo moderado. En la presente edición se ha hecho un gran esumen y repaso Resúmenes Conceptos clave Preguntas de pensamiento crítico Problemas Preguntas de repaso Problemas adicionales Problemas adicionales ^
- 18. xvi Prefacio esfuerzo por comprobar la exactitud de los problemas y de las respuestas dadas a los de número impar. Nota: No se ha puesto asterisco al lado de los problemas sen cillos; los moderados tienen uno y los complejos, dos. • Preguntas de pensamiento crítico. Para la resolución de 250 problemas, aproximadamente, se precisa una re flexión moderada o mayor que los demás. Con ellos se brindan ejemplos de aprendizaje que guían al estudiante y construyen habilidades de resolución de problemas. Nota: Según la naturaleza de la pregunta, se dan algunas respuestas a ciertas preguntas pares y a ciertas impares. Complementos en Inglés Online Learning Center/ Centro de aprendizaje en línea w w w .mhhe.com/bachillerato/tippensfis7e Entre los recursos en línea para el estudiante se cuentan: • Preguntas para estudiar. Hay preguntas de verdade- ro-faso, selección múltiple y de completar partes. • Tutoriales. El autor ha preparado un completo juego de módulos de enseñanza en PowerPoint, basados en la Web, para cada capítulo del libro. Estos tutoriales son estupendos para hacer un repaso antes y después de clase, antes de los exámenes parciales y también de los finales. Asimismo, son de suma utilidad para los estudiantes que faltan a clase o que quieren mayor práctica y explicación acerca de los conceptos físicos. • Programas interactivos. McGraw-Hill se enorgullece de brindarle una colección de applets interactivos excep cionales, sin par. Estos programas interactivos ofrecen un método fresco y dinámico para enseñar los funda mentos de la física al dar a los estudiantes programas muy precisos y que funcionan con datos reales. Los pro gramas interactivos permiten a los estudiantes manipu lar parámetros y mejorar así su comprensión de 16 de los temas más difíciles de la física, ya que observan los efectos producidos por tal manipulación. En cada pro grama interactivo se incluye una herramienta de análisis (modelo interactivo), un tutorial que describe su funcio namiento y un texto que describe sus temas centrales. Los usuarios pueden ir de un ejercicio a otro y de una herramienta a otra con sólo hacer clic con el ratón. Por añadidura, los recursos en línea también incluyen: • Manual del profesor, con las soluciones a todos los problemas del final de cada capítulo, así como notas acerca de los experimentos de laboratorio. • El Online Learning Center puede cargarse sin pro blema en sistemas de administración del curso como Blackboard, WebCT, eCollege y PageOut. Digital Content Manager/ Administrador de contenido digital En este disco compacto (CD-ROM) se incluyen todas las ilustraciones, fotografías y tablas presentadas en el texto, junto con los 16 programas interactivos. Con el software puede elaborar fácilmente una presentación multimedia a la medida. Puede organizar las figuras como desee; añadir etiquetas, líneas y sus propias ilustraciones; integrar mate rial de otras fuentes; editar y escribir notas de la clase; y le ofrece la posibilidad de colocar su clase multimedia en una presentación hecha con otro programa, como PowerPoint. CD-ROM de pruebas y recursos del maestro El programa de pruebas electrónicas complementario es flexible y fácil de utilizar. Permite a los maestros crear pruebas con base en temas específicos del libro. Permi te emplear diversos tipos de preguntas, además de que el profesor puede añadir las propias. Puede crear varias ver siones de una prueba, y ésta puede exportarse para usarla con algún sistema de administra ción de cursos, como WebCT, BlackBoard o PageOut. El programa está disponible para Windows y Macintosh. Manual del maestro El manual del maestro está incluido en el Ti- ppens Online Learning Center y en el disco compacto de pruebas y recursos del maestro. Sólo pueden acceder a él los maestros. Publicación a la medida ¿Sabía que puede diseñar su propio texto o manual de laboratorio usando cualquier texto de McGraw-Hill y su propia material a fin de crear un producto a la medida que se ajuste específicamente a su programa de estudios y objetivos del curso? Comuniqúese con su re presentante de ventas de McGraw-Hill para conocer más acerca de esta posibilidad. - a 5-, » i s v Q Se»di - §¡PooLpso‘m Oiedt • N Sfcow-beoklnfo - ¡«y Oottons p l f - f ip p c n s Phvsics * * * * » ” Inform ation C en ter 1 9 Bfrft’in 8» BsSHi H 8 BHSSHpHSffisBS 1 Paul E. Tippens, Southern Polytechnic State University em * . ^ ’ ! /. Q,';-' . LeamlngCentet Physics, Sevsrtk Eeüijcn is designad for th e ncn-cakuiLis pfry . -s taken by students who are pursuíng caresrs in Science or engíneering technoiogy. Content is builtthrough : extensiva use of exampies with detailed solutions designad to deve'op students' probiem- ; solving skiüs. t >iigjw.M¡.-CTtion ¡s
- 19. Prefacio xvii Reconocimientos Revisores de la presente edición Deseamos reconocer y dar las gracias a los revisores de esta edición. Su contribución, aunada a sus sugerencias cons tructivas, ideas novedosas e invaluables consejos fueron significativos en el desarrollo tanto de esta edición como del material complementario. Entre los revisores se hallan: Abraham C. Falsafi National Institute of Technology Baher Hanna Owens Community College Kevin Hulke Chippewa Valley Technical College Benjamin C. Markham Ivy Tech State College James L. Meeks West Kentucky Community & Technical College John S. Nedel Columbus State Community College Rusell Patrick Southern Polytechnic State University Sulakshana Plumley Community College of Allegheny County August Ruggiero Essex County College Erwin Selleck SUNY College of Technology en Cantón Rich Vento Columbus State Community College Carey Witkov Broward Community College Todd Zimmerman Madison Area Technical College Agradecim ientos especiales El autor y McGraw-Hill agradecen a Rich Vento, profesor de la Columbus State Community College, por revisar por completo la exactitud del manuscrito de esta edición. Los comentarios de Rich fueron invaluables para esta edición. También damos un agradecimiento especial a Rusell Patrick, profesor en la Southern Polytechnic State Univer sity, por actualizar el banco de pruebas que complementa esta obra. Revisores de ediciones previas Las personas siguientes revisaron ediciones previas del li bro. Sus comentarios y sus consejos mejoraron mucho la legibilidad, precisión y actualidad del texto. Shaikh Ali City College of Fort Lauderdale Fred Einstein County’College of Morris Miles Kirkhuff Lincoln Technical Institute Henry Merril Fox Valley Technical College Sam Nalley Chcittanooga State Technical Community College Ajay Raychaudhuri Seneca College ofArts and Techno logy Charles A. Schuler California State University of Pen- nsylvania Scott J. Tippens Southern Polytechnic State University Bob Tyndall Forsyth Technical Community College Ron Uhey ITT Tech Institute Cliff Wurst Motlow State Community College El equipo de! libro de McGraw-Hill El autor desea expresar su enorme respeto y gratitud por el esfuerzo del gran equipo de profesionales de McGraw-Hill que ha dado incontables horas de su tiempo y conocimien to para desarrollar y producir esta edición de Física. Agra dezco de manera particular a mi editor de desarrollo, Liz Recker, por mucho el mejor editor con que he trabajado en muchos años. Gloria Schiesl, la gerente sénior de proyec to, trabajó larga y arduamente a fin de que la producción no tuviera ningún obstáculo. Daryl Brufiodt (Sponsoring Editor), Todd Turner (Marketing Manager), Jeffry Schmitt (Media Producer), Judi David (Media Project Manager), Carrie Burger (Lead Photo Research Coordinator), Laura Fuller (Production Supervisión) y Shirley Oberbroeckling (Managing Developmental Editor) también realizaron ta reas de suma importancia en esta revisión.
- 21. PARTE I Mecanica Introducción Centro espacial Kennedy, en Florida. En las instalaciones de servicio de cargas peligrosas los trabajadores observan el Mars Exploration Rover-2 (MER-2) subir por la rampa para probar su movilidad y facilidad de maniobra. Los científicos y los ingenieros aplican el método científico para verificar que el vehículo puede realizar tareas semejantes a las requeridas en la exploración de Marte. (Foto de la NASA.) El conocimiento de la física es esencial para comprender el mundo. Ninguna otra ciencia ha intervenido de forma tan activa para revelarnos las causas y efectos de los hechos naturales. Basta mirar al pasado para advertir que la experimentación y el descubrimiento forman un continuum que corre desde las primeras mediciones de la gravedad hasta los más recientes logros en la conquista del espacio. Al estudiar los objetos en reposo y en movimiento, los científicos han podido deducir las leyes fundamentales que tienen amplias aplicaciones en ingeniería mecánica. La investigación de los principios que rigen la producción de calor, luz y sonido ha dado paso a incontables aplicaciones que han hecho nuestra vida más cómoda y nos han permitido convivir mejor con nuestro entorno. La investigación y el desarrollo en las áreas de la electricidad, el magnetismo y la física atómica y nuclear han desembocado en un mundo moderno que habría sido inconcebible hace tan sólo 50 años (véase figura 1.1). Es difícil imaginar siquiera un producto de los que disponemos hoy día que no suponga la aplicación de un principio físico. Ello significa que, independientemente de la carrera que se haya elegido, es indispensable entender la física, al menos hasta cierto punto. Es verdad que algunas ocupaciones y profesiones no requieren una comprensión tan profunda de ella como la que exigen las ingenierías, pero la realidad es que en todos los campos de trabajo se usan y aplican sus conceptos. Dotado de sólidos conocimientos de mecánica, calor, sonido y electricidad, el lector contará con los elementos necesarios para cimentar casi cualquier profesión. Además, si antes o después de graduarse le fuera necesario cambiar de carrera, sabrá que cuenta con un conocimiento básico de ciencias y matemáticas en general. Si toma con seriedad este curso y dedica a su estudio una dosis especial de tiempo y energía, tendrá menos problemas en el futuro. Así, en los cursos posteriores y en el trabajo podrá viajar sobre la cresta de la ola en lugar de mantenerse simplemente a flote en un mar tormentoso. 1
- 22. 2 Capítulo 1 Introducción Figura 1.1 En muchas ocupaciones se hallan aplicaciones de los principios de la física. {Fotos cortesía de Hemera, Inc.) ¿Qué es la física? Aun cuando haya estudiado la materia en secundaria, es probable que sólo tenga una vaga idea de lo que realmente significa la física y en qué se diferencia, por ejemplo, de la ciencia. Para nuestros propósitos, las ciencias pueden dividirse en biológicas y físicas. Las ciencias biológicas se ocupan de los seres vivos, en tanto que las físicas tienen como objeto de estudio la parte no viva de la naturaleza. La física puede definirse como la ciencia que investiga los conceptos funda mentales de la materia, la energía y el espacio, así como las relaciones entre ellos. De acuerdo con esta amplia definición, no hay fronteras claras entre las ciencias físicas, lo cual resulta evidente en áreas de estudio como la biofísica, la fisicoquímica, la astrofísica, la geofísica, la electroquímica y muchas otras especialidades. El objetivo de esta obra es brindar una introducción al mundo de la física, con un énfasis en las aplicaciones. Con ello, el vasto campo de esta disciplina se simplifica a los conceptos esenciales subyacentes en todo conocimiento técnico. Estudiará usted mecánica, calor, luz, sonido, electricidad y estructura atómica. El tema fundamental de todos ellos, y probablemen te el más importante para el alumno principiante es la mecánica. La mecánica se refiere a la posición (estática) y al movimiento (dinámica) de la materia en el espacio. La estática es el estudio de la física aplicado a los cuerpos en reposo. La diná mica se ocupa de la descripción del movimiento y sus causas. En ambos casos, el ingeniero o técnico se encarga de medir y describir las cantidades físicas en términos de causa y efecto. Un ingeniero, por ejemplo, aplica los principios de la física para determinar qué tipo de estructura será más eficaz en la construcción de un puente. Su interés se centra en el efecto de las fuerzas. Si un puente terminado llegara a fallar, la causa de la falla requeriría ser ana lizada para aplicar ese conocimiento a las construcciones futuras de ese tipo. Es importante señalar que el científico define como causa la sucesión de hechos físicos que desembocan en un efecto.
- 23. ¿Cómo estudiar física? 3 ¿Qué Importancia tienen las matemáticas? Las matemáticas sirven para muchos fines. Son a la vez filosofía, arte, metafísica y lógica. Sin embargo, todos estos aspectos se subordinan a su función principal: son una herramienta para el científico, el ingeniero o el técnico. Una de las mayores satisfacciones que brinda un primer curso de física es que se cobra mayor conciencia de la importancia de las matemáticas. Un estudio de física revela aplicaciones concretas de las matemáticas básicas. Supongamos que se desea predecir cuánto tarda en detenerse un automóvil que se des plaza con cierta rapidez. Primero es necesario controlar cuantas variables sea posible. En las pruebas, buscará que cada frenado sea uniforme, de modo que la rapidez media se aproxime a la mitad de la rapidez inicial. Expresado en símbolos esto puede escribirse: ^ media ^ También se controlarán las condiciones y la pendiente de la carretera, el clima y otros pa rámetros. En cada prueba se registrará la rapidez inicial (v.), la distancia a la que se detiene el vehículo (.v) y el tiempo en que lo hace (t). También puede tomar nota de la rapidez inicial, del cambio de rapidez, así como de la distancia y el tiempo necesarios para detener el automóvil. Cuando todos estos factores se han registrado, los datos sirven para establecer una relación tentativa. No es posible hacer esto sin usar las herramientas que ofrecen las matemáticas. Con base en la definición de rapidez como la distancia recorrida por unidad de tiempo se observa que la distancia de frenado, x en nuestro ejemplo, puede ser producto de la velocidad media v /2 multiplicada por el tiempo, t. La relación tentativa podría ser ^ t X = — t O X = 2 2 Obsérvese que hemos usado símbolos para representar los parámetros importantes y las ma temáticas para expresar su relación. Esta proposición es una h ip ó te s is v ia b le . A partir de esta ecuación es posible predecir la distancia a la que se detendrá cualquier vehículo con base en su rapidez inicial y el tiempo de frenado. Cuando una hipótesis se ha aplicado el suficiente número de veces para tener un grado de seguridad razonable de que es verdadera, se le llama te o r ía c ie n tífic a . En otras palabras, cual quier teoría científica no es más que una hipótesis viable que ha resistido la prueba del tiempo. Por tanto, podemos damos cuenta de que las matemáticas son útiles para obtener fórmu las que nos permiten describir los hechos físicos con precisión. Las matemáticas adquieren mayor relevancia aun en la resolución de esas fórmulas con cantidades específicas. Por ejemplo, en la fórmula anterior sería relativamente fácil hallar los valores de x, v y t cuando se conocen las otras cantidades. Sin embargo, muchas relaciones físicas implican ma yores conocimientos de álgebra, trigonometría e incluso cálculo. La facilidad con que pueda deducir o resolver una relación teórica depende de sus conocimientos de matemáticas. En el capítulo 2 se presenta un repaso de los conceptos matemáticos necesarios para en tender este texto. Si desconoce alguno de los temas expuestos debe estudiar atentamente ese capítulo. Preste especial atención a las secciones sobre potencias de 10, ecuaciones literales y trigonometría. De su habilidad para aplicar las herramientas matemáticas dependerá en gran medida su éxito en cualquier curso de física. ¿Cómo estudiar física? La lectura de un texto técnico es diferente de la de otros temas. Es indispensable prestar aten ción al significado específico de las palabras para comprender el tema. En los textos técnicos se utilizan a menudo gráficas, dibujos, tablas y fotografías, elementos siempre útiles y a veces incluso esenciales para describir los hechos físicos. Debe estudiarlos con detenimiento para entender bien los principios. Gran parte del aprendizaje se obtiene a partir de las exposiciones en el aula y de los experimentos. El alumno principiante suele preguntarse: "¿Cómo puedo concentrarme por
- 24. 4 Capítulo 1 Introducción completo en la clase y al mismo tiempo tomar notas precisas?” Por supuesto, quizá no sea po sible comprender cabalmente todos los conceptos expuestos y, además, tomar apuntes com pletos. Por ello, debe aprender a anotar sólo las partes importantes de cada lección. Cerciórese de escuchar bien la explicación de los temas. Aprenda a reconocer las palabras clave, como trabajo, fuerza, energía y cantidad de movimiento'. La preparación adecuada antes de la clase le dará una buena idea de qué partes de la ex posición se explican en el texto y cuáles no. Si se presenta un problema o una definición en el texto generalmente es mejor que anote una palabra clave durante la clase y centre toda la atención en lo que explica el profesor; después puede complementar la nota. Cada estudiante que entra en un curso de física para principiantes cuenta ya con los re quisitos y las habilidades necesarias para aprobarlo; por ende, si no lo hace se deberá a otras razones: acaso falta de motivación, una excesiva carga de trabajo, un empleo externo, enfer medades o problemas personales. Los consejos siguientes provienen de profesores con expe riencia que han tenido éxito en los cursos para estudiantes de los primeros niveles de física. • La responsabilidad final del aprendizaje corresponde al estudiante. El maestro es un mero facilitador, la escuela es un simple campus y el texto es sólo un libro. Asista pun tualmente a las clases, preparado para los temas que se expondrán. Estudie antes el ma terial y anote las preguntas que desee plantear al profesor. • El aprendizaje oportuno es aprendizaje eficaz. Es mejor estudiar una hora cada día de la semana que 20 el sábado y el domingo. Después de cada clase o exposición emplee su hora libre más próxima para reforzar lo que ha aprendido de los temas presentados. Repase algu nos ejemplos. Cuanto más tiempo deje pasar más olvidará de la clase y perderá más tiempo. Si espera hasta el fin de semana necesitará al menos una hora simplemente para revisar y reconstruir la clase a partir de sus notas. Estudiar todo poco antes del examen nofunciona', mejor repase los problemas que ya haya resuelto y trabaje en el libro otros semejantes. • El aprendizaje cabal va más allá del salón de clases. A fin de retener y aplicar lo apren dido en el salón, es indispensable que resuelva problemas por su cuenta. Solicite la ayuda de otras personas, incluida la del profesor, después de haberse esforzado en contestar los problemas asignados. No hay sustituto para la participación activa en el pensamiento y en los procedimientos necesarios para resolver problemas. • Repase las habilidades básicas. En el capítulo 2, que versa sobre matemáticas técnicas, destaca las habilidades que tal vez estén un tanto débiles o haya que pulir. Asegúrese de que entiende bien esos temas. • Estudie el plan de actividades. Procure estar enterado de los temas que se incluirán en los exámenes, cuándo se llevarán a cabo éstos y cómo influirán en la calificación final. • Busque un compañero y pídale su número telefónico. Establezca un sistema de compa ñerismo donde cada uno informe al otro sobre las actividades de clase o de laboratorio a las que no haya asistido. Pida a esa persona que recoja los materiales impresos y las instrucciones que se den cuando usted no esté presente. • La organización es la clave del verdadero aprendizaje. Mantenga al día una carpeta de argollas, dividida por secciones con sus respectivos títulos: “Material impreso recibido”, “Notas”, “Problemas”, “Exámenes calificados”, “Prácticas de laboratorio calificadas”. • Si tiene dificultades, pida ayuda cuanto antes. Hoy día los estudiantes tienen a su alcan ce una gran cantidad de material de estudio que otrora sólo existía en sueños. Hay tuto riales asistidos por computadora, internet, guías de soluciones, manuales de resolución de problemas e incluso otros libros de textos que explican los mismos temas. Su profesor o bibliotecario le indicarán qué y cómo puede conseguirlos, pero usted es responsable de obtenerlos. Tras muchos años de enseñar física en el bachillerato he notado que la razón más común por la que a muchos estudiantes de los primeros niveles se les dificulta la materia es la mala 1 Como sinónimos de cantidad de movimiento, también se emplean momento lineal e ímpetu. (N. del E.)
- 25. ¿Cómo estudiar física? 5 planificación y organización. Hoy día un estudiante puede tomar dos o tres materias, incluso más, mientras cursa física. Por añadidura, puede trabajar en un empleo de medio tiempo; o es tar casado y tener hijos; o contar con varias actividades extraclase; o asistir al curso de física aun antes de terminar los cursos de matemáticas necesarios para entender la materia. Pronto se torna evidente que no alcanza el tiempo para ahondar en una sola área de estudio. Por consiguiente, debe establecer un calendario riguroso, con objetivos y prioridades firmes. Para ayudarle en su elaboración, le recomiendo que considere también los aspectos siguientes: • En cuanto a la preparación para el bachillerato y para su futuro en el mundo técnico de la actualidad, la física es el curso más importante de los primeros niveles. (Debatiré con gusto sobre esta afirmación con cualquier persona, y a menudo lo hago.) • No espere entender a cabalidad los principios de la física del mismo modo que aprende los de otras materias no técnicas. La verdadera comprensión de la disciplina se logra con la aplicación y la resolución de problemas. Debe aplicar un concepto poco después de que se le haya explicado; de otro modo, sólo perderá el tiempo intentando reconstruir sus ideas. Trate de programar una hora libre inmediatamente después de su clase de física e intente trabajar con los ejemplos mientras la lección aún está fresca en su mente. • Organice sus hábitos de estudio en tomo a la naturaleza de las materias que cursa. Mu chas disciplinas obligatorias precisan numerosas lecturas y elaboración de informes, y pueden encararse diferente de las matemáticas y la física. Todas son importantes, pero estas últimas no pueden aprenderse bien si estudia todo al final. Cuando los temas suce sivos requieren entender los temas anteriores crece la posibilidad de rezagarse pronto. • Nunca he dado un curso de física sin que falte alguien que se queje porque la “ansiedad por los exámenes” es la principal razón de sus malas calificaciones. Cierto, se trata de un problema real, más grave en unos que en otros. Me parece que la mejor forma de lidiar con él es procurándose una preparación completa y apropiada. Debe trabajar con cuantos ejemplos sea posible antes del examen. En el basquetbol la victoria puede depender de un tiro libre al final. El triunfador es el jugador que ha encestado tantos tiros libres que sus reflejos se hallan condicionados para responder incluso bajo presión.
- 26. Matemáticas técnicas Las matemáticas son una herramienta fundamental para todas las ciencias. En la gráfica que aparece en la pantalla de la computadora se muestra una aplicación de la trigonometría. (Foto de Paul E. Tippens.) Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Demostrará su habilidad para sumar, restar, multiplicar y dividir unidades téc nicas de medida. 2. Resolverá fórmulas sencillas para cualquier cantidad que aparezca en la fórmu la y realizará evaluaciones por sustitución. 6
- 27. 2.1 Números con signo 7 3. Resolverá problemas sencillos que impliquen operaciones con exponentes y radicales. 4. Realizará operaciones matemáticas comunes en notación científica. 5. Trazará una gráfica a partir de datos técnicos específicos e interpretará nueva información con base en aquélla. 6. Aplicará las reglas elementales de la geometría para calcular ángulos descono cidos en situaciones concretas. Suele ser decepcionante abrir un libro de física y ver que empieza con matemáticas. Natural mente, usted desea aprender sólo las cosas que considera necesarias. Quiere tomar medidas, operar máquinas o motores, trabajar con algo o al menos saber que no ha perdido el tiempo. Según su experiencia, podrá omitir gran parte o todo este capítulo, a juicio de su profesor. Tenga presente que los fundamentos son importantes y que ciertas habilidades matemáticas son indispensables. Tal vez comprenda perfectamente los conceptos de fuerza, masa, energía y electricidad, pero quizá no sea capaz de aplicarlos en su trabajo por falta de conocimientos ma temáticos fundamentales. Las matemáticas son el lenguaje de la física. Alo largo de la obra nos hemos esforzado por lograr que ese lenguaje sea tan sencillo y relevante como sea necesario. En cualquier ocupación industrial o técnica tenemos que efectuar mediciones de algún tipo. Puede tratarse de la longitud de una tabla, el área de una hoja de metal, el número de tornillos que hay que pedir, el esfuerzo al que está sometida el ala de un avión o la presión en un tanque de aceite. La única forma en que podemos dar sentido a esos datos es mediante números y símbolos. Las matemáticas brindan las herramientas necesarias para organizar los datos y predecir resultados. Por ejemplo, la fórmula F = ma expresa la relación entre una fuerza aplicada (F) y la aceleración (a) que ésta produce. La cantidad m es un símbolo que representa la masa de un objeto (una medida de la cantidad de materia que contiene). A través de los pasos matemáticos apropiados podemos usar fórmulas como ésa para predecir acontecimientos futuros. Sin embargo, en muchos casos se precisan conocimientos generales de álgebra y geometría. Este capítulo le ofrece un repaso de algunos de los conceptos esen ciales en matemáticas. El estudio de las diferentes secciones del capítulo podrá ser asignado u omitido a criterio de su profesor. Números con signo -----24°C + 0°C ♦------ 10°C y - Figura 2.1 A menudo es necesario trabajar con números negativos y positivos. Por ejemplo, una tempera tura de - 10°C significa 10 grados "abajo” del punto de referencia cero, y 24°C una temperatura que está 24 grados “arriba” del cero (véase la figura 2.1). Los números se refieren a la magnitud de la temperatura, mientras que el signo más o menos indica el sentido respecto al cero. El signo menos en —10°C no indica falta de temperatura; significa que la temperatura es menor que cero. El número 10 en —10°C describe cuan lejos de cero se halla la temperatura; el signo menos es necesario para indicar el sentido respecto del cero. El valor de un número sin signo se conoce como su valor absoluto. En otras palabras, si omitimos los signos de +7 y —7, el valor de ambos números es el mismo. Cada número está a siete unidades del cero. El valor absoluto de un número seindica pormedio de unsímbolo formado por barras verticales. El número +7 no es igual queel número —7;pero 1+71 sí es igual que I—71. Cuando se realizan operaciones aritméticas que incluyen números con signo se usan sus valores absolutos. Los signos más y menos también se emplean para indicar operaciones aritméticas; por ejemplo: 7 + 5 significa “sumar el número +5 al número +7" 7 —5 significa “restar el número +5 del número + 7 ” Si queremos indicar la suma o la resta de números negativos, resulta útil emplear paréntesis: (+7) + (-5 ) significa “sumar el número —5 al número + 7 ” (+7) —(—5) significa “restar el número —5 del número + 7 ”
- 28. 8 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Cuando se suman números con signo es útil recordar la regla siguiente: Regla d e la sum a: para sumar dos números del mismo signo, sumamos sus valores absolutos y ponemos el signo en común al resultado (suma). Para su mar dos números de diferente signo, encontramos la diferencia entre sus valo res absolutos y asignamos al resultado el signo del número de mayor valor. Considere los ejemplos que siguen: (+6) + (+2) =+(6 + 2) = +8 (-6 ) + (-2 ) =-( 6 + 2) = - 8 (+6) + (-2 ) =+(6 - 2) = +4 (-6 ) + (+2) =-( 6 - 2) = - 4 Examinemos ahora el procedimiento de la resta. Siempre que a un número le restamos otro, cambiamos el signo del segundo número y después lo sumamos al primero, aplicando la regla de la suma. En la expresión 7 —5, el número +5 va a ser restado del número +7. La resta se realiza cambiando primero +5 por —5 y luego sumando los dos números que ahora tienen diferente signo: (+7) + (—5) = +(7 —5) = +2. Regla d e la resta: para restar un número, b, con signo de otro número, a, con signo, cambiamos el signo de b y luego sumamos este número a a aplicando la regla de la suma. Analice los ejemplos siguientes: (+8) -- (+5) = 8 - 5 = 3 (+8) -- (-5 ) = 8 + 5 = 13 (-8 ) -- (+5) = - 8 - 5 = -1 3 (-8 ) -- (-5 ) = - 8 + 5 = - 3 r/s vi La velocidad de un objeto se considera positiva cuando éste se mueve hacia arriba y ne gativa cuando se mueve hacia abajo. ¿Cuál es el cambio de velocidad de una pelota que golpea el piso a 12 metros por segundo (m/s) y rebota a 7 m /s? Consulte la figura 2.2. Plan: Primero establecemos como positi va la dirección ascendente o hacia arriba, así que podemos usar los mismos signos para la velocidad. La velocidad inicial es —12 m /s porque la pelota se está movien do hacia abajo. Después su velocidad es +7 m /s, pues se mueve hacia arriba. El cambio de velocidad será la velocidad final menos la inicial. +7 m/s -12 m/s Figura 2.2
- 29. 2.1 Números con signo 9 Solución: Cambio en la velocidad = velocidad final —velocidad inicial = (+ 7 m/s) — (—12 m/s) = 7 m/s + 12 m/s = 19 m/s Sin entender los números con signo podríamos haber supuesto que el cambio registrado en la rapidez era de sólo 5 m /s (12 — 7). Sin embargo, tras pensarlo un momento, nos damos cuenta de que la rapidez debe disminuir primero a cero (un cambio de 12 m /s) y que luego se alcanza una rapidez de 7 m /s en dirección opuesta (un cambio adicional de 7 m/s). En una multiplicación cada número se llama factor y el resultado es el producto. Ahora po demos establecer la regla de la multiplicación para números con signo: Regla de la multiplicación: si dos factores tienen signos iguales, su producto es positivo; si tienen signos diferentes, su producto es negativo. Veamos estos ejemplos: (+2)(+3) = +6 (—3)(—4) = +12 (—2)( + 3) = —6 (—3)(+4) = —12 Suele resultar útil una ampliación de la regla de la multiplicación para los productos que resultan de multiplicar varios factores. En vez de multiplicar una serie de factores, de dos en dos, podemos recordar que El producto será positivo si todos los factores son positivos o si existe un nú mero par de factores negativos. El producto será negativo si hay un número impar de factores negativos. Considere los ejemplos que siguen: (—2)(+2)(—3) = +12 (dos factores negativos,—par) (—2)(+4)(—3)(—2) = -4 8 (tres factores negativos,—impar) (—3)3 = (—3)(—3)(—3) = -2 7 (tres factores negativos, —impar) Observe que en el último ejemplo se usó un superíndice 3 para indicar el número de veces que el número —3 debía usarse como factor. El superíndice 3 escrito en esta forma se llama exponente. Cuando se desea dividir dos números, el que va a ser dividido se llama dividendo y entre el que se divide éste se llama divisor. El resultado de la división se denomina cociente. La regla para dividir números con signo es la siguiente: Regla de la división: el cociente de dos números con signos iguales es positi vo y el cociente de dos números con signos diferentes es negativo. Por ejemplo (+ 2) -v - (+ 2) = +1 ( - 4 ) -h (-2 ) = +2 En caso de que el numerador o el denominador de una fracción contenga dos o más fac tores, la regla siguiente también es útil: El cociente es negativo si el número total de factores negativos es impar; en caso contrario, el cociente es positivo.
- 30. 10 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Por ejemplo, (~4)(3) 2 (~ 2)(~2)(—3) (2)(-3) = —6 par — +2 impar Es conveniente que practique la aplicación de todas las reglas expuestas en esta sección. Es un grave error suponer que ha entendido estos conceptos sin comprobarlo adecuadamen te. Una fuente importante de errores en la resolución de problemas de física es el uso de los números con signo. Repaso de álgebra El álgebra es en realidad una generalización de la aritmética, en la que se usan letras para reemplazar números. Por ejemplo, aprenderemos que el espacio ocupado por algunos objetos (su volumen, V) puede calcularse multiplicando el largo (/) por el ancho (¿>) y por la altura (h). Si se asignan letras a cada uno de esos elementos, establecemos una fórmula general, como Volumen = largo X ancho X altura V = l • b ■h (2.1) La ventaja de las fórmulas es que funcionan en cualquier situación. Dado el largo, el an cho y la altura de cualquier sólido rectangular podemos usar la ecuación (2.1) para calcular su volumen. Si deseamos averiguar el volumen de un bloque rectangular de metal, sólo debemos sustituir los números apropiados en la fórmula. 3EX23& Calcule el volumen de un sólido que tiene las medidas siguientes: largo, 6 centímetros (cm); ancho, 4 cm, y alto, 2 cm. Plan: Recuerde o localice la fórmula para calcular el volumen y luego sustituya las letras (literales) con las cantidades proporcionadas. Solución: La sustitución da por resultado V = Ibh = (6 cm)(4 cm)(2 cm) = 48 (cm X cm X cm) = 48 cm3 El tratamiento de las unidades que dan por resultado un volumen expresado en centímetros cúbicos se comentará más adelante. Por ahora, céntrese en la sustitución de números. Cuando las letras se sustituyen por números en una fórmula es muy importante insertar el signo apropiado de cada número. Considere la fórmula siguiente: P = c2 — ab Suponga que c = +2, a = - 3 y b = +4. Recuerde que los signos más y menos incluidos en las fórmulas no se aplican a ninguno de los números que pueden ser sustituidos. En este ejemplo, tenemos: P = (c)2 - (a)(b) = (+2)2 - (-3 X + 4 ) = 4 + 12 = 16 Resulta sencillo advertir que si se confunde un signo de la fórmula con el signo de alguno de los números sustituidos podría cometerse un error.
- 31. 2.2 Repaso de álgebra 11 Con frecuencia es necesario resolver (despejar) una fórmula o una ecuación para una letra que es sólo parte de la fórmula. Suponga que deseamos encontrar una fórmula para cal cular el largo de un sólido rectangular a partir de su volumen, su altura y su ancho. Las letras que aparecen en la fórmula V = ¡ah tendrán que reorganizarse para que la / aparezca sola en el lado izquierdo. El reordenamiento de la fórmula no es difícil si recordamos algunas reglas para trabajar con ecuaciones. Básicamente, una ecuación es un enunciado matemático que dice que dos expresiones son iguales. Por ejemplo, 2b + 4 = 3b - 1 es una ecuación. En este caso, es evidente que la letra b representa la cantidad desconocida o, mejor dicho, la incógnita. Si sustituimos b = 5 en ambos lados o miembros de esta ecuación, obtenemos 14 = 14. Por tanto, b = 5 es la solución de la ecuación. Podemos obtener soluciones para igualdades realizando las mismas operaciones en los dos lados de la ecuación. Considere la igualdad 4 = 4. Si sumamos, restamos, multiplicamos o dividimos el número 2 en ambos lados, no se altera la igualdad. Lo que hacemos es, en efecto, aumentar o disminuir la magnitud de cada lado, pero la igualdad se conserva. (Será conveniente que usted verifique el enunciado anterior para la igualdad 4 = 4.) Observe tam bién que si se eleva al cuadrado o se obtiene la raíz cuadrada en los dos lados no se altera la igualdad. Si se realiza la misma serie de operaciones en cada miembro de una ecuación es posible obtener finalmente una igualdad con una sola letra en el miembro izquierdo. En este caso, se dice que hemos resuelto (o despejado) la ecuación para esa letra. Resuelva para m la ecuación que sigue: 3m — 5 = m + 3 Pía n: La clave es dejar sola la m en un lado del signo igual y del otro un número solo. Mientras sumemos o restemos la misma cantidad en cada lado, la ecuación seguirá siendo verdadera. Solución: Primero sumamos +5 a ambos lados y luego restamos m de los dos lados: 3/72 —5 + 5 = m + 3 + 5 3m = m + 8 3m — m = m + 8 —m 2m = 8 Por último, dividimos ambos lados entre 2: 2m 8 ~2~ ~ ~ 2 m = 4 Para comprobar esta respuesta, sustituimos m = 4 en la ecuación original y obtenemos 7 = 7, lo cual demuestra que m = 4 es la solución. En las fórmulas, la solución de una ecuación también puede expresarse por medio de letras. Por ejemplo, la ecuación literal ax — 5b = c puede resolverse para x en términos de a, b y c. En casos como éste, decidimos de antemano cuál de las letras será la “incógnita”. En nuestro ejemplo, elegiremos x. Las demás letras se tratan como si fueran números conocidos. Sumando 5b a ambos lados se obtiene ax — 5b + 5b = c + 5b ax = c + 5b
- 32. 12 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Ahora dividimos ambos lados entre a para obtener ax c + 5b a a c + 5b x = a que es la solución para x. Los valores para a, b y c en una situación concreta se sustituyen para hallar un valor específico de x. w /y / V! El volumen de un cono circular recto se expresa con la fórmula tjr2h V = — (2.2) ¿Cuál es la altura del cono si su radio es r = 3 cm y V = 81 centímetros cúbicos (cm3)? (Suponga que tt = 3.14.) Plan: Primero resolvemos la fórmula para h en términos de r y V; luego debemos sustituir los valores que tenemos para V, tt y r. Solución: Al multiplicar ambos lados por 3 se obtiene 3V = irrh Si dividimos ambos miembros entre rrr2resulta 3y _ irr2h 3V h tt}-2 7r r 2 7rr2 1 Por tanto, la altura h está dada por: 3V h = — 2 7r r Sustituyendo los valores que tenemos de V, tt y r nos queda 3(81 cm3) 243 cm3 n = ------------------r = ------------t = 8.60 cm (3.14)(3cm) 28.26 cm- La altura del cono es 8.60 cm. Exponentes y radicales (optativo) Con frecuencia resulta necesario multiplicar una misma cantidad cierto número de veces. Un método abreviado para indicar el número de veces que una cantidad se toma como factor de sí misma consiste en usar un superíndice numérico conocido como exponente. Esta notación sigue el esquema presentado a continuación: Para cualquier número a: Para el número 2: a = a1 2 = 21 a X a = a2 2 X 2 = 22 a X a X a = a3 2 X 2 X 2 = 23 a X í i X a X f l = a4 2 X 2 X 2 X 2 = 24
- 33. 2.3 Exponentes y radicales (optativo) 13 Las potencias del número a se leen como sigue: a2 se lee “a cuadrada”: a3, “a cúbica"; y a4, “a a la cuarta potencia”. En general, se dice que a" representa “a elevado a la 77-ésima potencia”. En tales ejemplos, la letra a es la base y los superíndices numéricos 1, 2, 3, 4 y n son los exponentes. Repasaremos varias reglas que es necesario seguir al trabajar con exponentes. Regla 1: Cuando se multiplican dos cantidades de la misma base su producto se obtiene sumando algebraicamente los exponentes: (a'")(a") = a'n+" Regla de la multiplicación (2.3) Ejemplos: (24)(23) = 24+3 = 27 2 5 3 3 2 + 5 + 3 3 10 3 x x y x = x y = x y Regla 2: Cuando a no es cero, un exponente negativo se define con cualquie ra de las expresiones siguientes: a~n = — y a" = Exponente negativo (2.4) Ejemplos: a - 4 1 ' a" y a" 1 “ a~n 1 i 102 1 34 “ 8 l _ 10-2 <-5 — 1 A-3)'2 a4y 2 ! — f l - V ~ x 3b3 Regla 3: Cualquier cantidad elevada a la potencia cero es igual a 1: ¿ 7 ° = 1 Exponente cero (2.5) Ejemplos: .r 3y ° = x 3 ( A - V )0 = 1 Regla 4: El cociente de dos cantidades diferentes de cero y que tengan la misma base se halla efectuando la resta algebraica de sus exponentes: División (2.6) u Ejemplos: 23 25 1 — = 23” 1 = 22 ^ = 25~7 = 2 -2 = 4 2 2 2 ¿T3 - 3 - Í - 5 ) - 3 + 5 2 — 7 = a y ) = a = a a Regla 5 : Cuando una cantidad amse eleva a la potencia n, los exponentes se multiplican: (am)n = a"m Potencia de una potencia (2.7)
- 34. Ejemplos: 14 Capítulo 2 Matemáticas técnicas (22)3 = 22'3 = 26 (2^3)2 = 2“6 = ^ (a2)4 = a8 (a2)-4 = a -8 = a Regla 6: La potencia de un producto y la de un cociente se obtienen aplican do el exponente a cada uno de los factores. Ejemplos: (a b y = anbn — (2.8) (2 • 3)2 = 22 • 32 = 4 • 9 = 36 oa b ) 3 = a 3¿ 3 (a¿2)3 = ¿z3(&2)3 = a3b6 ax3Y a4x12 / y y- Si a" = b, entonces no sólo b es igual a la n-ésima potencia de a, sino también se dice que, por definición, a es la raíz «-ésima de b. En general, este hecho se expresa usando un radical (V ~ ~ ): V b raíz n-ésima de b Considere los enunciados siguientes: 22 = 4 significa que 2 es la raíz cuadrada de 4, o sea, V i = 2 2? = 8 significa que 2 es la raíz cúbica de 8, o sea, = 2 25 = 32 significa que 2 es la raíz quinta de 32, o sea, /3 2 = 2 Un radical también puede expresarse mediante un exponente fraccionario. En general, podemos escribir r fb = bl/" Por ejemplo, V 8 = 81/3 o V lO = 10I/2 Hay otras dos reglas que es indispensable conocer para trabajar con radicales. Regla 7: La raíz n-ésima de un producto es igual al producto de las raíces n- ésimas de cada factor: ^/a b = ~^/~a 'sfb Raíces de un producto (2.9) Ejemplos: V 4 • 16 = V 4 VTó = 2 - 4 = 8 V 'ab = V a ’ ^/b Regla 8: Las raíces de una potencia se calculan aplicando la definición de exponentes fraccionarios. = am/n Raíz de potencias (2.10)
- 35. 2.4 Solución a ecuaciones cuadráticas 15 Ejemplos: ^ = 29/3 = 2 3 = 8 Vür4= icr4 / 2= io~ 2= io2 V 4 X 108 = V 4 V Ü f = 2(10)8/2 = 2 X 104 / 8 X 10“6 = ^ ( Í O ) -673 = 2 X 10"2 Para resolver la mayor parte de los problemas de esta obra sólo se requiere un conocimiento limitado delas reglas anteriores. Lo que más se calcula son cuadrados,cubos, raíces cua dradas y cúbicas. No obstante, es útil contar con un buen conocimiento delasreglasde los exponentes y radicales. Solución a ecuaciones cuadráticas Al resolver problemas de física, con frecuencia se necesita obtener una solución para una ecuación de segundo grado cuya incógnita está elevada a la segunda potencia. Por ejemplo, en cinemática la posición de una partícula en un campo gravitacional varía con el tiempo según la relación x = v0t + a t2 donde x es el desplazamiento, vQla velocidad inicial, a la aceleración y t el tiempo. Observe que la apariencia de t2 significa que hay dos instantes en que el desplazamiento podría ser el mismo. Tales ecuaciones reciben el nombre de ecuaciones cuadráticas. Hay varios métodos para resolver este tipo de ecuaciones, pero quizá para los problemas de física el más útil sea aplicar el de la fórmula cuadrática. Dada una ecuación cuadrática de la forma ax2 + bx + c = 0 con a diferente de cero, las soluciones se hallan con la fórmula cuadrática —b ± / b 1 — 4ac 2a m Resuelva la ecuación siguiente para ,í: 3x 2 = 12 + 5x. Plan: La mayor potencia de la incógnita x es 2 y se puede aplicar la fórmula cuadrática. Debemos escribir la ecuación en la forma cuadrática, determinar las constantes a, b y c, y después resolver x usando la fórmula. Solución: La forma cuadrática es ax2 + bx + c = 0, así que podemos escribir 3x2 - 5x - 12 = 0 Al analizar' esa ecuación se observa que a = 3, b = ~5 y c = —12. Ahora, resolvemos para x por sustitución en la fórmula cuadrática — b ± V Z r - 4ac X ~ 2a _ - ( - 5 ) ± V ( - 5 ) 2 - 4(3)( —12) 2(3) _ +5 ± V(25) + (144) __ +5 ± V l6 9 5 ± 13 2(3) ~ 6 6
- 36. 16 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Para hallar las dos soluciones para x usamos primero el signo más y luego el menos: 5 + 13 18 Primera solución: +3 Segunda solución: 5 - 1 3 - i x = X = -1.33 Las dos respuestas son x = +3 y x = —1.33. Con base en las condiciones del problema, una de las soluciones puede ser matemáticamente verdadera pero imposible desde el án gulo de la física, lo cual indica que siempre debe interpretar los resultados a la luz de las condiciones establecidas. g§; Ü m * , T jj^ Se lanza una pelota hacia arriba con una rapidez inicial de vQ= 20 m/s. La aceleración debida a la gravedad es g = —9.80 m /s2. Si se tiene un desplazamiento de y = v0t + ¿gf2, determine los dos instantes en que el desplazamiento es y — 12 m arriba del punto donde se suelta la pelota. Plan: Debemos sustituir los valores dados para g, y y vQa fin de obtener la ecuación cua drática, con el tiempo t como nuestra incógnita. Después escribiremos la ecuación en su forma cuadrática y la resolveremos para t mediante la fórmula cuadrática. Solución: La sustitución da como resultado y = v0t + gt2 o (12) = 20/ + ! ( —9.8)í2 Hemos dejado fuera las unidades para que la incógnita t quede indicada con claridad. Al escribir esta expresión en forma cuadrática queda 4.9/2 - 20í + 12 = 0 Ahora aplicamos la fórmula cuadrática para hallar las dos soluciones para t. t = -b ± / b 2 — 4ac 2a -(-2 0 ) ± V (- 2 0 )2 - 4(4.9)(12) 2(4.9) +20 ± V400 - 235 -2 0 ± 12.Í 9.8 9.8 De nuevo, encontramos las dos soluciones usando primero el signo más y luego el menos: 20 + 12.8 32.8 Primera solución: Segunda solución: t = 9.8 20 - 12.£ 9.8 9.8 7.17 9.8 í — +3.35 s t — +0.732 s La pelota alcanza la altura de 12 m en el instante t = 0.732 s después de que se le suelta. Luego alcanza el mismo desplazamiento en el instante t = 3.35 s. |¡ U ^ 0 Notación científica En el trabajo científico es muy frecuente encontrarse con números muy grandes o muy peque ños. Por ejemplo, cuando el operador de una máquina mide el grosor de una delgada hoja de metal puede obtener una lectura de 0.00021 in. De forma similar, un ingeniero puede hallar que el área de una pista de aeropuerto es de 130 000 m2. Es conveniente que podamos expresar estos números como 2.1 X 10“4in y 1.3 X 105m2, respectivamente. Se usan potencias de 10 para señalar la posición del punto decimal sin tener que manejar un gran número de ceros al
- 37. 2.5 Notación científica 17 realizar cada uno de los cálculos. El sistema para expresar cualquier cantidad como un número entre 1 y 10 multiplicado por una potencia entera de base 10 se llama notación científica. Las calculadoras electrónicas tienen una teclas que permiten incluso a los estudiantes principiantes usar' la notación científica en muchos cálculos. Puede tener la seguridad de que se encontrará con la notación científica aunque su trabajo no requiera el uso frecuente de nú meros expresados con ella. Revise el manual de su calculadora a fin de que aprenda a trabajar en ella con potencias de base 10. Considere los múltiplos de 10 siguientes y algunos ejemplos de su utilización en la no tación científica: 0.0001 =10“4 2.34 X 10“4 = 0.000234 0.001 =10-3 2.34 X 10~3 = 0.00234 0.01 =10-2 2.34 X 10~2 = 0.0234 0.1 =10"1 2.34 X 1 0 '1 = 0.234 1 = 10° 2.34 X 10° = 2.34 10 = 101 2.34 X 101= 23.4 100 = 102 2.34 X 102 = 234.0 1000 = 103 2.34 X 103 = 2340.0 10 000 = 104 2.34 X 104 = 23 400.0 Para escribir en notación científica un número mayor que 1 debe determinar el número de ve ces que es preciso mover el punto decimal a la izquierda para obtener la notación abreviada. Veamos algunos ejemplos: 467 = = 4-67 x 102 30 = 3 0. - 3.0 X 101 35 700 = 3 ,5 7 0 0 . = 3.57 X 104 Cualquier número decimal menor que 1 puede escribirse como un número entre 1 y 10 multiplicado por una potencia negativa de base 10. En este caso, el exponente negativo repre senta el número de veces que se mueve el punto decimal a la derecha. Este exponente siempre es igual al número de ceros que se encuentran entre el punto decimal y el primer dígito, más uno. Los siguientes son algunos ejemplos: 0.24 = 0.2 4 = 2.4 X 1 0 '1 0.00327 = 0^00^3 2 7 = 3.27 X 10“3 0.0000469 = 0.0^00^4 6 9 = 4.69 X 10^5 Para convertir la notación científica en notación decimal simplemente se invierte el proceso. Con ayuda de las leyes de los exponentes, la notación científica sirve en la multiplicación y la división de números muy pequeños omuy grandes. Cuando se multiplican dos números, sus respectivos exponentes de base 10 se suman. Por ejemplo, 200 X 4000 puede escribirse como (2 X 102)(4 X 103) = (2)(4) X (102)(103) = 8 X 105. Otros ejemplos son 2200 X 40 = (2.2 X 103)(4 X 101) = 8.8 X 104 0.0002 X 900 = (2.0 X 10~4)(9.0 X 102) = 1.8 X 10~2 1002 X 3 = (1.002 X 103)(3 X 10°) = 3.006 X 103 De forma similar, cuando un número se divide entre otro, el exponente de base 10 que aparece en el denominador se resta del exponente de base 10 del numerador. Éstos son algu- nos ejemplos: , 7 0 -------= --------------7 = — X 103_1 = 2.0 X 102 35 3.5 X 101 3.5 1200 1.2 X 103 1.2 , = — X 103~(-3) = 4.0 X 105 0.003 3.0 X 10“3 3.0 0.008 8 X 10“3 = - X 10-3- 2 = 2.0 X 10~5 400 4 X 102 4
- 38. Cuando se suman dos números expresados en notación científica es necesario tener cui dado de ajustar todos los que se van a sumar, de modo que tengan potencias idénticas de base 10. Veamos algunos ejemplos: 2 000 + 400 = 2 X 103 + 0.4 X 103 = 2.4 X 103 0.006 - 0.0008 = 6 X 10~3 - 0.8 X 10~3 = 5.2 X 10~3 4 X 10“21 - 6 X 10~20 = 0.4 X 10“20 - 6 X 10~20 = -5 .6 X 10~20 Las calculadoras científicas hacen automáticamente los ajustes necesarios al sumar y restar ese tipo de números. La notación científica y las potencias de base 10 son muy importantes y significativas cuando se trabaja con unidades métricas. En el capítulo 3 veremos que los múltiplos de 10 se usan para definir muchas unidades en el sistema métrico. Por ejemplo, un kilómetro se define como mil (1 X 103) metros y un milímetro como una milésima (1 X 10“3) de metro. 18 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Gráficas Con frecuencia se desea mostrar en forma gráfica la relación entre dos cantidades. Por ejem plo, sabemos que cuando un automóvil viaja con rapidez constante avanza la misma distancia cada minuto (min). Podríamos registrar la distancia recorrida, en pies (ft), para determinados tiempos, de la forma siguiente: Distancia, ft 200 400 600 800 1000 Tiempo, min 1 2 3 4 5 En la parte inferior de una hoja de papel cuadriculado podemos establecer una escala de tiem po, quizá con cada división igual a 1 min. En el lado izquierdo del papel podemos establecer una escala de distancias. Es necesario seleccionar una escala que llene el papel cuadriculado (así se facilita la ubicación de los puntos en la gráfica). Las divisiones de la escala sencillas son: 1 división = 1, 2 o 5 multiplicado por alguna potencia de base 10. Algunos ejemplos adecuados son: 1 división = 1 X 103 = 1000, o 1 división = 2 X 10° = 2, o bien, 1 división = 5 X 10~2 = 0.05. Es preciso evitar divisiones de escala incómodas, como 3 divisiones = 100 ft, porque dificultan la ubicación de puntos. En nuestro ejemplo, podemos hacer que cada división represente 200 ft. Así, los datos se representan en la gráfica como muestra la figura 2.3. Cada punto ubicado en el eje (línea) horizontal tiene un punto correspondiente en el eje (línea) vertical. Por ejemplo, la distancia recorrida al cabo de 3 min es 600 ft. Observe que cuando se unen esos puntos, el resultado es una línea recta. Tiempo, min Figura 2.3 Gráfica de la distancia en función del tiempo (una relación directa).
- 39. 2.7 Geometría 19 Figura 2.4 Gráfica del tiempo necesario para recorrer una distancia de 1 km como función de la rapidez (una relación inversa). Cuando la gráfica de una cantidad frente a otra produce una línea recta que pasa por el origen hay entre ellas una relación directa. En este ejemplo, la distancia recorrida es directa mente proporcional al tiempo. Cuando una de esas cantidades cambia, la otra también, y en la misma proporción. Si se duplica el tiempo transcurrido, se duplica la distancia recorrida. También existen las relaciones inversas o indirectas, en las que el aumento de una can tidad produce como resultado la disminución proporcional de la otra cantidad. Si disminu yéramos la rapidez de un automóvil, veríamos que se requerirían intervalos de tiempo cada vez mayores para recorrer la misma distancia. Suponga que hemos medido, en segundos (s), el tiempo requerido para recorrer una distancia de 1 kilómetro (km) [0.621 millas (mi)] con rapidez de 20, 40, 60, 80 y 100 kilómetros por hora (km/h). De esta manera registramos los datos siguientes: Rapidez, km/h 20 40 60 80 100 Tiempo, s 180 90 60 45 36 En la figura 2.4 se muestra una gráfica de estos datos. Nótese que la gráfica de una relación inversa no es una línea recta sino una curva. Una gráfica sirve para obtener información con la que no se contaba antes de elaborarla. Por citar un caso, en la figura 2.4 advertimos que se requeriría un tiempo de 120 s para reco rrer la distancia si nuestra rapidez fuera de 30 km/h. Geometría En este breve repaso presuponemos que usted conoce el concepto de punto y de recta. Ve remos otros conceptos importantes sólo en la medida en que sean necesarios para resolver problemas de física. No es indispensable hacer un amplio repaso de los muchos teoremas posibles de esta disciplina. Comenzaremos con ángulos y rectas. El ángulo comprendido entre dos líneas rectas se define trazando un círculo cuyo cen tro se ubica en el punto de intersección (véase la figura 2.5a). La magnitud del ángulo A es proporcional a la fracción de un círculo completo que se encuentra entre las dos rectas. Los ángulos se miden en grados, como se define en la figura 2.5b. Un grado (0) es una parte de un círculo igual a 1/360 de una revolución completa (rev). Por tanto, en 1 rev hay 360°:
- 40. 20 Capítulo 2 Matemáticas técnicas de un círculo = 1° 360 1 rev = 360' Figura 2.5 Un ángulo es una fracción de un círculo completo. Un grado es una parte del círculo que equivale a 1/360 de una revolución completa. 90° D (b) Figura 2.6 (a) Un ángulo recto es la cuarta parte de un círculo, (b) Las rectas que se cortan formando án gulos rectos reciben el nombre de perpendiculares. Figura 2.7 Las rectas paralelas que se extienden indefinidamente nunca se inter secan (AB IICD). Figura 2.8 Cuando dos líneas rectas se in tersecan, los ángulos opuestos son iguales. Figura 2.9 Cuando una línea recta se interseca con dos líneas paralelas, los dos ángulos internos resultan iguales. El ángulo que corresponde a un cuarto de 1 rev, es decir, a 90°, recibe un nombre especial: se llama ángulo recto (véase la figura 2.6a). Cuando dos rectas se intersecan de manera que el ángulo formado entre ellas es recto, se dice que son perpendiculares. La recta CA de la figura 2-6b es perpendicular a la recta BD. Esto puede escribirse como CA X BD donde -L significa “es perpendicular a”. Se dice que dos rectas son paralelas si nunca se intersecan, por más que se prolonguen sus extremos. En la figura 2.7 la recta AB es paralela a la línea CD, lo cual se escribe así: AB |! CD donde || significa “es paralela a”. La aplicación de la geometría requiere conocer sólo algunas reglas generales, de las cua les describiremos tres de las más importantes. Regla 1: Cuando dos rectas se intersecan, los ángulos opuestos que forman son ¡guales (véase la figura 2.8). Regla 2: Cuando una recta interseca (se corta con) dos rectas paralelas, los ángulos alternos internos son ¡guales (figura 2.9). Observe en la figura 2.9 que los ángulos A se hallan a ambos lados de la recta que corta a las dos paralelas y se ubican dentro del espacio comprendido entre éstas. De acuerdo con la regla 2, estos ángulos alternos internos son iguales. (Los otros dos ángulos internos también son iguales.)
- 41. 2.7 Geometría 21 * a * ■■ g e s a c s B a B M H i « m i i i i » « i i 'n i F o ^ g ^ & s a a » .- ’ « a » « / / > . « ■ h En un edificio en construcción, dos postes de tabique se han reforzado con un miembro cru zado, como se muestra en la figura 2.10. Calcule el ángulo C por medio de la geometría. Plan: Supóngase que los dos postes son paralelos y que, por tanto, el miembro cruzado forma una recta que los corta. Empiece con el ángulo dado y luego aplique las reglas 1 y 2 para hallar cada uno de los ángulos. Solución: El ángulo A mide 60° de acuerdo con la regla 1; el ángulo B mide 60° según la regla 2, porque según ésta, los ángulos internos son iguales. Finalmente, aplique la regla 1 de nuevo para encontrar que el ángulo C mide 60°. A partir de este ejemplo, se observa que los ángulos alternos externos también son iguales, pero no es necesario postular una nueva regla. Figura 2.10 Un triángulo es una figura cerrada plana con tres lados. En la figura 2.11 se ejemplifica un triángulo con lados a, b y c y ángulos A, B y C. Un triángulo como éste, en el que no hay dos lados ni dos ángulos iguales, se llama triángulo escaleno. Un triángulo de especial interés para nosotros es el triángulo rectángulo, que se ejem plifica en la figura 2.12. Un triángulo rectángulo tiene un ángulo igual a 90° (dos de los lados son perpendiculares). El lado opuesto al ángulo de 90° se llama hipotenusa. Regla 3 : En cualquier tipo de triángulo, la suma de los ángulos internos es igual a 180°. A + B + C = 180° Corolario: Para cualquier triángulo rectángulo (C = 90°), la suma de los dos ángulos más pequeños es igual a 90°. A + B = 90° En este caso, se dice que los ángulos A y B son complementarios. Figura 2.11 Un triángulo escaleno. Figura 2.12 En un triángulo rectángulo uno de los ángulos in ternos debe ser recto.
- 42. 22 Capítulo 2 Matemáticas técnicas mr/s r.. y Aplique las reglas de la geometría para determinar los ángulos desconocidos en el caso ilustrado en la figura 2.13. Pía n: Observe toda la figura; busque las rectas perpendiculares (las que forman triángulos rectángulos). Con base en el ángulo de 30° que se proporciona, aplique las reglas de la geometría para hallar el valor de los otros ángulos. Solución: Puesto que la recta MC es perpendicular a la recta RQ, tenemos un triángulo rectángulo en el que el ángulo menor es de 30°. La aplicación del corolario a la regla 3 produce: 30° + B = 90° o B = 60° En virtud de que los ángulos opuestos son iguales, D también es igual a 60°. La recta NF es perpendicular a la recta RP, por lo que A + D = 90°. Por consiguiente, A + 60° = 90° 30° Figura 2.13 Otra regla importante para la geometría se basa en los lados de un triángulo rectángulo. Abor daremos el teorema de Pitágoras en la sección 2.8. El teorema de Pitágoras: Figura 2.14 Trigonometría del triángulo rectángulo A menudo es necesario determinar las longitudes y los ángulos a partir de figuras de tres lados conocidas como triángulos. Si aprende algunos principios que se aplican a todos los trián gulos rectángulos, mejorará de manera significativa su habilidad para trabajar con vectores. Además, con las calculadoras portátiles los cálculos son relativamente sencillos. Primero repasemos algunos de los temas que ya conocemos acerca de los triángulos rec tángulos. Seguiremos la convención de usar letras griegas para identificar los ángulos y letras romanas para los lados. Los símbolos griegos que se usan comúnmente son: a alfa /3 beta y gama 6 theta 4 >phi 8 delta En el triángulo rectángulo de la figura 2.14, los símbolos R ,x y y se refieren a las dimensiones de los lados, mientras que 6,<f>y 90° corresponden a los ángulos. Recuerde que en un triángulo rectángulo la suma de los ángulos más pequeños es igual a 90°: < /> + 6 = 90° Se dice que el ángulo < f>es complemento de 9 y viceversa. Triángulo rectángulo
- 43. También existe una relación entre los lados, la cual se conoce como el teorema de Pitágoras: Teorema de Pitágoras: El cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los otros dos lados. R2 = je + y2 Teorema de Pitágoras (2.12) La hipotenusa se define como el lado mayor. En la práctica, puede ubicarla recordando que es el lado directamente opuesto al ángulo recto; es la recta que une los dos lados perpendiculares. iJy de cable de retén se necesita para formar un tirante desde lo alto de un poste ' telefónico de 12 m, hasta una estaca clavada en el suelo a 8 m de la base del poste? Pian: Trace un esquema del problema como en la figura 2.15, donde se advierta que el cable de retén forma un triángulo rectángulo con el poste perpendicular al suelo. Etiquete la figura y aplique el teorema de Pitágoras para determinar la longitud del cable. Solución: Identifique la longitud R del cable como la hipotenusa de un triángulo rectán gulo y después, con base en el teorema de Pitágoras: R2 = (12 m )2 + (8 m )2 = 144 m2 + 64 m2 = 208 m2 Al obtener la raíz cuadrada a los dos miembros de la ecuación se obtiene R = V 208 m2 = 14.4 m Recuerde dar su respuesta con tres cifras significativas. En este libro suponemos que todas las mediciones tienen tres dígitos significativos. En otras palabras, la altura del poste es 12.0 m y la base del triángulo es 8.00 m, a pesar de que, por comodidad, se han especifi cado como 12 m y 8 m. 2.8 Trigonometría dei triángulo rectángulo 23 8 m Figura 2.15 En general, para hallar la hipotenusa el teorema de Pitágoras puede expresarse como R = V x_ + y Hipotenusa (2.13) En algunas calculadoras electrónicas, la secuencia de teclas para introducir la información podría ser * E E E > ' CZI E D E S (2.i4) En este caso, x y y son los valores de los lados más cortos, y los símbolos que aparecen en cerrados en recuadros son las teclas de operación en la calculadora. Conviene comprobar la solución del problema anterior con x = 8 y y = 12. (El procedimiento de introducción de datos depende de la marca de la calculadora.)
- 44. 24 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Figura 2.16 Todos los triángulos rectángulos que tienen los mismos ángulos inter nos son semejantes; es decir, sus lados son proporcionales. opuesto a 4 > Figura 2.17 Por supuesto, el teorema de Pitágoras sirve también para hallar cualquiera de los lados más cortos si se conocen los otros lados. La solución para x o para y es x = V R 2 - y2 y = V i?2 - x2 (2.15) La trigonometría es la rama de las matemáticas que se basa en el hecho de que los trián gulos semejantes son proporcionales en sus dimensiones. En otras palabras, para un ángulo dado, la relación entre dos lados cualesquiera es la misma, independientemente de las dimen siones generales del triángulo. En los tres triángulos de la figura 2.16, las razones de los lados correspondientes son iguales siempre que el ángulo sea de 37°. A partir de la figura 2.16 se observa que y también Una vez que se ha identificado un ángulo en un triángulo rectángulo, debe marcarse el lado opuesto y el adyacente al ángulo. En la figura 2.17 se muestra el significado de opuesto, adyacente e hipotenusa. Es conveniente que estudie la figura hasta que entienda plenamente el significado de tales términos. Compruebe que el lado opuesto a 9 es y y que el lado adyacen te a 9 es x. Observe también que los lados descritos como “opuesto” y “adyacente” cambian cuando nos referimos al ángulo 4 > . En un triángulo rectángulo hay tres relaciones importantes entre los lados: el seno, el coseno y la tangente, que en el caso del ángulo 9 se definen así: 3 - Í ! - f i 4 yi yi 4 _ 3 > 1 y2 5 *1 sen 9 = eos 9 = tan 9 = op 9 hip ady9 hip op 9 ady (2.16) Para cerciorarse de que ha comprendido estas definiciones, compruebe las expresiones si guientes para los triángulos de la figura 2.18: sen 9 = tan a = y JL 1 2 tan ó = — r 9 Figura 2.18 (a) (b) (c)
- 45. 2.8 Trigonometría del triángulo rectángulo 25 Primero debe identificar el ángulo recto y luego marcar el lado más largo (el opuesto al ángulo de 90°) como hipotenusa. Después, para un ángulo en particular, es preciso que identifique los lados opuesto y adyacente. En cualquier calculadora científica es fácil obtener los valores constantes de las funcio nes trigonométricas. Lea el manual de la calculadora para que aprenda a obtener el seno, el coseno o la tangente de un ángulo, así como para determinar el ángulo cuyo seno, coseno o tangente es una razón específica. El procedimiento exacto depende de la calculadora. Úsela para comprobar que eos 47° = 0.682 En casi todaslascalculadoras debemos introducir el número 47 yluego oprimir la tecla | eos| para queaparezca en la pantalla el resultado. Compruebe los datossiguientes: tan 38° = 0.781 eos 31° = 0.857 sen 22° = 0.375 tan 65° = 2.145 Para hallar el ángulo cuya tangente es 1.34 o el ángulo cuyo seno es 0.45 hay que invertir el procedimiento anterior. Con una calculadora, por ejemplo, se introduce primero el número 1.34 y luego se teclea alguna de estas secuencias, según la calculadora: IINV j ¡ tan ¡ |ARC| tan I, o bien, ltan-1l- Cualquiera de estas secuencias da como resultado el ángulo cuya tan gente es el valor introducido. En los ejemplos anteriores obtuvimos tan 9 = 1.34 0 = 53.3° sen 9 = 0.45 0 = 26.7° Ahora ya puede aplicar la trigonometría para hallar los ángulos o lados desconocidos de un triángulo rectángulo. El procedimiento siguiente para resolver problemas le será útil. Estrategia para resolver problemas Aplicación de trigonometría 1. Trace el triángulo rectángulo a partir de las condicio nes planteadas en el problema. (Marque todos los la dos y ángulos, ya sea con el valor conocido o con un símbolo del valor que se desconoce.) 2. Aísle un ángulo para su estudio; si se conoce uno de los ángulos, es el que debe seleccionar. 3. Marque cada lado de acuerdo con la relación que guar da con el ángulo elegido, ya sea op, ady o hip. 4. Decida cuál es el lado o ángulo que se va a calcular. 5. Recuerde las definiciones de las funciones trigonomé tricas: sen 9 = OP hip eos 9 = ady hip tan 9 — op ady 6.Elija la función trigonométrica que incluya (a) la can tidad desconocida y (b) ninguna otra cantidad desco nocida. 7. Escriba la ecuación trigonométrica apropiada y resuel va para el valor desconocido. Ejemplo 2.10 ¿Cuál es la longitud del segmento de cuerda x en la figura 2.19? Plan: El paso 1 de la estrategia de resolución de problemas ya está completo. Proseguire mos con los demás hasta determinar la longitud del segmento de cuerda x. 20 m. hip
- 46. 26 Capítulo 2 Matemáticas técnicas Ejemplo 2.11 Solución: De acuerdo con los pasos 2 y 3, se elige el ángulo de 40° como referencia y luego se marcan en la figura los lados op, ady e hip. En el paso 4, se toma la decisión de resolver para x (el lado opuesto al ángulo de 40°). En seguida, puesto que la función seno incluye op e hip, elegimos la función y escribimos la ecuación sen 40° = —— — 20 m Resolvemos para x multiplicando ambos lados por 20 m, y obtenemos x = (20 m) sen 40° o x = 12.9 m En algunas calculadoras podemos hallar x de esta forma: (20 m) sen 40° = 20 [ x ] 40 f^hTI Q = 12-9 m El procedimiento varía según la calculadora. Debe comprobar esta respuesta y usar su calculadora para mostrar que el lado y = 15.3 m. ^ Un automóvil sube por la rampa mostrada en la figura 2.20, cuya base es de 20 m y tiene una altura de 4.3 m. ¿Cuál es el ángulo de su inclinación? Plan: Trace un esquema y márquelo (véase la figura 2.20) sin perder de vista la informa ción proporcionada y las relaciones del ángulo de inclinación. Luego siga la estrategia de resolución de problemas. Solución: Identifique los lados op, ady e hip para el ángulo 6 y observe que la función tangente es la única que implica los dos lados conocidos. Escribimos op 4.3 m tan 6 = —— = ------- o tan 6 = 0.215 ady 20 m El ángulo 6 es aquel cuya tangente es igual a 0.215. En la calculadora obtenemos 6 = 12.1° En algunas calculadoras la secuencia de teclas sería 4.3 [ ± 20 ^ F 1 En algunas calculadoras hay que usar INV TAN, ATAN, ARCTAN u otros símbolos en vez de tan-1. Lo reiteramos: es preciso que lea el manual incluido con su calculadora. Figura 2.20
- 47. f s y 2 estimen y repaso Resumen El propósito de este capítulo es repasar las matemáticas téc nicas. Ahora que ha terminado de estudiarlo, regrese y repase los objetivos planteados al principio. Si no se siente seguro de haberlos alcanzado, sería conveniente que diera otro repaso. Asegúrese de haber entendido los temas importantes del capí tulo antes de aplicar los conceptos de física que se presentan en capítulos posteriores. Recuerde lo siguiente: e Para sumar números con signos iguales, sumamos sus va lores absolutos y asignamos a la suma el signo común. Para sumar números con signos diferentes, hallamos la diferen cia de sus valores absolutos y le asignamos al resultado el signo del número mayor. 0 Para restar un número b de un número a, cambiamos el signo del número b y después lo sumamos al número a, aplicando la regla de la suma. ® Cuando multiplicamos o dividimos un grupo de números con signo, el resultado será negativo si la cantidad total de factores negativos es impar; de lo contrario, el resulta do será positivo. • Las fórmulas pueden reordenarse (despejar) para resolver una incógnita específica, realizando operaciones equiva lentes (suma, resta, multiplicación, división, etcétera) en ambos miembros de la igualdad. • Las reglas siguientes se aplican a los exponentes y radica les (optativa): aman = am+n a am — = a'"-1 1 (a'n)n a" ( a (abf = a"b" Z"ab = V a ^/b am a" V' m _ Qm /n En la notación científica se usan potencias positivas o ne gativas de base 10 para expresar números grandes o pe queños en notación abreviada. Las gráficas sirven para presentar una descripción conti nua de la relación entre dos variables, a partir de los datos observados. Cuando dos rectas se intersecan, forman ángulos opuestos que son iguales entre sí. Cuando una recta corta dos rectas paralelas, los ángulos internos altemos son iguales. En cualquier triángulo, la suma de los ángulos internos es 180°; en un triángulo rectángulo, la suma de los dos ángulos más pequeños es igual a 90°. La aplicación del teorema de Pitágoras y de las funciones trigonométricas básicas es fundamental para el estudio de la física. R2 = x2 + y2 sen 9 = - ^ eos 9 = ady hip tan 6 = hip op ady Conceptos clave ángulo 19 factor 9 seno 24 ángulo recto 20 fórmula 10 tangente 24 base 13 grado 19 teorema de Pitágoras 23 cociente 9 hipotenusa 21 triángulo 21 coseno 24 notación científica 17 triángulo escaleno 21 dividendo 9 paralela 20 triángulo rectángulo 21 divisor 9 perpendicular 20 trigonometría 24 ecuación cuadrática 15 producto 9 exponente 9, 12 radical 14 Preguntas de repaso 2.1. La suma de dos números es siempre mayor que su resta o diferencia. ¿Es verdadera esta afirmación? Para justificar su respuesta, dé algunos ejemplos. 2.2. Si el número (—8) se resta del número (+4), ¿cuál es el resultado? ¿Cuál sería el resultado si el segun do número se hubiera restado del primero? ¿Cuál es la suma de estos dos números? 2.3. En un día frío de invierno, la temperatura cambia de — 5°C a + 10°C. ¿Cuál es el cambio de temperatura? 2.4. 2.5. 2.6 . ¿Cuál será el cambio si la temperatura vuelve a des cender hasta — 5°C? Explique la diferencia. ¿Es cierto que un número negativo elevado a una potencia impar será siempre negativo? Indique con claridad la diferencia entre — 92y (— 9)2. ¿Ambas expresiones son iguales? ¿Por qué sí o por qué no? Comente dos formas en las que se usan números po sitivos y negativos cuando se trabaja con fórmulas. 27
- 48. Al sustituir números con signo en fórmulas que con tienen operaciones de sumas y restas, ¿qué precau ciones es necesario tomar? 2.7. Cuando se pasa un término de un lado de una ecua ción al otro, su signo cambia. Explique cómo fun ciona este procedimiento y por qué. 2.8. La multiplicación cruzada se usa a veces en el reor denamiento de fórmulas en las que una fracción es igual a otra. Por ejemplo, c d se convierte en cid = be Explique por qué funciona este procedimiento y co mente los riesgos que implica. 2.9. Un error muy común en el reordenamiento de fór mulas consiste en cancelar términos en lugar de fac tores. Lo siguiente no está permitido: x + y A '2 + y2 x + y -------- ^ * ------- - x + >’ 1 2.10. Si la gráfica de dos variables (x, y) es una recta, ¿se puede decir que cuando x se incrementa en 10 uni dades, la variable y debe aumentar también 10 unida des? ¿Se puede afirmar que si el valor de x se duplica, el valor de y también debe duplicarse? 2.11. Cuando dos rectas paralelas son cortadas por una recta en forma transversal, los ángulos alternos in ternos así formados son iguales. ¿También los ángu los altemos externos lo son? 2.12. Uno de los ángulos de un triángulo rectángulo mide 33°. ¿Cuánto miden los otros dos ángulos? 2.13. Una ventana tiene 6 ft de alto. Una diagonal de dos por cuatro, de 9 ft de largo, encaja con precisión desde una esquina superior hasta la esquina inferior opuesta. ¿Cuál es el ancho de la ventana? 2.14. El complemento < p de un ángulo 9 es tal que c j>+ 6 = 90°. Demuestre que el seno de un ángulo es igual al coseno de su complemento. 2.15. Si los ángulos < py 9 son complementarios, demues tre que tan 9 es el recíproco de tan 4 > - Problemas Sección 2.1 Repaso de números con signos En los problemas 2.1 a 2.26, resuelva la operación indicada. Resp. +7 Resp. +2 Resp. —10 Resp. -5 Resp. +6 Resp. -3 6 Resp. -4 8 Resp. +2 Resp. — 4 Resp. +2 Resp. - 3 2.1. 2. 2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20. 2.21. 2.22. +2) + (+5) ~ 2) + (6) -4 ) - (-6) + 6) - (+ 8) ” 3) - (+ 7) -15) - (+18) -4 ) - (+3) - (-2 ) -6 ) + (-7 ) - (+4) — 2)(— 3) —16)(+2) -6 )(— 3)(— 2) — 6)(+2)(— 2) — 3)(— 4)(— 2)(2) — 6)(2)(3)(— 4) -6 ) - (-3 ) -14) -T - (+7) f 16) 1-18) ■ 4 '2 ■16 (-4 ) ( - 6) -4 (— 2)(— 3)(- ■1) (— 2)(—1) (-6X +4) 2.23. 2.24. (-16X4) 2(— 4) (—!)(— 2)2(12) (6)(2) (-6) 2.25. (— 2)(+4) - 7 7 ^ - (-5 ) (+2) Resp. +8 Resp.0 2.26. (—2)(— 2) , (— 3)(— 2)(—S (-4)(1) (— 6) (-2) En los problemas 2.27 a 2.30, halle lo que se pide. 2.27. Las distancias por arriba del nivel del suelo son po sitivas y las distancias por debajo de dicho nivel son negativas. Si un objeto se deja caer desde 20 pies (ft) por encima del nivel del suelo a un hoyo de 12 ft de profundidad, ¿cuál será la diferencia entre la posición inicial y la final? Resp. 32 ft 2.28. En física, el trabajo se mide en joules (J) y puede ser positivo o negativo, según la dirección de la fuerza que realiza dicho trabajo. ¿Cuál será el trabajo total realizado si los trabajos de las fuerzas son 20 J, — 40 J y —12 J? 2.29. La temperatura de un perno es - 12°C. (a) Si la tem peratura se eleva en 6°C, ¿cuál será la temperatura nueva? (b) Si la temperatura original desciende 5°C, ¿cuál será la temperatura nueva? (c) Si la tempe ratura original se multiplica por un factor de — 3, ¿cuál será la temperatura resultante? Resp. (a) —6°C, (b) -1 7 ° C, (c) 36°C 28 Capítulo 2 Resumen y repaso
- 49. 2.30. Un metal se dilata cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. Supongamos que la longitud de una varilla cambia 2 milímetros (mm) por cada 1°C de temperatura. ¿Cuál será el cambio total en su longitud cuando la temperatura cambia de — 5 a — 30°C? Sección 2.2 Repaso de álgebra En los problemas 2.31 a 2.46, determine el valor de x cuando En los problemas 2.57 a 2.70, resuelva las fórmulas para la letra indicada. a = 2, b = — 3 y c = —2. 2.31. x = a + b + c 2.32. x = a — b — c 2.33. x = b + c —a 2.34. x = b(a — c) 2.35. b — c x = a 2.36. a + b x = c 2.37. I I I o 2.38. —b ac 2.39. x — — (a — c) be 2.40. x = a 2 + b2 + c3 2.41. x = V a 2 + b2 + 2.42. c -l I O I I 2.43. 2ax — b = c 2.44. ax + bx = 4c 2.45. 2ab 3ax = ----- c 2.46. 4ac 2x T ~ T ~ 16 Resp. Resp. +5 Resp. + - Resp. V T 7 5 Resp. — Resp. +1 En los problemas 2.47 a 2.56, resuelva las ecuaciones para la incógnita (la letra desconocida). Resp. m = 6 Resp. m = - 4 Resp. x = 36 Resp. x = 2 Resp. R = +5 2.47. 5m -- 16 = 3m 2.48. 3p ==lp - 16 2.49. 4m = = 2(m ~ - 4) 2.50. 3(m - 6 ) = 6 2.51. X 3 ~ ~ (4)(3) 2.52. P _ 3 2 6 2.53. 96 X = 48 2.54. 14 == 2{b - 7) 2.55. R2 =- (4)2+ (3): 2.56. 1 2 ~ 1 1 -- _ j_ — P 6 2.57. y = ir, r 2.58. P y = n R TT 2.59. F = m (ia 2.60. s = v t + d, d 2.61. m v F = -----, R R 2.62. s = at, a 2.63. 2a s= vj — v2, 2.64. Q2 c = — , y 2y 2.65. 1 1 i 1 R R¡ R2 2.66. M V=F tt 2.67. 111 v — m y = j 2.68. PX VX P2V2 , Ti T2 ’ 2.69. v = v„ + a t a 2.70. c2 = a2 + b2, l Resp. R = Resp. a V / Resp. R mv Resp. a = 2 2 Vf - vi R 2s Ri R2 Resp. a Sección 2.3 Exponentes y radicales En los problemas 2.71 a 2.92, simplifique las expresiones me- diante las leyes de los exponentes y de los radicales. 2.71. 25 • 27 Resp. 212 2.72. 32 •23 ■33 2.73. x7 x3_ _ Resp. x10 2.74. X '.T _V3 1 Resp. — 2.75. a 2a2 2.76. a3a~2b~2b 23 1 2.77. 25 2a3b Resp. ^ 2.78. 2ab3 2.79. 2x1 7 x1 2 Resp. 2x5 2.80. ( ■ abV2 2.81. (m 3) 2 Resp. m6 2.82. (n3c~2)~2 2.83. (4 X 102)3 Resp. 64 X 106 2.84. (6 x icr2r 2 2.85. "^64 Resp.4 2.86. Capítulo 2 Resumen y repaso 29
- 50. 2.87. 2.88. v e r____ 2.89. V 4 X 104 2.90. V 8 X 10“2 7 2.91. A v/ 32a10 2.92. V U + 2)2 Sección 2.5 Notación científica Resp. x3 Resp. 2 X 102 Resp. 2a2 2.127. 6 X 10~3 - 0.075 2.128. 0.0007 - 4 X 10”3 4 X 10~6 + 2 X 10~5 2.129. - 4 X 10“2 6 X 1Q3 + 4 X 102 1 X 10“3 600 - 3 000 En los ejercicios 2.93 a 2.100, exprese los números decimales en notación científica. 2.130. 2.131. 0.0003 2.132. (4 X 10~3)2 Sección 2.6 Gráficas Resp. —6.90 X 10 2 Resp. 6 X 10-4 Resp. - 8 X 106 2 X 10“ 2.93. 40000 2.94. 67 2.95. 480 2.96. 497000 2.97. 0.0021 2.98. 0.789 2.99. 0.087 2.100. 0.000967 Resp. 4 X 104 Resp. 4.80 X 102 Resp. 2.1 X 10~3 Resp. 8.7 X 10~2 2.133. Trace una gráfica para los siguientes datos registrados de un objeto que cae libremente a partir del reposo. Rapidez, ft/s 32 63 97 129 159 192 225 En los ejercicios 2.101 a 2.108, exprese los números en nota ción decimal. 2.101. 2.102. 2.103. 2.104. 2.105. 2.106. 2.107. 2.108. 4 X 106 4.67 X 103 3.7 X 101 1.4 X 105 3.67 X 10“2 4 X 10"1 6 X 10~3 4.17 X 10~5 Resp. 4,000,000 Resp. 37 Resp. 0.0367 Resp. 0.006 Tiempo, s 1 2 3 4 5 6 7 ¿Qué rapidez cabe esperar después de 4.5 s? ¿Qué tiempo se requiere para que el objeto alcance una rapidez de 100 ft/s? Resp. V=144 ft/s, t = 3.1 s 2.134. El avance de un tomillo con cuerda hacia la derecha es proporcional al número de vueltas completas. Se han registrado los datos siguientes para un tornillo en particular: Avance, in 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Núm. de vueltas 16 32 48 64 80 96 En los ejercicios 2.109 a 2.132, simplifique y exprese como un solo número escrito en notación científica. 2.109. 2.110. 2.111. 2 .112. 2.113. 2.114. 2.115. 2.116. 2.117. 2.118. 2.119. 2.120. 2 .121. 2.122. 2.123. 2.124. 2.125. 2.126. 400 X 20000 37 X 2000 (4 X 10-3)(2 X 105) (3 X 10_,)(6 X 10“8) (6.7 X 103)(4.0 X 105) (3.7 X 10“5)(200) (4 X 10~3)2 (3 X 106)3 (6000)(3 X 10“7) (4)(300)(2 X 10"2) 7000 - (3.5 X 10~3) 60 30000 (6 X 1 0 '5) t ( 3 x 104) (4 X 10-7) t ( 7 x 10“7) 4600 0.02 (1 600)(4 X 10~3) 1 X 10~2 4.0 X 102 + 2 X 103 6 X 10"5 - 4 X 10~6 Resp.8 X 106 Trace una gráfica que registre el número de vueltas en las divisiones horizontales y el avance del torni llo, en pulgadas, en las divisiones verticales. ¿Qué número de vueltas es necesario completar para que el tornillo avance 2.75 in? 2.135. Elabore una gráfica que muestre la relación entre la frecuencia y la longitud de onda de varias ondas elec tromagnéticas. Se cuenta con los datos siguientes: Resp. 8 X 102 Frecuencia, kilohertz (kHz) 150 200 300 500 600 900 Resp. 2.68 x 109 Longitud de onda, metros (m) 2000 1500 1000 600 500 333 Resp. 1.8 X 10~3 Resp. 2.00 X 106 Resp.2 X 10“ 9 Resp. 2.3 X 105 Resp. 2.40 x 103 ¿Qué longitudes de onda tienen las ondas electromag néticas cuyas frecuencias son 350 kHz y 800 kHz? Resp. 857 m, 375 m 2.136. La pérdida de potencia eléctrica en una resistencia varía en proporción directa del cuadrado de la co rriente. Los datos siguientes fueron obtenidos en un solo experimento: Corriente, amperes (A) 1.0 2.5 4.0 5.0 7.0 8.5 Potencia, watts (W) 1.0 6.5 16.2 25.8 50.2 72.0 Trace una gráfica y, a partir de la curva obtenida, calcule la pérdida de potencia cuando la comente tiene un valor de (a) 3.2 A y (b) 8.0 A. 30 Capítulo 2 Resumen y repaso
- 51. Sección 2.7 Geometría Nota: Si la recta parece paralela o perpendicular, suponga que lo es. 2.137. ¿Qué magnitud estima usted para cada uno de los ángulos de la figura 2.21? Resp. 90°, 180°, 270° y 45° I (a) Figura 2.21 (b) (c) (d) 2.138. Use una regla y un transportador para medir rectas y ángulos. Trace dos rectas paralelas AB y CD con 2 cm de separación entre ellas. Dibuje ahora una ter cera recta EF que corte a cada una de las otras rectas en cualquier ángulo que no sea 90°. Compruebe las reglas 1 y 2 midiendo los ángulos formados por la transversal EF. Trace ahora otra recta transversal GH inclinada en la dirección contraria, que corte la recta AB en el mismo punto que la recta EF. Com pruebe la regla 3 para ver si se cumple el caso del triángulo que acaba de formar. 2.139. Calcule los ángulos A y B para cada uno de los casos dibujados en la figura 2.22. Resp. (a) A = 17°, B = 35°, (b) A = 50°, B = 40° 2.140. Calcule los ángulos A y B en la figura 2.22. Sección 2.8 Trigonometría del triángulo rectángulo En los ejercicios 2.141 a 2.158, use la calculadora para eva luar cada ejemplo. Resp. 0.921 Resp. 1.66 Resp. 0.875 Resp. 19.3 Resp. 267 Resp. 235 Resp. 684 Resp. 803 2.141. sen 67° 2.142. eos 48° 2.143. tan 59° 2.144. sen 34° 2.145. eos 29° 2.146. tan 15° 2.147. 20 eos 15° 2.148. 400 sen 21° 2.149. 600 tan 24° 2.150. 170 eos 79° 2.151. 240 sen 78° 1400 tan 60° 200 2.154. 2.155. sen 17° 300 sen 60° 167 eos 78° (b) Figura 2.22 Figura 2.23 Capítulo 2 Resumen y repaso 31
- 52. 2.156. 2.157. 2.158. 256 eos 16° 670 tan 17° 2000 Resp. 2191 tan 51° En los ejercicios 2.159 a 2.167, determine los ángulos desco- nocidos. 2.159. sen 6 = 0.811 Resp. 54.2 2.160. sen 9 = 0.111 2.161. tan 9 = 1.2 Resp. 50.2 2.162. tan 9 = 0.511 2.163. eos ¡3 = 0.228 Resp. 76.8 2.164. eos 8 = 0.81 400 2.165. eos 6 = 500 Resp. 36.9 16 2.166. tan 8 = 4 140 2.167. sen 4 >= 270 Resp. 31.2 En los ejercicios 2.168 a 2.175, resuelva los triángulos para los ángulos y los lados desconocidos. 2.169. 400 m 600 m Resp. R = 721 m, < p = 56.3° 2.171. 2.173. 200 km 260 in Resp. x = 150 m, ¡zq. y = 260 m Problemas adicionales 2.176. Una mañana temprano, la lectura del barómetro es 30.21. En la tarde del mismo día, cuando se desata una tormenta, la lectura disminuye en 0.59 in. ¿Cuál es esta segunda lectura? 2.177. Un termómetro marca 29.0°C. Después de estar guardado en el congelador algún tiempo, marca —15°C. ¿Cuál fue el cambio de temperatura? Resp. —44°C 2.178. El cambio de temperatura de un objeto es de -34°C. Si la temperatura original era de 20°C, ¿cuál será la temperatura final? 2.179. Una tabla de madera se corta en seis piezas de 28 cm de largo cada una. En cada corte se desperdicia 1 mm de madera. ¿Cuál era la longitud original de la tabla, en pulgadas? Resp. 66.3 in 2.180. El volumen V de un cilindro circular recto es el área de la base (ir r2) multiplicada por la altura, h. Si se conoce el radio, escriba una fórmula para hallar la altura, h. 2.181. La fuerza centrípeta Fc se halla multiplicando la masa, m. por el cuadrado de su velocidad, v, y di 32 Capítulo 2 Resumen y repaso
- 53. vidiendo el resultado entre el radio, r, del círculo. Escriba la fórmula y resuelva para hallar el radio, r. m v2 m v2 Resp. Fc = r = — ' r c 2.182. Resuelva para x en la ecuación xb + cd = a(x + 2) y encuentre el valor de x cuando a = 2, b = — 2, c = 3 y d = —1. 2.183. Resuelva para c en la ecuación c2 = a2 + b1y halle el valor de c cuando a = 50 y b = 20. Resp. 53.9 2.184. La ley de la gravitación de Newton se escribe F = G m jnjR 2. Se tienen los valores numéricos si guientes: G = 6.67 X 10-11, ml = 4 X 10~8, m2 = 3 X 10~7y R = 4 X 10~2. ¿Cuál es el valor de F1 2.185. La longitud de una varilla es inicialmente L0= 21.41 cm aí0 = 20°C. Luego la calentamos hasta una tem peratura final de 1 = 100°C. La nueva longitud se calcula mediante: L/ ¿o oíjLq(í fg) donde a = 2 X 10~3/°C. ¿Cuál es el valor de L? Resp. L = 24.84 cm 2.186. Trace una gráfica de la función y = 2x; con base en ella, compruebe que x = 3.5 cuando y = 7. 2.187. Encuentre los ángulos desconocidos en las figuras 2.24a y b. Resp. (a) A = 30°, B = 60°, C = 60°; (b) A = 60°, B = 30°, C = 120°, D = 60° 2.188. Reste — 4 cm de —8 cm para obtener la longitud A. Sume — 6 cm a +14 cm para obtener la longitud B. ¿Cuál es la longitud C = A —B1 ¿Acaso A - B tiene el mismo valor que B —A l Considere una recta nu mérica colocada a lo largo del eje x. Dibuje una línea recta a partir del punto original C. Trace después una recta desde el origen hasta el punto B —A. ¿Cuál es la distancia entre estos puntos? Resp. -1 2 cm, no, 24 cm 2.189. El periodo T de un péndulo es el tiempo que tarda en realizar una oscilación completa (de ida y vuelta). El periodo se calcula con la ecuación siguiente: T = 277 donde L es la longitud del péndulo y g la acelera ción de la gravedad, (a) Resuelva para obtener la longitud L. (b) Si la longitud L del péndulo se cua druplica, ¿cuánto mayor será ahora el periodo? (c) Si el periodo de un péndulo cuando oscila sobre la Tierra es de 2.0 s, ¿cuál sería su periodo en la Luna, donde el valor de g es sólo un sexto de su valor en la Tierra? *2.190. La longitud de un microcircuito diminuto es 3.45 X 10~4 m y su ancho es de 9.77 X 10~5 m. (a) Halle el área y el perímetro del chip, (b) Si el ancho se duplica y la longitud se reduce a la mitad, ¿cuál será el cambio en el área y cuál será el cambio en el pe rímetro del microcircuito? Resp. (a) 3.37 X ICL8 m2, 8.85 X 10"4 m; (b) 0, -1 .5 X 10-4 m *2.191. La presión en un depósito de almacenamiento de pende de la temperatura. Se han registrado las me diciones siguientes: Temperatura, K 300 350 400 450 500 550 Presión, lb/in2 400 467 535 598 668 733 Trace una gráfica con estos datos. ¿Cuál es la pen diente de la gráfica? ¿Puede usted escribir una des cripción de la relación entre la presión y la tempe ratura, tomando como base esa información? ¿Cuál esperaría que fuera la presión a temperaturas de 420 y 600 kelvin (K)? *2.192. Se tiene el voltaje (V), en volts, y la corriente eléc trica (/), en miliamperes (mA), de una resistencia. A continuación presentamos los datos registrados: Voltaje, V 10 20 30 40 50 60 Corriente, mA 145 289 435 581 724 870 Elabore una gráfica con estos datos. ¿Qué valor es pera usted que tenga la corriente en la resistencia cuando se le aplican voltajes de 26 y 48 V? Resp. 377 mA, 696 mA Figura 2.24 Capítulo 2 Resumen y repaso 33
- 54. Mediciones técnicas y vectores PARCS (siglas en inglés de Principal Reloj Atómico de Referencia en el Espacio) constituye una misión para instalar un reloj atómico en la Estación Espacial Internacional (EEI) programada para entrar en operación en 2008. La misión, financiada por la NASA, consiste en un reloj atómico de cesio enfriado por rayos láser y un sistema de transferencia del horario que utiliza satélites del sistema de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés). PARCS volará simultáneamente con SUMO (siglas en inglés de oscilador de microondas de cavidad superconductora), un tipo distinto de reloj que se comparará contra el reloj de PARCS con el fin de probar ciertas teorías. Los objetivos de la misión son probar la teoría gravitacional, estudiar los átomos enfriados por rayos láser en microgravedad y mejorar la precisión de la medición del tiempo en la Tierra. (Foto de ¡a NASA.) Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Escribirá las unidades básicas de masa, longitud y tiem po en unidades del SI y del Sistema Usual en Estados Unidos (SUEU). 2. Definirá y aplicará los prefijos del SI que indican múltiplos de las unidades básicas. 3. Realizará la conversión de una unidad a otra para la misma cantidad, a partir de las definiciones necesarias. 4. Definirá una cantidad vectorial y una cantidad escalar, y dará ejemplos de cada una de ellas. 5. Determinará las componentes de un vector específico. 6. Encontrará la resultante de dos o más vectores. La aplicación de la física, ya sea en el taller o en un laboratorio técnico, requiere siempre algún tipo de mediciones. Un mecánico automotriz puede medir el diámetro o vaso de un cilindro de motor. Los técnicos en refrigeración tal vez necesiten hacer mediciones de volu men, presión y temperatura. Los electricistas emplean instrumentos para medir la resistencia eléctrica y la comente, y los ingenieros mecánicos se interesan en los efectos de fuerzas 34
- 55. 3.1 Cantidades físicas 35 cuyas magnitudes deben calcularse con precisión. En realidad, es difícil imaginar una ocupa ción donde no se requiera la medición de alguna cantidad física. En el proceso de realizar mediciones físicas, con frecuencia hay interés tanto en la direc ción como en la magnitud de una cantidad en particular. La longitud de un poste de madera se determina por el ángulo que forma con la horizontal. La eficacia de una fuerza para producir un desplazamiento depende de la dirección en que ésta se aplica. La dirección en la cual se mueve una banda transportadora es, con frecuencia, tan importante como la rapidez a la que se desplaza. Tales cantidades físicas, como desplazamiento, fuerza y velocidad, son comunes en el campo de la industria. En este capítulo se presenta el concepto de vectores, el cual per mite estudiar tanto la magnitud como la dirección de cantidades físicas. Cantidades físicas El lenguaje de la física y la tecnología es universal. Los hechos y las leyes deben expresarse de una manera precisa y consistente, de manera que un término determinado signifique exactamente lo mismo para todos. Por ejemplo, supongamos que alguien nos dice que el desplazamiento del pis tón de un motor es 3.28 litros (200 pulgadas cúbicas). Debemos responder dos preguntas para en tender esa afirmación: (1) ¿Cómo se midió el desplazamiento delpistón,?y (2) ¿qué es un litro? El desplazamiento del pistón representa el volumen que el pistón desplaza o “expulsa” en su movimiento desde el fondo hasta la parte superior del cilindro. En realidad no se trata de un desplazamiento, en el sentido usual de la palabra, sino de un volumen. Un patrón de medi da de volumen, que se reconoce fácilmente en todo el mundo, es el litro. Por tanto, cuando un motor tiene una etiqueta en la que se indica: “desplazamiento del pistón = 3.28 litros”, todos los mecánicos entienden de igual manera dicha especificación. En el ejemplo anterior, el desplazamiento del pistón (volumen) es un ejemplo de cantidad física. Cabe resaltar que esta cantidad fue definida mediante la descripción de su proceso de medición. En física, todas las cantidades se definen en esta forma. Otros ejemplos de cantida des físicas son: longitud, peso, tiempo, rapidez, fuerza y masa. Una cantidad física se mide comparándola con un patrón previamente conocido. Por ejemplo, supongamos que se desea determinar la longitud de una barra metálica. Con los ins trumentos adecuados se determina que la longitud de la barra es de cuatro metros. No es que la barra contenga cuatro cosas llamadas “metros”, sino simplemente que se ha comparado con la longitud de un patrón conocido como “metro”. La longitud también se podría representar como 13.1 pies o 4.37 yardas, si se usaran otras medidas conocidas. La magnitud de una cantidad física se define con un número y una unidad de medida. Ambos son necesarios porque, por sí solos, el número o la unidad carecen de significado. Con excepción de los números y fracciones puros, se requiere indicar la unidad junto con el número cuando se expresa la magnitud de cualquier cantidad. La magnitud de una cantidad física se especifica completamente con un núme ro y una unidad; por ejemplo, 20 metros o 40 litros. En vista de que hay muchas medidas diferentes para la misma cantidad, se requiere idear la forma de tener un registro de la magnitud exacta de las unidades empleadas. Para hacerlo, es necesario establecer medidas estándares para magnitudes específicas. Un patrón es un registro físico permanente, o fácil de determinar, de la cantidad que implica una unidad de medición de terminada. Por ejemplo, el patrón para medir la resistencia eléctrica, el ohm, se define por medio de una comparación con un resistor patrón, cuya resistencia se conoce con precisión. Por tanto, una resistencia de 20 ohms debe ser 20 veces mayor que la de un resistor patrón de 1 ohm. Hay que recordar que cada cantidad física se define indicando cómo se mide. Depen diendo del dispositivo de medición, cada cantidad puede expresarse en unidades diferentes. Por ejemplo, algunas unidades de distancia son metros, kilómetros, millas y pies, y algunas unidades de rapidez son metros por segundo, kilómetros por hora, millas por hora y pies por segundo. Sin embargo, no importa cuáles sean las unidades elegidas, la distancia debe ser una longitud y la rapidez tiene que ser una longitud dividida entre un tiempo. Por tanto, longitud y longitudItiempo constituyen las dimensiones de las cantidades físicas distancia y rapidez.
- 56. 36 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Hay que observar que la rapidez se define en términos de dos cantidades más elementa les (longitud y tiempo). Es conveniente establecer un número pequeño de cantidades funda mentales, como longitud y tiempo, a partir de las cuales se puedan derivar todas las demás cantidades físicas. De este modo, se afirma que la rapidez es una cantidad derivada y que la longitud o el tiempo son cantidades fundamentales. Si se reducen todas las medidas físicas a un número pequeño de cantidades con unidades básicas comunes, habrá menos confusión en su aplicación. El Sistema Internacional El sistema internacional de unidades se llama Sisteme International d’Unités (SI) y, en esen cia, es el mismo que se conoce como sistema métrico. El Comité Internacional de Pesas y Medidas ha establecido siete cantidades básicas, y ha asignado unidades básicas oficiales a cada cantidad. Un resumen de estas cantidades, con sus unidades básicas y los símbolos para representarlas, se presenta en la tabla 3.1. Cada una de las unidades que aparecen en la tabla 3.1 tiene una definición medible especí fica, que puede duplicarse en cualquier lugar del mundo. De estas unidades básicas sólo una, el kilogramo, se define en general en términos de una muestra física individual. Esta muestra es tándar se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en Francia. Se han fabricado copias de la muestra original para su uso en otras naciones. El resto de las unidades se definen en términos de hechos físicos reproducibles y se determinan con precisión en todo el mundo. Es posible medir muchas cantidades, tales como volumen, presión, rapidez y fuerza, que son combinaciones de dos o más cantidades o magnitudesfundamentales. Sin embargo, nadie ha encontrado jamás una medida que no pueda expresarse en términos de longitud, masa, tiempo, corriente, temperatura, intensidad luminosa o cantidad de sustancia. Las com binaciones de estas magnitudes se denominan magnitudes derivadas, y se miden en unidades derivadas. Algunas unidades derivadas comunes aparecen en la tabla 3.2. Las unidades del SI no se han incorporado en forma total en muchas aplicaciones indus triales. En Estados Unidos se está avanzando hacia la adopción de las unidades del SI. No obstante, las conversiones a gran escala son costosas, sobre todo en el caso de muchas apli caciones mecánicas y térmicas; en vista de esto, la conversión total al sistema internacional tardará todavía algún tiempo. Por ello es necesario que nos familiaricemos con las viejas uni dades de ese sistema para la medición de cantidades físicas. Las unidades del sistema usual en Estados Unidos (SUEU) para diversas cantidades importantes se indican en la tabla 3.3. Tabla 3.1 Unidades básicas del SI para siete magnitudes fundamentales y dos unidades complementarias Magnitud Unidad Símbolo Unidades básicas Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Corriente eléctrica ampere A Temperatura kelvin K Intensidad luminosa candela cd Cantidad de sustancia mol mol Unidades complementarias Ángulo plano radián rad Angulo sólido estereorradián sr
- 57. 3.2 El Sistema Internacional 37 Unidades derivadas para magnitudes físicas comunes Magnitud Unidad derivada Símbolo Area metro cuadrado m2 Volumen metro cúbico m3 Frecuencia hertz Hz s 1 Densidad de masa (densidad) kilogramo por metro cúbico kg/m 3 Rapidez, velocidad metro por segundo m /s Velocidad angular radián por segundo rad/s Aceleración metro por segundo cuadrado m /s2 Aceleración angular radián por segundo cuadrado rad/s2 Fuerza newton N kg • m /s2 Presión (tensión mecánica) pascal Pa N /m 2 Viscosidad cinemática metro cuadrado por segundo m2/s Viscosidad dinámica newton-segundo por metro cuadrado N • s/m 2 Trabajo, energía, cantidad de calor joule J N • m Potencia watt W J/s Cantidad de electricidad coulomb C Diferencia de potencial, volt V J/C fuerza electromotriz Intensidad del campo eléctrico volt por metro V /m Resistencia eléctrica ohm a V /A Capacitancia farad F C /V Flujo magnético weber Wb V • s Inductancia henry H V • s/A Densidad de flujo magnético tesla T W b/m 2 Intensidad de campo magnético ampere por metro A /m Fuerza magnetomotriz ampere A Flujo luminoso lumen Im cd • sr Luminosidad candela por metro cuadrado cd/m 2 Iluminación lux lx Im /m 2 Número de onda metro a la menos uno n r 1 Entropía joule por kelvin J/K Calor específico joule por kilogramo kelvin J/(kg • K) Conductividad térmica watt por metro kelvin W /(m • K) Intensidad radiante watt por estereorradián W /sr Actividad (de una fuente radiactiva) segundo a la menos uno s_1 Tabla 3.3 Unidades del sistema usual en Estados Unidos Magnitud Unidades del SI Unidades del SUEU Longitud metro (m) pie (ft) Masa kilogramo (kg) slug (slug) Tiempo segundo (s) segundo (s) Fuerza(peso) newton (N) libra (Ib) Temperatura absoluta kelvin (K) grado Rankine (R)
- 58. Hay que observar que, aun cuando el pie, la libra y otras unidades se usan con frecuencia en Estados Unidos, se han definido de nuevo en términos de los patrones de unidades del SI. Gracias a eso, actualmente todas las mediciones están basadas en los mismos patrones. 38 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Medición de longitud y tiempo El patrón de la unidad de longitud del SI, el metro (m), originalmente se definió como la diezmillonésima parte de la distancia del Polo Norte al Ecuador. Por razones prácticas, esta distancia fue registrada en una barra de platino iridiado estándar. En 1960, el patrón se cam bió para facilitar el acceso a una medida más precisa del metro, basada en un patrón atómico. Se acordó que un metro era exactamente igual a 1 650 763.73 longitudes de onda de la luz rojo-anaranjada del kriptón 86. Se eligió el número de modo que el nuevo patrón se aproxi mara al antiguo patrón. Sin embargo, la adopción de este patrón tampoco estuvo exenta de problemas. La longitud de onda de la luz emitida por el criptón era incierta debido a que el proceso tiene lugar dentro del átomo, durante la emisión. Además, el desarrollo del láser estabilizado permitió medir una longitud de onda con mucho mayor precisión, en términos de tiempo y velocidad de la luz. En 1983 se adoptó el patrón más reciente para el metro (y probablemente el definitivo): Un metro es la longitud de la trayectoria que recorre una onda luminosa en el vacío durante un espacio de tiempo de 1/299 792 458 segundos. El nuevo patrón del metro es más preciso, y tiene además otras ventajas. Su definición depende del patrón de tiempo (s) y éste se basa en un valor común de la velocidad de la luz. En la actualidad se considera que la velocidad de la luz es exactamente: c = 2.99792458 X 108m/s (exacta por definición) Tiene sentido asignar un valor común a la velocidad de la luz porque, de acuerdo con la teoría de Einstein, la velocidad de la luz es una constante fundamental. Más aún, cualquier refi namiento futuro del patrón para medir el tiempo mejorará automáticamente el patrón para la lon gitud. Por supuesto, en general no es necesario saber la definición exacta de longitud para llevar a cabo mediciones prácticas y precisas. Gran número de herramientas, como los escalímetros sencillos en forma de regla o calibrador, se gradúan de acuerdo con el patrón de medida. La definición original de tiempo se basó en la idea del día solar, definido como el espacio de tiempo transcurrido entre dos apariciones sucesivas del Sol sobre un determinado meridia no de la Tierra. Así pues, un segundo era 1/86 400 del día solar medio. No es difícil imaginar las dificultades e incongruencias a las que daba lugar dicho patrón. En 1967, el patrón de tiempo del SI quedó definido de la siguiente forma: Un segundo representa el tiempo necesario para que el átomo de cesio vibre 9 192 631 770 veces. Por tanto, el patrón atómico de un segundo es el periodo de vibración de un átomo de cesio. Los mejores relojes de cesio son tan precisos que no se adelantan ni se atrasan más de 1 segundo en 300 000 años. Debido a que esta medida de tiempo tiende a imponerse a la del día solar medio, la Natio nal Bureau of Standards suma periódicamente a la hora un salto de un segundo, por lo general una vez al año, el 31 de diciembre. Por tanto, el último minuto de cada año tiene a menudo 61 segundos, en vez de 60 segundos. Otra ventaja del sistema métrico sobre otros sistemas de unidades es el uso de prefijos para indicar los múltiplos de la unidad básica. La tabla 3.4 define los prefijos aceptados y muestra su uso para indicar múltiplos y subdivisiones del metro. A partir de la tabla es posible determinar que: 1 metro (m) = 1000 milímetros (mm) 1 metro (m) = 100 centímetros (cm) 1 kilómetro (km) = 1000 metros (m)
- 59. 3.4 Cifras significativas 39 Tabla 3.4 Múltiplos y submúltiplos de unidades del SI Prefijo Símbolo Multiplicador Ejemplo tera T 1 000 000 000 000 = 10'2 1 terametro (Tm) giga G 1 000 000 000 = 109 1 gigametro (Gm) mega M 1 000 000 = 106 1 megametro (Mm) kilo k 1 000 = 10-’ 1 kilómetro (km) centi c 0.01 = 10“2 1 centímetro (cm)* mili m 0.001 = 10“3 1 milímetro (mm) micro 0.000001 = 10-6 1 micrómetro (/xm) nano n 0.000000001 = 10-9 1 nanómetro (nm) — Á 0.0000000001 = 10-'° 1 ángstrom (A)* pico P 0.000000000001 = 10-'2 1 picómetro (pm) *Aun cuando no se recomienda el empleo del centímetro y del ángstrom, el uso de estas unidades sigue siendo común. La relación entre el centímetro y la pulgada se observa en la figura 3.1. Por definición, una pulgada es exactamente igual a 25.4 milímetros. Esta definición y otras definiciones útiles se presentan a continuación (los símbolos de las unidades se indican entre paréntesis): 1pulgada (in) = 25.4 milímetros (mm) 1 pie (ft) = 0.3048 metros (m) 1 yarda (yd) = 0.914 metros (m) 1 milla (mi) =1.61 kilómetros (km) Al registrar datos, es preferible usar el prefijo que permita expresar el número en el in tervalo de 0.1 a 1000. Por ejemplo. 7 430 000 metros debe expresarse como 7.43 X 106m, y reportarse luego como 7.43 megametros, o en forma abreviada 7.43 Mm. Generalmente no es conveniente escribir esta medida como 7430 kilómetros (7430 km), a menos que la distancia se esté comparando con otras distancias medidas en kilómetros. En el caso de la cantidad 0.00064 amperes, es correcto escribir 0.64 miliamperes (0.64 mA) o 640 microamperes (640 ¡lA). En general, los prefijos se eligen para múltiplos de mil. 0 1 1 1 2 3 1 4 1 1 5 1 6 SI 1 t-I 1 £1 Zl It 01 6 1 ¡ 1 8 L -------------------------------------- --------- V O ------------------------------------------------------ lo ------------------------------------------------------------ -x t- ------------------------------------------------------------------- en ------------------------------------------------------------------------- C N I 0 1 0 1 2 l i l i 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 pulgadas i m =2.54 cm TjlTI11111111 1 11111111111 1 llll llll II j1 1 centímetros 0 1 2 3 4 5 Figura 3.1 Comparación de la pulgada con el centímetro como medidas de longitud. Cifras significativas Algunos números son exactos y otros son aproximados. Si se sacan 20 tornillos de una caja y se usa sólo la cuarta parte de ellos, los números 20 y %se consideran como cantidades exac tas. Sin embargo, si se miden la longitud y el ancho de una lámina rectangular, la precisión de
- 60. 40 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores la medida depende de la precisión del instrumento utilizado y de la habilidad del observador. Suponga que el ancho de la placa mencionada se mide con un calibrador vernier y el resul tado es 3.42 cm. El último dígito es estimado y, por tanto, susceptible de error. El ancho real fluctúa entre 3.40 cm y 3.50 cm. Escribir el ancho como 3.420 cm implicaría una precisión mayor de la que se justifica. Se dice que el número 3.42 tiene tres cifras significativas, y hay que tener cuidado de no escribir más números o ceros de los que son significativos. Se supone que todas las mediciones físicas son aproximadas, y que el último dígito signi ficativo se ha calculado mediante una estimación de algún tipo. Al escribir tales números, con frecuencia se incluyen algunos ceros para indicar la posición correcta del punto decimal. Sin embargo, con excepción de estos ceros, todos los demás dígitos sí se consideran como cifras significativas. Por ejemplo, la distancia 76 000 m tiene solamente dos dígitos significativos. Se sobreentiende que los tres ceros que siguen al 6 sólo se han agregado para ubicar el punto decimal, a menos que se indique otra cosa. Otros ejemplos son: Los ceros que no se requieren específicamente para la debida localización del punto decimal son significativos (como en los dos últimos ejemplos). Con la difusión del uso de las calculadoras, con frecuencia los estudiantes informan sus resultados con una precisión mayor de la que resulta justificable. Por ejemplo, suponga que al medir una lámina rectangular se obtiene una longitud de 9.54 cm y un ancho de 3.4 cm. El área de la lámina se calcula y el resultado es 32.436 cm2(cinco cifras significativas). Sin embargo, una cadena es tan fuerte como el más débil de sus eslabones. Puesto que el ancho tiene una precisión de sólo dos cifras significativas, el resultado no se puede expresar con mayor precisión. El área se debe indicar como 32 cm2. El número que resulta al usar la calcu ladora proporciona una información falsa respecto a la precisión. Esto será confuso para las personas que no participaron en la medición. Una cifra significativa es realmente un digito conocido. Regla 1: Cuando se multiplican o dividen números aproximados, el número de cifras significativas de la respuesta final contiene el mismo número de cifras significativas que el factor de menor precisión. Al decir "m enor precisión" nos referimos al factor que tiene el menor número de cifras significativas. Surge otro problema cuando los números aproximados se suman o se restan. En tales casos lo que hay que tomar en cuenta es la precisión de cada medición. Por ejemplo, una longitud de 7.46 m es precisa a la centésima más cercana de un metro y una longitud de 9.345 m es precisa a la milésima más cercana de un metro. La suma de un grupo de éstas puede tener más cifras significativas que alguna de las mediciones individuales, pero no puede ser más pre cisa. Por ejemplo, suponiendo que se determina el perímetro de la lámina rectangular antes descrita, podemos escribir: La medición con menor precisión era a la décima más cercana de centímetro; por tanto, el perímetro debe redondearse a la décima de centímetro más próxima (aun cuando tenga tres cifras significativas). Regla 2: Cuando se suman o restan números aproximados, el número de lu gares decimales en el resultado debe ser igual al menor número de cifras de cimales de cualquier término que se suma. El trabajo en el salón de clases y el trabajo en el laboratorio a menudo se tratan de manera muy diferente. En el laboratorio conocemos las incertidumbres en cada medición y debemos 4.003 cm 0.34 cm 60 400 cm 0.0450 cm 4 cifras significativas 2 cifras significativas 3 cifras significativas 3 cifras significativas 9.54 cm + 3.4 cm + 9.54 cm + 3.4 cm = 25.9 cm
- 61. 3.5 Instrumentos de medición 41 Cuando se calibra un calibrador micrométrico, rectángulos delgados de grosor uniforme se unen para formar un ancho conocido. La suciedad, el polvo o incluso la falta de brillo podrían cambiar la medición. Las barras de calibración se frotan para limpiarlas y se guardan con cuidado para evitar el contacto con la humedad. redondear las respuestas a la precisión adecuada. Como en el salón de clases o en los proble mas de tarea generalmente no se conocen las limitaciones de cada medida, supondremos que todos los datos dados tienen una precisión de tres cifras significativas. Por tanto, una barra de 8 cm se considerará que tiene una longitud de 8.00 cm. Y una rapidez de 51 km/h se tomaría como 51.0 km/h. Para evitar errores de redondeo, se debe acarrear cuando menos una cifra significativa más en los cálculos que se planea presentar. Por ejemplo, si va a reportar tres cifras significativas, debe acarrear cuando menos cuatro en todos sus cálculos. Instrumentos de medición La elección de un instrumento de medición depende de la precisión requerida y de las con diciones físicas que rodean la medición. Para un mecánico o un maquinista, la opción básica es con frecuencia el escalímetro o regla de acero, como la que se muestra en la figura 3.2. Esta regla tiene a menudo la precisión suficiente cuando se desea medir longitudes fácilmente accesibles. Las reglas de acero pueden tener graduaciones tan pequeñas como de 32-ésimas o incluso 64-ésimas de pulgada. Las reglas métricas están graduadas generalmente en milí metros. Para medir diámetros interiores y exteriores se utilizan calibradores como los que se pre sentan en la figura 3.3. El calibrador mismo no se puede leer en forma directa; por tanto, tiene que acoplarse a una regla de acero o a un medidor de tipo estándar. (b) Figura 3.2 Escalímetros de acero de 6 in (15 cm). (a) Escalas 1/32 in y 0.5 mm. (b) Escalas 1/100 y 1/50 in. (The L.S. Starrett Company.) Figura 3.3 Uso de calibradores para medir un diámetro interior.
- 62. 42 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Figura 3.6 Cómo medir la profundidad de un reborde con un micrómetro de profundidad. Tope Espiga Manguito Casquillo Figura 3.4 Calibrador micrométrico que muestra una lectura de 5.78 mm. (The L.S. Starrett Company.) Figura 3.5 Calibrador vernier. (The L.S. Starrett Company.) La máxima precisión posible con una regla de acero se determina por el tamaño de la graduación más pequeña, y es del orden de 0.01 in o de 0.1 mm. Si se desea mayor precisión, el mecánico se sirve muchas veces de un calibrador micrométrico estándar, como el que se ilustra en la figura 3.4, o de un calibrador estándar tipo vernier como el de la figura 3.5. Di chos instrumentos tienen escalas deslizantes que permiten efectuar mediciones muy precisas. Los calibradores micrométricos permiten medir hasta diezmilésimas de pulgada (0.002 mm), y los calibradores tipo vernier sirven para medir con una precisión de 0.001 in o 0.02 mm. La profundidad de orificios ciegos, ranuras y huecos se mide generalmente con un micró metro de profundidad. La figura 3.6 muestra un medidor de este tipo que se utiliza para medir la profundidad de un reborde. Conversión de unidades En vista de que se requieren tan diversas unidades para los diferentes tipos de trabajo, con frecuencia es necesario convertir la medición de una unidad a otra. Por ejemplo, vamos a suponer que un mecánico midió el diámetro exterior de un tubo y obtuvo una lectura de 1% ¡ in. Sin embargo, cuando el mecánico solicite un accesorio para el tubo tal vez deba informar cuál es el diámetro en milímetros. Ese tipo de conversiones se pueden hacer con facilidad manejando las unidades algebraicamente y aplicando después el principio de cancelación. En el caso mencionado, el mecánico debe convertir primero la fracción en un número decimal. l^ in = 1.19 in
- 63. 3.6 Conversión de unidades 43 A continuación debe escribir la cantidad que desea convertir, anotando tanto el número como las unidades correspondientes (1.19 in). Ahora tendrá que recordar la definición que establece la relación entre pulgadas y milímetros: 1 in = 25.4 mm Puesto que se trata de una igualdad, es posible formar dos razones donde cada una sea igual a 1. 1 in 25.4 mm 25.4 mm = 1 1 m Observe que el número 1no es igual a 25.4, pero la longitud de 1in sí es igual a la longitud de 25.4 mm. Por tanto, si se multiplica cualquier otra longitud por una de estas razones, se obtie ne un nuevo número, pero la longitud no cambia. Las razones de este tipo se llamanfactores de conversión. Cualquiera de los factores de conversión mostrados se puede multiplicar por 1.19 in, sin que cambie la longitud representada. Si este factor se multiplica por la primera razón, no se obtiene un resultado que tenga significado. Observe que las unidades se tratan como cantidades algebraicas. (1.19 in) ¡Erróneo! Sin embargo, al multiplicarlo por la segunda razón, se obtiene el siguiente resultado: 25.4 mm (1.19)(25.4) 1iií (1) mm = 30.2 mm Por tanto, el diámetro exterior del tubo es 30.2 mm. A veces es necesario trabajar con cantidades que tienen varias unidades. Por ejemplo, la rapidez se define como longitud por unidad de tiempo y se puede expresar en metros por segundo (m/s),piespor segundo (ft/s) u otras unidades. El mismo procedimiento algebraico resulta útil para la conversión de unidades múltiples. Estrategia para resolver problemas Procedim iento para convertir unidades 1. Escriba la cantidad que desea convertir. 2. Defina cada una de las unidades incluidas en la can tidad que va a convertir, en términos de las unidades buscadas. 3. Escriba dos factores de conversión para cada defini ción, uno de ellos recíproco del otro. 4. Multiplique la cantidad que desea convertir por aque llos factores que cancelen todas las unidades, excepto las buscadas. Convierta la rapidez de 60 km/h a unidades de metros por segundo. Plan: Es necesario recordar dos definiciones que pueden dar por resultado cuatro factores de conversión, los cuales cancelarán las unidades no buscadas. Solución: Se deben cambiar los kilómetros a millas y las horas a segundos. 1km 1 km = 1000 m 1000 m 1000 m 1km
- 64. 44 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores 1 h = 3600 s; 1 h 3600 s 3600 s 1 h Se escribe la cantidad que se va a convertir y se escogen los factores de conversión que cancelan las unidades no buscadas. kní í 1000 m 60— --------- h V 1latí A continuación se dan ejemplos adicionales del procedimiento: m i( 5280 f t Y llí V l r a « A 30 — ------ — ----- —----- = 44 ft/s h la tí / 6 0 xmfi 60 s J ib /1550¿1^/4.448 N 20 —7 --- r - -------------- = 1.38 X 10 N/m in H lm 2 A 1 » ) Las definiciones necesarias pueden buscarse en los forros del libro, si no se encuentran en este capítulo. Cuando se trabaja con fórmulas técnicas, siempre es útil sustituir tanto las unidades como los números. Por ejemplo, la fórmula para la rapidez v es _ x t donde x es la distancia recorrida en un tiempo t. Así, si un automóvil recorre 400 m en 10 s, su rapidez será 400 m m v = --------= 40 — 10 s s Observe que las unidades de velocidad son metros por segundo, y se escriben m/s. Cuando aparezca la velocidad en una fórmula, siempre debe tener unidades de longitud divididas entre unidades de tiempo. Se dice que éstas son las dimensiones de la velocidad. Puede haber diferentes unidades para una cantidad física, pero las dimensiones son el resul tado de una definición y no cambian. Al trabajar con ecuaciones y fórmulas físicas, es muy útil recordar dos reglas relaciona das con las dimensiones: Regla 1: Si se van a sumar o restar dos cantidades, ambas deben expresarse en las mismas dimensiones. Regla 2: Las cantidades a ambos lados del signo de igualdad deben expresar se en las mismas dimensiones. s p i a B H n R a s a B i i i ’’i H n K > K = a n « ■ * m r& r o«r=ss»c v a » sm H V a m o s a suponer que la distancia x medida en metros (m) es una función de la rapidez inicial vQen metros por segundo (m/s), de la aceleración a en metros por segundo al cuadrado (m/s2 ) y del tiempo t en segundos (s). Demuestre que la fórmula es dimensionalmente correcta. x = v0t + a f Plan: Hay que recordar que cada término debe expresarse en las mismas dimensiones y que las dimensiones en cada lado de la igualdad deben ser las mismas. Puesto que las unidades de x están en metros, cada término de la ecuación debe reducirse a metros si ésta es dimensionalmente correcta.
- 65. 3.7 Cantidades vectoriales y escalares 45 *E1 autor, como es costumbre en los libros en inglés, especifica un vector por su magnitud y dirección, dando por supuesto un sentido sobre la recta que determina la dirección, en términos de un sistema de referencia, tal idea se encuentra implícita cuando habla de un ángulo con respecto al eje positivo de las x (orientación angular). No obstante, puede decirse que, estrictamente hablando, un vector queda especificado por estas tres características: magnitud, dirección y sentido (N. del E.). Solución: Alsustituir las unidadespor las cantidades encada término, tenemos m m , m = — (£) H — ^ isT se obtiene m = m + m Con esto se satisfacen tanto la regla 1 comola regla 2. Por tanto, la ecuación es dimensio nalmente correcta. El hecho de que una ecuación sea dimensionalmente correcta es una forma de compro bación. Una ecuación así, puede no ser una ecuación verdadera, pero al menos es consistente desde el punto de vista dimensional. Cantidades vectoriales y escalares Algunas cantidades pueden describirse totalmente por un número y una unidad. Sólo impor tan las magnitudes en los casos de un área de 12 m2, un volumen de 40 ft3o una distancia de 50 km. Este tipo de cantidades se llaman cantidades escalares. Una cantidad escalarse especifica totalmente por su magnitud que consta de un número y una unidad. Por ejemplo, rapidez (15 mi/h), distancia (12 km) y volumen (200 cm3 ). Las cantidades escalares que se miden en las mismas unidades pueden sumarse o restarse en la forma acostumbrada. Por ejemplo, 14 mm + 13 mm = 27 mm 20 ft2 —4 ft2 = 16 ft2 Algunas cantidades físicas, como la fuerza y la velocidad, tienen dirección y además magnitud. Por eso se les llama cantidades vectoriales. La dirección debe formar parte de cualquier cálculo en el que intervengan dichas cantidades. Una cantidad vectorial se especifica totalmente por una magnitud y una di rección.* Consiste en un número, una unidad y una dirección. Por ejemplo, desplazamiento (20 m, N) y velocidad (40 mi/h, 30° N del O). La dirección de un vector puede indicarse tomando como referencia las direcciones con vencionales norte (N),este(E), oeste (O) y sur (S). Considere, porejemplo, los vectores 20 m, O y 40 m a 30° N del E, como se observa en la figura 3.7. La expresión “al Nortedel Este” indica que el ángulo se forma haciendo girar una línea hacia el Norte, a partir de la dirección Este. N 90° Figura 3.7 La dirección de un vector se indica con referencia al norte (N), sur (S), este (E) y oeste (O).
- 66. 46 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores eje y 90° 270° Figura 3.8 La dirección de un vector se indica como un ángu lo medido a partir del eje positivo x. Atlanta Figura 3.9 El desplazamiento es una cantidad vectorial; su direc ción se indica mediante una flecha continua. La distancia es una can tidad escalar, representada con una línea discontinua. Otro método para especificar la dirección, que más tarde será de gran utilidad, consiste en tomar como referencia líneas perpendiculares llamadas ejes. Estas líneas imaginarias suelen ser una horizontal y otra vertical, pero pueden estar orientadas en otras direcciones siempre que sean perpendiculares entre sí. En general, una línea horizontal imaginaria se llama eje x, y una línea vertical imaginaria se llama eje y. En la figura 3.8 las direcciones se indican mediante ángulos medidos en sentido directo, es decir, en contrasentido al avance de las manecillas del reloj, a partir de la posición del eje x positivo; los vectores 40 m a 60° y 50 m a 210° se indican en la figura. Suponga que una persona viaja en automóvil de Atlanta a San Luis. El desplazamiento a partir de Atlanta se representa por un segmento de recta, dibujado a escala, que va de Atlanta a San Luis (véase la figura 3.9). Para indicar la dirección se dibuja una punta de flecha en el extremo correspondiente a San Luis. Es importante observar que el desplazamiento, represen tado por el vector Di; es completamente independiente de la trayectoria real o de la forma de transportarse. El odómetro muestra que el automóvil ha recorrido en realidad una distancia escalar sxde 541 mil, pero la magnitud del desplazamiento es de sólo 472 mi. Otra diferencia importante entre un desplazamiento vectorial y un desplazamiento esca lar es que la componente del vector tiene una dirección constante de 140° (o 40° N del O). Sin embargo, la dirección del automóvil en cada instante del recorrido no es importante cuando se mide la distancia escalar. Suponga ahora que el viajero continúa su viaje hasta Washington. Esta vez, el vector desplazamiento D2es 716 mi en una dirección constante de 10° N del E. La correspondiente distancia por tierra s2es 793 mi. La distancia total recorrida en todo el viaje, desde Atlanta, es la suma aritmética de las cantidades escalares s y s . Sj + s2 = 541 mi + 793 mi = 1334 mi En cambio, el vector suma de los dos desplazamientos Ü! y debe tomar en cuenta la direc ción, además de las magnitudes. Ahora el problema no es la distancia recorrida, sino el des plazamiento resultante desde Atlanta. Este vector suma aparece en la figura 3.9, representado por el símbolo R, donde R = D, + D2 Los métodos que se analizarán en la siguiente sección permiten determinar la magnitud y la dirección de R. Utilizando una regla y un transportador, es posible apreciar que R = 549 mi, 51° Conviene recordar que cuando se habló de sumas de vectores, se dijo que deben conside rarse tanto la magnitud como la dirección de los desplazamientos. Las sumas son geométricas y no algebraicas.
- 67. 3.8 Suma o adición de vectores por métodos gráficos 47 Es posible que la magnitud del vector suma sea menor que la magnitud de cualquiera de los desplazamientos componentes. Por lo común, en materiales impresos los vectores se indican mediante el tipo negritas. Por ejemplo, el símbolo D denota un vector desplazamiento en la figura 3.9. Un vector puede indicarse convenientemente en letra manuscrita subrayando la letra o dibujando una flecha encima de ella. En textos impresos, la magnitud de un vector se indica generalmente en cur sivas (itálicas); por tanto, D indica la magnitud del vector D. Con frecuencia, un vector se especifica con un par de números (R, 6). El primer número y su unidad indican la magnitud, y el segundo número indica el ángulo, medido en contrasentido al avance de las manecillas del reloj, a partir de la parte positiva del eje x. Por ejemplo, R = (R, 9) = (200 km, 114°) Observe que la magnitud R de un vector es siempre positiva. Un signo negativo colocado antes del símbolo de un vector sólo invierte su dirección; en otras palabras, invierte la dirección de la flecha, pero no afecta la longitud. Si A = (10 m, E), entonces — A sería (10 m, O). ^ Suma o adición de vectores por métodos gráficos En esta sección se estudian dos métodos gráficos muy comunes para hallar la suma geométri ca de vectores. El método delpolígono es el más útil, ya que puede aplicarse fácilmente a más de dos vectores. El método delparalelogramo es conveniente para sumar sólo dos vectores a la vez. En ambos casos, la magnitud de un vector se indica a escala mediante la longitud de un segmento de recta. La dirección se marca colocando una punta de flecha en el extremo del segmento de dicha recta. Un barco recorre 100 km hacia el Norte durante el primer día de viaje, 60 km al noreste el segundo día y 120 km hacia el Este el tercer día. Encuentre el desplazamiento resultante con el método del polígono. Plan: Tome como punto de inicio el origen del viaje y decida una escala apropiada. Use un transportador y una regla para dibujar la longitud de cada vector de manera que sea proporcional a su magnitud. El desplazamiento resultante será un vector dibujado desde el origen a la punta del último vector. Solución: Una escala conveniente puede ser 20 km = 1 cm, como se observa en la figura 3.10. Utilizando esta escala, notamos que 100 km = 100 kní X ----— = 5 cm 20 km 1 cm 60 km = 60 latí X --------= 3 cm 20 karí 1 cm 120 km = 120 knT X --------= 6 cm 20 km Al realizar la medición con una regla, a partir del diagrama a escala se observa que la fle cha resultante tiene 10.8 cm de longitud. Por tanto, la magnitud es 20 km 10.8 cm = 10.8 chí X --------= 216 km 1Gtñ
- 68. 48 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Figura 3.10 Método del polígono para sumar vectores. Si se mide el ángulo 9 con un transportador, resulta que la dirección es de 41°. Por tanto, el desplazamiento resultante es R = (216 km, 41°) Observe que el orden en que se suman los vectores no cambia en absoluto la resultante. Se puede empezar con cualquiera de las tres distancias recorridas por el barco del ejemplo anterior. Los métodos gráficos sirven para hallar la resultante de todo tipo de vectores. No se li mitan sólo a la medición de desplazamientos, pues son particularmente útiles para encontrar la resultante de numerosas fuerzas. Por ahora, consideremos como definición de fuerza un empujón o tirón que tiende a producir movimiento. El vector fuerza se especifica también por medio de un número, unidades correspondientes y ángulo, así como desplazamientos, y se suma de la misma manera que los vectores de desplazamiento. Estrategia para resolver problemas El método del polígono para sumar vectores 1. Elija una escala y determine la longitud de las flechas que corresponden a cada vector. 2. Dibuje a escala una flecha que represente la magnitud y dirección del primer vector. 3. Dibuje la flecha del segundo vector de modo que su cola coincida con la punta de la flecha del primer vector. 4. Continúe el proceso de unir el origen de cada vector con las puntas hasta que la magnitud y la dirección de todos los vectores queden bien representadas. 5. Dibuje el vector resultante con el origen (punto de par tida) y la punta de flecha unida a la punta del último vector. 6.Mida con regla y transportador para determinar la magnitud y la dirección del vector resultante. En el ejemplo 3.4 se determina la fuerza resultante sobre un burro que es jalado en dos direcciones diferentes por dos cuerdas (véase la figura 3.11). En esta ocasión se aplicará el método del paralelogramo, que sólo es útil para sumar dos vectores a la vez. Cada vector se dibuja a escala y sus colas tienen el mismo origen. Los dos forman entonces dos lados adya centes de un paralelogramo. Los otros dos lados se construyen trazando líneas paralelas de igual longitud. La resultante se representa mediante la diagonal del paralelogramo, a partir del origen de las dos flechas vectores.
- 69. 3.9 Fuerza y vectores 49 2 0 Ib 20 ^ 6 0 Ib libras 0 10 20 30 4 ( 1 ------1 ----- 1 ----- 1 ------- 1 0 1 2 3 centímetros Encuentre la fuerza resultante sobre el burro de la figura 3.11, si el ángulo entre las dos cuerdas es de 120°. En un extremo se jala con una fuerza de 60 Ib y, en el otro, con una fuerza de 20 Ib. Use el método del paralelogramo para sumar los vectores. Plan: Construya un paralelogramo formando dos de los lados con vectores dibujados que sean proporcionales a las magnitudes de las fuerzas. Por tanto, la fuerza resultante puede encontrarse al medir la diagonal del paralelogramo. Solución: Utilizando una escala de 1 cm = 10 Ib, se tiene 1 cm 1 cm 60 Ib X ------ = 6 cm 20 Ib X = 2 cm 101b 101b En la figura 3.11 se construyó un paralelogramo, dibujando a escala las dos fuerzas a partir de un origen común. Utilice un transportador para asegurarse de que el ángulo entre ellas sea de 120°. Al completar el paralelogramo se puede dibujar la resultante como una diagonal desde el origen. Al medir R y 6 con una regla y un transportador se obtienen 52.9 Ib para la magnitud y 19.1° para la dirección. Por consiguiente, R = (52.91b, 19.1°) Un segundo vistazo al paralelogramo le mostrará que se obtendría la misma respuesta aplicando el método del polígono y agregando el vector de 20 Ib en la punta del vector de 601b. Fuerza y vectores Como vimos en la sección anterior, los vectores fuerza pueden sumarse gráficamente de la misma manera que sumamos antes en el caso de desplazamientos. En virtud de la importancia de las fuerzas en el estudio de la mecánica, conviene adquirir destreza en las operaciones con vectores, estudiando aplicaciones de fuerza además de las aplicaciones de desplazamiento. Un resorte estirado ejerce fuerzas sobre los dos objetos que están unidos a sus extremos; el aire comprimido ejerce una fuerza sobre las paredes del recipiente que lo contiene, y un trac tor ejerce una fuerza sobre el remolque que lleva arrastrando. Probablemente la fuerza más conocida es la atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre un cuerpo. A esta fuerza se le llama peso del cueipo. Existe una fuerza bien definida aun cuando no estén en contacto la
- 70. 50 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Los escaladores usan una combinación de fuerzas para escalar superficies empinadas. Al empujar contra rocas salidas los escaladores usan las fuerzas horizontal y vertical de las rocas para impulsarse hacia arriba. (Foto © Vol. 20/Corbis.) Tierra y los cuerpos que atrae. El peso es una cantidad vectorial dirigida hacia el centro del planeta. La unidad de fuerza en el sistema internacional es el newton (N), el cual se definirá de forma adecuada más adelante. Conviene señalar que su relación con la libra es: 1 N = 0.225 Ib 1 Ib = 4.45 N Una mujer que pesa 120 Ib tiene una equivalencia de 534 N. Si el peso de una llave inglesa es 20 N, pesará unas 4.5 Ib en unidades del SUEU. Mientras no llegue el día en que todas las industrias hayan adoptado íntegramente las unidades del SI, la libra seguirá usándose, y con frecuencia será necesario realizar conversiones de unidades. Aquí se utilizarán ambas unida des de fuerza al trabajar con cantidades de vectores. Dos de los efectos producidos por las fuerzas que pueden medirse son: (1) cambiar las dimensiones o la forma de un cuerpo y (2) cambiar el movimiento del cuerpo. Si en el primer caso no hay un desplazamiento resultante de dicho cuerpo, la fuerza que causa el cambio de forma se llama fuerza estática. Si una fuerza cambia el movimiento del cuerpo se llama fuerza dinámica. Ambos tipos de fuerzas se representan convenientemente por medio de vectores, como en el ejemplo 3.4. La eficacia de cualquier fuerza depende de la dirección en la que actúa. Por ejemplo, es más fácil arrastrar un trineo por el suelo usando una cuerda inclinada, como se observa en la figura 3.12, que si se le empuja. En cada caso, la fuerza aplicada produce más de un solo esfuerzo. Dicho de otro modo, la fuerza ejercida sobre la cuerda levanta el trineo y lo mueve hacia adelante al mismo tiempo. En forma similar, al empujar el trineo se produce el efecto de añadirle peso. Esto nos lleva a la idea de las componentes de una fuerza: los valores reales de una fuerza en direcciones diferentes a la de la fuerza misma. En la figura 3.12, la fuerza F puede reemplazarse por sus componentes horizontal y vertical, Fr y F . Si una fuerza se representa gráficamente por su magnitud y un ángulo (R, 0), se pueden determinar sus componentes a lo largo de las direcciones x y y. Una fuerza F actúa con un án gulo d sobre la horizontal, como se indica en la figura 3.13. El significado de las componentes x y y>Fvy F,, se puede apreciar en este diagrama. El segmento que va desde O hasta el pie de la perpendicular que baja de A al eje x, se llama componente x de F y se indica como F . El segmento que va desde O hasta el pie de la perpendicular al eje y que parte de A se llama componente y de F y se suele indicar como F,. Si se dibujan los vectores a escala, se puede determinar gráficamente la magnitud de las componentes. Estas dos componentes, actuando juntas, tienen el mismo efecto que la fuerza original F. y Figura 3.13 Representación gráfica de las componentesx yy de F.
- 71. 3.10 La fuerza resultante 51 W /I f Una cortadora de césped se empuja hacia abajo por el asa con una fuerza de 160 N, en un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. ¿Cuál es la magnitud de la componente hori zontal de esta fuerza? Plan: A partir de la figura 3.14a, se observa que la fuerza ejercida sobre el asa actúa en el cuerpo de la cortadora. Usaremos una regla y un transportador para dibujar las fuerzas y ángulos a escala, como se muestra en la figura 3.15b. Por último, mediremos las compo nentes y las convertiremos a newtons para obtener las dos componentes. Solución: Una escala conveniente puede ser 1 cm = 40 N, lo cual significa que el vector F tendría una longitud de 4 cm con un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. La com ponente x de la fuerza se dibuja y se le llama F . La medición de esta recta revela que Fxcorresponde a 3.46 cm Puesto que 1 cm = 40 N, se obtiene / 40 NA Fx = 3.46 cm ------ = 138 N 1 cm/ Observe que la fuerza real es bastante menor que la fuerza aplicada. Como ejercicio adi cional, demuestre que la magnitud de la componente descendente de la fuerza de 160 N es F = 80.0 N. y F = 160 N,<¿ - 30° V (a) (b) Figura 3.14 Obtención de las componentes de una fuerza por el método gráfico. (Foto de Paul E. Tippens.) La fuerza resultante Cuando dos o más fuerzas actúan sobre un mismo punto de un objeto, se dice que sonfuerzas concurrentes. El efecto combinado de tales fuerzas se llamafuerza resultante. La fuerza resultante es la fuerza individual que produce el mismo efecto tanto en la magnitud como en la dirección que dos o más fuerzas concurrentes. Las fuerzas resultantes pueden calcularse gráficamente al representar cada fuerza concurren te como un vector. Con el método del polígono o del paralelogramo para sumar vectores se obtiene la fuerza resultante.
- 72. 52 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Una escalera mecánica y una montaña rusa mueven a las personas que se suben en ellas. En una escalera mecánica, las personas sienten su peso normal porque se mueven a una velocidad constante. Una montaña rusa acelera y desacelera, por lo que las personas se sienten más pesadas y más ligeras a medida que cambia la velocidad. 1 ------------------ > 1 20 N 20 N 15 N (a) Fuerzas en la misma dirección. ¡ ¡R = 5 N, E 1 1 i i 15N 20 N ! > < 20 N i i (b) Fuerzas que actúan en direcciones opuestas. 15 N (c) Fuerzas que actúan a un ángulo de 60° entre sí. Figura 3.15 Efecto de la dirección sobre la resultante de dos fuerzas. Con frecuencia las fuerzas actúan sobre una misma recta, ya sea juntas o en oposición. Si dos fuerzas actúan sobre un mismo objeto en una misma dirección, la fuerza resultante es igual a la suma de las magnitudes de dichas fuerzas. La dirección de la resultante es la misma que la de cualquiera de las fuerzas. Por ejemplo, considere una fuerza de 15 N y una fuerza de 20 N que actúan en la misma dirección hacia el Este. Su resultante es de 35 N hacia el Este, como se observa en la figura 3.15a. Si las mismas dos fuerzas actúan en direcciones opuestas, la magnitud de la fuerza resul tante es igual a la diferencia de las magnitudes de las dos fuerzas y actúa en la dirección de la fuerza más grande. Suponga que la fuerza de 15 N del ejemplo se cambiara, de modo que tirara hacia el Oeste. La resultante sería de 5 N, E, como se indica en la figura 3.15b. Si las fuerzas que actúan forman un ángulo de entre 0oy 180° entre sí, su resultante es el vector suma. Para encontrar la fuerza resultante puede utilizarse el método del polígono o el método del paralelogramo. En la figura 3.15c, las dos fuerzas mencionadas, de 15 y 20 N, actúan formando un ángulo de 60° entre sí. La fuerza resultante, calculada por el método del paralelogramo, es de 30.4 N a 34.7°. Trigonometría y vectores El tratamiento gráfico de los vectores es conveniente para visualizar las fuerzas, pero con frecuencia no es muy preciso. Un método mucho más útil consiste en aprovechar la trigono metría del triángulo rectángulo simple, procedimiento que en gran medida se ha simplificado, gracias a las calculadoras actuales. El conocimiento del teorema de Pitágoras y cierta expe riencia en el manejo de las funciones seno, coseno y tangente es todo lo que se requiere para el estudio de esta unidad. Los métodos trigonométricos pueden mejorar la precisión y la rapidez al determinar el vector resultante o para encontrar las componentes de un vector. En la mayoría de los casos, es útil utilizar ejes x y y imaginarios cuando se trabaja con vectores en forma analítica. Cual-
- 73. 3.11 Trigonometría y vectores 53 quier vector puede dibujarse haciendo coincidir su origen con el cruce de esas rectas imagina rias. Las componentes del vector pueden verse como efectos a lo largo de los ejes x y y. % *m ií mt m h i i i * ¿Cuáles son las componentes .vy y de una fuerza de 200 N. con un ángulo de 60"? Plan: Dibuje el diagrama de vectores usando la trigonometría para encontrar las compo nentes. Solución: Se dibuja un diagrama ubicando el origen del vector de 200 N en el centro de los ejes x y y como se muestra en la figura 3.16. En primer lugar se calcula la componente x, o sea F , tomando en cuenta que se trata del lado adyacente. El vector de 200 N es la hipotenusa. Si se usa la función coseno, se obtiene Fr cos 60° = por lo cual 200 N Fx = (200 N) eos 60° = 100 N Para estos cálculos notamos que el lado opuesto a 60° es igual en longitud a F . Por con siguiente escribimos Fv sen 60° = — ;— 200 N o bien Fv = (200 N) sen 60° = 173 N 1 F * N / / Fy Á o O < s Componentes: Fx = F eos 8 F = F sen 9 Figura 3.16 Uso de la trigonometría para encontrar las componentes x y y de un vector. En general, podemos escribir las componentes x y y de un vector en términos de su magnitud F y su dirección 9: Fx = F eos 6 Componentes de un vector (3.1) Fy = F sen 9 donde 9 es el ángulo entre el vector y el lado positivo del eje x, medido en contrasentido a las manecillas del reloj. El signo de una componente dada se determina a partir de un diagrama de vectores. Las cuatro posibilidades se presentan en la figura 3.17. Además del ángulo polar 9, se muestra el ángulo de referencia < fi para cada cuadrante. Cuando el ángulo polar es mayor de 90°, es más fácil ver las direcciones de las componentes si se trabaja con el ángulo de referencia c p. Las aplicaciones de la trigonometría que utilizan el ángulo polar 9 también darán los signos correctos, pero siempre es útil verificar visualmente la dirección de las componentes.
- 74. 54 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores 90° 90° (c) Cuadrante III (d) Cuadrante IV -360° Figura 3.17 (a) En el primer cuadrante, el ángulo 0está entre 0oy 90°; tanto F como F, son positivas, (b) En el segundo cuadrante el ángulo 9 está entre 90“y 180°; F es negativa y F es positiva, (c) En el tercer cuadrante, el ángulo 6está entre 180° y 270°; tanto F como F son negativas, (d) En el cuarto cuadrante, el ángulo 6está entre 270° y 360°: Fxes positivay F es negativa. T Encuentre las componentes x y y de una fuerza de 400 N a un ángulo polar 9 de 220° a partir del eje x positivo. Plan: Dibuje el vector y sus componentes indicando tanto el ángulo de referencia como el ángulo polar. Use la trigonometría para encontrar las componentes. Solución: Consulte la figura 3.17 donde podemos obtener el ángulo de referencia < ficomo sigue: < f>= 220° - 180° = 40° En la figura se observa que ambas componentes Fxy F son negativas. FT= - |F eos < p = -(400 N) eos 40° = -306 N Fy = — |F sen < f> | = -(400 N) sen 40° = -257 N Note que los signos se determinaron a partir de la figura 3.17. Con las calculadoras electró nicas tanto la magnitud como el signo de F. y F. se obtienen en forma directa a partir de la ecuación (3.1), utilizando el ángulo polar 9 = 220°. Compruebe este hecho. La trigonometría también es útil para calcular la fuerza resultante. En el caso especial en que dos fuerzas F_ y F son perpendiculares entre sí, como se observa en la figura 3.18, la resultante (R, 9) se puede hallar a partir de R = V f ? + F}, tan 9 = — F, (3.2)
- 75. 3.12 El método de las componentes para la suma o adición de vectores 55 Resultante (R, R= V f.í + f 2 F, tan 6 = - Figura 3.1 8 La resultante de dos vectores perpendiculares. Si F o F es negativa, generalmente es más fácil determinar el ángulo agudo 4 >como se indica en la figura 3.17. El signo (o dirección) de las fuerzas F. y F, determina cuál de los cuatro cuadrantes se va a usar. Entonces, la ecuación (3.2) se convierte en a F> tan ó = — Fx Sólo se necesitan los valores absolutos de Fvy Fy. Si se desea, se puede determinar el ángulo 6 del eje x positivo. En cualquiera de los casos se debe identificar claramente la dirección. ¿Cuál es la resultante de una fuerza de 5 N dirigida horizontalmente a la derecha y una fuerza de 12 N dirigida verticalmente hacia abajo? Plan: Como las fuerzas son hacia la derecha y hacia abajo, dibujamos un diagrama de vectores de cuatro cuadrantes como aquel de la figura 3.17d. Aplique la ecuación (3.2) para hallar la resultante. Solución: Trate los dos vectores fuerza como componentes Fx= 5 N y F = -1 2 N de la fuerza resultante R. Por tanto la magnitud de R se vuelve R = V f ? + F 2 = V ( 5 N )2 + (-1 2 N )2 = V 169 N2 = 13.0 N Para encontrar la dirección de R. primero se determina el ángulo de referencia < fi: —12 N tan 4 > = 2.40 5 N c p = 67.4° S del E El ángulo polar 9 medido en contrasentido a las manecillas del reloj a partir del eje x po sitivo es 9 = 360° - 67.4° = 292.6° La fuerza resultante es 13.0 N a 292.6°. Los ángulos deben expresarse redondeados a la dé cima de grado más cercana incluso si requieren cuatro cifras significativas para mostrar la precisión requerida. Otras respuestas pueden reportarse con sólo tres cifras significativas. El m étodo de las componentes para la suma o adición de vectores Con frecuencia es necesario sumar una serie de desplazamientos o encontrar la resultante de varias fuerzas usando métodos matemáticos. En tales casos, uno debe comenzar con un bos quejo gráfico usando el método del polígono para la suma de vectores. Sin embargo, como la
- 76. 56 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores C = 40 m D.:= -10 m R v NOTA: Ay = 0 B,= 0 C y=0 D=0 By= 50 m C = -40 m A„ = 20 m (a) (b) (c) Figura 3.19 La componente x del vector resultante es igual a la suma de las componentes x de cada vector. La componente y de la resultante es igual a la suma de las componentes y. trigonometría se usará para asegurar que los resultados finales sean precisos, sólo se necesita estimar las longitudes de cada vector. Por ejemplo, un desplazamiento de 60 m o una fuerza de 60 N deben dibujarse como un vector con una longitud aproximadamente tres veces mayor que el vector para un desplazamiento de 20 m o una fuerza de 20 N. Los ángulos dados tam bién deben estimarse. Los vectores de 30°, 160°, 240° o 324° deben dibujarse en los cuadran tes adecuados y con una dirección lo más cercana posible a la dirección real. Estos diagramas aproximados le dan una idea de la dirección de la resultante antes de hacer los cálculos, así que es conveniente que aprenda a dibujarlos rápido. Resulta útil reconocer que la componente x de la resultante o la suma de una serie de vec tores está dada por la suma de las componentes x de cada vector. Asimismo, la componente y de la resultante es la suma de las componentes y. Suponga que quiere sumar los vectores A, B, C,... para encontrar su resultante R. Se podría escribir Rx = Ax + Bx+ Cx + ■•• (3.3) Ry = Ay + By+ Cy + ••• (3.4) La magnitud de la resultante i? y su dirección 9 pueden obtenerse a partir de la ecuación (3.2). El ejemplo siguiente ilustra el método de las componentes de la suma de vectores. Supon ga que un topógrafo camina 20 m, E; 50 m, N; 40 m, O, y 10 m, S. Nuestro objetivo es hallar el desplazamiento resultante. Primero,se dibuja cada vector a una escala aproximadautilizandoel método del polígo no. De esamanera, a partir de la figura 3.19 seobserva que laresultante R debe estar en el segundo cuadrante. En este problema la obtención de las componentes de cada vector es simple, ya que cada vec tor yace completamente sobre un eje dado así que dicha componente es cero en cada caso. Note que las componentes son positivas o negativas, mientras que las magnitudes de los vectores siem pre son positivas. A veces es recomendable elaborar una tabla de componentes, como la tabla 3.5, donde se incluya para cada vector su magnitud, el ángulo de referencia y las componentes x y y. Tabla 3.5 Tabla de componentes Vector Ángulo 0 Componente x Componente y A = 20 m 0° Ax = +20 m Áy = 0 B = 50 m 90° Bx = 0 Bv= +50 m C = 40 m 180° Cx = -40 m Cy = 0 D = 10m 270° Dx = 0 Dy = — 10m R 6 Rx = 2 F x = -20 m Ry = SFj = +40 m
- 77. 3.12 El método de las componentes para la suma o adición de vectores 57 Observe detenidamente en la figura 3.19 la representación de cada una de estas componentes. Es fácil ver el significado de la componente x neta y de la componente y neta. La resultante ahora puede obtenerse a partir de las componentes Rxy R del vector resul tante. R = Vi?2 + R; = V (-20m )2 + (40 m)2 R = V400 m2 + 1600 m2 = V2000 m2;R = 44.7 m Por tanto, la dirección puede obtenerse a partir de la función tangente. tan ó = Ry 40 m R* -2 0 m 2.00 < f>= 63.4° N del O (o 116.6°) El procedimiento que se siguió en el ejemplo anterior también puede utilizarse para resolver problemas más generales que involucran vectores que no están sobre ejes perpendiculares. Recuerde que las componentes se obtienen usando las funciones seno y coseno, y que a estas componentes se deben asignar signos algebraicos adecuados antes de hacer la suma. Recuerde también que en este texto suponemos que cada magnitud dada tiene una precisión de tres ci fras significativas y que cada ángulo tiene una precisión de la décima de grado más cercana. Estrategia para resolver problemas Método de las componentes para sumar vectores (Los pasos se ilustran en el ejemplo 3.9.) 1. Trace un polígono aproximado con los vectores, dibujan do cada vector con longitudes y ángulos proporcionales. Indique la resultante como una recta dibujada desde el origen del primer vector a la punta del último vector. 2. Encuentre las componentes x y y de cada vector usan do la trigonometría si es necesario. Verifique que los signos algebraicos sean correctos antes de proseguir. 3. Elabore una tabla de componentes x y y, y sume alge braicamente para hallar la magnitud y el signo de las componentes resultantes: Rx = Ax + B, + Cx + ■■■ Ry = Ay + By 4" Cy ^ ' ' ' 4. Encuentre la magnitud y la dirección de la resultante a partir de sus componentes perpendiculares R _y R , R. R = V R2 x + i?2; tan c p = Rr Av = A eos i A,, = A sen i Tres sogas están atadas a una estaca, y sobre ella actúan tres fuerzas: A = 20 N, E; B = 30 N, 30° N del O; y C = 40 N, 52° S del O. Determine la fuerza resultante usando el método de las componentes. Plan: Dibujaremos un bosquejo aproximado del problema como se muestra en la figura 3.20. Las fuerzas se representan como vectores proporcionales y sus direcciones se indican por medio de ángulos con respecto al eje x. Por tanto, obtendremos la fuerza resultante por medio de la estrategia para resolver problemas. Solución: Los detalles del procedimiento se resumen en los pasos siguientes: 1. Dibuje un polígono proporcional con los vectores, sumando las fuerzas como en la figura 3.20b. Se estima que la resultante debe estar en el tercer cuadrante. 2. Elabore una tabla de las componentes x y y para cada vector. Note en la figura 3.21 que los ángulos de referencia c p se determinan a partir de los ejes x para efectos de trigo nometría. Se debe tener cuidado al incluir el signo correcto de cada componente. Por ejemplo, Bx, Cxy C todas son negativas. Los resultados se muestran en la tabla 3.6.
- 78. 58 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Figura 3.20 ¡ y i i | 1 / 1 1 _ _j ---------------------- 52° / B = 30N I C = 40 N / l i _ ... H / 0 O m A = 20 N i i i i i i i i i (b) Polígono de vectores Ax = 20 N A = 0 (a) i 3 1 (b) Figura 3.21 Cálculo de las componentes de los vectores. (c) Tabla 3.6 Tabla de componentes Vector Ángulo (f>x Componente x Componente y A = 20 N 0° A x = +20 N Ay = 0 B = 30 N LO O o Bx = -(30 NXcos 30°) B , = (30 N)(sen 30°) = -26.0 N ’ = 15.0 N C = 40 N 52° Cx = -(40 N)(cos 52°) Cy = -(40 N)(sen 52°) = -24.6 N ’ = -31.5 N R e Rx = 2Fr = -30.6 N Ry = '2 Fy = -16.5 N
- 79. 3.13 Notación de vectores unitarios (opcional) 59 3. Sume las componentes * para obtener R :R = A + B + C r r X X X X X Rx = 20.0 N ~ 26.0 N - 24.6 N; Rx = -30.6 N 4. Sume las componentes y para obtener R :R = A + B + C R, = 0N + 15.0 N - 31.5 N; Ry = ~ 16.5 N 5. Ahora encuentre R y 9 a .partir de Rxy R, Una figura independiente (véase la figura 3.22) a menudo es útil en el cálculo de la mag nitud y la dirección de la fuerza resultante. R = V r ; + R¡ = V ( —30.6N)2 + (-16.5 N)2; R = 34.8 N A continuación, la dirección se puede encontrar a partir de la dirección tangente. tan ó = Ry -16.5 N Rx -30.6 N = 0.539 < £ = 28.3° S del O o 180° + 28.3° = 208.3° Por consiguiente, la fuerza resultante es 34.8 N a 208.3°. Figura 3.22 Notación de vectores unitarios (opcional) Una herramienta útil para muchas aplicaciones de vectores es la especificación de la dirección por medio de un vector unitario. Este método separa claramente la magnitud de un vector de su dirección. Vector unitario: Un vector sin dimensiones cuya magnitud es exactamente 1 y cuya dirección está dada por definición. Los símbolos i. j, k se usan para describir vectores unitarios en las direcciones x, y y z po sitivas, como se indica en la figura 3.23. Por ejemplo, un desplazamiento de 40 m, E podría expresarse simplemente como +40 i, y un desplazamiento de 40 m, O podría darse como — 40 i. Por conveniencia, las unidades generalmente se omiten cuando se usa la notación i, j. Estudie cada ejemplo de la figura 3.23 hasta que comprenda el significado y uso de los vectores unitarios. Considere el vector A de la figura 3.24 que se ubica sobre el plano xy y tiene componen tes Axy A.. Podemos representar las componentes x y y del vector A usando los productos de sus magnitudes y el vector unitario adecuado. Por tanto, el vector A se puede expresar en lo que llamamos notación de vectores unitarios: A = Axi + A vj
- 80. Notación de vector unitario (i, j. k) Ejemplos de su uso 40 m, E = 40 i 40 m, W = — 40 i 30 m, N = 30 j 30 m, S = —30 j 20 m, saliendo = 20 k 20 m, entrando = — 20 k 60 Capítulo 3 Mediciones técnicas y vectores Figura 3.23 Los vectores unitarios son útiles cuando se trabaja con componentes de vectores. i i i i = i A= (A,f?) = 50 m, 36.9° J >V * j > A= Avi + Av j = 40 i + 30 j i i Figura 3.24 Dos formas de representar un vector. Por tanto, ahora un vector (A, 9) puede describirse completamente usando los productos de sus componentes y vectores unitarios adecuados. En la figura 3.24, si la magnitud de un vector A es igual a 50 m y el ángulo es 36.9°, las componentes son Ax = +40 m yA = +30 m. El vector ahora puede escribirse de dos mane ras aceptables: A = (50 m, 36.9°) o A = 40i + 30j El método del vector unitario es conveniente cuando se aplica el método de las componentes de la suma de vectores debido a que las componentes de la resultante pueden obtenerse al sumar polinomios. Considere la tabla 3.6, la cual se compiló para el ejemplo 3.9. La resultante podría obte nerse al sumar los polinomios de vector unitario como sigue: A — Axi + AyjA= +20.0 i + 0 B = Bxi + ByjB= -26.0 i + 15.0 j C = Cxi + CyjC= -24.6 i - 31.5 j R = Rxi + 7?,jR= -30.6 i - 16.5 j La magnitud y la dirección en las coordenadas polares entonces se calcula como antes, a partir de la ecuación (3.2). Los vectores unitarios ayudan a organizar los datos sin necesidad de hacer una tabla.
- 81. 3.14 Resta o sustracción de vectores 61 3.14 Resta o sustracción de vectores Cuando estudiemos la velocidad relativa, la aceleración y algunas otras cantidades, será nece- __________ sario encontrar la diferencia entre dos cantidades vectoriales. La resta de dos vectores se logra sumando un vector al negativo del otro. El negativo de un vector se determina construyendo AITI5-'- un vector igual en magnitud, pero de dirección opuesta. Por ejemplo, si A es un vector cuya magnitud es 40 m y cuya dirección es hacia el Este, entonces el vector — A es un desplaza miento de 40 m dirigido al Oeste. Igual que en álgebra, se puede decir que "¿Son historia los maniquíes a prueba de choques?" En las instalaciones de diseño de BMW en Munich, Alemania, las supercomputadoras avanzadas y las estaciones de trabajo de gran potencia están realizando simulaciones a prueba de choques con el fin de diseñar vehículos más seguros. Los cálculos que los ingenieros programan en las computadoras se basan en los métodos de suma vectorial de fuerzas. Aun cuando es poco probable que las simulaciones de computadora dejen sin trabajo a los maniquíes a prueba de choques, las pruebas de computadora reducen las probabilidades de que haya sorpresas que lleven a los diseñadores de regreso a la mesa de dibujo. y en la resta de vectores tenemos que A b = a + (~b) B = A + (— B) El proceso de restar vectores se ilustra en la figura 3.25. Los vectores dados se muestran en la figura 3.25a; la figura 3.25b muestra los vectores A y — B. El vector suma por el método del polígono se ilustra en la figura 3.25c. -I! (a) (b) Figura 3.25 Cálculo de la resta de dos vectores. (c) (Foto © R-F/Corbis.)
- 82. giga (G) = 109 mega (M) = 106 kilo (k) = 103 centi (c) = 10~2 Resumen La medición técnica es esencial para el campo de aplicaciones de la física. Hemos aprendido que hay siete unidades funda mentales y que cada una de ellas tiene una sola unidad aprobada en el SI. En mecánica, las tres cantidades fundamentales para la mayor parte de las aplicaciones son la longitud, la masa y el tiempo. Algunas de las aplicaciones incluyen vectores y otras sólo escalares. Debido a que las cantidades vectoriales tienen dirección, se deben sumar o restar mediante métodos especia les. Los siguientes puntos resumen esta unidad de estudio: 8 Los prefijos del SI utilizados para expresar múltiplos y submúltiplos de las unidades básicas se indican a conti nuación: mili (m) = 1CT3 micro (yU ,) = 10'6 nano (n) = 10-9 pico (p) = 10~1 2 Para convertir una unidad en otra: a. Escriba la cantidad que se desea convertir (número y unidad). b. Recuerde las definiciones necesarias. c. Forme dos factores de conversión para cada definición. d. Multiplique la cantidad que se va a convertir por aque llos factores de conversión que cancelen todas las uni dades, menos las deseadas. Método delpolígono para sumar vectores: El vector resul tante se obtiene dibujando cada vector a escala, colocando el origen de un vector en la punta de la flecha del otro hasta que todos los vectores queden representados. La re sultante es la línea recta que se dibuja a partir del origen del primer vector hasta la punta del último (figura 3.26). Método delparalelogramo para sumar vectores: La resul tante de sumar dos vectores es la diagonal de un paralelo- gramo que se forma tomando los dos vectores como lados adyacentes. La dirección se indica en el punto más lejano del origen común de los dos vectores (figura 3.27). Figura 3.26 Figura 3.27 Las componentes x y y de un vector (R, 6): Rx = R eos i R,. = R sen i La resultante de dos vectores perpendiculares (Rx, R): R = V R 2 X + Rl tan < ¿ >= El método de las componentes para sumar vectores: Rr = Ay + Br + C, + • ■• Ry = A, + Bv + Cv + R = V r* R R] tan d > = Conceptos clave cantidad escalar 45 cantidad vectorial 45 componentes 50 desplazamiento del pistón 35 dimensiones 44 factor de conversión 43 fuerza dinámica 50 fuerza estática 50 fuerza resultante 51 fuerzas concurrentes 51 magnitud 35 método de las componentes 62 método del paralelogramo 47 método del polígono 47 metro 38 patrón 35 peso 49 rapidez 43 segundo 38 sistema internacional de unidades (unidades del SI) 36 vector unitario 59 62
- 83. Preguntas de repaso 3.1. Exprese las siguientes mediciones en la forma del SI apropiada, empleando los prefijos adecuados. El sím bolo de la unidad básica se presenta entre paréntesis: a. 298 000 metros (m) b. 7600 volts (V) c. 0.000067 amperes (A) d. 0.0645 newtons (N) e. 43 000 000 gramos (g) f. 0.00000065 farads (F) 3.2. ¿Cuáles sonlas tres cantidades fundamentales que apa recen en la definición de la mayor parte de las leyes de la mecánica? Mencione las tres unidades fundamenta les que están asociadas a cada una de las cantidades en los sistemas de unidades del SI y del SUEU. 3.3. Una unidad de calor específico es cal/(g •°C). ¿Cuán tas definiciones se necesitan para convertir estas uni dades en sus unidades correspondientes en el SUEU, sistema en el cual las unidades son Btu/(lb • °F)? Muestre por medio de una serie de productos de qué manera llevaría usted a cabo esta conversión. 3.4. En virtud de que las unidades para s, v, ay t son, res pectivamente metros (m), metros por segundo (m/s), metros por segundo cuadrado (m/s2) y segundos (s), Problemas Nota: En éste y otros capítulos se supone que todos los nú meros son precisos hasta tres cifras significativas, a menos que se indique otra cosa. Se proporcionan las respuestas a los problemas con números impares y a algunas de las preguntas para la reflexión crítica. Sección 3.6 Conversiones de unidades 3.1. ¿Cuál es la altura en centímetros de una mujer que mide 5 pies y 6 pulgadas? Resp. 168 cm 3.2. Una sola loseta de piso mide 8 in de cada lado. Si las losetas se ponen lado a lado, ¿qué distancia en metros puede cubrir una fila de 20 losetas? 3.3. Un campo de fútbol soccer mide 100 m de largo y 60 m de ancho. ¿Cuáles son la longitud y el ancho del campo en pies? Resp. 328 ft, 197 ft 3.4. El mango de una llave inglesa mide 8 in. ¿Cuál es la longitud de dicho mango en centímetros? 3.5. Un monitor de computadora de 19 in tiene una sec ción efectiva de imagen que mide 18 in en diagonal. Exprese esta distancia en metros. Resp. 0.457 m 3.6. La longitud de una libreta es 234.5 mm y su anchura es 158.4 mm. Exprese al área superficial de la libre ta en metros cuadrados. ¿cuáles son las dimensiones de cada cantidad? Acep te o rechace las siguientes ecuaciones después de ha ber realizado un análisis dimensional: a. s —vt + 3at1 c. Vf = v0 + at2 b. 2as = vj — Vq d. 5 = vt + Aat 3.5. Señale la diferencia entrecantidades vectorialesy escalares, y cite ejemplos de cada una. Explique la diferencia entre sumar vectores y sumar escalares. ¿Es posible que la suma de dos vectores tenga una magnitud menor que cualquiera de los vectores ori ginales? 3.6. ¿Cuáles son las resultantes mínima y máxima de dos fuerzas de 10 N y 7 N si ambas actúan sobre el mismo objeto? 3.7. Busque la sección dedicada a las coordenadas rectan gulares y polares en un libro de matemáticas. ¿Qué se mejanzas observaentre las componentes de un vector y las coordenadas rectangulares y polares de un punto? 3.8. Si unvector tiene una direcciónde 230° apartir del eje x positivo, ¿qué signos tendrán sus componentes x y yl Si la razón R jR es negativa, ¿cuáles son los ángu los posibles de R, medidos a partir del eje x positivo? 3.7. Un cubo mide 5 in por lado. ¿Cuál es el volumen del cubo en unidades del SI y en unidades del SUEU? Resp. 0.00205 m3, 0.0723 ft3 3.8. En una carreterainterestatal se ha impuesto un límite de rapidez de 75 mi/h. (a) ¿Acuánto equivale estarapidez en kilómetros por hora? (b) ¿Y en pies por segundo? 3.9. Un motor Nissan tiene 1600 cm3de cilindrada (vo lumen) y un diámetro interior de 84 mm. Exprese estas medidas en pulgadas cúbicas y en pulgadas. Resp. 97.6 ¡n3, 3.31 in 3.10. Un electricista va a instalar un cable subterráneo desde la carretera hasta una vivienda que se localiza a una distancia de 1.20 mi en el bosque. ¿Cuántos pies de cable va a necesitar? 3.11. Un galón estadounidense tiene un volumen equiva lente a 231 in3. ¿Cuántos galones se necesitan para rellenar un depósito que mide 18 in de largo, 16 in de ancho y 12 in de alto? Resp. 15.0 gal 3.12. La densidad del bronce es de 8.89 g/cm3. ¿Cuál es su densidad en kilogramos por metro cúbico? Sección 3.8 Suma de vectores por métodos gráficos 3.13. Una mujer camina 4 km hacia el Este y después ca mina 8 km hacia el Norte, (a) Aplique el método del Capítulo 3 Resumen y repaso 63
- 84. polígono para hallar su desplazamiento resultante, (b) Compruebe el resultado con el método del para lelogramo. Resp. 8.94 km, 63.4° N del E 3.14. En la superficie de Marte, un vehículo se desplaza una distancia de 38 m a un ángulo de 180°. Después vira y recorre una distancia de 66 m a un ángulo de 210°. ¿Cuál fiie su desplazamiento desde el punto de partida? 3.15. Un topógrafo inicia su tarea en la esquina sudeste de una parcela y registra los siguientes desplazamien tos: A = 600 m, N; B = 400 m, O; C = 200 m, S, y D = 100 m, E. ¿Cuál es el desplazamiento neto desde el punto de partida? Resp. 500 m, 126.9° 3.16. Una fuerza descendente de 200 N actúa en forma simultánea con una fuerza de 500 N dirigida hacia la izquierda. Aplique el método del polígono para encontrar la fuerza resultante. 3.17. Las tres fuerzas siguientes actúan simultáneamente sobre el mismo objeto: A = 300 N, 30° N del E; B = 600 N, 270°; y C = 100 N hacia el Este. Halle la fuerza resultante mediante el método del polígono. Resp. 576 N,51.4° S^del E 3.18. Una embarcación navega una distancia de 200 m hacia el Oeste, después avanza hacia el Norte 400 m y finalmente 100 m a 30° S del E. ¿Cuál es su des plazamiento neto? 3.19. Dos cuerdas A y B están atadas a un gancho de ama rre, de manera que se ha formado un ángulo de 60° entre las dos cuerdas. La tensión sobre la cuerda A es de 80 N y la tensión sobre la cuerda B es de 120 N. Utilice el método del paralelogramo para hallar la fuerza resultante sobre el gancho. Resp. 174 N 3.20. Dos fuerzas Ay B actúan sobre el mismo objeto y producen una fuerza resultante de 50 N a 36.9° N del O. La fuerza A = 40 N se dirige hacia el Oeste. Halle la magnitud y la dirección de la fuerza B. Sección 3.11 Trigonometría y vectores Figura 3.28 260 N 3.21. Halle las componentes x yy de (a) un desplazamien to de 200 km a 34°, (b) una velocidad de 40 km/h a 120° y (c) una fuerza de 50 N a 330°. Resp. 166 km, 112 km; —20 km/h, 34.6 km/h; 43.3 N, -2 5 N 3.22. Un trineo es arrastrado con una fuerza de 540 N y su dirección forma un ángulo de 40° con respecto a la horizontal. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la fuerza descrita? 3.23. El martillo de la figura 3.28 aplica una fuerza de 260 N en un ángulo de 15ocon respecto a la verti cal. ¿Cuál es el componente ascendente de la fuerza ejercida sobre el clavo? Resp. 251 N 3.24. Un niño intenta levantar a su hermana del pavimento (figura 3.29). Si la componente vertical de la fuerza que lajala F tiene una magnitud de 110N y la compo- Figura 3.29 (Foto de Paul E. Tippens.) nente horizontal tiene una magnitud de 214 N, ¿cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza F? 3.25. Un río fluye hacia el Sur a una velocidad de 20 km/h. Una embarcación desarrolla una rapidez máxima de 50 km/h en aguas tranquilas. En el río descrito, la embarcación avanza a su máxima velocidad hacia el Oeste. ¿Cuáles son la rapidez y la dirección resul tantes de la embarcación? Resp. 53.9 km/h, 21.8° S del O 3.26. Una cuerda que forma un ángulo de 30° con la hori zontal arrastra una caja sobre el piso. ¿Cuál será la tensión de la cuerda si se requiere una fuerza hori zontal de 40 N para arrastrar' la caja? 64 Capítulo 3 Resumen y repaso
- 85. 3.27. Se necesita un empuje vertical de 80 N para levantar la parte móvil de una ventana. Se usa un mástil lar go para realizar dicha operación. ¿Qué fuerza será necesaria ejercer a lo largo del mástil si éste forma un ángulo de 34° con la pared? Resp. 96.5 N 3.28. La resultante de dos fuerzas A y B es de 40 N a 210°. Si la fuerza A es de 200 N a 270°, ¿cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza B? Sección 3.12 El método de las componentes para la suma de vectores 3.29. Halle la resultante de las siguientes fuerzas perpen diculares: (a) 400 N, 0o, (b) 820 N, 270° y (c) 500 N, 90°. Resp. 512 N, 321.3° 3.30. Cuatro cuerdas, las cuales forman ángulos rectos entre sí, tiran de una argolla. Las fuerzas son de 40 N, E; 80 N, N; 70 N, O, y 20 N, S. Encuentre la magnitud y la dirección de la fuerza resultante que se ejerce sobre la argolla. 3.31. Dos fuerzas actúan sobre el automóvil ilustrado en la figura 3.30. La fuerza A es igual a 120 N, hacia el Oeste, y la fuerza B es igual a 200 N a 60° N del O. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza resultante sobre el automóvil? Resp. 280 N, 38.2° N del O 200 N N Figura 3.30 3.32. Suponga que la dirección de la fuerza B del proble ma 3.31 se invirtiera (+180°) y que los demás pa rámetros permanecieran sin cambio alguno. ¿Cuál sería la nueva resultante? (Este resultado es la resta vectorial A —B.) 3.33. Calcule la fuerza resultante que actúa sobre el perno de la figura 3.31 Resp. 691.6 N, 154.1° 3.34. Calcule la resultante de las siguientes fuerzas apli cando el método de las componentes para efectuar la suma de vectores: A = (200 N, 30°). B = (300 N, 330°) y C = (400 N, 250°). 3.35. Tres embarcaciones ejercen fuerzas sobre un gan cho de amarre como muestra la figura 3.32. Halle la ¡ resultante de esas tres fuerzas. Resp. 853 N, 101.7° Figura 3.32 Sección 3.14 Resta o sustracción de vectores 3.36. Dos desplazamientos son A = 9 m, N yB = 12 m, S. Encuentre la magnitud y la dirección de (A + B) y (A - B). 3.37. Dados A = 24 m, E, y B = 50 m, S, halle la magni tud y la dirección de (a) A -i- B y (b) B —A. Resp. (a) 55.5 m, 64.4° S del E, (b) 55.5 m, 64.4° S del O Capítulo 3 Resumen y repaso 65
- 86. 3.38. La velocidad tiene una magnitud y una dirección que pueden representarse por medio de un vector. Considere una embarcación que se mueve inicial mente con una velocidad de 30 m/s directamente hacia el Oeste. En algún momento más tarde, la em barcación alcanza una velocidad de 12 m/s a 30° S del O. ¿Cuál es el cambio en la velocidad? Problemas adicionales 3.40. Calcule las componentes horizontal y vertical de los siguientes vectores: A = (400 N, 37°), B = (90 m, 320°) y C = (70 km/h, 150°). 3.41. Un cable está unido al extremo de una viga. ¿Qué tirón se requiere, a un ángulo de 40° con respecto al horizontal, para producir una fuerza horizontal efectiva de 200 N? Resp. 261 N 3.42. Un muelle para pescadoresse extiende hacia el Nor te y el Sur. ¿Cuál deberá ser la rapidez de una em barcación que avanza a un ángulo de 40° E del N para que su componente de velocidad a lo largo del muelle sea de 30 km/h? 3.43. Halle la resultante R = A + B para los siguientes pares de vectores: (a)A = 520 N, Sur, B = 269 N, Oeste, (b) A = 18 m/s, Norte, B = 15 m/s, Oeste. Resp. 585 N, 242.6°; 23.4 m/s, 129.8° 3.44. Efectúe la resta vectorial (A —B) para los pares de fuerzas del problema 3.43. 66 Capítulo 3 Resumen y repaso 3.39. Considere cuatro vectores: A = 450 N, O; B = 160 N, 44° N del O; C = 800 N. E, y D = 100 m, 34° N del E. Determine la magnitud y la dirección de A — B + C D. Dibuje el polígono de vectores. Resp. 417 N, 23.6° S del E 3.45. Un semáforo está colgado a la mitad de una cuerda, de manera que cada segmento forma un ángulo de 10° con la horizontal. La tensión sobre cada seg mento de cuerda es de 200 N. Si la fuerza resultante en el punto medio es cero, ¿cuál es el peso del semá foro? Resp. 69.5 N 3.46. Calcule la resultante de las fuerzas ilustradas en la figura 3.33. 3.47. Calcule la fuerza resultante que actúa sobre la argolla de la figura 3.34. Resp. 311.5°, 25.6° N O 3.48. Un bloque de 200 N descansa sobre un plano incli nado a 30°. Si el peso del bloque actúa verticalmente hacia abajo, ¿cuáles son las componentes del peso hacia abajo del plano y en dirección perpendicular al plano? 3.49. Halle la resultante de los tres desplazamientos siguientes: A = 220 m, 60°; B = 125 m, 210°, y C = 175 m, 340°. Resp. 180 m, 22.3° Figura 3.34
- 87. Preguntas para !a reflexión crítica *3.50. Considere estos tres vectores: A = 100 m, 0o; B = 400 m, 270°; y C = 200 m, 30°. Elija una escala apropiada y muestre gráficamente que el resultado es el mismo, sin importar en qué orden sean suma dos estos vectores; es decir, A + B + C = C + B + A. ¿La afirmación anterior también es válida para la resta de vectores? Demuestre gráficamente que A —C produce un resultado diferente que C —A. 3.51. Dos fuerzas A = 3 0 N y 5 = 90N pueden actuar sobre un objeto en cualquier dirección que se desee. ¿Cuál es la máxima fuerza resultante? ¿Cuál es la mínima fuerza resultante? ¿Es posible que la fuerza resultante sea cero? Resp. 120 N, 60 N, no 3.52. Considere dos fuerzas A = 40 N y B = 80 N. ¿Cuál tiene que ser el ángulo entre esas dos fuerzas para que la magnitud de la fuerza resultante sea 60 N? *3.53. ¿Qué tercera fuerza F es necesario agregar a las dos fuerzas siguientes para que la fuerza resultante sea igual a cero? A = 120 N, 110° y B = 60 N, 200°. Resp. 134 N, 316.6° *3.54. Un avión requiere una dirección resultante con cur so hacia el Oeste. La rapidez del avión es 600 km/h cuando el aire está inmóvil. Si el viento adquiere una rapidez de 40 km/h y sopla en dirección de 30° S del O, ¿en qué dirección se deberá orientar el avión y cuál será su rapidez relativa con respecto al suelo? *3.55. ¿Cuáles tendrán que ser la magnitud i7 y la direc ción 6 de la fuerza necesaria para que el automóvil de la figura 3.31 avance directamente hacia el Este, con una fuerza resultante de 400 Ib? Resp. 223 Ib, 17.9° Capítulo 3 Resumen y repaso 67
- 88. Equilibrio traslacional y fricción Un escalador de montaña ejerce fuerzas de acción en las grietas y salientes; esas fuerzas producen fuerzas de reacción en el escalador, lo que permite ascender por los muros de la montaña. (Foto © vol. 1 Photo Disc/ Getty) Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Demostrará mediante ejemplos o experimentos su comprensión de la primera y la tercera leyes de Newton sobre el movimiento. 2. Establecerá la primera condición de equilibrio, dará un ejemplo físico y de mostrará gráficamente que éste satisface la primera condición. 3. Construirá un diagrama de cuerpo libre que represente todas las fuerzas que actúan sobre un objeto que se halla en equilibrio traslacional. 4. Encontrará las fuerzas desconocidas aplicando la primera condición de equilibrio. 5. Aplicará su conocimiento acerca de la fricción cinética y estática para resolver problemas de equilibrio. Las fuerzas pueden actuar de tal forma que causen el movimiento o que lo eviten. Los grandes puentes deben diseñarse de modo que el esfuerzo global de las fuerzas evite el movimiento. Las armaduras, vigas, trabes y cables de que están formados deben estar en equilibrio. Dicho de otro modo, las fuerzas resultantes que actúan en cualquier punto de la estructura deben estar equilibradas. Las plataformas, montacargas, ganchos, cables elevadores e incluso los grandes edificios han de construirse de manera que se conozcan y se controlen y comparen 68
- 89. 4.2 Segunda ley de Newton 69 los efectos de las fuerzas. En este capítulo continuaremos el estudio de las fuerzas en relación con los cuerpos en reposo. Estudiaremos también la fuerza de fricción, de suma importancia para el equilibrio en numerosas aplicaciones, como una extensión natural de nuestro trabajo con fuerzas de todo tipo. Primera Sey de Newton Por experiencia sabemos que un objeto estacionario permanece en reposo a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Una lata de aceite permanece en la mesa de trabajo hasta que alguien la derriba. Un objeto suspendido estará colgando hasta que se suelte. Sabemos que son necesarias las fuerzas para hacer que algo se mueva si originalmente estaba en reposo. Resulta menos obvio que un objeto en movimiento continuará en ese estado hasta que una fuerza exterior cambie el movimiento. Por ejemplo, una barra de acero que se desliza por el piso de la tienda pronto quedará en reposo debido a su interacción con el piso. La misma barra se deslizaría una distancia mucho mayor, antes de detenerse, si estuviera sobre hielo, lo cual se debe a que la interacción horizontal, llamada fricción, entre el piso y la barra es mucho mayor que la fricción entre el hielo y la barra. Esto nos sugiere la idea de que una barra que se deslizara sobre una superficie horizontal, totalmente carente de fricción, perma necería moviéndose para siempre. Tales ideas forman una parte de laprimera ley de Newton del movimiento. Primera ley de Newton. Un cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa no equilibra da actúe sobre él. Debido a la existencia de la fricción, no existe ningún cuerpo real que esté totalmente libre de la acción de fuerzas externas. Sin embargo, hay situaciones en las que es posible hacer que la fuerza resultante sea igual o aproximadamente igual a cero. En tales casos, el cueipo debe comportarse de acuerdo con la primera ley del movimiento. Puesto que reconocemos que la fricción nunca puede ser eliminada por completo, también debemos aceptar que la primera ley de Newton es una expresión de una situación ideal. Un volante que gira sobre cojinetes lubricados tiende a mantenerse girando; pero aun la más leve fricción hará que tarde o tem prano se detenga. Newton llamó inercia a la propiedad de una partícula que le permite mantenerse en un constante estado de movimiento o de reposo. Su primera ley a veces se conoce como ley de inercia. Cuando un automóvil se acelera, los pasajeros obedecen esta ley tendiendo a perma necer en reposo hasta que la fuerza externa de los asientos los obliga a moverse. De manera similar, cuando el automóvil se detiene los pasajeros continúan en movimiento a rapidez constante hasta que son detenidos por los cinturones de seguridad o por su propio esfuerzo. Toda la materia posee inercia. El concepto de masa será presentado más adelante como una medida de la inercia de un cuerpo. Segunda Sey de Newton En virtud de que el estado de un objeto en reposo o en movimiento no será modificado sin la acción de una fuerza de desequilibrio ahora debemos considerar qué sucede si hay una fuerza resultante. La experiencia nos indica que cuanto más y más grandes fuerzas resultantes se ejerzan en un objeto, más y más grande será el cambio en la velocidad de éste (véase la figura 4.1). Además, si se mantiene constante la fuerza resultante y se aplica a masas cada vez más grandes, el cambio en la velocidad disminuye. El cambio de velocidad por unidad de tiempo se define como aceleración a. Newton demostró que hay una relación directa entre la fuerza aplicada y la aceleración resultante. Por añadidura, probó que la aceleración disminuye proporcionalmente con la iner cia o masa (m) del objeto. En la segunda ley de Newton se postula este principio.
- 90. 70 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Una persona con entrenamiento en karate puede romper un bloque de concreto de 3.8 cm de espesor con la mano, que se mueve a 11 m/s, lo cual crea una fuerza de 3069 N. Los huesos de la mano pueden resistir fuerzas de hasta 40 veces esa cantidad. (Foto © SS34 PhotoDisc/ Getty.) Figura 4.1 Si despreciamos las fuerzas de fricción, al empujar el carro con el doble de fuerza se produce el doble de aceleración. Si se triplica la fuerza se triplica la aceleración. Segunda ley de Newton. La aceleración a de un objeto en la dirección de una fuerza resultante (F) es directamente proporcional a la m agnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa (m). F a = — o F = ma m Cabe señalar que cuando la velocidad no cambia, ci = 0 y la primera ley de Newton resulta entonces en un caso especial de la segunda. Sin la fuerza de desequilibrio el movimiento del objeto no cambiará. La palabra importante aquí es cambio; nos ayuda a recordar que no hay fuerza resultante sobre los objetos en reposo o en movimiento a rapidez constante. Más adelante veremos matemáticamente la segunda ley del movimiento de Newton, junto con definiciones más rigurosas defuerza y masa. Antes hemos de considerar los pormenores de los objetos en reposo o, más concretamente, de los objetos sin aceleración. Una vez que us ted sea capaz de entender cabalmente una explicación vectorial de las fuerzas, estudiaremos las implicaciones del cambio de movimiento. Tercera ley de Newton No puede haber una fuerza si no están implicados dos cuerpos. Cuando un martillo golpea un clavo ejerce una fuerza de “acción" sobre él. Pero el clavo también “reacciona” empujando hacia atrás al martillo. En todos los casos debe haber una fuerza de acción y una de reacción. Siempre que dos cuerpos interactúan, la fuerza ejercida por el segundo sobre el primero (la fuerza de reacción) es igual en magnitud pero de sentido contrario a la dirección de la fuerza ejercida por el primer cuerpo sobre el segundo (la fuerza de acción). Este principio se enuncia en la tercera ley de Newton. Tercera ley de Newton. Para cada fuerza de acción debe haber una fuerza de reacción igual y opuesta. Por tanto, no puede existir una sola fuerza aislada. Considere los ejemplos de fuerzas de acción y de reacción de la figura 4.2. Observe que las fuerzas de acción y de reacción no se anulan. Son iguales en magnitud y opuestas en dirección, pero actúan sobre objetos diferentes. Para que dos fuerzas se anulen deben actuar sobre el mismo objeto. Se puede decir que las fuerzas de acción crean las fuerzas de reacción. Por ejemplo, cuando alguien empieza a subir una escalera lo primero que hace es colocar un pie sobre el escalón y empujarlo. El peldaño debe ejercer una fuerza igual y opuesta sobre el pie para evitar quebrarse. Cuanto mayor es la fuerza que ejerce el pie sobre el escalón,
- 91. 4.4 Equilibrio 71 sobre el techo Figura 4.2 Ejemplos de fuerzas de acción y de reacción. *(A1 sostener la pesa con la mano, la mano ejerece una fuerza en sentido opuesto a la fuerza gravitacional, es decir, en sentido vertical hacia arriba; de lo contrario la pesa seguirá su trayectoria de caída libre.) mayor será la reacción contra el pie. Desde luego, el escalón no puede crear una fuerza de reacción hasta que la fuerza del pie se aplica. La fuerza de acción actúa sobre el objeto y la de reacción sobre el agente que aplica la fuerza. Equilibrio El transbordador espacial aplica la tercera ley de Newton cada vez que despega. La fuerza que la propulsa proviene del encendido de combustible sólido para cohetes. Cuando la fuerza del propulsor en encendido es mayor que ia acción ejercida por la gravedad sobre la masa de la nave, ésta despega. Definimos lafuerza resultante como una sola fuerza cuyo efecto es igual al de un sistema de fuerzas en particular. Si la tendencia de un conjunto de fuerzas es producir un movimiento, la resultante también lo produce. Existe una condición de equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es igual a cero. Esto equivale a decir que cada fuerza externa se equilibra con la suma de todas las demás fuerzas externas cuando existe equilibrio. En consecuencia, de acuerdo con la primera ley de Newton, un cuerpo en equilibrio debe estar en reposo o en movimiento con velocidad constante, ya que no existe ninguna fuerza externa que no esté equilibrada. Consideremos el sistema de fuerzas que se presenta en la figura 4.3a. Al resolverlo por el método del polígono de vectores se demuestra que, independientemente del orden en que se sumen éstos, su resultante siempre es cero. El extremo del último vector siempre termina en el origen del primero (véase la sección 3.7). Un sistema de fuerzas que no esté en equilibrio puede equilibrarse si se sustituye la fuerza resultante por una fuerza igual pero opuesta denominada equilibrante. Por ejemplo, observe que las dos fuerzas A y B de la figura 4.4a tienen una resultante R en una dirección de 30° sobre la horizontal. Si le sumamos E, que es igual a R en magnitud pero cuyo ángulo es 180° mayor, el sistema estará en equilibrio, como se observa en la figura 4.4b. Fuerza del piso sobre el hombre j Fuerza del } hombre sobre * el piso Fuerza de la pared sobre las manos 4 j> ‘ ^ i r Fuerza de las manos sobre la pared
- 92. 72 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción La NASA está desarrollando otros propulsores para el despegue del transbordador espacial. La propulsión eléctrica solar usa celdas solares para generar electricidad, la cual ioniza átomos de criptón o xenón. Cuando esos iones se cargan eléctricamente, generan una fuerza de empuje al ser acelerados a través de un campo electromagnético y finalmente expulsados. Figura 4.3 Fuerzas en equilibrio. Figura 4.4 La fuerza equilibrante. En el capítulo anterior vimos que las magnitudes de las componentes de x y y de cual quier resultante R están dadas por Rx = ^ Fx = Ax + B, + Cx + ... R y F ' + B . + C , + . . . Cuando un cuerpo está en equilibrio, la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es igual a cero. En este caso, tanto Rxcomo Rydeben ser cero; por tanto, para un cuerpo en equilibrio se tiene que 2 Fv = 0 £ ¿V = 0 (41) Estas dos ecuaciones representan un enunciado matemático de la primera condición de equi librio, que puede expresarse como se indica a continuación: Un cuerpo se halla en estado de equilibrio traslacional si y sólo si la suma vec torial delas fuerzasque actúan sobre él es igual a cero. El término equilibriotraslacional se emplea para distinguir la primera de la segunda condición de equilibrio, la cual se refiere al movimiento rotacional, que se estudiará en el capítulo 5. Diagramas de cuerpo libre Antes de aplicar la primera condición de equilibrio para resolver problemas físicos es nece sario aprender a construir diagramas vectoriales. Considere, por ejemplo, la pesa de 400 N suspendida mediante cuerdas, como se muestra en la figura 4.5a. Hay tres fuerzas que actúan
- 93. 4.5 Diagramas de cuerpo libre 73 400 N (a) Pesa suspendida 400 N (b) Fuerzas de acción Figura 4.5 Diagramas de cueipo libre que muestran las fuerzas de acción y de reacción. sobre el nudo: las ejercidas por el techo, el muro y la Tierra (peso). Si cada una de estas fuer zas se marca y se representa con un vector, es posible trazar un diagrama de vectores como el de la figura 4.5b. Un diagrama de ese tipo se llama diagram a de cuerpo libre. Un diagrama de cuerpo libre es un diagrama vectorial que describe todas las fuerzas que actúan sobre un objeto o cuerpo. Note que en el caso de las fuerzas concurrentes, todos los vectores apuntan hacia fuera del centro de los ejes x y y, los cuales se intersecan en un origen común. Al dibujar diagramas de cuerpo libre es importante distinguir entre las fuerzas de acción y las de reacción. En nuestro ejemplo hay fuerzas que actúan sobre el nudo, pero también hay tres fuerzas de reacción iguales y opuestas ejercidas por el nudo. Con base en la tercera ley de Newton, las fuerzas de reacción ejercidas por el nudo sobre el techo, la pared y el suelo se pre sentan en la figura 4.5c. Para evitar confusiones, es importante seleccionar un punto en el que actúen todas las fuerzas y dibujar aquellas fuerzas que actúan sobre el cuerpo en ese punto. Cóm o construir un diagram a de cuerpo libre 1. Trace un bosquejo e indique las condiciones del proble ma. Asegúrese de representar todas las fuerzas conoci das y desconocidas y sus ángulos correspondientes. 2. Aísle cada cueipo del sistema en estudio. Realice esto mentalmente o dibujando un círculo alrededor del pun to donde se aplican todas las fuerzas. 3. Construya un diagrama de fuerzas para cada cuerpo que va a estudiar. Las fuerzas se representan como vectores con su origen situado al centro de un sistema coordenado rectangular. (Véase los ejemplos de las fi guras 4.6 y 4.8.) Represente los ejes x y y con líneas punteadas. No es indispensable trazar estos ejes horizontal y vertical mente, como se verá más adelante. 5. Con líneas punteadas trace los rectángulos correspon dientes a las componentes x y y de cada vector, y deter mine los ángulos conocidos a partir de las condiciones dadas en el problema. 6. Marque todas las componentes conocidas y desconoci das, opuestas y adyacentes a los ángulos conocidos. Aun cuando este proceso parezca laborioso, es muy útil y a veces necesario para com prender claramente un problema. Cuando tenga práctica en trazar diagramas de cuerpo libre, su uso se convertirá en mera rutina. Los dos tipos de fuerzas que actúan sobre un cuerpo son las fuerzas de contacto y las fuerzas de campo. Ambas deben considerarse en la construcción de un diagrama de fuerzas. Por ejemplo, la atracción gravitacional de un cuerpo por parte de la Tierra, conocida como peso, no tiene un punto de contacto con el cuerpo; no obstante, ejerce una fuerza real y debe considerarse un factor importante en cualquier problema de fuerzas. La dirección del vector peso debe considerarse siempre hacia abajo.
- 94. 74 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción r Un bloque de peso Wcuelga de una cuerda atada a otras dos cuerdas, A y B, las cuales, a su vez, están sujetas del techo. Si la cuerda B forma un ángulo de 60° con el techo y la cuerda A uno de 30°, trace el diagrama de cuerpo libre del nudo. Plan: Seguiremos paso por paso el procedimiento para trazar diagramas de cuerpo libre. Solución: Se traza y marca un diagrama como el de la figura 4.6; luego se dibuja un círculo alrededor del nudo donde se ejerce cada fuerza. En la figura 4.6b se presenta el diagrama de cuerpo libre completo. Observe que todas las componentes están identificadas claramente como opuestas y adyacentes a los ángulos proporcionados. (a) (b) Figura 4.6 (a) Se traza un bosquejo para aclarar el problema, (b) Se construye un diagrama de cuerpo libre. El diagrama de cuerpo libre trazado en el ejemplo 4.1 es válido y funcional, pero la so lución se halla con mayor facilidad si se colocan los ejes x y y a lo largo de los vectores A y B, en lugar de utilizarlos horizontal y verticalmente. Al girar los ejes en forma perpendicular como se muestra en la figura 4.7 se observa que sólo hay que descomponer el vector peso (W) en sus componentes. Los vectores A y B se hallan ahora a lo largo o, mejor dicho, sobre cada uno de los ejes. Como regla, deben elegirse los ejes x y y de forma que se maximice el número de fuerzas desconocidas que yacen a lo largo de un eje. Figura 4.7 Al girar los ejes x y y se hacen coincidir con los vectores perpendiculares A y B.
- 95. 4.6 Solución de problemas de equilibrio 75 B Tx W Figura 4.8 Ejemplos de diagramas de cuerpo libre. Note que las componentes de los vectores están rotula das opuestas y adyacentes a los ángulos que se conocen. Tal vez la parte más difícil en la construcción de diagramas de vectores es la visualiza- ción de fuerzas. Al trazar tales diagramas es útil imaginar que las fuerzas actúan sobre usted. Suponga que usted es el nudo de una cuerda, o el bloque situado sobre una mesa, y trate de determinar las fuerzas que actuarían sobre usted. En la figura 4.8 se presentan dos ejemplos más. Note que la fuerza ejercida por el soporte de la figura 4.8a se dirige hacia afuera y no hacia la pared. Esto se debe a que estamos interesados en las fuerzas que se ejercen sobre el extremo del soporte y no en las ejercidas por el extremo del soporte. Seleccionamos un punto en el extremo del soporte, donde están atadas las dos cuerdas. El peso de 60 N y la tensión, T, son fuerzas de acción ejercidas por las cuerdas en ese punto. Si el extremo del soporte no se mueve, estas fuerzas deben equilibrarse con una tercera fuerza, la que ejerce la pared (a través del soporte). Esta tercera fuerza B, que actúa en el extremo del soporte, no debe confundirse con lafuerza de reacción hacia adentro que actúa sobre la pared. El segundo ejemplo (figura 4.8b) muestra también fuerzas de acción que actúan sobre dos bloques conectados por una cuerda ligera. Las fuerzas de fricción, que estudiaremos posteriormente, no se incluyen en estos diagramas. La tensión en la cuerda en cualquiera de sus lados se representa por T. y las fuerzas normales flx y U2 son fuerzas perpendiculares ejercidas por el plano sobre los bloques. Si no existieran tales fuerzas, los bloques oscilarían juntos. (Observe la ubicación de los ejes en cada diagrama.) Solución de problemas de equilibrio En el capítulo 3 estudiamos un procedimiento para encontrar la resultante de varias fuerzas por un método rectangular. Un procedimiento similar se puede utilizar para sumar fuerzas que se hallan en equilibrio. En este caso, la primera condición para el equilibrio nos indica que la resultante es igual a cero, es decir R, =2 Fv=0 Ry =2 Fy =0 Por tanto, tenemos dos ecuaciones que sirven para hallar fuerzas desconocidas. (4.2)
- 96. 76 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Equilibrio traslacional 1. Trace un bosquejo y anote las condiciones del problema. 2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre (véase la sección 4.5). 3. Encuentre todas las componentes x y y de las fuerzas, aunque incluyan factores desconocidos, tales como A eos 60° o B sen 60°. (Tal vez desee elaborar una tabla de fuerzas como se muestra en la tabla 4.1.) 4. Use la primera condición de equilibrio [ecuación (4. 1)] para formar dos ecuaciones en términos de las fuerzas desconocidas. 5. Determine algebraicamente los factores desconocidos. Tabla 4.1 Fuerza e X Componente x Componente y A 60° Ax = — A eos 60° Av = A sen 60° B 0° Bx = B Bx = 0 W 1 V O Oo Wx = 0 = —100 N 2 Fx = B — A eos 60° 2 Fy = A sen 60° - 100 N Una pelota de 100 N suspendida por una cuerda A es jalada hacia un lado en forma hori zontal mediante otra cuerda B y sostenida de tal manera que la cuerda A forma un ángulo de 30° con el muro vertical (véase la figura 4.9). Encuentre las tensiones en las cuerdas A y b . Plan: Se sigue la estrategia para resolver problemas. Solución: 1. Trace un bosquejo (figura 4.9a). 2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre (figura 4.9b). 3. Determine las componentes de todas las fuerzas (tabla 4.1). Observe que en la figura A y W son negativas. 4. Ahora aplique la primera condición de equilibrio. La suma de fuerzas a lo largo del eje x es: ^ F x = B - A eos 60° = 0 (b) Figura 4.9 Las fuerzas que actúan en el nudo se representan en un diagrama de cuerpo libre.
- 97. 4.6 Solución de problemas de equilibrio 77 de la cual se obtiene B —A eos 60° = 0.5A (4.3) puesto queeos 60° =0.5.Resulta una segunda ecuación al sumar lascomponentes del eje y: ^ Fy = A sen 60° - 100 N = 0 de donde A sen 60° = 100 N (4.4) 5. Finalmente, seresuelvepara las fuerzas desconocidas.A partir de laecuación (4.4) y como sen 60° = 0.866, entonces 0.866A = 100 N o bien, 100 N A = --------= 115 N 0.866 Ahora que se conoce el valor de A, se despeja B de la ecuación (4.3) como sigue: B = 0.5A = (0.5)(115 N) = 57.5 N fUna pelota de 200 N cuelga de una cuerda unida a otras dos cuerdas, como se observa en la figura 4.10. Encuentre las tensiones en las cuerdas A, B y C. Pía n: Primero trazaremos un diagrama de cuerpo libre y luego aplicaremos la primera condición de equilibrio a fin de hallar las tensiones desconocidas de las cuerdas. Solución: Con base en el bosquejo proporcionado se construye el diagrama de cuerpo libre (figura 4.10b). Las componentes x y y, calculadas a partir de la figura, se presentan en la tabla 4.2. Al sumar las fuerzas a lo largo del eje x se obtiene: ^ Fx = -A eos 60° + B eos 45° = 0 Figura 4.10 200 N (a) 200 N (b)
- 98. 78 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Tabla 4.2 Fuerza Componente x Componente y A O O vo A, = — A eos 60° Av = A sen 60° B 45° Bx —B eos 45° Bt = B sen 45° C o o C, = 0 Cv = -200 N que puede simplificarse por sustitución de funciones trigonométricas conocidas; o sea: -0.5A + 0.7075 - 0 (4.5) Se necesita más informaciónpara resolver esta ecuación. Obtenemos unasegunda ecua ción sumando las fuerzas a lo largo del eje y, lo que resulta 0.866A + 0.707# = 200 N (4.6) Ahora seresuelven simultáneamente las ecuaciones (4.5) y (4.6) para A y B mediante el proceso de sustitución. Si se despeja A de la ecuación (4.5) se obtiene 0.7075 A = --------- o A = 1.4145 0.5 Ahora se sustituye esta igualdad en la ecuación (4.6) y se obtiene 0.866 (1.4145) + 0.7075 = 200 N que se utiliza para despejar 5 como sigue: 1.2255 + 0.7075 = 200 N 1.935 = 200 N 200 N 5 = --------= 104 N 1.93 Se puede calcular la tensión A sustituyendo 5 = 104 N en la ecuación (4.7): A = 1.4145 = 1.414(104 N) o A = 147 N Desde luego, la tensión en la cuerda C es 200 N, ya que debe ser igual al peso. (4.7) j§T Un bloque de 200 N descansa sobre un plano inclinado sin fricción, que tiene una pendiente de 30°. El bloque está atado a una cuerda que pasa sobre una polea sin fricción colocada en el extremo superior del plano y va atada a un segundo bloque. ¿Cuál es el peso del segundo bloque si el sistema se encuentra en equilibrio? Plan: Se elabora el bosquejo del problema y se traza el diagrama de cuerpo libre de cada blo que (véase la figura 4.11). Luego se aplica la primera condición de equilibrio a cada diagrama para determinar el valor del peso suspendido W . Solución: Para el peso suspendido, 2 Fy = 0 da por resultado T - W 2 = 0 o T = w2 Puesto que la cuerda es continua y el sistema no está afectado por la fricción, la tensión apli cada para el bloque de 200 N (véase la figura 4.11b) también debe ser igual a Wv
- 99. 4.7 Fricción 79 w, !v WKA ^a 60( ^lv w, w. (b) (c) Figura 4.11 Se traza un diagrama de cuerpo libre para cada bloque del problema. Tabla 4.3 Fuerza 0X Componente .t Componentey T 0° S i ii I I E-s Ty = 0 n o O G nx= o n, =n w, o O WLx = -(200 N) eos 60° Wu. =-(200 N) sen 60° Considerando el diagrama para el bloque que se halla sobre el plano inclinado, deter minamos las componentes de cada fuerza ejercida en él como se muestra en la tabla 4.3. Al aplicar la primera condición de equilibrio se obtiene 2 Fx = 0: T - (200 N) eos 60° = 0 (4.8) 2 ¿V= 0: 71 ~ (200 N) sen 60° = 0 (4-9) De la ecuación (4.8) obtenemos T= (200 N) eos 60°= 100 N y puesto que la tensión T en la cuerda es igual al peso W1se dice que se necesita un peso de 100 N para mantener el equilibrio. La fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque de 200 N se determinaapartir de la ecuación (4.9), aunque este cálculo no fue necesario para determinar el pesoW . n = (200 N) sen 60° = 173 Ib Fricción Siempre que un cuerpo se mueve estando en contacto con otro objeto, existen fuerzas de fricción que se oponen al movimiento relativo. Estas fuerzas se deben a que una superficie se adhiere contra la otra y a que encajan entre sí las irregularidades de las superficies de roza miento. Es precisamente esta fricción la que mantiene a un clavo dentro de una tabla, la que nos permite caminar y la que hace que los frenos de un automóvil cumplan su función. En todos estos casos la fricción produce un efecto deseable. Sin embargo, en muchas otras circunstancias es indispensable minimizar la fricción. Por ejemplo, provoca que se requiera mayor trabajo para operar maquinaria, causa desgaste y genera calor, lo que a menudo ocasiona otros perjuicios. Los automóviles y los aviones se diseñan con formas aerodinámicas para reducir la fricción con el aire, ya que ésta es muy grande a gran rapidez. Siempre que se desliza una superficie sobre otra, la fuerza de fricción que ejercen los cuerpos entre sí es paralela o tangente a ambas superficies y actúa de tal modo que se opone al movimiento relativo de las superficies. Es importante observar que estas fuerzas existen no sólo cuando hay un movimiento relativo, sino también cuando uno de los cuerpos tan sólo tiende a deslizarse sobre el otro.
- 100. 80 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción (a) (b) Figura 4.1 2 (a) En fricción estática el movimiento es inminente, (b) En ficción cinética las dos superficies están en movimiento relativo. (Foto de Hemerci, Inc.) Tensión en la cuerda )k W' Peso total (b) Figura 4.13 Experimento para determinar la fuerza de fricción. / n t T w 'i (c) Suponga que se ejerce una fuerza sobre un baúl, como se muestra en la figura 4.12. Al principio el bloque no se mueve debido a la acción de una fuerza llamadafuerza defricción estática (fj, pero a medida que aumenta la fuerza aplicada llega el momento en que el bloque se mueve. La fuerza de fricción ejercida por la superficie horizontal mientras se mueve el bloque se denominafuerza defricción cinética (f). Las leyes que rigen a las fuerzas de fricción se determinan experimentalmente en el labo ratorio utilizando un aparato similar al que se ilustra en la figura 4.13a. Considere una caja de peso W colocada sobre una mesa horizontal y atada con una cuerda que pasa por una polea, ligera y sin fricción; además, en el otro extremo de la cuerda se cuelgan varias pesas. Todas las fuerzas que actúan sobre la caja y las pesas se presentan en sus diagramas de cuerpo libre correspondientes (figura 4.13b y c). Consideremos que el sistema está en equilibrio, lo que implica que la caja esté en reposo o se mueva con velocidad constante; en cualquier caso se puede aplicar la primera condición de equilibrio. Analice el diagrama de fuerzas como se muestra en la figura 4.13c. X Fx = 0: 1 ^ = 0: f - T = 0 n - w = o f = T n =w Por tanto, la fuerza de fricción es de igual magnitud que la tensión en la cuerda y la fuerza normal ejercida por la mesa sobre la caja es igual al peso de esta última. Observe que la ten sión en la cuerda se determina por el peso de las pesas sumado al peso de su soporte. Suponga que empezamos colocando poco a poco pesas en el soporte para aumentar gra dualmente la tensión de la cuerda. Al incrementar la tensión, la fuerza de fricción estática, que es de igual magnitud pero de dirección opuesta, también aumenta. Si T aumenta lo suficiente, la caja empieza a moverse, lo que significa que T ha sobrepasado la máxima fuerza de fric ción estática f . . Por ello, aunque la fuerza de fricción estática f cambiará de acuerdo con J s,max 7 1 J s los valores de la tensión de la cuerda, existe un valor máximo único f . . J s,max Para continuar el experimento, suponga que agregamos pesas a la caja, con lo que au mentaría la fuerza normal {Tí) entre la caja y la mesa. La fuerza normal ahora será TI + W + pesas añadidas
- 101. 4.7 Fricción 81 Si se repite el experimento anterior, veremos que será necesario un nuevo valor de T, proporcionalmente mayor, para superar la máxima fuerza de fricción estática. Es decir, al duplicar la fuerza normal entre las dos superficies, la máxima fuerza de fricción estática que debe contrarrestarse se duplica también. Si U se triplica, f se triplica también, y lo mismo ocurre para los demás factores. Por tanto, puede decirse que la máxima fuerza de fricción estática es directamente proporcional a la fuerza normal entre las dos superficies. Podemos escribir esta proporcionalidad como fs. máx ^ La fuerza de fricción estática siempre es menor o igual que la fuerza máxima: f s =£ P / l ( 4 .1 0 ) A menos que se indique de otra forma, la ecuación (4.10) se escribe como una igualdad y se supone que se refiere al máximo valor de fricción estática. El símbolo ¡x es una constante de proporcionalidad llamada coeficiente defricción estática. Puesto que ¡xses una razón cons tante entre dos fuerzas, se trata de una cantidad sin dimensiones. En el experimento anterior se debe observar que una vez que se sobrepasa el máximo valor de fricción estática, la caja aumenta su rapidez, es decir, seacelera, hasta topar con la polea. Estosignifica que bastaría un valor menor de Tpara mantener la caja en movimiento con rapidez constante. Por tanto, la fuerza de fricción cinética es menor que el máximo valor de/spara las dos superficies. En otras palabras, se requiere de más fuerza para que el bloque empiece a moverse que para mantenerlo en movimiento a rapidez constante. En este último caso también se satisface la primera condición de equilibrio; así, el mismo razonamiento que nos permitió derivar la ecuación (4.10) para la fricción estática, nos lleva a la siguiente pro porcionalidad para la fricción cinética: fu = I L f l (4 . 1 1 ) donde ¡x es una constante de proporcionalidad llamada coeficiente defricción cinética. Se puede demostrar que los coeficientes de proporcionalidad ¡jl y ¡jl dependen de la ru gosidad de las superficies pero no del área de contacto entre ellas. Al analizar las ecuaciones anteriores se observa que ¡x depende únicamente de la fuerza de fricción/ y de la fuerza nor mal TI entre las superficies. Se debe aceptar, desde luego, que las ecuaciones (4.10) y (4.11) no son fundamentalmente rigurosas, como otras ecuaciones físicas. Gran número de variables interfieren con la aplicación general de estas fórmulas. Por ejemplo, nadie que tenga expe riencia en carreras de automóviles puede creer que la fuerza de fricción sea completamente independiente del área de contacto. Sin embargo, las ecuaciones son herramientas útiles para determinar las fuerzas de resistencia en casos específicos. En la tabla 4.4 se muestran algunos valores representativos de los coeficientes de fric ción estática y cinética entre diferentes tipos de superficies. Estos valores son aproximados y dependen de las condiciones de las superficies. No obstante, para nuestros propósitos, supon dremos que todos ellos tienen coeficientes de hasta tres cifras significativas. Tabla 4.4 Coeficientes aproximados de fricción Material !xk Madera sobre madera 0.7 0.4 Acero sobre acero 0.15 0.09 Metal sobre cuero 0.6 0.5 Madera sobre cuero 0.5 0.4 Caucho sobre concreto seco 0.9 0.7 Caucho sobre concreto mojado 0.7 0.57
- 102. 82 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Consideraciones para problem as en los que interviene la fricción 1. Las fuerzas de fricción son paralelas a las superficies y se oponen directamente al movimiento o al movimien to inminente. 2. La máxima fuerza de fricción estática es mayor que la fuerza de fricción cinética para los mismos materiales. 3. Al dibujar diagramas de cuerpo libre, en general es preferible elegir el eje x siguiendo la dirección del mo vimiento y el eje y normal a la dirección del movi miento o del movimiento inminente. La primera condición de equilibrio puede aplicarse para formar dos ecuaciones que representen las fuer zas a lo largo del plano del movimiento y las que son perpendiculares a él. 5. Las relacionesfs = /ijl yfk = fxkTl se aplican para de terminar la cantidad deseada. ó. Jamás debe darse por hecho que lafuerza normal es igual al peso. Se debe determinar su magnitud suman do las fuerzas a lo largo del eje normal. w /s Un trineo de 50 N descansa sobre una superficie horizontal y se requiere un tirón horizon tal de 10 N para lograr que empiece a moverse. Después de que comienza el movimiento basta una fuerza de 5 N para que el trineo siga moviéndose con una velocidad constante. Encuentre los coeficientes de fricción estática y cinética. Plan: Las palabras clave que deben captarse son empiece a moverse y siga moviéndose con una velocidad constante. Las primeras implicanfricción estática, en tanto que las últi mas se refieren a lafricción cinética. En cada caso existe una condición de equilibrio y es posible hallar los valores para los valores de la fuerza normal y de la de fricción, que son necesarios para determinar los coeficientes. Solución: Para cada caso hemos impuesto los diagramas de cuerpo libre sobre los bos quejos, como aparece en las figuras 4.14a y b. Al aplicar la primera condición de equilibrio a la figura 4.14a se obtiene 2 F = 0: IO N —/s = 0 o f = ION 2 K = 0: n - 50 N = 0 o 72 = 50 N Podemos hallar el coeficiente de fricción estática a partir de la ecuación (4.10) fs ION n 50 N' fjus = 0.20 n n (a) (b) Figura 4.14 (a) Se precisa una fuerza de 10 N para contrarrestar la máxima fuerza de fricción está tica. (b) Se necesita una fuerza de sólo 5 N para mover el trineo con rapidez constante. {Fotografía de Hemera Inc.)
- 103. 4.7 Fricción 83 La fuerza que contrarresta la fricción cinética es de sólo 5 N. Por tanto, la suma de las fuerzas a lo largo del eje x es 5 N - /t = 0 o La fuerza normal sigue siendo de 50 N y, por ende, 5 N A = ________. n 50 N’ /, = 5N fJLk = 0.10 ¿Qué fuerza T, en un ángulo de 30° por encima de la horizontal, se requiere para arrastrar un arcón de 40 Ib hacia la derecha a rapidez constante, si ¡xk —0.2? Pían: Lo primero es hacer un bosquejo del problema y luego construir el diagrama de cuerpo libre, como el de la figura 4.15. Después hay que aplicar la primera condición de equilibrio para hallar la fuerza T. Solución: El movimiento es a rapidez constante, de modo que 2 Fx = 2 Fy = 0 2 ^ = ° Tx ~ f k = 0 (4.12) X Fy = 0 n + Tv - 40 Ib = 0 La última ecuación muestra que la fuerza normal es n =40 Ib - T (4.13) Note que la fuerza normal disminuye por la componente y de T. Sustituyendofk—¡xjl en la ecuación (4.12) se obtiene t - /jLkn = o Pero n = 40 Ib —T con base en la ecuación (4.13); entonces r - ^(40 ib - r.) = o (4.14) A partir del diagrama de cuerpo libre se observa que T = Tcos 30° = 0.866T * y que T = T sen 30° = 0.5r Figura 4.15 La fuerza T en un ángulo sobre la horizontal reduce la fuerza normal necesaria para el equilibrio, lo que ocasiona que la fuerza de fricción sea menor. (Fotografías de Herrera Inc.)
- 104. 84 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Por tanto, si recordamos que ¡xk= 0.2, escribimos la ecuación (4.14) como 0.8667 - (0.2)(40 Ib - 0.57) = 0 de donde se puede obtener el valor de T como sigue: 0.866T - 81b + 0.1T= 0 0.966T - 8 Ib = 0 0.966T = 8 Ib 81b T = ------- = 8.3 Ib 0.966 Por consiguiente, se requiere una fuerza de 8.3 Ib para arrastrar el arcón con rapidez cons tante cuando la cuerda forma un ángulo de 30° sobre la horizontal. Un bloque de concreto de 120 N está en reposo en un plano inclinado a 30°. Si ¡¿k = 0.5, ¿qué fuerza P paralela al plano y dirigida hacia arriba de éste hará que el bloque se mueva (a) hacia arriba del plano con rapidez constante y (b) hacia abajo del plano con rapidez constante? Plan: Primero se hace el bosquejo del problema (figura 4.16a) y luego se traza un diagra ma de cuerpo libre para ambos casos. Para el movimiento hacia arriba se dibuja la figura 4.16b y para el movimiento hacia abajo se elabora la figura 4.16c. Advierta que la fuerza defricción se opone al movimiento en los dos casos y que hemos elegido el ejex a lo largo del plano. Para ser congruente con el uso de los signos, consideramos positivas las fuerzas que se dirigen hacia arriba del plano. Solución (a): Aplicando la primera condición de equilibrio se obtiene 2 ) 3 = o 2 ^ = o p - A - wx= o n - w = o A partir de la figura, las componentes x y y del peso son Wx = (120 N) eos 60° = 60.0 N W = (120 N) sen 60° = 104 N (4.15) (4.16) (a) (b) (c) Figura 4.16 (a) Fricción en un plano inclinado, (b) Movimiento hacia arriba del plano, (c) Movimiento hacia abajo del plano. (Fotografías de Hemera Inc.)
- 105. 4.7 Fricción 85 La sustitución de W en la ecuación (4.16) nos permite obtener el valor de la fuerza normal, n. n - wy = n - 104 n = o o n = 104 n Con base en la ecuación (4.15), ahora resolvemos para obtener el empujón P, lo que resulta P =fk+ W, Perofk = ¡ikn, de modo que p = p,,n + w Ahora podemos determinar P sustituyendo ¡ik= 0.5, n = 104 N y Wy= 60.0 N: P = (0.5X104 N) + 60 N P = 52.0 N + 60.0 N o P = 1 1 2 N Observe que el empuje P hacia arriba del plano debe en este caso contrarrestar tanto la fuerza de fricción de 52 N como la componente de 60 N del peso del bloque hacia abajo del plano. Solución (b): En el segundo caso, el empuje P es necesario para retrasar el natural mo vimiento hacia abajo del bloque hasta que su rapidez permanezca constante. La fuerza de fricción se dirige ahora hacia arriba del plano inclinado, en la misma dirección que el empuje P. La fuerza normal y las componentes del peso no cambiarán. Por ende, al sumar las fuerzas a lo largo del eje x se obtiene 2 ^ = 0; p + f k - w x = o Ahora podemos encontrar el valor de P y sustituir los valores defky Wx P = W - f ; = 60 N - 52 N .x J k P = 8.00 N La fuerza de 8.00 N y la fuerza de fricción de 52.0 N, ambas dirigidas hacia arriba del plano equilibran exactamente la componente de 60 N del peso dirigido hacia abajo del plano. "¿Cuál es el ángulo máximo 0 de la pendiente de un plano inclinado que permite que un bloque de peso W no se deslice hacia abajo a lo largo del plano? Plan: El ángulo máximo de la pendiente será aquel para el que la componente del peso dirigido hacia abajo del plano sea suficiente para contrarrestar la máxima fuerza de fric ción estática. Como siempre, nuestro enfoque comienza por trazar un bosquejo y luego un diagrama de cuerpo libre (figura 4.17). Luego al aplicar las condiciones del equilibrio, podemos aplicar la trigonometría para hallar el ángulo de inclinación. Figura 4.17 El ángulo de reposo o limitante.
- 106. 86 Capítulo 4 Equilibrio traslacional y fricción Solución: Si se aplica la primera condición de equilibrio a la figura 4.17b se obtiene 2 ^ = 0: fs ~ W x = 0 o fs = Wx E f v= 0: n - W y = 0 o Tls = wv A partir de la figura 4.17b notamos que el ángulo 9 de la pendiente es el ángulo adyacente al eje y negativo, lo que hace que Wx sea el lado opuesto y Wx el otro lado adyacente. En este caso Wx tan# = — Wy Pero ya hemos visto que Wx= fky que Wy = 71, de modo que Wx fs tan0 = —1 = — wy n Por último, recordamos que la razón de/sa n define el coeficiente de fricción estática; por tanto tan# = fís Así pues, un bloque, independientemente de su peso, permanecerá en reposo sobre un pla no inclinado a menos que la tan 9 sea igual o exceda a ¡i^. En este caso, el ángulo 9 se llama el ángulo limitante o ángulo de reposo.
- 107. Resumen En este capítulo hemos definido objetos que se encuentran en reposooenmovimientoconrapidezconstanteparaestarenequi librio. Mediante diagramas de vectores y las leyes de Newton, hemos visto que es posible determinar fuerzas desconocidas para sistemas que están en equilibrio. En los párrafos siguien tes se resumen los conceptos más importantes que es necesa rio recordar: • Laprimera leydeNewton delmovimiento establece que un objeto en reposo o en movimiento con rapidez constante conserva suestado dereposo ode movimiento constante, a menos que actúe sobre él una fuerza resultante. 8 La segunda ley de Newton del movimiento postula que la aceleración a de un objeto en la dirección de la fuerza resultante F es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa. m. • La tercera leydeNewton delmovimiento establece quetoda acción debe producir una reacción igual y opuesta. Las fuer zas de acciónyreacciónno actúan sobre eimismocuerpo. ° Diagramas de cuerpo libre: a partir de las condiciones del problema, se traza un bosquejo ordenado y en él se indi can todas las cantidades conocidas. Luego se construye un diagrama de fuerzas, donde se escriben todas las fuer zas participantes y sus componentes. Toda la información proporcionada, como la de la figura 4.18, debe formar parte del diagrama. e Equilibrio traslacional: un cuerpo en equilibrio traslacio- nal se caracteriza porque ninguna fuerza resultante actúa sobre él. En este tipo de casos, la suma de todas las com ponentes de x es cero, y también la suma de todas las componentes dey es cero. Esto se conoce como la prime ra condición de equilibrio y se escribe Rx = 2 ^ = 0 Ry = J JFy = 0 Figura 4.1 8 Al aplicar estas condiciones a la figura 4.18, por ejemplo, obtenemos dos ecuaciones condosvariables desconocidas: B eos 45° —Aeos 60° = 0 B sen 45° + A sen 60° —200 N = 0 Estas ecuaciones se resuelven para hallar los valores deA y de B. Hayfricción estática entre dos superficies cuando el mo vimiento es inminente. La fricción cinética se presenta cuando las dos superficies se encuentran en movimiento relativo. La fuerza de fricción estática es menor o igual que la máxima fuerza de fricción estática, que es propor cional a la fuerza normal. La fuerza de fricción cinética también es proporcional a la fuerza normal. fs’ : ft = /' « Las fuerzas de fricción suelen considerarse en problemas de equilibrio, pero es arduo cuantificarlas y, en la prácti ca, hay numerosos factores externos que pueden interferir con su aplicación estricta. Conceptos clave ángulo de reposo 86 coeficiente de fricción cinética 81 coeficiente de fricción estática 81 equilibrante 71 equilibrio 68 diagrama de cuerpo libre 73 fricción 69 fuerza de fricción 79 inercia 69 fricción cinética 80 primera ley de Newton 69 segunda ley de Newton 69 tercera ley de Newton 70 fuerza normal 82 fuerza de reacción 70 fricción estática 80 equilibrio traslacional 72 peso 73 Preguntas de repaso 4.1. Un truco consiste en colocar una moneda sobre unatarjetay la tarjetaencimade un vaso. El borde de la tarjeta se golpea enérgicamente con el dedo índice, haciendo que la tarjeta salgadespedida del borde del vaso y que la moneda caiga dentro de éste. Explique qué ley se ilustra con este truco. 87
- 108. 4.2. Cuando a un martillo se le afloja la cabeza, la difi cultad puede resolverse sosteniendo verticalmente el martillo y golpeando la base del mango contra el piso. Explique qué ley se ilustra en esta situación. 4.3. Explique cómo interviene la tercera ley de Newton enlas actividades siguientes: (a) caminata, (b) remo, (c) lanzamiento de cohetes y (d) paracaidismo. 4.4. ¿Es posible que un cuerpo en movimiento esté en equilibrio? Cite varios ejemplos. 4.5. Según la tercera ley de Newton, a toda fuerza co rresponde una fuerza de reacción igual, pero en sentido opuesto. Por tanto, el concepto de una fuer za resultante no equilibrada tiene que ser sólo una ilusión que no tolera un análisis riguroso. ¿Está de acuerdo con esta afirmación? Comente las razones en las que fundamenta su respuesta. 4.6. Un ladrillo está suspendido del techo por medio de una cuerda ligera. Una segunda cuerda, idéntica a la anterior, se ata a la parte inferior del ladrillo y cuelga a una altura que resulte accesible para un es tudiante. Cuando el estudiante tira lentamente de la cuerda inferior, la superior se rompe; en cambio, si le propina un tirón brusco a la cuerda inferior, esta última es la que se rompe. Explique la situación en cada caso. 4.7. Un largo cable de acero está tendido entre dos edi ficios. Muestre usted, por medio de diagramas y ex plicaciones, por qué no es posible dejar el cable tan 4.8. tenso que quede tan perfectamente horizontal que no haya pandeo alguno en su punto medio. Hemos visto que siempre es conveniente elegir los ejes .yy y de manera que el mayor número posible de fuerzas queden especificadas en forma total a lo largo de alguno de ellos. Supongamos que no existierandos fuerzas perpendiculares entre sí. ¿Aun en ese caso se guirásiendoconvenientehacerunarotacióndelosejes para alinear una de las fuerzas desconocidas con uno de dichos ejes, en lugar de alinearcon él algunade las fuerzas conocidas? Ensaye este método aplicándolo a cualquiera de los ejemplos que aparecen en el libro. Comente algunas aplicaciones benéficas de la fuer za de fricción. ¿Por qué hablamos de una máxima fuerza de fric ción estática? ¿Por qué no se habla de una máxima fuerza de fricción cinética? 4.11. ¿Por qué resulta más fácil tirar de un trineo en un ángulo determinado, que empujarlo en ese mismo ángulo? Trace diagramas de cueipo libre para de mostrar cuál sería la fuerza normal en cada caso. 4.12. ¿La fuerza normal que actúa sobre un cuerpo es siempre igual al peso de éste? 4.13. Al caminar sobre un estanque congelado, ¿es más conveniente dar pasos cortos o largos? ¿Por qué? Si el hielo careciera por completo de fricción, ¿sería posible que la persona saliera del estanque cami nando erguida? Explique su respuesta. 4.9. 4.10. Problemas Nota: En todos los problemas que presentamos al final de este capítulo se considera que el peso de las viguetas o vigas rígidas es despreciable. Se supone también que todas las fuer zas son de tipo concurrente. Sección 4.5 Diagramas de cuerpo libre 4.1. Dibuje un diagrama de cuerpo libre correspondien te a las situaciones ilustradas en la figura 4.19a y b. Descubra un punto donde actúen las fuerzas im portantes y represente cada fuerza como un vector. (a) Figura 4.19 4.2. Calcule el ángulo de referencia y marque las com ponentes. Estudie cada una de las fuerzas que actúan en el ex tremo de la viga ligera de la figura 4.20. Dibuje el diagrama de cuerpo libre apropiado. Sección 4.6 Resolución de problemas de equilibrio 4.3. Tres ladrillos idénticos están atados entre síporme dio de cuerdas y penden de una balanza que marca en total 24 N. ¿Cuál es la tensión de la cuerda que soporta al ladrillo inferior? ¿Cuál es la tensión en la cuerda que se encuentra entre el ladrillo de en medio y el superior? Resp. 8 N, 16 N 88 Capítulo 4 Resumen y repaso
- 109. 4.4. Una sola cadena sostiene una polea que pesa 40 N. Entonces se conectan dos pesas idénticas de 80 N con una cuerda que pasa por la polea. ¿Cuál es la tensión en la cadena que sostiene todo el conjunto? ¿Cuál es la tensión en cada una de las cuerdas? 4.5. Si el peso del bloque de la figura 4.19a es de 80 N, ¿cuáles son las tensiones en las cuerdas Ay B? Resp. A = 95.3 N, B = 124 N 4.6. Si la cuerda B de la figura 4.19a se rompe con ten siones mayores de 200 Ib, ¿cuál es el máximo peso IVque puede soportar? 4.7. Si W = 600 N en la figura 4.19b, ¿cuál es la fuerza que ejerce la cuerda sobre el extremo de la vigueta Al ¿Cuál es la tensión en la cuerda B1 Resp. A = 300 N, B = 520 N 4.8. SilacuerdaBdelafigura4.19aserompecuandosuten siónes mayor de400N, ¿cuáles elpeso máximo W? 4.9. ¿Cuál es el peso máximo W en el caso de la figura 4.19b si la cuerda sólo puede soportar una tensión 4 yj máxima de 800 N? Resp. 924 N 4.10. Un bloque de 70 N reposa sobre un plano inclinado a 35°. Calcule la fuerza normal y halle la fuerza de fricción por la que el bloque no resbala. 4.11. Un cable está tendido sobre dos postes colocados 4 con una separación de 10 m. A la mitad del cable se cuelgaun letrero que provocaun pandeo, porlo cual el cable desciende verticalmente una distancia de 50 cm. Si la tensión en cada segmento del cable es de 4 ^9 2000 N, ¿cuál es el peso del letrero? Resp. 398 N 4.12. Un semáforode 80Ncuelgadelpuntomediodeunca ble de 30 m tendido entre dos postes. Halle la tensión encadasegmentodelcable siéstetieneunpandeoque lo hace descender una distancia vertical de 1m. *4.13. Los extremos de tres vigas de 8 ft están clavados unos con otros, formando así un trípode cuyo vér tice se encuentra a una altura de 6 ft sobre el suelo. ¿Cuál es la compresión que se produce en cada una de esas vigas cuando un peso de 100 Ib se suspende de dicho vértice? Resp. 44.4 Ib 4.14. Un cuadro de 20 N se cuelga de un clavo, como indica la figura 4.21, de manera que las cuerdas que lo sostienen forman un ángulo de 60°. ¿Cuál es la tensión en cada segmento de la cuerda? Sección 4.7 Fricción 4.15. Una fuerza horizontal de 40 N es apenas suficiente para poner en marcha un trineo vacío de 600 N so bre nieve compacta. Después de empezar el movi miento se requieren tan sólo 10 N para mantener el trineo a rapidez constante. Halle los coeficientes de *4.24. fricción estática y cinética. Resp. 0.0667, 0.0167 4.16. Supongamos que en el trineo descrito en el pro blema anterior se colocaran 200 N de provisiones. 4.20. 4.21. 4.22. *4.23. ¿Cuál sería la nueva fuerza necesaria para arrastrar lo a rapidez constante? Supongamos ciertas superficies en las que ¡is = 0.7 y ¡jLk = 0.4. ¿Qué fuerza horizontal se requiere para que un bloque de 50 N empiece a deslizarse sobre un piso de madera? ¿Qué fuerza se necesita para moverlo a rapidez constante? Resp. 35 N, 20 N Un estibadorsehadado cuentade que serequiereuna fuerza horizontal de 60 Ib para arrastrar una caja de 150 Ib con rapidez constante sobre una plataforma de carga. ¿Cuál es el coeficiente de fricción cinética? El estibador del problema 4.18 se percata de que una caja más pequeña del mismo material puede ser arrastrada con rapidez constante con una fuerza ho rizontal de sólo 40 Ib. ¿Cuál es el peso de esta caja? Resp. 100 Ib Un bloque de acero que pesa 240 N descansa sobre una viga de acero bien nivelada. ¿Qué fuerza hori zontal logrará mover el bloque a rapidez constante si el coeficiente de fricción cinética es 0.12? Una caja de herramientas de 60 N es arrastrada ho rizontalmente con una rapidez constante por medio de una cuerda que forma un ángulo de 35° con el piso. La tensión registrada en la cuerda es de 40 N. Calcule las magnitudes de las fuerzas de fricción y normal. Resp. 32.8 N, 37.1 N ¿Cuál es el coeficiente de fricción cinética en el ejemplo del problema 4.21? El coeficiente de fricción estática que corresponde a la madera sobre madera es de 0.7. ¿Cuál es el án gulo máximo que puede adoptar un plano inclinado de madera para que un bloque, también de madera, permanezca en reposo sobre el plano? Resp. 35° Un techo tiene una pendiente con un ángulo de 40°. ¿Cuál debe ser el coeficiente máximo de fricción estática entre la suela de un zapato y ese techo para evitar que una persona resbale? Capítulo 4 Resumen y repaso 89
- 110. *4.25. Se empuja un trineo de 200 N sobre una superficie horizontal a rapidez constante, por una fuerza de 50 N cuya dirección forma un ángulo de 28°por debajo de la horizontal. ¿Cuál es el coeficiente de fricción cinética? Resp. 0.198 *4.26. ¿Cuál es la fuerza normal que actúa sobre el bloque en la figura 4.22? ¿Cuál es la componente del peso que actúa hacia abajo del plano? *4.27. ¿Qué empuje P, dirigido hacia arriba del plano, hará que el bloque de la figura 4.22 suba por dicho plano con rapidez constante? Resp. 54.1 N *4.28. Si el bloque de la figura 4.22 se suelta, logrará su perar la fricción estática y se deslizará rápidamente descendiendo por el plano. ¿Qué empuje P, dirigido hacia la parte superior del plano inclinado, permitirá retardar el movimiento descendente hasta que el bloque se mueva con rapidez constante? Problemas adicionales 4.29. 4.30. Calcule la tensión en la cuerda Ay la fuerza B ejer cida en la cuerda por la viga de la figura 4.23. Resp. A = 231 N, 6 = 462 N Si el cable A de la figura 4.24 tiene una resistencia a larotura de 200 N, ¿cuál es el máximo peso que este aparato puede soportar? 4.31. ¿Cuál es el empuje mínimo P, paralelo a un plano inclinado de 37°, si un carrito de 90 N va a ascender por dicho plano con rapidez constante? Desprecie la fricción. Resp. 54.2 N Una fuerza horizontal de sólo 8Ibmueve un trozo de hielo con rapidez constante sobre un piso (¡x, =0.1). ¿Cuál es el peso del hielo? Encuentre la tensión en las cuerdas A y B en el dis positivo que muestra la figura 4.25a. Resp. 170 N, 294 N 4.34. Calcule la tensión en las cuerdas A y B de la figura 4.25b. 4.32. 4.33. 340 N (a) Figura 4.25 4.35. Se ha tendido horizontalmente un cable en la punta de dos postes verticales colocados a 20 m de distan cia uno del otro. Un letrero de 250 N está suspen dido del punto medio del cable y hace que éste se pandee en una distancia vertical de 1.2 m. ¿Cuál es la tensión en cada uno de los segmentos del cable? Resp. 1049 N 4.36. Suponga que el cable del problema 4.35 tiene una resistencia a la rotura de 1200 N. ¿Cuál es el máxi mo peso que puede soportar en su punto medio? 90 Capítulo 4 Resumen y repaso
- 111. 4.37. Calcule la tensión en el cable y la compresión en la vigueta de la figura 4.26a. Resp. A = 43.2 Ib, 6 = 34.5 Ib 26 LB (a) (b) Figura 4.26 4.38. Halle la tensión en el cable y la compresión en vi gueta de la figura 4.26b. 4.39. Calcule la tensión en las cuerdas A y B de la figura 4.27a. Resp. A = 1405 N, 6 = 1146 N Figura 4.27 *4.40. Halle las fuerzas en las tablas ligeras de la figura 4.27b e indique si éstas se encuentran bajo tensión o bajo compresión. Preguntas para la reflexión crítica 4.41. Estudie la estructura ilustrada en la figura 4.28 y analice las fuerzas que actúan en el punto donde la cuerda está atada a los postes ligeros. ¿Cuál es la dirección de las fuerzas que actúan en los extremos de los postes? ¿Cuál es la dirección de las fuerzas ejercidas por los postes en ese punto? Dibuje el diagrama de cuerpo libre apropiado. Figura 4.28 *4.42. Calcule las fuerzas que actúan sobre los extremos de los postes de la figura 4.28 si W = 500 N. *4.43. Un borrador de 2 N es presionado con un empuje horizontal de 12 N contra un pizarrón vertical. Si l±s= 0.25, calcule qué fuerza horizontal se requiere para iniciar un movimiento paralelo al piso. ¿Y si se desea empezar ese movimiento hacia arriba o aba jo? Halle las fuerzas verticales necesarias para ini ciar apenas el movimiento hacia arriba del pizarrón y después hacia debajo de éste. Resp. 3.00 N, hacia arriba = 5 N, hacia abajo = 1 N *4.44. Se hadeterminado experimentalmente que unafuer za horizontal de 20 Ibpuede mover una podadora de césped de 60 Ib con rapidez constante. El asa de la podadora forma un ángulo de 40°con el suelo. ¿Qué empuje es necesario aplicar en el asa para mover la podadora con rapidez constante? ¿La fuerza normal es igual al peso de la podadora? ¿Cuál es el valor de la fuerza normal? *4.45. Supongamos que la podadora de la pregunta 4.44 tuviera que moverse hacia atrás. ¿Qué tirón habrá que ejercer sobre el asa para moverla con rapidez constante? ¿Cuál sería la fuerza normal en este caso? Comente las diferencias entre este ejemplo y el del problema anterior. Resp. 20.4 N, 46.9 N *4.46. Una camioneta es rescatadade un lodazal con un ca ble atado al vehículo y a un árbol. Cuando los ángu los son los que se muestran en la figura 4.29, se ejer ce una fuerza de 40 Ib en el punto central del cable. ¿Qué fuerza se ejerce entonces sobre la camioneta? Capítulo 4 Resumen y repaso 91
- 112. *4.47. Suponga que se requiriera una fuerza de 900 N para mover la camioneta de la figura 4.29. ¿Qué fuerza sería necesario aplicar en el punto medio del cable con los ángulos que allí se muestran? Resp. 616 N 4.48. Un bloque de acero de 70 N está en reposo sobre una pendiente de 40°. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza de fricción estática que se dirige hacia arriba del plano? ¿Es ésta necesariamente la máxima fuer za de fricción estática? ¿Cuál es la fuerza normal con este ángulo? *4.49. Calcule la compresión en la viga central B y la ten sión en la cuerda A en la situación descrita en la fi gura 4.30. Señale con claridad la diferencia entre la fuerza de compresión en la viga y la fuerza indicada en su diagrama de cuerpo libre. Resp. A = 643 N, B = 938 N Figura 4.30 *4.50. ¿Qué empuje horizontal P se requiere para impedir que un bloque de 200 N resbale hacia abajo en un plano inclinado a 60°, en el cual ¡xs = 0.4? ¿Por qué se necesita unafuerza menor cuando P actúa en una dirección paralela al plano? ¿La fuerza de fricción es mayor, menor o igual en estos dos casos? *4.51. Halle la tensión en cada una de las cuerdas de la figura 4.31 si el peso suspendido es de 476 N. Resp. A = 476 N, 6 = 275 N, C = 275 N w Figura 4.31 92 Capítulo 4 Resumen y repaso *4.52. Encuentre la fuerza requerida para tirar horizontal mente de un trineo de 40 N con rapidez constante, ejerciendo tracción a lo largo de un mástil que for ma un ángulo de 30° con el suelo (p. = 0.4). En cuentre la fuerza requerida si se desea empujar el mástil en ese mismo ángulo. ¿Cuál es el factor más importante que cambia en estos casos? *4.53. Dos pesas cuelgan de dos poleas sin fricción como se observa en la figura 4.32. ¿Qué peso W hará que el bloque de 300 Ib apenas empiece a moverse hacia la derecha? Supongamos que ¡x = 0.3. Nota: Las poleas únicamente cambian la dirección de las fuer zas aplicadas. Resp. 108 Ib 401b W Figura 4.32 *4.54. Encuentre el peso máximo que es posible colgar del punto O,tal como aparece en la figura 4.33, sin al terar el equilibrio. Suponga que /xs = 0.3 entre el bloque y la mesa. Figura 4.33
- 113. Puente Golden Gate: Los ingenieros mecánicos deben asegurarse de que todas las fuerzas y momentos de torsión estén equilibrados en el diseño y la construcción de los puentes. (Foto © vol. 44 PhotoDisc/ Getty.) Momento de torsión y equilibrio rotacional 93
- 114. 94 Capítulo 5 Mom ento de torsión y equilibrio rotacional Objetivos C uando term ine de estudiar este capítulo el alum no: 1. Ilustrará m ediante ejem plos y definiciones su com prensión de los térm inos brazo de palanca y m om ento de torsión. 2. Calculará el m om ento de torsión resultante respecto a cualquier eje, dadas las m agnitudes y posiciones de las fuerzas que actúan sobre un o b je to alargado. 3. Determ inará las fuerzas o distancias desconocidas aplicando la prim era y se gunda condiciones de equilibrio. 4. Defin irá centro de gravedad y dará ejem plos de dicho concepto. En los capítulos anteriores nos hemos referido a las fuerzas que actúan en un solo punto. Exis te un equilibrio traslacional cuando la suma vectorial es cero. Sin embargo, en muchos casos las fuerzas que actúan sobre un objeto no tienen un punto de aplicación común. Este tipo de fuerzas se llaman no concurrentes. Por ejemplo, un mecánico ejerce una fuerza en el maneral de una llave para apretar un perno. Un carpintero utiliza una palanca larga para extraer la tapa de una caja de madera. Un ingeniero considera las fuerzas de torsión que tienden a arrancar una viga de la pared. El volante de un automóvil gira por el efecto de fuerzas que no tienen un punto de aplicación común. En casos como éstos, puede haber una tendencia a girar que se define como momento de torsión. Si aprendemos a medir y a prever los momentos de torsión producidos por ciertas fuerzas, será posible obtener los efectos rotacionales deseados. Si no se desea la rotación, es preciso que no haya ningún momento de torsión resultante. Esto conduce en forma natural a la condición de equilibrio rotacional, que es muy importante en aplicacio nes industriales y en ingeniería. 'V i á U Condiciones de equilibrio Cuando un cuerpo está en equilibrio, debe encontrase en reposo o en estado de movimiento rectilíneo uniforme. De acuerdo con la primera ley de Newton, lo único que puede cambiar dicha situación es la aplicación de una fuerza resultante. Hemos visto que si todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo tienen un solo punto de intersección y si su suma vectorial es igual a cero, el sistema debe estar en equilibrio. Cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas que no tienen una línea de acción común, tal vez exista equilibrio traslacional pero no equilibrio rotacional. En otras palabras, quizá no se mueva ni a la derecha ni a la izquierda, tampoco ha cia arriba ni hacia abajo, pero puede seguir girando. Al estudiar el equilibrio debemos tomar en cuenta el punto de aplicación de cada fuerza además de su magnitud. Considere las fuerzas que se ejercen sobre la llave de tuercas de la figura 5.1a. Dos fuer zas F iguales y opuestas se aplican a la derecha y a la izquierda. La primera condición de equilibrio nos dice que las fuerzas horizontales y verticales están equilibradas; por lo tanto, se dice que el sistema está en equilibrio. No obstante, si las mismas dos fuerzas se aplican como indica la figura 5.1b, la llave de tuercas definitivamente tiende a girar. Esto es cierto incluso si el vector que resulta de la suma de las fuerzas sigue siendo cero. Es obvio que se requiere una segunda condición de equilibrio que explique el movimiento rotacional. Un enunciado formal de esta condición se presentará posteriormente, aunque antes es necesario definir algunos términos. En la figura 5.1b, las fuerzas F no tienen la misma línea de acción. La línea de acción de una fuerza es una línea im aginaria que se extiende inde finidam ente a lo largo del vector en ambas direcciones. Cuando las líneas de acción de las fuerzas no se intersecan en un mismo punto, puede haber rotación respecto a un punto llamado eje de rotación. En nuestro ejemplo, el eje de rotación es una línea imaginaria que pasa a través del perno en dirección perpendicular a la página.
- 115. 5.2 El brazo de palanca 95 (b) Figura 5.1 (a) Hay equilibrio puesto que las fuerzas tienen la misma línea de acción, (b) No hay equilibrio porque las fuerzas opuestas no tienen la misma línea de acción. iñ, E! brazo de palanca La distancia perpendicular del eje de rotación a la línea de acción de la fuerza se llama brazo de palanca de la fuerza, el cual determina la eficacia de una fuerza dada para provocar el movimiento rotacional. Por ejemplo, si se ejerce una fuerza F a distancias cada vez mayores del centro de una gran rueda, gradualmente será más fácil hacer girar la rueda en relación con su centro. (Véase la figura 5.2.) El brazo de palanca de una fuerza es la distancia perpendicular que hay de la línea de acción de la fuerza al eje de rotación. Si la línea de acción de la fuerza pasa por el eje de rotación (punto A de la figura 5.2), el brazo de palanca es cero. Se observa que no hay efecto rotacional, independientemente de la I A | B c 1 Ii F i i f A J m X v Figura 5.2 La fuerza no equilibrada F no produce ningún efecto rotacional sobre el punto A, pero cada vez es más eficaz a medida que aumenta su brazo de palanca.
- 116. 96 Capítulo 5 Mom ento de torsión y equilibrio rotacional La Estación Espacial Internacional se montó usando una versión de alta tecnología de un taladro inalámbrico. La herramienta con empuñadura de pistola, o PGT, que funciona con baterías, puede contar el número de vueltas y limitar la cantidad de momento de torsión aplicado a un perno. La NASA exige a los diseñadores usar sólo un tipo de perno, uno que puedan agarrar fácilmente los astro-nautas en sus trajes de EVA (extravehicular activity). Momento de torsiójjpj^gativo o (a) fvíoméñtocle (c) Figura 5.3 Ejemplos de brazos de palanca r. Momento de torsión positivo (d) magnitud de la fuerza. En este sencillo ejemplo, los brazos de palanca en los puntos B y C son simplemente la distancia de los ejes de rotación al punto de aplicación de la fuerza. Sin embargo, hay que notar que la línea de acción de la fuerza no es más que una sencilla cons trucción geométrica. El brazo de palanca se traza perpendicular a esta línea. Puede ser igual a la distancia del eje al punto de aplicación de la fuerza, pero esto es cierto sólo cuando la fuerza aplicada es perpendicular a esta distancia. En los ejemplos de la figura 5.3, r representa el brazo de palanca y O, el eje de rotación. Estudie cada ejemplo, observando cómo se trazan los brazos de palanca y razonando si la rotación es en el mismo sentido o contraria al avance de las manecillas del reloj con respecto a O. Momento de torsión Se ha definido lafuerza como un tirón o un empujón que tiende a causar un movimiento. El momento de torsión r se define como la tendencia a producir un cambio en el movimiento rotacional. En algunos textos se le llama también momento defuerza.* Como ya hemos visto, el movimiento rotacional se ve afectado tanto por la magnitud de una fuerza F como por su brazo de palanca r. Por tanto, definiremos el momento de torsión como el producto de una fuerza por su brazo de palanca. Momento de torsión = fuerza X brazo de palanca t = Fr (5.1) Es preciso entender que en la ecuación (5.1) r se mide en forma perpendicular a la línea de acción de la fuerza F. Las unidades del momento de torsión son las unidades de fuerza por distancia, por ejemplo, newton-metro (N • m) y libra-pie (Ib • ft). Ya antes se estableció una convención de signos para indicar la dirección de las fuerzas. La dirección del momento de torsión depende de si éste tiende a producir la rotación en el sentido de avance de las manecillas del reloj, o sentido retrógrado (sr), o en dirección contra ria a ellas o sentido directo (sd). Seguiremos la misma convención que para medir ángulos. Si la fuerza F tiende a producir una rotación contraria a la de las manecillas con respecto a un eje, el momento de torsión se considerará positivo. Los momentos de torsión en el sentido de avance de las manecillas del reloj se considerarán negativos. En la figura 5.3, todos los momentos de torsión son positivos (sd), excepto el correspondiente a la figura 5.3a. * En algunos textos, al momento de torsión también se le llama torque o torca. (N. del R. T.)
- 117. 5.3 M om ento de torsión 97 Se ejerce una fuerza de 250 N sobre un cable enrollado alrededor de un tambor de 120 nim de diámetro. ¿Cuál es el momento de torsión producido aproximadamente al centro del tambor? Plan: Trace un esquema, como el de la figura 5.4, y extienda la línea de acción de la fuerza. Determine el brazo de palanca r y luego encuentre el momento de torsión de la ecuación (5.1). Solución: Observe que la línea de acción de la fuerza de 250 N es perpendicular al diá metro del tambor; por lo tanto, el brazo de palanca es igual al radio del tambor. D 120 mm r = — = ----------- o r = 60 mm = 0.06 m 2 2 La magnitud del momento de torsión se obtiene a partir de la ecuación (5.1). r = Fr = (250 N)(0.06 m) = 15.0 N • m Finalmente, determinamos que el signo del momento de torsión es negativo porque tiende a causar una rotación aproximadamente al centro del tambor. Por tanto, la respuesta debe escribirse como r = —15.0 N • m Figura 5.4 Fuerza tangencial ejercida por un cable enrollado alrededor de un tambor. Un mecánico ejerce una fuerza de 20 Ib en el extremo de una llave inglesa de 10 in, como se observa en la figura 5.5. Si este tirón forma un ángulo de 60° con el mango de la llave, ¿cuál es el momento de torsión producido en la tuerca? Plan: A partir del esquema ordenado, determinaremos el brazo de palanca, multiplíquelo por la magnitud de la fuerza y luego asigne el signo adecuado según la convención. Solución: Primero trace un esquema ordenado, extienda la línea de acción de la fuerza de 20 Ib, y dibuje el brazo de palanca como se mostró. Observe que el brazo de palanca r es perpendicular tanto a la línea de acción de la fuerza como al eje de rotación. Debe recordar que el brazo de palanca es una construcción geométrica y puede estar o no sobre alguna
- 118. 98 Capítulo 5 Mom ento de torsión y equilibrio rotacional Figura 5.5 Cálculo del momento de torsión. estructura física, como el mango de la llave de tuercas. A partir de la figura se obtiene r = (10 in) sen 60° = 8.66 in t = Fr — (20 lb)(8.66 in) = 173 Ib • in Si se desea, este momento de torsión se puede transformar en 14.4 Ib • ft. En algunas aplicaciones, es más útil trabajar con las componentes de una fuerza para obtener el momento de torsión resultante. En el ejemplo anterior se podría haber separado el vector de 20 Ib en sus componentes horizontal y vertical. En vez de hallar el momento de torsión de una sola fuerza, sería necesario encontrar el momento de torsión de las dos fuerzas componentes. Como indica la figura 5.6, el vector de 20 Ib tiene sus componentes Fxy F , las cuales se calculan por trigonometría: Fx = (20 lb)(cos 60°) = 10 Ib Fy = (20 lb)(sen 60°) = 17.3 Ib Observe en la figura 5.6b que la línea de acción de la fuerza de 10 Ib pasa por el eje de rotación. Esto no produce ningún momento de torsión porque su brazo de palanca es cero. Por tanto, el momento de torsión total se debe a la componente de 17.3 Ib, que es perpendicular al mango. El brazo de palanca de esta fuerza es la longitud de la llave inglesa, y el momento de torsión es t = Fr = (17.3 lb)(10 in) = 173 Ib • in Observe que utilizando este método se obtiene el mismo resultado. No hacen falta más cálculos, porque la componente horizontal tiene un brazo de palanca de cero. Si elegimos las componentes de una fuerza a lo largo y perpendicularmente a la distancia conocida, tan sólo nos interesa el momento de torsión de la componente perpendicular. (a) (b) Figura 5.6 Método de las componentes para el cálculo del momento de torsión.
- 119. 5.4 M om ento de torsión resultante 99 Momento de torsión resultante En el capítulo 3 se demostró que la resultante de varias fuerzas se puede determinar sumando las componentes x y y de cada fuerza, y así obtener las componentes de la resultante. R, = Ax + Bx + Cx + • • • Ry = Ay + By + Cy + • • • Este procedimiento se aplica a fuerzas que tienen un punto de intersección común. Las fuer zas que carecen de una línea de acción común producen una resultante del momento de tor sión, además de una resultante de la fuerza traslacional. Cuando las fuerzas aplicadas actúan en el mismo plano, el momento de torsión resultante es la suma algebraica de los momentos de torsión positivos y negativos debidos a cada fuerza. rR = 2 T = Ti + t 2 + t 3 + " ' (5.2) Hay que recordar que los momentos de torsión en contrasentido al avance de las manecillas del reloj son positivos, y los que tienen el mismo sentido de avance de las manecillas son negativos. Un elemento esencial en las técnicas eficaces para resolver problemas es la organización. El siguiente procedimiento resulta útil para calcular el momento de torsión resultante. Calcule los brazos de palanca si es necesario. Calcule los momentos de torsión debidos a cada fuer za independientemente de otras fuerzas; asegúrese de asignar el signo apropiado (sd = + y sr = —). El momento de torsión resultante es la suma algebraica de los momentos de torsión de cada fuerza. Véase la ecuación (5.2). Cálculo del m o m en to d e torsión resultante 5. 1. Lea el problema y luego dibuje una figura y marque los datos. 2. Construya un diagrama de cuerpo libre que indique to das las fuerzas, distancias y el eje de rotación. ^ ' 3. Extienda las líneas de acción de cada fuerza utilizando líneas punteadas. 4. Dibuje y marque los brazos de palanca de cada fuerza. Una pieza angular de hierro gira sobre un punto A, como se observa en la figura 5.7. De termine el momento de torsión resultante en A debido a las fuerzas de 60 N y 80 N que actúan al mismo tiempo. Plan: Extienda las líneas de acción de las dos fuerzas y determine sus brazos de palanca usando la trigonometría y los ángulos dados. Para cada fuerza, hay que notar si la tenden- *-80
- 120. 1 00 Capítulo 5 Mom ento de torsión y equilibrio rotacional cia a rotar sobre el punto A será positiva o negativa por convención. El momento de torsión resultante es la suma algebraica de los momentos de torsión individuales. Solución: Los brazos de palanca r y r, se marcan, como en la figura 5.7b. Las longitudes de los brazos de palanca son: rx = (12 cm) sen 50° = 9.19 cm r2 = (10 cm) sen 70° = 9.40 cm Si se considera A como eje de rotación, el momento de torsión debido a F es negativo (sr) y el causado por F, es positivo (sd). El momento de torsión resultante se encuentra así: tr = Ti + t 2 = F xrx + F2r2 = —(60 N)(9.19 cm) + (80 N)(9.40 cm) = —552 N • cm + 752 N • cm = 200 N • cm El momento de torsión resultante es 200 N • cm, en contrasentido al avance de las manecillas del reloj. Esta respuesta se expresa mejor como 2.00 N • m en unidades del SI. Equilibrio Ahora estamos listos para analizar la condición necesaria para el equilibrio rotacional. La condición para el equilibrio traslacional quedó establecida en forma de ecuación como '%FX = 0 = 0 (5.3) Si se desea asegurar que los efectos rotacionales también estén equilibrados, es preciso estipular que no hay momento de torsión resultante. Por tanto, la segunda condición de equilibrio es: La suma algebraica de to do s los m om entos de torsión respecto de cualquier eje debe ser cero. 2 T = Ti + T2 + ^3 + ' ' ' = 0 (5.4) La segunda condición de equilibrio simplemente nos indica que los momentos de torsión en el sentido de avance de las manecillas del reloj están equilibrados con precisión por los momen tos de torsión en contrasentido al avance de las manecillas. Más aún, puesto que la rotación no ocurre respecto a ningún punto, podemos elegir cualquier punto como eje de rotación. Mientras los brazos de palanca se midan respecto al mismo punto para cada fuerza, el momento de torsión resultante será de cero. Los problemas se simplifican si se elige el eje de rotación en el punto de aplicación de una fuerza desconocida. Si una fuerza particular tiene un brazo de palanca de cero, no contribuye al momento de torsión, independientemente de su magnitud. Estrategia para resolver problemas Equilibrio rotacional 1. Trace y marque un esquema con todos los datos. 2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre (si es necesario), indicando las distancias entre las fuerzas. 3. Elija un eje de rotación en el punto donde se propor cione menos información, por ejemplo, en el punto de aplicación de una fuerza desconocida. 4. Sume los momentos de torsión correspondientes a cada fuerza con respecto al eje de rotación elegido y establezca el resultado igual a cero. t r = T = t 2 + r3 + •••= 0 5. Aplique la primera condición de equilibrio para obte ner dos ecuaciones adicionales. 6. Calcule las cantidades que no se conocen.
- 121. 5.5 Equilibrio 101 w,y lla r Considere la situación que se presenta en la figura 5.8: Una niña que pesa 300 N y un niño que pesa 400 N están parados sobre una plataforma de 200 N de peso y sostenida por dos soportes A y B. ¿Qué fuerzas ejercen los soportes sobre la plataforma? Plan: Trace un diagrama de cuerpo libre (véase la figura 5.8b) que muestre claramente todas las fuerzas y las distancias entre ellas. Si el peso de la tabla se distribuye de manera uniforme, se puede considerar que todo el peso de la tabla actúa sobre su centro geométri co. Estudie el centro de gravedad en la sección 5.6. Las fuerzas desconocidas se determi nan al aplicar las dos condiciones de equilibrio. Solución: Al aplicar la primera condición de equilibrio a las fuerzas verticales, obtenemos 5 ) /<; -= 0; A + B — 300 N — 200 N —400 N = 0 Simplificando esta ecuación se obtiene A + B = 900 N Puesto que esta ecuación presenta dos incógnitas, es preciso tener más información. Por tanto, aplicamos la segunda condición de equilibrio. Como la rotación no ocurre respecto a ningún punto, podemos elegir un eje de rota ción en cualquier parte que deseemos. Una opción lógica sería elegir un punto donde actúe una de las fuerzas desconocidas porque así se tendría un brazo de palanca de cero. Tome mos la suma de los momentos de torsión respecto al soporte B. Por la segunda condición de equilibrio se obtiene 2 ) rB = 0; — A(12 m) + (300 N)(10 m) + (200 N)(4 m) - (400 N)(4 m) = 0 (a) Esquema del sistema A B (b) Diagrama de cuerpo libre Figura 5.8 Diagrama de cuerpo libre que indica todas las fuerzas y las distancias entre ellas. Suponga que todo el peso de la tabla actúa en su centro geométrico para el cálculo del momento de torsión.
- 122. 102 Capítulo 5 Mom ento de torsión y equilibrio rotacional Note que la fuerza de 400 N y la fuerza A tienden a producir una rotación en el sentido de avance de las manecillas del reloj con respecto a B. (Sus momentos de torsión fueron negativos.) Simplificando se obtiene -(1 2 m)A + 3000 N • m - 1600 N • m + 800 N • m = 0 Al añadir (12 m)A a ambos lados y simplificar queda 2200 N • m = (12 m)A Al dividir ambos lados entre 12 m, resulta A = 183 N Ahora, para determinar la fuerza ejercida por el soporte B, tomemos en cuenta de nue vo la ecuación obtenida a partir de la primera condición de equilibrio. A + B = 900 N Al despejar B se obtiene B = 900 N —A = 900 N - 183 N = 717 N Como comprobación de este resultado, podemos elegir el eje de rotación en A y luego aplicar la segunda condición de equilibrio para determinar B. Una viga uniforme de 500 N de peso y 3 m de longitud está sostenida por un cable, como se observa en la figura 5.9. La viga se apoya en la pared y el cable forma un ángulo de 30° con respecto a la viga, que está en posición horizontal. Si una carga de 900 N se cuelga del extremo derecho, ¿cuál es la tensión T del cable? ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la fuerza ejercida por el pivote? Plan: Una vez más suponemos que todo el peso de la viga actúa en su punto medio. Tra zaremos un diagrama de cuerpo libre y aplicaremos las dos condiciones de equilibrio para obtener las fuerzas desconocidas. t __________ 30°V ^ g .... > < i T ‘ 500 N 900 N (b) Figura 5.9 Fuerzas que actúan sobre una viga horizontal.
- 123. 5.5 Equilibrio 103 Solución: Cuando se trabaja con fuerzas que forman un ángulo con respecto a la viga, a veces resulta útil trazar un diagrama de cuerpo libre donde se representen las componentes de dichas fuerzas a lo largo de la viga o perpendiculares a la misma (véase la figura 5.9b). Observe que no conocemos ni la magnitud ni la dirección de la fuerza F ejercida por la pared en elextremo izquierdo de la viga. (No cometa el error de suponer que la fuerza se ejerce totalmente sobre el pivote como en el capítulo 4 cuando no consideramos el peso de la viga.) Resulta lógico elegir el extremo izquierdo como eje de rotación debido a que, sin importar cuál sea el ángulo, esa fuerza aún tiene un brazo de palanca de cero y su momento de torsión con respecto al punto A también será cero. Primero calcularemos la tensión del cable al sumar los momentos de torsión respecto al extremo izquierdo e igualar el resultado igual a cero. F(0) - (500 N)(1.5 m) - (900 N)(3 m) + Tx{0) + Ty{3 m) = 0 0 - 750 N • m - 2700 N • m + 0 + Ty(3 m) = 0 Al simplificar, obtenemos una expresión para T : 3450 N 3Tv = 3450 N o T = ----------= 1150 N • 3 3 Ahora, a partir de la figura 5.9b, vemos que Ty = T sen 30° o Ty = 0.5T Y como T = 1150 N, escribimos y 3450 N • m (0 .5 )r= 1 1 5 0 N o T = --------— -~ = 2300N 0.5(3 m) Enseguida aplicamos la primera condición de equilibrio, usando las componentes ho rizontal y vertical de F y T junto con las fuerzas dadas. La componente F de la fuerza ejercida por la pared en la viga se obtiene al sumar las fuerzas a lo largo del eje x. 2 ^ = 0 o Fx - T x = 0 de donde Fx = TX = T eos 30° = (2300 N) eos 30° = 1992 N La componente vertical de la fuerza F se determina al sumar las fuerzas a lo largo del eje y. 2 b'y = o o Fy + Ty - 500 N - 900 N = 0 Despejando F , obtenemos Fy = 1400 N - Ty Usando la trigonometría, hallamos T a partir de la figura 5.9b: Ty = (2300 N) sen 30° = 1150 N lo cual puede sustituirse para hallar F . F, = 1400 N - 1150 N = 250 N % Como ejercicio, demuestre que la magnitud y la dirección de la fuerza F, a partir de sus componentes, es 2010 N a un ángulo de 7.2° por arriba de la horizontal.
- 124. Antes de concluir esta sección, es aconsejable recordar las convenciones tomadas en este texto respecto a las cifras significativas. En todos los cálculos consideramos tres cifras signi ficativas, así que usted debe mantener cuando menos cuatro cifras significativas en todos sus cálculos antes de redondear la respuesta final. Todos los ángulos deben reportarse a la décima de grado más cercana. Por tanto, la fuerza ejercida por la pared sobre el puntal se escribe como 2010 N a 7.2°. 104 C apítulos Mom ento de torsión y equilibrio rotacional Centro de gravedad Cada partícula que existe en la Tierra tiene al menos una fuerza en común con cualquier otra partícula: su peso. En el caso de un cuerpo formado por múltiples partículas, estas fuerzas son esencialmente paralelas y están dirigidas hacia el centro de la Tierra. Independientemente de la forma y tamaño del cuerpo, existe un punto en el que se puede considerar que está concen trado todo el peso del cuerpo. Este punto se llama centro de gravedad del cuerpo. Por supues to, el peso no actúa de hecho en este punto, pero podemos calcular el mismo tipo de momento de torsión respecto a un eje dado si consideramos que todo el peso actúa en este punto. El centro de gravedad de un cuerpo regular, como una esfera uniforme, un cubo, una va rilla o una viga, se localiza en su centro geométrico. Este hecho se utilizó en los ejemplos de la sección anterior, donde considerábamos el peso de la viga completa actuando en su centro. Aun cuando el centro de gravedad es un punto fijo, no necesariamente tiene que estar dentro del cuerpo. Por ejemplo, una esfera hueca, un aro circular y un neumático tienen su centro de gravedad fuera del material del cuerpo. A partir de la definición de centro de gravedad, se acepta que cualquier cuerpo suspendi do desde este punto está en equilibrio. Esto es verdad, ya que el vector peso, que representa la suma de todas las fuerzas que actúan sobre cada parte del cuerpo, tiene un brazo de palanca igual a cero. Por tanto, es posible calcular el centro de gravedad de un cuerpo, determinando el punto en el cual una fuerza ascendente producirá un equilibrio rotacional. Calcule el centro de gravedad del sistema de barra con pesas que se presenta en la figura 5.10. Suponga que el peso de la barra de 36 in es insignificante. Plan: El centro de gravedad es el punto donde una sola fuerza ascendente F equilibraría el sistema. Superponiendo un diagrama de cuerpo libre en las pesas, trazamos la fuerza ascendente F en un punto localizado a una distancia desconocida x desde un punto de refe rencia. En este caso, el punto de referencia se elige en el centro de la masa izquierda. Por último, aplicamos las condiciones de equilibrio para encontrar esa distancia. K --------- X I I I I I I I I I I I I I I I I I I i (J. C.G. 36 in 30 Ib 10 Ib Figura 5.10 Cálculo del centro de gravedad.
- 125. 5.6 Centro de gravedad 105 Solución: Puesto que la fuerza resultante es cero, la fuerza ascendente F debe ser igual a la suma de las fuerzas hacia abajo y podemos escribir F = 30 Ib + 10 Ib = 40 Ib La suma de los momentos de torsión respecto al centro geométrico de la masa izquierda también debe ser igual a cero, así que 2 t = (40 lb)x + (30 lb)(0) - (10 lb)(36 in) = 0 (40 Vo)x = 360 Ib • in x = 9.00 in Si las pesas estuvieran suspendidas desde el techo a un punto a 9 in del centro de la masa izquierda, el sistema estaría en equilibrio. Este punto es el centro de gravedad. Usted puede demostrar que se llega a la misma conclusión si se elige el eje en el extremo derecho o en cualquier otro lugar.
- 126. Resumen Cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas que no tienen la mis ma línea de acción o no se intersecan en un punto común, pue de haber rotación. En este capítulo se presentó el concepto de momento de torsión como una medida de la tendencia a girar. Los principales conceptos se resumen a continuación: 3 El brazo de palanca de una fuerza es la distancia perpen dicular que hay entre la línea de acción de la fuerza y el eje de rotación. e El momento de torsión con respecto a un eje determinado se define como el producto de la magnitud de una fuerza por su brazo de palanca: Momento de torsión = fuerza X brazo de palanca 0 Es positivo si tiende a producir movi miento en contrasentido al avance de las manecillas del reloj y negativo si el movimiento se produce en el mismo sentido de las manecillas. r = Fr El momento de torsión resultante t r con respecto a un eje particular A es la suma algebraica de los momentos de torsión producidos por cada fuerza. Los signos se deter minan por la convención ya mencionada. Equilibrio rotacional: Un cuerpo en equilibrio rotacional no tiene un momento de torsión resultante que actúe so bre él. En tales casos, la suma de todos los momentos de torsión respecto a cualquier eje debe ser igual a cero. Los ejes pueden elegirse en cualquier parte puesto que el sistema no tiene la tendencia a girar respecto a cualquier punto. Ésta se llama la segunda condición de equilibrio y se escribe como La suma de todos los momentos de torsión respecto a cualquier punto es cero. 2 7 = 0 El equilibrio total existe cuando se satisfacen la primera y la segunda condiciones de equilibrio. En tales casos, se pueden escribir tres ecuaciones independientes: 0 F,r, + F2r2 F3r3 + Al escribir estas tres ecuaciones para una situación específica se pueden determinar fuerzas, distancias y mo mentos de torsión desconocidos. El centro de gravedad de un cuerpo es el punto a través del cual actúa el peso resultante, independientemente de cómo esté orientado el cuerpo. Para las aplicaciones que incluyen momentos de torsión, se puede considerar que el peso total del objeto actúa en este punto. Conceptos clave brazo de palanca 95 equilibrio rotacional 94 línea de acción 94 centro de gravedad 104 fuerza 96 momento de torsión 96 eje de rotación 94 Preguntas de repaso 5.1. Usted levanta con la mano derecha una male ta pesada. Describa y explique la posición de su cuerpo. 5.2. Un truco de salón consiste en pedir a una persona que se coloque de pie contra una pared con los pies juntos, de manera que la parte lateral de su pie de recho se apoye contra la pared. A continuación se le pide que levante su pie izquierdo del suelo. ¿Por qué no le es posible hacerlo sin caer? 5.3. ¿Por qué una minivan tiene más probabilidades de volcarse que un Corvette u otros autos depor tivos? 5.4. Si se sabe que el peso de un ladrillo es de 25 N, explique cómo podría usar una regla graduada y un punto de apoyo o pivote para determinar el peso de una pelota de béisbol. 5.5. Describa y explique los movimientos de brazos y piernas que hace una persona que camina sobre una cuerda floja para no perder el equilibrio. 5.6. Comente acerca de los siguientes artefactos y la aplicación que en ellos se hace del principio del momento de torsión: (a) destornillador, (b) llave de tuercas, (c) pinzas, (d) carretilla de mano, (e) cascanueces y (f) palanca (alzaprima). 106
- 127. Problemas Sección 5.2 El brazo de palanca 5.1. Dibuje e identifique con un letrero el brazo de pa lanca de la fuerza F sobre un eje en el punto A de la figura 5.11a. ¿Cuál es la magnitud del brazo de palanca? Resp. 0.845 ft (a) 5 m 2m Alai Figura 5.11 (b) 5.2. 5.3. 5.4. Calcule el brazo de palanca sobre el eje B de la figu ra 5.11a. Dibuje y marque el brazo de palanca si el eje de ro tación está en el punto A de la figura 5.1Ib. ¿Cuál es la magnitud del brazo de palanca? Resp. 1.73 m Halle el brazo de palanca en el eje B de la figura 5.11b. Sección 5.3 Mom ento de torsión 5.5. Si la fuerza F de la figura 5.11a es igual a 80 Ib, ¿cuál es el momento de torsión resultante respecto al eje A (considerando insignificante el peso de la varilla)? ¿Cuál es el momento de torsión resultante respecto al eje B1 Resp. — 67.6 Ib • ft, 101 Ib • ft 5.6. La fuerza F ilustrada en la figura 5.11b es de 400 N y el peso del hierro del ángulo es insignificante, ¿cuál es el momento de torsión resultante respecto al eje A y al eje B1 5.7. Una correa de cuero está enrollada en una polea de 20 cm de diámetro. Se aplica a la correa una fuerza de 60 N. ¿Cuál es el momento de torsión en el cen tro del eje? Resp. 6 N • m 5.8. La varilla liviana de la figura 5.12 tiene 60cm de longitud y gira libremente alrededor del punto A. Halle la magnitud y el signo del momento de torsión provocado por la fuerza de 200 N, si el ángulod es de (a) 90°, (b) 60°, (c) 30° y (d) 0o. F = 200 N Figura 5.12 4 0 1 60 cm 5.9. Una persona que pesa 650 N decide dar un paseo en bicicleta. Los pedales se mueven en un círculo que tiene 40 cm de radio. Si todo el peso actúa sobre cada movimiento descendente del pedal, ¿cuál es el momento de torsión máximo? Resp. 260 N • m 5.10. Una sola correa está enrollada en dos poleas. La po lea de tracción tiene un diámetro de 10 cm y la polea exterior de salida tiene 20 cm de diámetro. Si la ten sión en la parte superior de la correa es esencialmen te de 50 N en el borde de cada polea, ¿cuáles son los momentos de torsión de entrada y de salida? Sección 5.4 Mom ento de torsión resultante 5.11. ¿Cuál es el momento de torsión resultante respecto al punto A de la figura 5.13? No tome en cuenta el peso de la barra. Resp. 90 N • m 5.12. 5.13. 5.14. 4 m 15 N X A I&= ____ i 2 m i 1 i 3 m 30 N 20 N Figura 5.13 Calcule el momento de torsión resultante en el caso de la figura 5.13 si el eje se mueve hasta el extremo izquierdo de la barra. ¿Qué fuerza horizontal se debe aplicar en el punto A de la figura 5.11b para que el momento de torsión resultante respecto al punto B sea igual a cero cuan do la fuerza F = 80 N? Resp. 100 N Dos ruedas de 60 cm y 20 cm de diámetro están uni das y giran sobre el mismo eje como muestra la fi gura 5.14. ¿Cuál es el momento de torsión resultante respecto a un eje central para los pesos indicados? Capítulo 5 Resumen y repaso 107
- 128. 5.15. Suponga que retira el peso de 150 N de la rueda más pequeña en la figura 5.14. ¿Qué nuevo peso puede usted colgar de ella para obtener un momento de torsión resultante de cero? Resp. 600 N 5.16. Encuentre el momento de torsión resultante respec to a la esquina A para la figura 5.15. Figura 5.15 5.17. Halle el momento de torsión resultante respecto al punto C en la figura 5.15. Resp. —16.0 N ■m *5.18. Halle el momento de torsión resultante respecto al eje B en la figura 5.15. Sección 5.5 Equilibrio 5.19. Una regla graduada de material uniforme se ha equilibrado en su punto medio sobre un solo punto de apoyo. Una pesa de 60 N se cuelga en la marca de 30 cm. ¿En qué punto será necesario colgar una pesa de 40 N para equilibrar el sistema? Resp. En la marca de 80 cm 5.20. En una regla graduada se colocan pesas de 10 N, 20 N y 30 N en las marcas de 20 cm, 40 cm y 60 cm, respectivamente. La regla se equilibra sobre un solo apoyo en su punto medio. ¿En qué punto habrá que agregar una pesa de 5 N para obtener el equilibrio? 5.21. Una tabla de 8 m con peso insignificante está sos tenida en un punto localizado a 2 m del extremo derecho, donde se le aplica un peso de 50 N. ¿Qué fuerza descendente se debe ejercer en el extremo iz quierdo para alcanzar el equilibrio? Resp. 16.7 N 5.22. Un poste de 4 m es sostenido en sus extremos por dos cazadores que transportan en él un venado de 800 N que cuelga en un punto localizado a 1.5 m del extremo izquierdo. ¿Qué fuerza ascendente necesita ejercer cada cazador? 5.23. Suponga que la barra de la figura 5.16 tiene un peso insignificante. Halle las fuerzas F y A considerando que el sistema está en equilibrio. Resp. A = 26.7 N, F= 107 N F Figura 5.16 80 N 5.24. ¿Cuáles deben ser las fuerzas F¡ y F para que se alcance el equilibrio en la figura 5.17? No tome en cuenta el peso de la barra. Fi i i 5.25. Considere la barra ligera sostenida como se indica en la figura 5.18. ¿Cuáles son las fuerzas que ejer cen los soportes A y B? Resp. A = 50.9 N, 6 = 49.1 N 5.26. Una correa en V está enrollada en una polea de 16 pulgadas de diámetro. Si se requiere un momento de torsión resultante de 4 Ib ft, ¿qué fuerza es necesario aplicar a lo largo de la correa? 5.27. Un puente cuyo peso total es de 4500 N tiene 20 me tros de longitud y tiene soportes en ambos extremos. Halle las fuerzas que se ejercen en cada extremo cuando se coloca un tractor de 1600 N a 8 m del ex tremo izquierdo. Resp. 2890 N, 3210 N 5.28. Una plataforma de 10 ft que pesa 40 Ib está apoyada en los extremos sobre escaleras de tijera. Un pintor que pesa 180 Ib se ha colocado a 4 ft del extremo de recho. Encuentre las fuerzas que ejercen los soportes. *5.29. Una viga horizontal de 6 m, cuyo peso es 400 N, gira sobre un pivote fijo en la pared como se obser va en la figura 5.19. La viga está sostenida por un cable en un punto localizado a 4.5 m de la pared y sostiene un peso de 1200 N en el extremo derecho. ¿Cuál es la tensión en el cable? Resp. 2337 N *5.30. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la fuerza que ejerce la pared sobre la viga? ¿Cuá les son la magnitud y la dirección de esta fuerza? Sección 5.6 Centro de gravedad 5.31. Una barra de material uniforme tiene una longitud de 6 m y pesa 30 N. De su extremo izquierdo pende una pesa de 50 N y se aplica una fuerza de 20 N en su extremo derecho. ¿A qué distancia del extremo izquierdo se deberá aplicar una sola fuerza ascen dente para establecer el equilibrio? Resp. 2.10 m 108 Capítulo 5 Resumen y repaso
- 129. Problemas adicionales 5.35. ¿Cuál es el momento de torsión resultante respecto al pivote de la figura 5.20? Considere que el peso de la barra curva es insignificante. Resp. — 3.42 N • m 5.36. ¿Con qué fuerza horizontal, aplicada al extremo iz quierdo de la varilla curva que aparece en la figura 5.20, se alcanzará el equilibrio rotacional? La barra forma un ángulo recto. 5.37. Pesas de 100, 200 y 500 N se colocan sobre una tabla ligera que descansa en dos soportes, como se aprecia en la figura 5.21. ¿Cuáles son las fuerzas que ejercen los soportes? Resp. 375 N, 425 N 100 N 200 N 500 N 5 m 3 m 2 m 1 1 >f A 8 m L Figura 5.21 5.38. Una viga de acero de 8 m pesa 2400 N y está sos tenida a 3 m del extremo derecho. Si se coloca un peso de 9000 N en el extremo derecho, ¿qué fuerza 5.32. Una esfera de 40 N y una esfera de 12 N están co nectadas por una varilla ligera de 200 mm de longi tud. ¿A qué distancia del punto medio de la esfera de 40 N está el centro de gravedad? 5.33. Pesas de 2, 5, 8 y 10 N penden de una varilla ligera de 10 m a distancias de 2, 4, 6 y 8 m del extremo izquierdo. ¿A qué distancia del extremo izquierdo está el centro de gravedad? Resp. 6.08 m 5.34. Calcule el centro de gravedad de un martillo si la cabeza de metal pesa 12 Ib y el mango de 32 in que la sostiene pesa 2 Ib. Suponga que la construcción y el peso del mango son uniformes. se debe aplicar en el extremo izquierdo para equili- t brar el sistema? *5.39. Halle el momento de torsión resultante respecto al punto A en la figura 5.22. Resp. -3 .8 7 N • m *5.40. Encuentre el momento de torsión resultante respec to al punto B en la figura 5.22. i Capítulo 5 Resumen y repaso 109
- 130. Preguntas para la reflexión crítica 5.42. *5.41. Una caja de 30 Ib y una caja de 50 Ib se colocan en los extremos opuestos de una tabla de 16 ft soste nida únicamente en su punto medio. ¿A qué distan cia del extremo izquierdo se tendrá que colocar una caja de 40 Ib para establecer el equilibrio? ¿Sería diferente el resultado si la tabla pesara 90 Ib? ¿Por qué sí o por qué no? Resp. 4.00 ft, no En un banco de laboratorio tenemos una piedra pe queña, una regla graduada de 4 N y un solo sopor te con borde de navaja. Explique cómo puede usar esos tres elementos para hallar el peso de la piedra pequeña. Calcule las fuerzas Fv F2 y F3 necesarias para que el sistema dibujado en la figura 5.23 quede en equi librio. Resp. F, = 213 Ib, F2 = 254 Ib, F3 = 83.9 Ib (a) ¿Qué peso W producirá una tensión de 400 N en la cuerda atada a la viga de la figura 5.24? (b) ¿Cuál sería la tensión de la cuerda si W = 400 N? Considere que el peso de la viga es insignificante en ambos casos. 3001b 5.43. 5.44. 5.45. Suponga que la viga de la figura 5.24 pesa 100 N y que el peso suspendido W es igual a 40 N. ¿Cuál es la tensión de la cuerda? Resp. T = 234 N 5.46. Para las condiciones que hemos descrito en la pre gunta 5.45, ¿cuáles son las componentes horizontal y vertical de la fuerza que ejerce el pivote colocado en el piso sobre la base de la viga? *5.47. ¿Cuál es la tensión del cable de la figura 5.25? El peso de la viga es 300 N, pero se desconoce su longitud. Resp. 360 N *5.48. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza que ejerce la pared sobre la viga de la figura 5.25? También en esta ocasión, supongamos que el peso de la tabla es de 300 N. *5.49. Entre los ejes de acero delantero y trasero de un au tomóvil hay una distancia de 3.4 m. El 60 por ciento del peso del vehículo descansa sobre las ruedas de lanteras, ¿a qué distancia del eje frontal se localiza el centro de gravedad? R esp.1.36 m 50 Ib 200 Ib Figura 5.24 110 Capítulo 5 Resumen y repaso
- 131. Aceleración uniforme El guepardo es un felino con características para la rapidez. Su fuerza y agilidad le permiten alcanzar una rapidez máxima de 100 km/h, la cual sólo puede mantener durante 10 segundos, aproximadamente. (Fotografía © vol. 44 PliotoDisc/Getty.) Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo ei alumno: 1. Definirá y aplicará las definiciones de velocidad media y aceleración media. 2. Resolverá problemas que incluyan tiempo, desplazamiento, velocidad media y aceleración media. 3. Aplicará una de las cinco ecuaciones generales del movimiento uniformemen te acelerado para determinar alguno de los cinco parámetros: velocidad ini cial, velocidad final, aceleración, tiempo y desplazamiento. 4. Resolverá problemas generales relacionados con cuerpos en caída libre en un campo gravitacional. 5. Explicará por medio de ecuaciones y diagramas el movimiento horizontal y vertical de un proyectil lanzado con diferentes ángulos. 6. Determinará la posición y la velocidad de un proyectil cuando se conocen su velocidad inicial y su posición. 7. Calculará el alcance, la altura máxima y el tiempo de vuelo de proyectiles cuan do se conocen la velocidad inicial y el ángulo de proyección. 111
- 132. 112 Capítulo 6 Aceleración uniforme Rapidez y velocidad El tipo más sencillo de movimiento que puede experimentar un objeto es el movimiento recti líneo uniforme. Si el objeto recorre las mismas distancias en cada unidad sucesiva de tiempo, se dice que se mueve con rapidez constante. Por ejemplo, si un tren recorre 8 m de vía por cada segundo que se mueve, se dice que tiene una rapidez constante de 8 m /s. Ya sea que la rapidez sea constante o no, la rapidez media de un objeto en movimiento se define como distancia recorrida rapidez media = --------------------------- tiempo transcurrido v = ~ (6.1 ) La línea sobre el símbolo v significa que la rapidez representa un valor promedio para el es pacio de tiempo t. Recuerde que la dimensión de la rapidez es la razón de una longitud a un intervalo de tiempo. Por tanto, las unidades de millas por hora, pies por segundo, metros por segundo y centímetros por segundo son unidades comunes de la rapidez. Un golfista logra un hoyo 3 segundos después de que golpea la pelota. Si ésta viajó con una rapidez media de 0.8 m /s, ¿a qué distancia estaba el hoyo? Solución: Si se despeja.* en la ecuación (6.1) queda x = vt = (0.8 m/s)(3 s) Por tanto, la distancia que hay hasta el hoyo es de x = 2.4 m Es importante observar que la rapidez es una cantidad escalar totalmente independiente de la dirección. En el ejemplo 6.1 no fue necesario conocer la rapidez de la pelota de golf a cada instante ni la naturaleza de su trayectoria. De forma similar, la rapidez media de un automóvil que viaja de Atlanta a Chicago es función únicamente de la distancia registrada en su odómetro y del tiempo requerido para realizar el viaje. En lo que se refiere a los cálculos, no hay ninguna diferencia, ya sea que el conductor del automóvil haya tomado la ruta directa o la panorámica, o incluso si tuvo que detenerse a comer. Debemos distinguir claramente entre la cantidad escalar rapidez y su contraparte direc- cional, la velocidad. Esto es fácil si recordamos la diferencia entre distancia y desplazamiento expuesta en el capítulo 3. Supongamos, como se indica en la figura 6.1, que un objeto se mue- B B Figura 6.1 El desplazamiento y la velocidad son cantidades vectoriales, mientras que la distancia y la rapi dez son independientes de la dirección; s, distancia; D. desplazamiento; v, velocidad; í, tiempo.
- 133. 6.2 Aceleración 113 En choques de frente, las bolsas de aire han demostrado su utilidad para prevenir lesiones en la cabeza y el pecho. En impactos con una disminución súbita en velocidades de 10 a 15 m i/h, un dispositivo detector instalado al frente del vehículo activa un sistema de encendido que causa la descomposición de gránulos de azida de sodio. Esto produce gas nitrógeno que infla las bolsas de nailon y las fuerza a salir de sus compartimientos donde están guardadas. El tiem po que transcurre entre el choque y el llenado de la bolsa es menor de 40 ms. Cuando el pasajero y la bolsa inflada hacen contacto, el gas es forzado a salir y la bolsa se desinfla en 2 s. ve a lo largo de la trayectoria de la línea punteada, de A a B. La distancia recorrida en realidad se denota con s, mientras que el desplazamiento se representa con las coordenadas polares D = (D, 9) Como ejemplo, considere que la distancia 5 de la ñgura 6.1 es de 500 km y que el despla zamiento es de 350 km a 45°. Si el tiempo real de travesía es de 8 h, la rapidez media es 5 500 km 8 h = 62.5 km/h En esta obra seguiremos la convención de usar el símbolo s para denotar las trayectorias cur vas y los símbolos x y y para representar las distancias en línea recta. La velocidad media, sin embargo, debe tomar en cuenta la magnitud y la dirección del desplazamiento. La velocidad media está dada por _ D 350 km, 45° V ~ t ~~ 8 h v = 43.8 km/h, 45° Por lo tanto, si la trayectoria del objeto en movimiento es curva, la diferencia entre rapidez y velocidad es tanto en magnitud como en dirección. Los automóviles no siempre pueden viajar a rapidez constante por largos espacios de tiempo. Al ir del punto A al B, quizá sea necesario ir más despacio o más rápido debido a las condiciones del camino. Por ello, a veces es útil hablar de rapidez instantánea o velocidad instantánea. La rapidez instantánea es una cantidad escalar que representa la rapidez en el instante en que el automóvil está en un punto arbitrario C. Por consiguiente, es la razón de cambio de la distancia respecto al tiempo. La velocidad instantánea es una cantidad vectorial que representa la velocidad v en cualquier punto C. Es, en consecuencia, la razón de cambio del desplaza miento respecto al tiempo. En este capítulo nos ocuparemos del movimiento en trayectoria recta, de modo que las magnitudes de la rapidez y la velocidad serán las mismas en cada instante. Si la dirección no cambia, la rapidez instantánea es la parte escalar de la velocidad instantánea. Sin embargo, es un buen hábito reservar el término velocidad para la descripción más completa del movimien to. Como veremos en secciones ulteriores, un cambio de velocidad puede originar también un cambio de dirección. En tales casos, los términos velocidad y desplazamiento son más apropiados que rapidez y distancia. Aceleración En la mayor parte de los casos, la velocidad de un objeto cambia mientras éste se mueve. El movimiento en el que la magnitud o la dirección cambia respecto al tiempo se llama ace leración. Supongamos que observa el movimiento de un corredor durante un tiempo t. La velocidad inicial v0del cuerpo se define como su velocidad al inicio del intervalo de tiempo (en general, t = 0). La velocidad final (vf) se define como la velocidad al terminar el intervalo de tiempo (cuando t = t). Por tanto, si somos capaces de medir las velocidades inicial y final de un objeto en movimiento, entonces afirmaremos que su aceleración está dada por cambio de velocidad Aceleración = ---------------------------- intervalo de tiempo V f~ v0 a = -------- t (6.2)
- 134. 114 Capítulo 6 Aceleración uniforme Si la aceleración se escribe como en la ecuación (6.2), se trata de una cantidad vectorial y, por consiguiente, depende del cambio tanto de dirección como de magnitud. Si la dirección no se modifica y el movimiento es en línea recta, sólo la rapidez del objeto cambia. No obs tante, si se sigue una trayectoria curva, habría aceleración aun cuando la rapidez no cambie. Para el movimiento en un círculo perfecto y con rapidez constante, la aceleración siempre formará ángulos rectos respecto a la velocidad. Más adelante abordaremos este movimiento circular uniforme. Movimiento uniformemente acelerado El tipo de aceleración más sencillo es el movimiento rectilíneo, en el que la rapidez cambia a razón constante. Este tipo especial de movimiento se conoce como movimiento uniforme mente acelerado o de aceleración uniforme. Puesto que no hay cambio en la dirección, la diferencia de vectores en la ecuación (6.2) se transforma simplemente en la diferencia entre los valores con signo de las velocidades final e inicial. Sin embargo, conviene recordar que la velocidad sigue siendo una cantidad vectorial y que el signo asignado a ella indica la direc ción y no la magnitud. Para una aceleración constante escribimos a = vf ~ v0 (6.3) Por ejemplo, considere un automóvil que se mueve con aceleración uniforme de una rapi dez inicial de 12 m /s a una final de 22 m /s, como se indica en la figura 6.2. Si consideramos la dirección a la derecha como positiva, la velocidad del auto en A es de +12 m /s y su velo cidad final en B es de +22 m/s. Si el incremento en la velocidad requiere 5 s, la aceleración puede determinarse a partir de la ecuación (6.2). a = vf vo 22 m/s — 12 m/s 5 s 10 m/s 5 s = 2 m /s- La respuesta se lee como dos metros por segundo por segundo o dos metros por segundo al cuadrado. Esto significa que cada segundo el automóvil incrementa su rapidez en 2 m/s. Puesto que el auto ya iba a 12 m /s cuando empezamos a contar el tiempo, después de 1, 2 y 3 s tendría valores para la rapidez de 14, 16 y 18 m /s, respectivamente. Á v = vf - v0 t = tiempo 12 m/s 22 m/s 22 m/s - 12 m/s A t= 5 s Figura 6.2 Movimiento uniformemente acelerado.
- 135. 6.3 Movimiento uniformemente acelerado 115 Un tren reduce su velocidad de 60 a 20 km /h en un tiempo de 8 s. Encuentre la aceleración en unidades del SI. Plan: Primero debe realizarse la conversión a unidades del SI (m/s). Luego hay que re cordar que la aceleración es el cambio de velocidad por unidad de tiempo. Solución: La velocidad inicial es km 1000 m 6 0 — X ----------- h 1 km 1 h 3600 s = 16.7 m/s De igual forma, se determina que 20 km/h es igual a 5.56 m/s. Como las velocidades si guen la misma dirección y muestran la misma aceleración se suponen constantes, entonces la ecuación (6.3) resulta en 5.56 m/s — 16.7 m/s a = VfJ-Vg t 8 s a = —1.39 m /s- Como la dirección original del tren del ejemplo 6.2 se consideró positiva, el signo nega tivo de la aceleración significa que el tren redujo su rapidez en 1.39 m/s cada segundo. Tal movimiento se conoce a veces como desaceleración, pero este término resulta problemático porque a = —1.39 m /s2significa en realidad que la velocidad se vuelve más negativa en esa cantidad cada segundo. Si la rapidez se incrementa en dirección negativa, la aceleración tam bién es negativa. La aceleración se refiere al cambio de velocidad, lo cual significa que puede tratarse de un incremento o una disminución de la rapidez. A menudo se usa la misma ecuación para calcular diferentes cantidades; por tanto, debe resolverla literalmente para cada símbolo que aparece en ella. Una forma práctica de escribir la ecuación (6.3) se presenta cuando se despeja la velocidad final, como sigue Velocidadfinal = velocidad inicial + cambio de velocidad vf = v 0 + at (6.4) ;automóvil mantiene una aceleración constante de 8 m /s2. Si su velocidad inicial era de m /s al norte, ¿cuál será su velocidad después de 6 s? Plan: La velocidad inicial aumentará en 8 m /s cada segundo que el auto se desplace. Para obtener la velocidad final sólo se requiere sumar este cambio a la velocidad inicial. Solución: La velocidad final se obtiene a partir de la ecuación (6.4). vf — v0 + at = 20 m /s + (8 m /s2)(6 s) = 20 m /s + 48 m /s = 68 m /s Así, la velocidad final es de 68 m /s, también al norte. Ahora que se han comprendido los conceptos de velocidad inicial y final, analicemos la ecuación de la velocidad media y expresémosla en términos de valores inicial y final. Mien tras la aceleración sea constante, la velocidad media de un objeto se determina igual que el promedio aritmético de dos números. Dadas una velocidad inicial y una final, la velocidad media es simplemente
- 136. 116 Capítulo 6 Aceleración uniforme Recordará que la distancia x es el producto de la velocidad media por el tiempo. Por ende, es posible sustituir esto en la ecuación (6.1) para obtener una expresión más útil para calcular la distancia cuando la aceleración es uniforme: 'vf + v0N x = | — - — )t (6.6) |r Un objeto en movimiento incrementa uniformemente su velocidad de 20 a 40 m /s en 2 min. ¿Cuál es la velocidad media y cuán lejos llegará en esos 2 min? Plan: Primero convertimos los 2 min de tiempo en 120 s con el fin de obtener congruen cia de unidades. Luego reconocemos que la velocidad media es el promedio entre los valores inicial y final para la aceleración constante. Por último, la distancia recorrida es el producto de la velocidad media por el tiempo. Solución: La velocidad media se calcula con base en la ecuación (6.5). Vf + v0 40 m/s + 20 m/s V ~~ 2 ” 2 v = 30 m/s Se usa entonces la ecuación (6.6) para obtener la distancia recorrida en los 120 s. x = (30 m/s)(120 s) = 3600 m Otras relaciones útiles Hasta ahora hemos presentado dos relaciones fundamentales. Una surgió de la definición de velocidad y la otra de la definición de aceleración. Se trata de las siguientes: 'vf + v0N X = v t — I ------------- 11 (6.6) y vf = v o + at (6.4) Aunque éstas son las únicas fórmulas necesarias para abordar los múltiples problemas que se presentan en este capítulo, hay otras tres relaciones útiles quepueden obtenerse a partir de ellas. Laprimerase deduce eliminando la velocidad final de las ecuaciones (6.6) y (6.4). Sustituyendo ésta en aquélla se obtiene (v0 + at) + v0 X ~ 2 _r Al simplificar se obtiene 1 9 x = v0t + ~ a r (6.7) Una ecuación similar se obtiene eliminando v0en las mismas dos ecuaciones: 1 9 x — Vft ~ —at (6.8)
- 137. 6.5 Resolución de problemas de aceleración 117 La tercera ecuación se obtiene mediante la eliminación del tiempo t en las ecuaciones básicas. Con un poco de álgebra se obtiene la x = vj - v2 0 (6.9) A pesar de que estas ecuaciones no nos proporcionan información nueva, son útiles para resolver problemas donde se conocen tres de los parámetros y es necesario hallar uno de los otros dos. Resolución de problemas de aceleración Aunque la resolución de problemas en los que interviene una aceleración constante se basa fundamentalmente en elegir la fórmula correcta y sustituir los valores conocidos, hay varias sugerencias para ayudar al alumno principiante. Los problemas con frecuencia se refieren al movimiento que parte de un estado de reposo o, bien, se detiene a partir de cierta velocidad inicial. En cualquier caso, las fórmulas presentadas pueden simplificarse por la sustitución ya sea de vQ= 0 o vf = 0, según el caso. En la tabla 6.1 se resumen las fórmulas generales. Tabla 6.1 Resumen de fórmulas de la aceleración ( v0 + Vf 1 , (1 ) x=V 2 ■> (4) x = vf t - - a t (2) Vf = v0 + at (5) lax = vj - V q 1 0 (3) x = v0t + - a r Un análisis más detallado de las cinco ecuaciones generales revela un total de cinco parámetros: x, vQ , vf, a y t. Si se conocen tres de estas cantidades, las dos restantes pueden calcularse a partir de las ecuaciones generales. Por tanto, el punto de partida para resolver cualquier problema consiste en leerlo cuidadosamente a fin de detectar las tres cantidades necesarias para resolverlo. También es importante elegir una dirección como la positiva y aplicar congruentemente este criterio a la velocidad, al desplazamiento y a la aceleración cuando se sustituyan sus valores en las ecuaciones. Si se le dificulta decidir qué ecuación debe usar, puede ser útil recordar las condiciones que requiere satisfacer cada ecuación. Primero, debe incluir el parámetro desconocido. Se gundo, es necesario conocer todos los demás parámetros que aparecen en la ecuación. Por ejemplo, si en un problema se conocen los valores de vQy t, es posible determinar a en la ecuación (2).de la tabla 6.1. Estrategia para resolver problemas Problemas de aceleración constante 1. Lea el problema; luego trace un bosquejo y escriba en él los datos. 2. Indique la dirección positiva de forma congruente. 3. Establezca los tres parámetros conocidos y los dos des conocidos. Asegúrese de que los signos y las unidades son congruentes. Dados:__________ Encontrar:___________ 4. Seleccione la ecuación que incluya uno de los paráme tros desconocidos, pero no al otro. v0 + Vf X = Vf — v0 + at 1 , x = Vnt H — a t 2 la x = vj — V 5 x = v a ----a t 5. Sustituya las cantidades conocidas y resuelva la ecuación.
- 138. 118 Capítulo 6 Aceleración uniforme Los ejemplos siguientes se han abreviado y no incluyen los bosquejos, pero sí ejemplifi can el proceso anteriormente expuesto. Una lancha de motor parte del reposo y alcanza una velocidad de 15 m /s en un tiempo de 6 s. ¿Cuál era su aceleración y cuán lejos viajó? Plan: Se traza un bosquejo y se escriben en él los datos conocidos, además de que se indica la dirección positiva de forma congruente con la velocidad inicial. Se organizan los datos conocidos, se eligen las ecuaciones apropiadas y se resuelve para la aceleración y la distancia recorrida. Solución: En este caso, todos los parámetros proporcionados son positivos: Dados: v. = 0 7 t — 6 s 15 m/s Encontrar: a = ? x = ? Para encontrar la aceleración debemos elegir una ecuación que incluya a pero no x. Puede usarse la ecuación (2) de la tabla 6.1, y en ella vQ= 0. Así, vf = 0 + at vf ~ at Al resolver para la aceleración a, se obtiene 7 15 m/s t 6 s = 2.50 m /s2 El desplazamiento puede hallarse con base en una ecuación que incluya x pero no a. La ecuación (1) de la tabla 6.1 produce ' vf + vp _ (15 m/s + 0)(6 s) x = 45.0 m Note que como se conoce la aceleración a, pudimos haber despejado x en las ecuaciones (3), (4) o (5); sin embargo, eso hubiera supuesto emplear el valor calculado de a, que po dría ser incorrecto. Es mejor usar la información original. Un avión aterriza en la cubierta de un portaaviones con una velocidad inicial de 90 m /s y se detiene por completo en una distancia de 100 m. Encuentre la aceleración y el tiempo necesario para detenerlo. Plan: Se sigue el mismo procedimiento que en los ejemplos anteriores. Se elegirá con cuidado la ecuación que incluya sólo la información original. Solución: Dados: vQ= 90 m /s Encontrar: a = ? vf = 0 m /s t = ? x = 100 m Tras examinar la tabla 6.1, seleccionamos la ecuación (5) como la que contiene a y no t: a = 2ax = vj — V q Vf ~ vi (O)2 - (90 m /s)2 2x 2(100 m) a = —40.5 m /s2
- 139. 6.6 Convención de signos en problemas de aceleración 119 La aceleración negativa se debe a que la fuerza de detención tiene una dirección opuesta a la velocidad inicial. Una persona sometida a una aceleración semejante experimentaría una fuerza de detención aproximadamente igual a cuatro veces su peso. A continuación hallamos el tiempo de detención eligiendo la ecuación donde aparece t y no a. De nuevo, la ecuación (1) es la correcta 'vf + v0 2x t o t =- 2 J Vf + v0 2(100 m) t = ñ ™— r = 2.22 s 0 + 90 m/s El avión experimenta una aceleración de — 40.5 m /s2y se detiene en un tiempo de 2.22 s. - — l i — ~ ~ www , Mtsz/f f/'jrz z s ^.*w m » Sr Un tren que viaja inicialmente a 16 m /s se acelera constantemente a razón de 2 m /s2en la misma dirección. ¿Cuán lejos viajará en 20 s? ¿Cuál será su velocidad final? Plan: Se ordenan los datos y se despejan las incógnitas de las ecuaciones. Solución: Dados: vQ= 16 m/s Encontrar: x = ? a = 2 m/s2 vf = ? t = 20 s Al elegir la ecuación (3) de la tabla 6.1, ya que contiene x y no v , se obtiene 1 , x = vfít i— a t 2 = (16 m /s)(20 s) + |( 2 m /s2)(20 s)2 = 320 m + 400 m = 720 m La velocidad final se halla a partir de la ecuación (2): Vf = v 0 + at = 16 m /s + (2 m /s2)(20 s) = 56.0 m /s El tren recorre una distancia de 720 m y alcanza una velocidad de 56 m/s. Convención de signos en problemas de aceleración Los signos de aceleración (a), desplazamiento (x) y velocidad (v) son interdependientes, y cada uno se determina por criterios distintos. Tal vez éste sea el aspecto que más confunde a los alumnos principiantes. Siempre que cambia la dirección del movimiento, como cuando un objeto es arrojado al aire o cuando se sujeta un objeto a un resorte que oscila, el signo corres pondiente al desplazamiento y a la aceleración resulta particularmente difícil de visualizar. Es útil recordar que sólo el signo de la velocidad se determina por la dirección del movimiento. El del desplazamiento depende de la ubicación o la posición del objeto, en tanto que el de la aceleración queda determinado por la fuerza que hace que la velocidad cambie. Imagine una pelota de béisbol lanzada hacia arriba, como se indica en la figura 6.3. La pelota se mueve hacia arriba en línea recta hasta que se detiene y regresa siguiendo una trayec toria descendente en la misma línea. Consideraremos el punto de lanzamiento como el de des plazamiento cero (y = 0). Ahora, el signo del desplazamiento será positivo en cualquier punto ubicado arriba del lanzamiento y negativo en cualquier punto por debajo de él. Observe que no importa si la pelota se está moviendo hacia arriba o hacia abajo sólo su ubicación (la coorde nada y de su posición) es la que determina el signo del desplazamiento. El valor de y podría ser +1 m en su movimiento hacia arriba y +1 m en su movimiento hacia abajo. Su desplazamiento se vuelve negativo sólo cuando la pelota se encuentra por debajo del punto de lanzamiento.
- 140. 120 Capítulo 6 Aceleración uniforme =+, v = 0, a = - Figura 6.3 (.Fotografía de Paul E. Tippens.) Observe ahora los signos de la velocidad durante el vuelo de la pelota. Si suponemos que la dirección hacia arriba es positiva, la velocidad de la pelota es positiva siempre que su movimiento se dirige hacia arriba y negativa cada vez que su movimiento va hacia abajo. No importa que la velocidad cambie con el tiempo, ni tampoco su ubicación en el espacio. Por último, considere la aceleración de la pelota durante su vuelo. La única fuerza que actúa sobre ella durante su recorrido es su peso, el cual siempre está dirigido hacia abajo. Por tanto, el signo de la aceleración es negativo (hacia abajo) durante todo el movimiento. Obser ve que la aceleración es negativa cuando la pelota se mueve hacia arriba y también cuando se mueve hacia abajo. En esencia, la velocidad se vuelve en todo momento más negativa. Incluso cuando la velocidad pasa por cero en la parte más alta, la aceleración permanece constante en dirección hacia abajo. Para determinar si la aceleración de un objeto es positiva o negativa, no debemos considerar su ubicación ni la dirección de su movimiento; más bien debemos tener en cuenta la dirección de la fuerza que causa el cambio de velocidad. En este ejemplo, esa fuerza es el peso del objeto.
- 141. 6.7 Gravedad y cuerpos en caída libre 121 Figura 6.4 En el vacío todos los cuerpos caen con igual aceleración. Una vez que se ha elegido la dirección positiva, con las convenciones siguientes se deter minarán los signos de la velocidad, el desplazamiento y la aceleración: El desplazamiento es positivo o negativo de acuerdo con la ubicación o posi ción del objeto en relación con su posición cero. La velocidad es positiva o negativa según la dirección del movimiento: si está en favor o en contra de la dirección elegida como positiva. La aceleración es positiva o negativa según esté la fuerza resultante a favor o en contra de la dirección elegida como positiva. Gravedad y cuerpos en caída libre Gran parte de nuestros conocimientos sobre la física de los cuerpos en caída libre se deben al científico italiano Galileo Galilei (1564-1642). Él fue el primero en deducir que en ausencia de fricción, todos los cuerpos, grandes o pequeños, pesados o ligeros, caen a la Tierra con la misma aceleración. Ésa es una idea revolucionaria porque contradice lo que una persona pudiera suponer. Antes de la época de Galileo, la gente seguía las enseñanzas de Aristóteles, según las cuales los objetos pesados caían proporcionalmente más rápido que los ligeros. La explicación clásica de la paradoja radica en el hecho de que los cuerpos pesados son propor cionadamente más difíciles de ser acelerados. Esta resistencia al cambio de movimiento es una propiedad de los cuerpos llamada inercia. Por tanto, en el vacío, una pluma y una bola de acero caerán al mismo tiempo porque el efecto inercial mayor de la bola de acero se compen sa exactamente con su mayor peso (véase la figura 6.4.) En la explicación de los cuerpos en caída libre de este capítulo se despreciarán totalmente los efectos de la fricción debida al aire. En estas circunstancias, la aceleración gravitacional corresponde a un movimiento uniformemente acelerado. Dicha aceleración se ha medido en el nivel del mar y a una latitud de 45°, y su valor es de 32.17 ft/s2, o 9.806 m /s2, y se repre senta con g. Para nuestros propósitos, los valores siguientes son suficientemente precisos: g = ±9.80 m /s2 (6>1Q) g = ±32.0 ft/s2 Puesto que la aceleración gravitacional es una aceleración constante, se aplican las mis mas ecuaciones generales del movimiento. Sin embargo, uno de los parámetros se conoce de antemano y no necesita darse como dato en el problema. Si la constante g se incluye en las ecuaciones generales (tabla 6.1), resultan las formas siguientes: vf + v0 (la) y = — - — t y = vt (2a) vf = v0 + gt (3a) y = v0t + ^ g t2 1 9 (4a) y = vf t — - gt- (5a) 2gy = vj - Antes de utilizar estas ecuaciones conviene hacer algunos comentarios generales. En pro blemas referidos a cuerpos en caída libre es de suma importancia elegir una dirección como la positiva y seguir ese criterio en forma sistemática al sustituir los valores conocidos. El signo de la respuesta es necesario para determinar la ubicación de un punto o la dirección de la velocidad en instantes específicos. Por ejemplo, la distancia y en las ecuaciones anteriores re presenta el desplazamiento arriba o abajo del origen. Si la dirección ascendente se elige como positiva, un valor positivo de y indica un desplazamiento por arriba del punto de partida; si y es negativa, representa un desplazamiento por debajo de ese punto. De igual forma, los signos de v0, v y g indican sus direcciones.
- 142. 122 Capítulo 6 Aceleración uniforme w/y f > ^ í z >ó 1 1 Una pelota de hule se deja caer del reposo, como se muestra en la figura 6.5. Encuentre su velocidad y su posición después de 1, 2, 3 y 4 s. Plan: Como todos los parámetros se medirán hacia abajo, es más práctico elegir la direc ción descendente como positiva, de forma que aquéllos resulten positivos. Solución: Organizando los datos tenemos: Dados: v0 = 0 Encontrar: v = ? f g — +9.80 m /s2 t = 1, 2, 3, 4 s y = ? La velocidad hacia abajo en función del tiempo aparece en la ecuación (2a), donde vQ= 0. v/ = vo + Sf = 0 + gt = (9.80 m /s2)t Después de 1 s tenemos vf = (9.80 m /s2)(l s) = 9.80 m /s (hacia abajo) Con las sustituciones para t = 2, 3 y 4 s se obtienen velocidades finales de 19.6, 29.4 y 39.2 m /s, respectivamente. Todas estas velocidades son positivas porque se eligió la direc ción descendente como positiva. La y positiva en función del tiempo se calcula a partir de la ecuación (3a). Como la velocidad inicial es cero, escribimos 1 1 y = v0t + ~ g r = ~ gt¿ Después del tiempo de 1 s, el desplazamiento descendente será y = “ (9.80 m /s2)(l s)2 = 4.90 m v = 0 m/s v = 9.80 m/s y=0 y = 4.90 m v = 19.6 m/s y = 19.6 m v = 29.4 m/s (^ ) y = 44.1 m g = +9.80 m/s2 1 v = 39.2 m/s y = 78.4 m Figura 6.5 Un cuerpo en caída libre tiene una aceleración constante hacia abajo de 9.80 m /s2,
- 143. 6.7 Gravedad y cuerpos en caída libre 123 Cálculos semejantes para t = 2, 3 y 4 s producen desplazamientos de 19.6, 44.1 y 78.4 m, respectivamente. Note que cada desplazamiento es positivo (en dirección descendente). Los resultados se resumen en la tabla 6.2. Tabla 6.2 Velocidades y desplazam ientos de una pelota arrojada desde el reposo Tiempo t, s Velocidad al final Desplazamiento al final del tiempo t, m /s del tiempo t, m 0 0 0 1 9.80 4.90 2 19.6 19.6 3 29.4 44.1 4 39.2 78.4 Suponga que una pelota se arroja hacia arriba con una velocidad inicial de 96 ft/s; expli que, sin utilizar ecuaciones, cómo el movimiento ascendente es exactamente inverso al movimiento descendente. Solución: Vamos a suponer que la dirección hacia arriba es positiva, lo que hace que la aceleración debida a la gravedad sea igual a —32 ft/s2. El signo negativo indica que un objeto arrojado verticalmente hacia arriba verá reducida su velocidad en 32 ft/s cada se gundo que se eleve. (Véase la figura 6.6.) Figura 6.6 Una pelota arrojada verticalmente hacia arriba vuelve al suelo con la misma velocidad.
- 144. 124 Capítulo 6 Aceleración uniforme Si su velocidad inicial es 96 ft/s, su velocidad después de 1 s se reducirá a 64 ft/s. Después de 2 s su velocidad será de 32 ft/s, y después de 3 s su velocidad queda reducida a cero. Cuando la velocidad llega a cero, la pelota ha alcanzado su máxima altura y empieza a caer libremente partiendo del reposo. Sin embargo, ahora la velocidad de la pelota va a incrementarse en 32 ft/s cada segundo, ya que tanto la dirección del movimiento como la aceleración de la gra vedad están en la dirección negativa. Su velocidad después de 4, 5 y 6 s será de —32, —64 y —96 ft/sz, respectivamente. Excepto por el signo, que indica la dirección del movimiento, las velocidades son las mismas a iguales alturas en relación con el piso. Ejemplo 6.10 F Una pelota de béisbol arrojada verticalmente hacia arriba desde la azotea de un edificio alto tiene una velocidad inicial de 20 m /s. (a) Calcule el tiempo necesario para que alcance la altura máxima, (b) Determine la altura máxima, (c) Determine su posición y su veloci dad después de 1.5 s. (d) ¿Cuáles son su posición y su velocidad después de 5 s? (Véase la figura 6.7.) Plan: Elegimos la dirección ascendente como positiva, puesto que la velocidad inicial se dirige hacia arriba. Ello significa que la aceleración será —9.8 m /s2para todos los incisos. En cada parte del problema adoptaremos la misma estrategia aplicada a los problemas de aceleración en general. Figura 6.7 Una pelota arrojada verticalmente hacia arriba asciende hasta que su velocidad es cero; entonces cae con creciente velocidad hacia abajo.
- 145. 6.7 Gravedad y cuerpos en caída libre 125 Solución (a): El tiempo para alcanzar la altura máxima se halla tras reconocer que la velocidad de la pelota será igual a cero en ese punto. Los datos se ordenan como sigue: Dados: vQ= 20 m /s Encontrar: t = ? vf = 0 y = 7 g = -9 .8 m /s2 El tiempo requerido para llegar a la altura máxima se determina a partir de la ecuación (2a): t = V /~ Vp = _ V q 8 —20 m/s 2.04 s —9.8 m /s2 Solución (b): La altura máxima se halla igualando vf = 0 en la ecuación (la). vf + v° f _ 2 J 2 20 m/s -(2.04 s) = 20.4 m z Solución (c): Para determinar la posición y la velocidad después de 1.5 s debemos esta blecer condiciones nuevas Dados: vQ= 20 m /s Encontrar: y = 7 g = —9.8 m /s2 t= 1.5 s v/ = ? Ahora podemos calcular la posición como sigue: 1 , y = v0t + - g r = (20 m/s)(1.5 s) + ~ (—9.8 m /s2)(1.5 s)2 = 30 m - 11 m = 19 m La velocidad después de 1.5 s se obtiene con vf = v o + St = 20 m /s + (—9.8 m /s2)(1.5 s) = 20 m /s — 14.7 m /s = 5.3 m /s Solución (d): Las mismas ecuaciones se aplican para determinar la posición y la veloci dad después de 5 s. Por tanto, 1 2 y = v0t + ~ g r = (20 m/s)(5 s) + ^-(-9.8 m /s2)(5 s)2 = 100 m — 123 m = —23 m El signo negativo indica que la pelota se halla a 23 m por debajo del punto de lanzamiento.
- 146. 126 Capítulo 6 Aceleración uniforme La velocidad después de 5 s está dada por vf = v o + S1 = 20 m /s + (—9.8 m /s2)(5 s) = 20 m /s —49 m /s = —29 m /s En este caso, el signo negativo indica que la pelota se desplaza hacia abajo. Movimiento de proyectiles Hemos visto que los objetos lanzados verticalmente hacia arriba o hacia abajo, o que se de jan caer a partir del reposo sufren una aceleración uniforme en el campo gravitacional de la Tierra. Ahora estudiaremos el caso más general de un cuerpo que se lanza libremente, en una dirección no vertical, en un campo gravitacional, como se observa en la figura 6.8, donde una pelota de fútbol se patea hacia el espacio. En ausencia de fricción, ese movimiento es otro ejemplo de aceleración uniforme o constante. Figura 6.8 Una pelota de fútbol pateada es un proyectil que se lanza libremente al espacio sólo bajo la in fluencia de la gravedad. Si se desprecia la resistencia del aire, la única fuerza que actúa sobre ella es su peso. Un objeto que se lanza al espacio sin fuerza de propulsión propia recibe el nombre de proyectil. Si se desprecia la resistencia ejercida por el aire, la única fuerza que actúa sobre el proyectil es su peso W, que provoca que su trayectoria se desvíe de una línea recta. El pro yectil experimenta una aceleración constante hacia abajo debido a la fuerza gravitacional que se ejerce hacia el centro de la Tierra; pero difiere de los movimientos estudiados previamente pues, en general, la dirección de la gravedad no coincide con la dirección de la velocidad inicial. Como ninguna fuerza actúa horizontalmente para cambiar la velocidad, la aceleración horizontal es cero; esto produce una velocidad horizontal constante. Por otra parte, la fuerza de gravedad hacia abajo causa que la velocidad vertical cambie uniformemente. Por ende, en condiciones normales el movimiento de un proyectil ocurre en dos dimensiones y debe ser estudiado en esa forma. | 2 J Proyección horizontal Si un objeto se proyecta horizontalmente, la mejor manera de describir su movimiento es considerar por separado el movimiento horizontal y el vertical. Por ejemplo, en la figura 6.9 un dispositivo electrónico está ajustado para proyectar al mismo tiempo una pelota horizon talmente, mientras deja caer otra, desde su posición de reposo, a la misma altura. La veloci dad horizontal de la pelota proyectada no cambia, como lo indican las flechas, que son de la misma longitud a lo largo de toda su trayectoria. La velocidad vertical, por otra parte, es cero al principio y aumenta de manera uniforme de acuerdo con las ecuaciones que obtuvimos con anterioridad para el movimiento en una sola dimensión. Las pelotas golpearán el piso en el mismo instante, a pesar de que una de ellas se mueve también horizontalmente. Por tanto, los problemas se simplifican en gran medida si se calculan por separado las soluciones para sus componentes horizontal y vertical.
- 147. 6.9 Proyección horizontal 127 Las mismas ecuaciones generales presentadas en la tabla 6.1 para la aceleración uniforme se aplican también al movimiento de proyectiles. Sin embargo, sabemos de antemano que si la partícula se proyecta cerca de la Tierra, la aceleración vertical será igual a 9.8 m /s2o 32 ft/s2 y que siempre estará dirigida hacia abajo. Entonces, si se decide que la dirección ascendente sea positiva, la aceleración de un proyectil será negativa e igual a la aceleración gravitacional. Podemos indicar las componentes de la velocidad mediante los subíndices apropiados. Por ejemplo, si queremos expresar el movimiento vertical en función del tiempo podemos escribir: 1 , y = VOyt + - g t - Observe que y representa el desplazamiento vertical, v la velocidad vertical inicial, y g la aceleración de la gravedad (normalmente —9.8 m /s2). Consideremos primero el movimiento de un proyectil lanzado horizontalmente en un campo gravitacional. En este caso, observamos que V n — v v„ = 0 a = 0 a = g = —9.8 m /s2 O.y x Ov x y ° ' porque la velocidad horizontal es constante y la velocidad vertical es inicialmente igual a cero. Por ello, los desplazamientos horizontal y vertical del proyectil pueden hallarse a partir de: x = v Qt Desplazamiento horizontal ' l i (6.11) y — voyt + 2& Desplazamiento vertical Como v = vQ+ gt, podemos determinar las componentes horizontal y vertical de la velocidad final a partir de v = vn Velocidad horizontal 1 lh (6.12) v = v0v + gt Velocidad vertical El desplazamiento final y la velocidad de una partícula proyectada horizontalmente pue den hallarse a partir de sus componentes. En todas las ecuaciones anteriores, el símbolo g se interpreta como la aceleración debida a la gravedad, la cual siempre se dirige hacia abajo. Por tanto, g será negativa si el desplazamiento hacia arriba se elige como la dirección positiva. En la tabla 6.3 se presenta un excelente resumen de cómo pueden modificarse las fórmu las generales de la aceleración uniforme para aplicarlas a proyectiles.
- 148. 128 Capítulo 6 Aceleración uniforme Tabla 6.3 Movimiento uniformemente acelerado y proyectiles Fórmulas de aceleración general Modificadas para el movimiento de proyectiles (1) x — X = v 0xt ( V y + V0v y = [ 2 > (2) vf = v 0 + a t r.v = V0.v Vv = V0v + g t (3) X — 1 V qÍ ~r ~ C lt X = 1 , V = V0 yt + ^ g t " (4) X — i , V f t -------- Clt~ 1 2 X = v0J y = yyt ~ ^ (5) 2 ax O I O 1 I I ax = 0 2gy = Vy - Vqv Ejemplo 6.11 mv/s Un esquiador inicia un salto horizontalmente con una velocidad inicial de 25 m /s, como se muestra en la figura 6.10. La altura inicial al final de la rampa es de 80 m arriba del punto de contacto con el suelo, (a) ¿Cuánto tiempo permanece en el aire el esquiador? (b) ¿Cuán lejos viaja horizontalmente? (c) ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la velocidad final? Plan: Para la proyección horizontal, se observa que la velocidad vertical inicial es cero y que la velocidad horizontal no cambia. Además, si se elige como positiva la dirección descendente, la aceleración será +9.8 m /s2 y el resto de los parámetros también serán positivos. Cada inciso del problema se resuelve sustituyendo los datos proporcionados en las ecuaciones apropiadas de la tabla 6.3. Solución (a): El tiempo que pasa en el aire sólo es función de parámetros verticales. Dados: vQ j = 0, a = +9.8 m /s2, y = +80 m Encontrar: t = ? Necesitamos una ecuación que incluya / y no v . 1 7 J = VQyt + ~ g t Igualando v = 0 y resolviendo para t se obtiene 1 , > ' = T g f y t = 2y Figura 6.10 Un esquiador se lanza en un salto con una velocidad horizontal inicia] de 25 m/s. Su posi ción y su velocidad pueden determinarse en función del tiempo.
- 149. 6.10 El problema general de las trayectorias 129 Al sustituir con los valores dados de y y g se determina t. 2(80 m) f = A/ ---------- , o t = 4.04 s 9.8 m /s2 Se requiere un tiempo de 4.04 s para que el esquiador llegue al suelo. Solución (b): En vista de que la velocidad horizontal es constante, el alcance queda de terminado tan sólo por el tiempo en el aire. x = vQ J = (25 m/s)(4.04 s) = 101 m Solución (c): La componente horizontal de la velocidad no cambia y, por tanto, es igual a 25 m /s en el punto de aterrizaje. La componente vertical final está dada por v, = gt = (9.8 m /s2)(4.04 s) = 39.6 m /s La componente horizontal es 25 m /s a la derecha y la componente vertical es 39.6 m /s dirigida hacia abajo. Recuerde que con fines prácticos se eligió la dirección descenden te como positiva. Queda como ejercicio que usted demuestre que la velocidad final es 46.8 m /s a un ángulo de 57.7° por debajo de la horizontal. Ésta será la velocidad un ins tante antes de tocar el suelo. El problema general de las trayectorias El caso más general de movimiento de proyectiles se presenta cuando uno de éstos se lanza con cierto ángulo. Este problema se ilustra en la figura 6.11, donde el movimiento de un pro yectil lanzado con un ángulo 9, con una velocidad inicial v , se compara con el movimiento de un objeto lanzado verticalmente hacia arriba. Una vez más, resulta fácil advertir la ventaja de tratar por separado los movimientos horizontal y vertical. En este caso pueden usarse las ecuaciones de la tabla 6.3, y hemos de considerar la dirección hacia arriba como positiva. Por tanto, si la posición vertical v está por arriba del origen, será positiva; será negativa si está por debajo. De forma similar, las velocidades hacia arriba serán positivas. Puesto que la acelera ción siempre se dirige hacia abajo, debemos dar a g un valor negativo. Figura 6.11 El movimiento de un proyectil lanzado con determinado ángulo se compara con el movimien to de un objeto arrojado verticalmente hacia arriba.
- 150. 130 Capítulo 6 Aceleración uniforme Movimiento de proyectiles 1. Descomponga la velocidad inicial v0en sus componen tes x y y: v. = v. eos 6 v. = v. sen 6 O x o o > - o 2. Las componentes horizontal y vertical del desplaza miento en cualquier instante están dadas por x = v0xt y i , Voy* + ~ gt 3. Las componentes horizontales y verticales de la velo cidad en cualquier instante están dadas por V v= v0, v. = v0y + gt 4. La posición y la velocidad finales pueden determinarse a partir de sus componentes. 5. Asegúrese de utilizar los signos correctos y unidades coherentes. Recuerde que la gravedad g puede ser po sitiva o negativa, según su elección inicial. Ejemplo 6.12 '.Se dispara un proyectil con una velocidad inicial de 80 m /s con un ángulo de 30° por en cima de la horizontal. Determine (a) su posición y velocidad después de 6 s, (b) el tiempo necesario para que alcance su altura máxima, y (c) el alcance horizontal R, como se indica en la figura 6.11. Plan: Esta vez elegimos como positiva la dirección hacia arriba, lo que hace que g = —9.8 m /s2. Como el disparo tiene un ángulo, trabajaremos con las componentes inicial y final de la velocidad. Al tratar por separado el movimiento vertical del horizontal podemos resolver el problema para cada una de las incógnitas del ejemplo. Solución (a): Las componentes horizontal y vertical de la velocidad inicial son vor = vo c o s ^ = (8 0 m /s) eos 30° = 69.3 m /s voy = vo sen ^ = (^0 m /s) sen 30° = 40.0 m /s La componente x de su posición después de 6 s es x = v0xt = (69.3 m/s)(6 s) = 416 m La componente y de su posición en ese lapso es 1 , y = v0/ + - g r de donde y = (40 m/s)(6 s) + ^-(—9.8 m /s2)(6 s)2 y = 240 m — 176 m = 64.0 m La posición después de 6 s es de 416 m con una trayectoria hacia abajo y 64.0 m arriba de su posición inicial. Para calcular su velocidad en este punto, primero debemos reconocer que la compo nente x de la velocidad no cambia. Por tanto, v = v„ = 69.3 m /s x (k ' La componente y de la velocidad debe calcularse a partir de
- 151. 6.10 El problema general de las trayectorias 131 de modo que vv= 40 m /s + (-9 .8 m /s2)(6 s) vy = 40 m /s —58.8 m /s v = —18.8 m /s y El signo negativo indica que el proyectil ha rebasado el punto más alto y ahora su recorri do es descendente. Por último, es preciso calcular la velocidad resultante después de 6 s a partir de sus componentes, como se muestra en la figura 6.12. Figura 6.12 La magnitud de la velocidad es v = V v2 + v2 = V(69.3 m /s)2 + (-18.8 m/s)2 = 71.8 m/s El ángulo se determina con base en la función tangente —18.8 m/s vv tan cb = — V .v 69.3 m/s = 15.2° S del E = 0.271 Solución (b): En el punto máximo de la trayectoria del proyectil, la componente v de su velocidad es igual a cero. Así, el tiempo para llegar a esa altura se calcula a partir de donde V v = % + Sf 0 = (40 m /s) + (—9.8 m /s2)? v = 0 Al resolver para t se obtiene 40 m/s 9.8 m /s2 = 4.08 s Como ejercicio, debe usar este resultado para demostrar que la altura máxima de la trayec toria es de 81.6 m. Solución (c): El alcance del proyectil puede calcularse reconociendo que el tiempo total (/■') del vuelo completo es igual a dos veces el tiempo que demora en llegar al punto más alto. En consecuencia t' = 2(4.08 s) = 8.16 s y el alcance es de R = v0xt' = (69.3 m/s)(8.16 s) = 565 m En este ejemplo se observa que el proyectil se eleva a una altura máxima de 81.6 m en un tiempo de 4.08 s. Después de 6 s alcanza un punto de 416 m con trayectoria hacia abajo y 64.0 m arriba del punto de partida. En ese punto su velocidad es de 71.8 m/s en una dirección de 15° debajo de la horizontal. El alcance total es de 565 m.
- 152. Resumen y repaso Resumen Una forma práctica de describir objetos en movimiento con siste en analizar su velocidad o su aceleración. En este capí tulo se presentaron diversas aplicaciones que incluyen esas cantidades físicas. • La velocidad media es la distancia recorrida por unidad de tiempo, y la aceleración media es el cambio de veloci dad por unidad de tiempo v = a = vf - v0 Las definiciones de velocidad y aceleración conducen al establecimiento de cinco ecuaciones básicas correspon dientes al movimiento uniformemente acelerado: f v 0 + V A X = V X ) vf = v0 + at 1 . x = v0t H — af 2 1 . x = vf r -----a f 2 2ax = vf -~ V o Si se conocen tres de los cinco parámetros (v0, vf a, x. y t), los otros dos se determinan a partir de una de estas ecuaciones. Para resolver problemas de aceleración, lea el problema analizando cuáles son los tres parámetros proporcionados y cuáles son los dos desconocidos. Puede escribir colum nas como éstas: Dados: a = 4 m s2 x = 500 m t = 20 s Encontrar: v = ? v = 9 Este procedimiento le ayuda a elegir la ecuación apropia da. Recuerde que debe elegir una dirección como positiva y aplicar sistemáticamente este criterio en toda la resolu ción del problema. Aceleración gravitacional: los problemas relativos a la aceleración gravitacional pueden resolverse de forma si milar a otros problemas de aceleración. En este caso, uno de los parámetros se conoce de antemano: a = g = 9.8 m/s2o 32 ft/s2 El signo de la aceleración gravitacional es + o —, según se elija la dirección positiva hacia arriba o hacia abajo. Movimiento de proyectiles', la clave para resolver pro blemas que incluyen movimiento de proyectiles es tratar el movimiento horizontal y el vertical por separado. La mayor parte de los problemas de proyectiles se resuelven utilizando el siguiente procedimiento: • Descomponga la velocidad inicial v0en sus componen tes x y y: vo, = vocos V 0v= V 0Sel1 Las componentes horizontal y vertical de su posición en cualquier instante están dadas por 1 , I I < O }' = V + 0£ r Las componentes horizontal y vertical de su velocidad en cualquier instante están dadas por v = v, + y o? • Es posible obtener la posición y la velocidad finales a partir de sus componentes. Un aspecto importante que es necesario recordar al aplicar estas ecuaciones es que deben ser congruentes en su conversión de signos y unidades. Conceptos clave aceleración 121 aceleración gravitacional 121 aceleración uniforme (aceleración constante) 114 alcance 129 desplazamiento 121 inercia 121 proyectil 126 rapidez constante 112 rapidez instantánea 113 rapidez media 112 velocidad 121 velocidad instantánea 113 132
- 153. Preguntas de repaso 6.1. Explique con claridad la diferencia entre los térmi nos rapidez y velocidad. Un piloto de carreras de automóviles recorre 500 vueltas en una pista de 1 mi en un tiempo de 5 h. ¿Cuál fue su rapidez media? ¿Cuál fue su velocidad media? 6.2. Un conductor de autobús recorre una distancia de 300 km en 4 h. Al mismo tiempo, un turista recorre los mismos 300 km en un automóvil, pero se detie ne y hace dos pausas de 30 minutos. Sin embargo, el turista llega a su destino en el mismo instante que el conductor del autobús. Compare la rapidez media de los dos conductores. 6.3. Presente varios ejemplos de movimiento donde la rapidez sea constante pero la velocidad no. 6.4. Una bola de boliche desciende en una canal con incli nación de 30° una distancia corta y después se nivela unos cuantos segundos para iniciar finalmente un as censo en otro tramo inclinado 30°. Comente la acelera ción de la bola a medida que pasa por cada segmento de su trayecto. ¿La aceleración es la misma cuando la pelota sube por el tramo inclinado que cuando baja con esa misma inclinación? Suponga que la bola recibe un impulso inicial en la parte superior del primer tramo inclinado y después viaja libremente a mayor veloci dad. ¿Será diferente la aceleración en cualquiera de los segmentos? 6.5. Una piedra es arrojada verticalmente hacia arriba. Asciende hasta la máxima altura, regresa al punto de partida y continúa descendiendo. Comente los signos de su desplazamiento, velocidad y acelera ción en cada punto de su trayectoria. ¿Cuál es su aceleración cuando la velocidad llega a cero en el punto más alto? Problemas Sección 6.1 Rapidez y velocidad 6.1. Un automóvil recorre una distancia de 86 km a una rapidez media de 8 m/s. ¿Cuántas horas requirió para completar el viaje? Resp. 2.99 h 6.2. El sonido viaja con una rapidez media de 340 m/s. El relámpago que proviene de una nube causante de una tormenta distante se observa en forma casi inmediata. Si el sonido del rayo llega a nuestro oído 3 s después, ¿a qué distancia está la tormenta? 6.3. Un cohete pequeño sale de su plataforma en direc ción vertical ascendente y recorre una distancia de 40 m antes de volver a la Tierra 5 s después de que fue lanzado. ¿Cuál fue la velocidad media de su re corrido? Resp. 16 m /s 6.4. Un automóvil transita por una curva en forma de U y recorre una distancia de 400 m en 30 s. Sin embar go, su posición final está a sólo 40 m de la inicial. 6.6. Cuando no existe la resistencia del aire, un proyectil requiere el mismo tiempo para llegar al punto más alto que para regresar al punto de partida. ¿Seguirá siendo válida esta afirmación si la resistencia del aire no es insignificante? Trace diagramas de cuerpo libre para cada situación. 6.7. ¿El movimiento de un proyectil disparado a cier to ángulo es un ejemplo de aceleración uniforme? ¿Qué sucede si es disparado verticalmente hacia arriba o verticalmente hacia abajo? Explique. 6.8. ¿En qué ángulo se debe lanzar una pelota de béisbol para lograr el máximo alcance? ¿Con qué ángulo debe lanzarse para lograr la máxima altura? 6.9. Un cazador dispara directamente una flecha contra una ardilla que está en la rama de un árbol y el ani mal cae en el instante que la flecha sale del arco. ¿Lesionará la flecha a la ardilla? Trace las trayecto rias que cabe esperar. ¿En qué condiciones no heri ría la flecha a la ardilla? 6.10. Un niño deja caer una pelota desde la ventanilla de un automóvil que viaja con una rapidez constante de 60 km/h. ¿Cuál es la velocidad inicial de la pelota en relación con el suelo? Describa el movimiento. 6.11. Un coche dejuguete es arrastrado sobre el suelo con ra pidez uniforme. Un resorte unido al coche lanza una canicaverticalmentehaciaarriba. Describaelmovimien to de la canica en relación con el suelo y con el coche. 6.12. Explique el ajuste que es necesario realizar en la mira de un rifle cuando la distancia del blanco se va incrementando. 6.13. Explique el razonamiento en que se basa el uso de trayectorias altas o bajas para realizar las patadas de despeje en un juego de fútbol americano. ¿Cuál es la rapidez media y cuál es la magnitud de la velocidad media? 6.5. Una mujer camina 4 min en dirección al Norte a una velocidad media de 6 km/h; después camina hacia el Este a 4 km/h durante 10 min. ¿Cuál es su rapidez media durante el recorrido? Resp. 4.57 km/h 6.6. ¿Cuál es la velocidad media de todo el recorrido descrito en el problema 6.5? 6.7. Un automóvil avanza a una rapidez media de 60 mi/h durante 3 h y 20 min. ¿Cuál fue la distancia recorrida? Resp. 200 mi 6.8. ¿Cuánto tiempo lleva recorrer 400 km si la rapidez media es de 90 km/h? 6.9. Una canica rueda hacia arriba una distancia de 5 m en una rampa inclinada y luego se detiene y vuelve has ta un punto localizado 5 m más abajo de su punto de partida. Suponga que x 0 cuando t = 0. Todo Capítulo 6 Resumen y repaso 133
- 154. el recorrido lo realiza en solamente 2 s. ¿Cuál fue la rapidez media y cuál fue la velocidad media? Resp. 7.5 m /s, —2.5 m /s Sección 6.3 Aceleración uniforme 6.10. El extremo de un brazo robótico se mueve hacia la derecha a 8 m/s. Cuatro segundos después, se mue ve hacia la izquierda a 2 m/s. ¿Cuál es el cambio de velocidad y cuál es la aceleración? 6.11. Una flecha se acelera de cero a 40 m/s en 0.5 s que permanece en contacto con la cuerda del arco. ¿Cuál es la aceleración media? Resp. 80 m /s2 6.12. Un automóvil se desplaza inicialmente a 50 km/h y acelera a razón de 4 m /s2durante 3 s. ¿Cuál es la rapidez final? 6.13. Un camión que viaja a 60 mi/h frena hasta detener se por completo en un tramo de 180 ft. ¿Cuáles fue ron la aceleración media y el tiempo de frenado? Resp. —21.5 ft/s 2, 4.09 s 6.14. En la cubierta de un portaaviones, un dispositivo de frenado permite detener un avión en 1.5 s. La acele ración media fue de 49 m /s2. ¿Cuál fue la distancia de frenado? ¿Cuál fue la rapidez inicial? 6.15. En una prueba de frenado, un vehículo que viaja a 60 km/h se detiene en un tiempo de 3 s. ¿Cuáles fueron la aceleración y la distancia de frenado? Resp. -5 .5 6 m /s2, 25.0 m 6.16. Una bala sale del cañón de un rifle de 28 in a 2700 ft/s. ¿Cuáles son su aceleración y su tiempo dentro del cañón? 6.17. A la pelota de la figura 6.13 se le imparte una ve locidad inicial de 16 m/s en la parte más baja de un plano inclinado. Dos segundos más tarde sigue moviéndose sobre el plano, pero con una velocidad de sólo 4 m/s. ¿Cuál es la aceleración? Resp. —6.00 m /s2 6.18. En el problema 6.17, ¿cuál es el desplazamiento máximo desde la parte inferior y cuál es la veloci dad 4 s después de salir de la parte inferior? 6.19. Un tren monorriel que viaja a 22 m/s tiene que de tenerse en una distancia de 120 m. ¿Qué aceleración media se requiere y cuál es el tiempo de frenado? Resp. —2.02 m /s2, 10.9 s Sección 6.7 G ravedad y cuerpos en caída libre 6.20. Una pelota en estado de reposo se suelta y se deja caer durante 5 s. ¿Cuáles son su posición y su velo cidad en ese instante? 6.21. Se deja caer una piedra a partir del estado de reposo. ¿Cuándo alcanzará un desplazamiento de 18 m por debajo del punto de partida? ¿Cuál es su velocidad en ese momento? Resp. 1.92 s, —18.8 m /s 6.22. Una mujer suelta una pesa desde la parte más alta de un puente y un amigo, que se encuentra abajo, me dirá el tiempo que ocupa el objeto en llegar al agua en la parte inferior. ¿Cuál es la altura del puente si ese tiempo es de 3 s? 6.23. A un ladrillo se le imparte una velocidad inicial de 6 m/s en su trayectoria hacia abajo. ¿Cuál será su velo cidad final después de caer una distancia de 40 m? Resp. 28.6 m /s hacia abajo 6.24. Un proyectil se lanza verticalmente hacia arriba y regresa a su posición inicial en 5 s. ¿Cuál es su ve locidad inicial y hasta qué altura llega? 6.25. Una flecha se dispara verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 80 ft/s. ¿Cuál es su altura máxima? Resp. 100 ft 6.26. En el problema 6.25, ¿cuáles son la posición y la velocidad de la flecha después de 2 y de 6 s? 6.27. Un martillo es arrojado verticalmente hacia arriba en dirección a la cumbre de un techo de 16 m de al tura. ¿Qué velocidad inicial mínima se requirió para que llegara ahí? Resp. 17.7 m /s Sección 6.9 Proyección horizontal 6.28. Una pelota de béisbol sale despedida de un bate con una velocidad horizontal de 20 m/s. En un tiempo de 0.25 s, ¿a qué distancia habrá viajado horizontal mente y cuánto habrá caído verticalmente? 6.29. Un avión que vuela a 70 m/s deja caer una caja de provisiones. ¿Qué distancia horizontal recorrerá la caja antes de tocar el suelo, 340 m más abajo? Resp. 583 m 6.30. En una explotación maderera, los troncos se des cargan horizontalmente a 15 m/s por medio de un conducto engrasado que se encuentra 20 m por en cima de un estanque para contener madera. ¿Qué distancia recorren horizontalmente los troncos? 6.31. Una bola de acero rueda y cae por el borde de una mesa desde 4 ft por encima del piso. Si golpea el suelo a 5 ft de la base de la mesa, ¿cuál fue su velo cidad horizontal inicial? Resp. vQ x = 10.0 ft/s 6.32. Una bala sale del cañón de un arma con una veloci dad horizontal inicial de 400 m/s. Halle los despla zamientos horizontal y vertical después de 3 s. 6.33. Un proyectil tiene una velocidad horizontal inicial de 40 m/s en el borde de un tejado. Encuentre las componentes horizontal y vertical de su velocidad después de 3 s. Resp. 40 m /s, — 29.4 m /s 134 Capítulo 6 Resumen y repaso
- 155. Sección 6.10 El problema más general de las trayectorias 6.34. A una piedra se le imprime una velocidad inicial de 20 m/s a un ángulo de 58°. ¿Cuáles son sus despla zamientos horizontal y vertical después de 3 s? 6.35. Una pelota de béisbol sale golpeada por el bate con una velocidad de 30 m/s a un ángulo de 30°. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de su veloci dad después de 3 s? Resp. 26.0 m/s, -14.4 m/s 6.36. En el caso de la pelota de béisbol del problema 6.35, ¿cuál es la altura máxima y cuál es el alcance? 6.37. Una flecha sale del arco con una velocidad inicial de 120 ft/s a un ángulo de 37° respecto a la horizontal. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de su desplazamiento al cabo de dos segundos? Resp. x = 192 ft, y = 80.4 ft *6.38. En el problema 6.37, ¿cuáles son la magnitud y la di rección de la velocidad de la flecha después de 2 s? *6.39. En la figura 6.14, una pelota de golf sale del punto de partida, al ser golpeada, con una velocidad de 40 m/s a 65°. Si cae sobre un green ubicado 10 m más arriba que el punto de partida, ¿cuál fue el tiempo que permaneció en el aire y cuál fue la distancia ho rizontal recorrida respecto al palo? Resp. 7.11 s, 120 m *6.40. Un proyectil sale disparado del suelo con una ve locidad de 35 m/s a un ángulo de 32°. ¿Cuál es la altura máxima que alcanza? *6.41. El proyectil del problema 6.40 se eleva y cae, gol peando una cartelera de anuncios instalada 8 m por encima del suelo. ¿Cuál fue el tiempo de vuelo y qué distancia horizontal máxima recorrió el proyectil? Resp. 3.29 s, 97.7 m Problemas adicionales 6.42. Un cohete surca el espacio a 60 m/s y entonces re cibe una aceleración repentina. Si su velocidad se incrementa a 140 m/s en 8 s, ¿cuál fue su acelera ción media y qué distancia recorrió en este tiempo? 6.43. Un vagón de ferrocarril parte del reposo y desciende libremente por una pendiente. Con una aceleración media de 4 ft/s2, ¿cuál será su velocidad al cabo de 5 s? ¿Qué distancia habrá recorrido en ese tiempo? Resp. 20 ft/s, 50 ft *6.44. Un objeto es arrojado horizontalmente a 20 m/s. Al mismo tiempo, otro objeto, ubicado 12 m más aba jo, se deja caer desde el reposo. ¿En qué momento chocarán ambos y a qué distancia se hallarán abajo del punto de partida? 6.45. Un camión que transita a una velocidad inicial de 30 m/s se detiene por completo en 10 s. ¿Cuál será la aceleración del vehículo y cuál fue la distancia de frenado? Resp. -3 .0 0 m /s2, 150 m 6.46. Una pelota se arroja verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 23 m/s. ¿Cuáles serán sus posiciones y sus velocidades después de 2, de 4 y de 8 s? 6.47. Una piedra se arroja verticalmente hacia abajo des de la parte más alta de un puente. Al cabo de 4 se gundos llega al agua que corre abajo. Si la velocidad final fue de 60 m/s, ¿cuál fue la velocidad inicial de la piedra y cuál es la altura del puente? Resp. v0 = 20.8 m /s hacia abajo; y = 162 m 6.48. Una pelota se arroja verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 80 ft/s. ¿Cuáles son su posición y su velocidad después de (a) 1 s, (b) 3 s y (c) 6 s? 6.49. Un avión que vuela horizontalmente a 500 mi/h suelta un paquete. Al cabo de cuatro segundos, el pa quete llega al suelo. ¿Cuál era la altitud del avión? Resp. +256 ft 6.50. En el problema 6.49, ¿cuál fue el alcance horizontal del paquete arrojado y cuáles son las componentes de su velocidad final? 6.51. El green de un campo de golf está a 240 ft horizon talmente y 64 ft verticalmente del punto donde el palo golpea una pelota. ¿Cuáles deben ser la magni tud y la dirección de la velocidad inicial si la pelota llega al green en este lu^ar después de 4 s? Resp. 100 ft/s, 53.1° Capítulo 6 Resumen y repaso 135
- 156. Preguntas para la reflexión crítica 6.52. Una larga franja de pavimento tiene marcas a interva los de 10 m. Los estudiantes usan cronómetros para registrar los tiempos en que un automóvil pasa por cada marca. Así han obtenido los datos siguientes: Distancia, m 0 10 20 30 40 50 Tiempo, s 0 2.1 4.2 6.3 8.4 10.5 Dibuje una gráfica que represente las distancias en el eje yy los tiempos en el ejex. ¿Cuál es el significado de la pendiente de esta curva? ¿Cuál es la rapidez media del vehículo? ¿Al cabo de cuánto tiempo la distancia es igual a 34 m? ¿Cuál es la aceleración del automóvil? Resp. La pendiente es v, 4.76 m /s, 7.14 s, 0 6.53. Un astronauta intenta determinar la gravedad de la Luna dejando caer una herramienta desde una altu ra de 5 m. Los datos siguientes fueron registrados electrónicamente. Altura, m 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0 Tiempo, s 0 1.11 1.56 1.92 2.21 2.47 Trace una gráfica con estos datos. ¿Es una línea rec ta? ¿Cuál es la rapidez media durante toda la caída? ¿Cuál es la aceleración? ¿Cómo son estos resultados en comparación con los de la gravedad de la Tierra? 6.54. Un automóvil se desplaza inicialmente hacia el Norte a 20 m/s. Después de recorrer una distancia de 6 m, el vehículo pasa por el punto A, donde su velocidad sigue siendo en dirección Norte, pero se ha reducido a 5 m/s. (a) ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la aceleración del vehículo? (b) ¿Cuánto tiempo se requirió? (c) Si la aceleración se mantiene constante, ¿cuál será la velocidad del ve hículo cuando regrese al punto Al Resp. (a) 31.2 m /s2, Sur; (b) 0.48 s; (c) - 5 m /s *6.55. Una pelota que se desliza hacia arriba por una pen diente se halla inicialmente a 6 m de la parte más baja de dicha pendiente y tiene una velocidad de 4 m/s. Cinco segundos después se encuentra a 3 m de la parte más baja. Si suponemos una aceleración constante, ¿cuál fue la velocidad media? ¿Cuál es el significado de una velocidad media negativa? ¿Cuá les son la aceleración media y la velocidad final? *6.56. Se ha calculado que la aceleración debida a la grave dad en un planeta distante equivale a la cuarta parte del valor de la gravedad en la Tierra. ¿Significa esto que si se deja caer una pelota desde una altura de 4 m en ese planeta, caerá al suelo en la cuarta parte del tiempo que demora en caer en la Tierra? ¿Cuáles serían los tiem pos de caída de la pelota en ese planeta y en la Tierra? Resp. t = 1.8 1 s, tT= 0.904 s *6.57. Considere las dos pelotas A y B que aparecen en la figura 6.15. La pelota A tiene una aceleración cons tante de 4 m/s2 dirigida a la derecha, y la pelota B tiene una aceleración constante de 2 m/s2dirigida a la izquierda. La pelota A se desplaza inicialmente a la izquierda a 2 m/s y la pelota B se desplaza inicial mente a la izquierda a 5 m/s. Encuentre el tiempo t en que las dos pelotas chocan. Además, suponiendo que x = 0 en la posición inicial de la pelota A, ¿cuál es su desplazamiento en común cuando chocan? Resp. t = 2.0 s, x = +4 m - 2 m / s ^ -5 m /s ^ — x x = 0 x = 18 m Figura 6.15 *6.58. Inicialmente, un camión con una velocidad de 40 ft/s está a una distancia de 500 ft adelante de un automó vil. Si el automóvil parte del reposo y acelera a 10 ft/s ¿cuándo alcanzará al camión? ¿A qué distancia de la posición inicial del automóvil está ese punto? *6.59. Una pelota que está en reposo se deja caer desde el techo de un edificio de 100 m de altura. En el mis mo instante, una segunda pelota se lanza hacia arriba desde la base del edificio, con una velocidad inicial de 50 m/s. ¿Cuándo chocarán las dos pelotas y a qué distancia estarán entonces sobre el nivel de la calle? Resp. 2.00 s, 80.4 m *6.60. Una persona asciende verticalmente en un globo con una velocidad de 4 m/s y suelta una bolsa de arena en el momento en que el globo está a 16 m sobre el nivel del suelo. Calcule la posición y la velocidad de la bolsa de arena en relación con el suelo después de 0.3 s y 2 s. ¿Cuántos segundos después de haber sido soltada llegará al suelo la bolsa de arena? *6.61. Se dispara verticalmente hacia arriba una flecha con una velocidad de 40 m/s. Tres segundos después, otra flecha es disparada hacia arriba con una veloci dad de 60 m/s. ¿En qué tiempo y posición se encon trarán las dos flechas? Resp. 4.54 s, 80.6 m *6.62. Una persona desea incidir en un blanco que tiene un alcance horizontal de 12 km. ¿Cuál debe ser la velocidad de un objeto proyectado con un ángulo de 35° para que caiga en el blanco? ¿Cuánto tiempo permanecerá en el aire? *6.63. Un jabalí arremete directamente contra un cazador a la velocidad constante de 60 ft/s. En el instante en que el jabalí está a 100 yardas de distancia, aquél le dispara una flecha a 30° respecto al suelo. ¿Cuál debe ser la velocidad de la flecha para que alcance su blanco? Resp. 76.2 ft/s 136 Capítulo 6 Resumen y repaso
- 157. El transbordador espacial Endeavor despega para una misión de 11 días en el espacio. Todas las leyes de movimiento de Newton, la ley de la inercia, de la acción y reacción y la aceleración producida por una fuerza resultante, se muestran durante este despegue. (Foto del Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA.) Segunda ley de Newton 137
- 158. Objetivos C uando term ine de estudiar este capítulo el alum no: 1. Describirá la relación entre fuerza, masa y aceleración, e indicará las unidades congruentes para cada una de esas variables en el sistema m étrico y en los sistemas de unidades usuales de Estados Unidos. 2. Definirá las unidades newton y slug, y explicará p or qué son unidades deriva das y no fundam entales. 3. Dem ostrará m ediante definiciones y ejem plos su com prensión de la diferencia entre masa y peso. 4. D eterm inará la masa a partir del peso, y el peso a partir de la masa en un lugar donde se conozca la aceleración debida a la gravedad. 5. Dibujará un diagram a de cuerpo libre para objetos en m ovim iento con acele ración constante, estableciendo que la fuerza resultante es igual a la masa total m ultiplicada p or la aceleración, y calculará los parám etros desconocidos. De acuerdo con la primera ley de Newton sobre el movimiento, un objeto sufrirá un cam bio en su estado de movimiento o de reposo únicamente cuando actúe sobre él una fuerza resultante, no equilibrada. Ahora sabemos que un cambio en el movimiento, por ejemplo un cambio en la rapidez, da por resultado una aceleración. En múltiples aplicaciones industriales necesitamos predecir la aceleración que se producirá mediante una determinada fuerza. Por ejemplo, la fuerza hacia adelante que se requiere para acelerar un automóvil en reposo, hasta una rapidez de 60 km/h en 8 s es algo que interesa a la industria automotriz. En este capítulo se estudiarán las relaciones entre fuerza, masa y aceleración. 138 Capítulo 7 Segunda ley de Newton Segunda ley de Newton sobre el movimiento Antes de estudiar formalmente la relación entre una fuerza resultante y la aceleración, con sideraremos primeroun experimento sencillo. Una pista lineal de aire es un aparato para estudiar el movimiento de objetos en condiciones que se aproximan a una fricción de cero. Cientos de pequeños chorros de aire originan una fuerza ascendente que equilibra el peso del deslizador, como se muestra en la figura 7.1. Se ata un hilo al frente del deslizador y se coloca un dinamómetro de peso despreciable para medir la fuerza horizontal aplicada, como se muestra en la figura. La aceleración que recibe el deslizador puede medirse determinando el cambio de rapidez en un intervalo de tiempo definido. La primera fuerza aplicada F en la figura 7.1a origina una aceleración a,. Si se duplica la fuerza, o sea 2F , se duplicará la acele ración, 2a,, y si.se triplica la fuerza, 3F,, se triplicará la aceleración, 3a,. Estas observaciones demuestran que la aceleración de un determinado cuerpo es directa mente proporcional a la fuerza aplicada, lo cual significa que la relación de fuerza a acelera ción siempre es constante: Fj Fi F3 — = — = — = constante el] 3.9 La constante es una medida de la eficacia de una fuerza dada para producir aceleración. Vere mos que esta relación es una propiedad del cuerpo, llamada su masa m, donde F m — ~ a La masa de un kilogramo (1 kg) se definió en el capítulo 3 por comparación con un patrón. Conservando esta definición, ahora podemos definir una nueva unidad de fuerza que imparti ría a la unidad de masa una unidad de aceleración. La fuerza de un new ton (1 N) es la fuerza resultante que im parte a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m /s 2.
- 159. 7.1 Segunda ley de Newton sobre el m ovim iento 139 La gravedad varía en toda la superficie de la Tierra, con la latitud y altitud, y se basa por zonas en la densidad de la Tierra. Para medir las diferentes fuerzas de gravedad, los científicos utilizan un dispositivo extraordinario llamado gradióm etro o gravitómetro. Las primeras versiones eran balanzas de torsión, que usaban un tubo con mira para ver a qué distancia un peso torcía un rayo debido al efecto de la gravedad. Esto hizo posible hallar las estructuras geométricas llamadas domos de sal. Estas cavidades, rellenas de sal (la sal es menos densa que la piedra), por lo general se encuentran cerca de depósitos de petróleo y esquisto. Instrumentos posteriores usados en la exploración submarina silenciosa ayudaron a la navegación al medir las variaciones de gravedad ocasionadas por montes y zanjas submarinas. Después de que el gradióm etro submarino se vendió para su uso comercial, los geólogos de la industria del petróleo y gasolina lo usaron cuando volaban sobre áreas previamente trazadas para determinar las características subterráneas de la corteza con mucha mayor precisión que nunca antes. Para ver este gradiómetro nuevo, visite este sitio web: www.bellgeo.com Orificios para que a¡ salga el aire ^ ;— - Al com presor ' (a) a2=2aj — F2 = 2F, -e (b) Figura 7.1 Variación de la aceleración con la fuerza. El newton se adoptó como unidad de fuerza del SI. Una fuerza resultante de 2 N producirá una aceleración de 2 m /s2, y una fuerza de 3 N le impartirá una aceleración de 3 m /s2a una masa de 1 kg. Ahora volvamos a analizar nuestro experimento de la pista de aire para averiguar cómo se afecta la aceleración al incrementar la masa. Esta vez se mantendrá constante la fuerza aplicada F. La masa puede cambiarse enganchando en cadena más deslizadores de igual tamaño y peso. Observe en la figura 7.2 que, si la fuerza no cambia, al incrementar la masa habrá una disminución proporcional en la aceleración. Al aplicar una fuerza constante de 12 N en cadena a masas de 1, 2 y 3 kg, se producirán aceleraciones de 12 m /s2, 6 m /s2y 4 m /s respectivamente. Estos tres casos se muestran en la figura 7.2a, b y c. A partir de las observaciones anteriores, es posible enunciar la segunda ley de Newton sobre el movimiento. Segunda ley de Newton sobre el movimiento: Siem pre que una fuerza no equilibrada actúa sobre un cuerpo, en la dirección de la fuerza se produce una aceleración que es directam ente proporcional a la fuerza e inversam ente pro porcional a la masa del cuerpo. Si se utiliza la unidad recién definida, el newton, esta ley se escribe como la ecuación siguiente: Fuerza resultante = masa X aceleración F = ma Segunda ley de Newton (7.1) Puesto que esta relación depende de la definición de una nueva unidad, podemos sustituir únicamente unidades congruentes con tal definición. Por ejemplo, si la masa está dada en ki logramos (kg), la unidad de fuerza debe estar en newtons (N) y la unidad de aceleración debe estar en metros por segundo al cuadrado (m /s2). Fuerza (N) = masa (kg) X aceleración (m /s2) En el SUEU se define una nueva unidad de masa a partir de las unidades elegidas de libra (Ib) para fuerza, y pies por segundo al cuadrado (ft/s2) para la aceleración. La nueva unidad de masa se denomina slug (de sluggish, que en inglés significa lentitud, es decir, la propiedad inercial de la masa).
- 160. 140 Capítulo 7 Segunda ley de Newton ai -► F ■Q (a) -m2= 2m¡- (b) Figura 7.2 Variación de la aceleración con la masa. Una masa de un slug es aquella a la que una fuerza resultante de 1 Ib le im par te una aceleración de 1 ft/s 2. Fuerza (Ib) = masa (slug) = aceleración (ft/s2) La unidad de fuerza del SI es menor que la unidad del SUEU, y una masa de un slug es mucho mayor que la masa de un kilogramo. Los siguientes factores de conversión resultan útiles: 1 Ib = 4.448 N 1 slug = 14.59 kg Una bolsa de manzanas de 1 Ib puede contener cuatro o cinco manzanas y cada una de ellas pesa aproximadamente un newton. Una persona que pesa 160 Ib en la Tierra tendría una masa de 5 slug o 73 kg. Es importante observar que, en la segunda ley de Newton, la F representa una resultante ofuerza no equilibrada. Si sobre un objeto actúa más de una fuerza, será necesario determinar la fuerza resultante a lo largo de la dirección de! movimiento. La fuerza resultante siempre estará a lo largo de la dirección del movimiento, ya que es la causa de la aceleración. Todas las componentes de las fuerzas perpendiculares a la aceleración estarán equilibradas. Si se elige el eje x en la dirección del movimiento, podemos determinar la componente x de cada fuerza y escribir 2 F* = m a x (7 -2 ) Se puede escribir una ecuación similar para las componentes y si el eje y se eligió a lo largo de la dirección del movimiento. Relación entre peso y masa Antes de analizar algunos ejemplos de la segunda ley de Newton, es necesario comprender con claridad la diferencia entre el peso de un cuerpo y su masa. Tal vez éstos son los con ceptos más confusos para el alumno principiante. La libra (Ib), que es una unidad de fuerza, con frecuencia se utiliza como unidad de masa, la libra-masa (Ib ). El kilogramo, que es una unidad de masa, con frecuencia se usa en la industria como unidad de fuerza, el kilogramo-
- 161. 7.2 Relación entre peso y masa 141 fuerza (kgf). Estas unidades, aparentemente inconsistentes, son el resultado del uso de diver sos sistemas de unidades. En esta obra debe haber menos motivo de confusión, puesto que sólo se utilizan unidades del SI y del SUEU o sistema usual en Estados Unidos (gravitacional británico). Por tanto, en este libro la libra (Ib) siempre se refiere al peso, que es una fuerza, y la unidad kilogramo (kg) siempre se refiere a la masa de un cuerpo. El peso de cualquier cuerpo es la fuerza con la cual el cuerpo es atraído verticalmente hacia abajo por la gravedad. Cuando un cuerpo cae libremente hacia la Tierra, la única fuerza que actúa sobre él es su peso W . Esta fuerza neta produce una aceleración g, que es la misma para todos los cuerpos que caen. Entonces, a partir de la segunda ley de Nevvton escribimos la relación entre el peso de un cuerpo y su masa: W W = mg o m = — (7.3) S En cualquier sistema de unidades: (1) la masa de una partícula es igual a su peso dividido entre la aceleración de la gravedad, (2) el peso tiene las mismas unidades que la unidad de fuerza y (3) la aceleración de la gravedad tiene las mismas unidades que la aceleración. Por consiguiente, resumimos lo anterior como: SI: W(N) = m (kg) X g (9.8 m /s2) SUEU: W (Ib) = m (slug) X g (32 ft/s2) Los valores para g y, por tanto, los pesos, en las relaciones anteriores se aplican única mente en lugares de la Tierra cercanos al nivel del mar, donde g tiene estos valores. Hay que recordar dos cosas para comprender cabalmente la diferencia entre masa y peso: La masa es una constante universal igual a la relación del peso de un cuerpo con la aceleración gravitacional debida a su peso. El peso es la fuerza de atracción gravitacional y varía dependiendo de la ace leración de la gravedad. Por consiguiente, la masa de un cuerpo es tan sólo una medida de su inercia y no depende en lo absoluto de la gravedad. En el espacio exterior, un martillo tiene un peso insignificante, aunque sirve para clavar en la misma forma usual, puesto que su masa no cambia. Para reforzar la distinción entre peso y masa, considere los ejemplos mostrados en la figura 7.3, donde una bola de 10 kg se coloca en tres lugares distintos. Si tomamos la bola de 10 kg de un punto cercano a la superficie de la Tierra (g = 9.8 m /s2) y la movemos a un punto donde la gravedad se reduce a la mitad a 4.9 m /s2, observamos que su peso también se reduce a la mitad. La ilustración de la figura 7.3 no es un dibujo a escala, debido a que un objeto tendría que estar muy alejado de la superficie de la Tierra para que ocurriera un cam bio significativo en la gravedad. No obstante, ayuda a entender la distinción entre peso, que depende de la gravedad, y masa, que es una relación constante de W con g. Aun cuando la superficie de la Luna, donde la gravedad es sólo un sexto de su valor en la Tierra, la masa de la bola sigue siendo 10 kg. Sin embargo, su peso se reduce a 16 N. En unidades del SI, los objetos generalmente se describen en función de su masa en ki logramos, que es constante. En unidades del SUEU, en cambio, un cuerpo por lo común se describe indicando su peso en un punto donde la gravedad es igual a 32 ft/s2. Con frecuencia esto causa confusión si el objeto se transporta a una locación donde la gravedad es considera blemente mayor o menor que 32 ft/s2y el peso real cambia. Esta confusión es simplemente una de las muchas razones por las cuales se deben descartar estas unidades anteriores. Se incluyen aquí sólo para proporcionar el grado de familiaridad necesario para trabajar con ellas ya que a veces se utilizan en el comercio y la industria en Estados Unidos.
- 162. 142 Capítulo 7 Segunda ley de Newton Figura 7.3 El peso de un objeto varía dependiendo de la zona. Sin embargo, la masa es la relación constante del peso con la aceleración debida a la gravedad. (Foto de la NASA.) Determine la masa de un cuerpo cuyo peso en la Tierra es de 100 N. Si esta masa se llevara a un planeta distante donde g = 2.0 m /s2, ¿cuál sería su peso en ese planeta? Plan: Primero hallamos la masa en la Tierra, donde g = 9.8 m /s2. Como la masa es cons tante, podemos usar el mismo valor para determinar el peso en el planeta distante donde g = 2.0 m /s2. Solución: W m 100 N 9.8 m/s" = 10.2 kg El peso del planeta es W = mg = (10.2 kg)(2 m /s“); W = 20.4 N w/zr mu Un astronauta que pesa 150 Ib se da cuenta de que su peso se reduce a 60 Ib en un lugar distante. ¿Cuál es la aceleración debida a la gravedad en ese lugar? Plan: En unidades del SUEU, se supone que el astronauta pesa 150 Ib sólo donde la ace leración es igual a g = 32 ft/s2. Por consiguiente, podemos hallar su masa. Luego encon tramos la gravedad dado que la masa es la misma en el lugar nuevo. Solución: En la Tierra, la masa es W 150 Ib m = — = ---------r = 4.69 slug g 32 ft/s2 Ahora bien, puesto que W = mg, determinamos que la gravedad en el lugar nuevo es 601b g = — = ^ -------; g = 12.8 ft/s- m 4.69 slug
- 163. 7.3 Aplicación de la segunda ley de Newton a problemas de un solo cuerpo 143 Aplicación de la segunda Sey de Newton a problemas de un solo cuerpo La diferencia principal entre los problemas estudiados en este capítulo y los problemas es tudiados en capítulos anteriores es que una fuerza neta no equilibrada actúa para producir una aceleración. Por tanto, después de construir diagramas de cuerpo libre que describan la situación, el primer paso consiste en la fuerza no equilibrada y establecerla igual al producto de la masa por la aceleración. La cantidad desconocida se determina, entonces, a partir de la relación establecida en la ecuación (7.1): Fuerza resultante = masa X aceleración F (resultante) = ma Los ejemplos siguientes servirán para demostrar la relación entre fuerza, masa y aceleración. Una fuerza resultante de 29 N actúa sobre una masa de 7.5 kg en dirección Este. ¿Cuál es la aceleración resultante? Plan: La fuerza resultante se da por la ecuación F = ma, y la aceleración está en la misma dirección que la fuerza resultante. Solución: Al resolver para a, obtenemos F 29 N a = 3.87 m /s2 m 7.5 kg ’ Por tanto, la aceleración resultante es 3.87 m /s2dirigida hacia el Este. ¿Qué fuerza resultante le impartirá a un trineo de 24 Ib una aceleraciónde 5 ft/s2? Plan: Primerohallamos la masa de un objeto cuyo peso en la Tierraes de 24 Ib. Luego usamos la masa para encontrar la fuerza resultante a partir de F = ma. Solución: W 241b m = — = - o = 0.75 slug g 32 ft/s25 F = ma = (0.75 slug)(5 ft/s2) F = 3.75 Ib En un experimento a bordo de un transbordador espacial, un astronauta observa que una fuerza resultante de sólo 12 N impartirá a una caja de acero una aceleración de 4 m /s2. ¿Cuál es la masa de la caja? Solución: F F = ma o m —— a 12N m = -— — m = 3 kg 4 m /s-
- 164. 144 Capítulo 7 Segunda ley de Newton m m ..... -fk (a) Fuerza neta P —/ {(derecha) (b) Fuerza neta P —/^izquierda) Figura 7.4 La dirección de la aceleración debe elegirse como positiva. En los ejemplos 7.3 a 7.5, las fuerzas no equilibradas se determinaron fácilmente. No obstante, a medida que se incrementa el número de fuerzas que actúan sobre un cuerpo, el problema de determinar la fuerza resultante se vuelve menos sencillo. En estos casos, tal vez resulte útil analizar ciertas consideraciones. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la fuerza resultante siempre produce una aceleración en la dirección de lafuerza resultante. Esto significa que la fuerza neta y la ace leración que provoca tienen el mismo signo algebraico, y cada una de ellas tiene la misma línea de acción. Por consiguiente, si la dirección del movimiento (aceleración) se considera positiva, se deberán introducir menos factores negativos en la ecuación F = ma. Por ejemplo, en la figura 7.4b es preferible elegir la dirección del movimiento (izquierda) como positiva, ya que la ecuación P ~ fk = m a es preferible a la ecuación f k ~ P = ~ma que resultaría si eligiéramos la dirección a la derecha como positiva. Otra consideración que resulta del análisis anterior es que las fuerzas que actúan en direc ción normal a la línea del movimiento estarán en equilibrio si la fuerza resultante es constan te. Entonces, en problemas que incluyen fricción, las fuerzas normales pueden determinarse a partir de la primera condición de equilibrio. En resumen, las ecuaciones siguientes se aplican a problemas de aceleración: 2 f v = max 2 Fy = may (7-4) Una de estas ecuaciones se elige a lo largo de la línea de movimiento, y la otra será perpen dicular a la misma. Esto simplifica el problema al asegurar que las fuerzas perpendiculares al movimiento estén equilibradas. iassi amar :mm jüb Una fuerza horizontal de 200 N arrastra un bloque de 12 kg a través de un piso, donde ¡jL k = 0.4. Determine la aceleración resultante. Plan: Como la aceleración es producida por una fuerza resultante, trazaremos un diagrama de cuerpo libre (véase la figura 7.5b) y elegimos el eje x positivo a lo largo de la dirección del movimiento. Siguiendo los procedimientos aprendidos en capítulos anteriores, calcularemos la fuerza resultante y la estableceremos igual al producto de la masa por la aceleración. Solución: Al aplicar la segunda ley de Newton al eje x, tenemos Fuerza resultante = masa X aceleración 200 N - f k = ma Luego, sustituimos f k = i¿kTl para obtener 200 N —i±kfl = ma Puesto que las fuerzas verticales están equilibradas, en la figura 7.5b vemos que 2 Fy = may = 0. TI —mg = 0 o Yl = mg
- 165. 7.4 Técnicas para resolver problemas 145 W —mg á) Figura 7.5 (Foto por Hemera, Inc.) b) Entonces, sustituyendo en la ecuación de movimiento, tenemos 200 N —¡J L km g = ma 200 N - (0.4)(12 kg)(9.8 m /s2) = (12 kg)a 200 N —47.0 N , _ a = ----------------------y a = 12.7 m/s 12 ka Técnicas para resolver problemas La resolución de todos los problemas físicos requiere una habilidad para organizar los da tos proporcionados y para aplicar las fórmulas de una manera consistente. Con frecuencia un procedimiento es útil para el alumno principiante, lo cual es particularmente cierto para los problemas que se presentan en este capítulo. A continuación se indica una secuencia lógica de operaciones para resolver problemas que incluyen la segunda ley de Newton. S e g u n d a ley d e N ew ton so b re el m ovim iento 1. Lea el problema detenidamente y luego trace y marque un esquema. 2. Indique toda la información proporcionada y establez ca qué es lo que va a calcular. 3. Construya un diagrama de cuerpo libre para cada ob jeto que sufre una aceleración y elija un eje x o y a lo largo de la línea de movimiento continua. 4. Indique la dirección positiva de la aceleración a lo lar go de la línea de movimiento continua. 5. Distinga entre la masa y el peso de cada objeto. W W = mg m = — A partir del diagrama de cuerpo libre, determine la fuerza resultante a lo largo de la línea de movimiento positiva elegida (2 F). 7. Determine la masa total (m = m{ + m2 + m3 + ■■■). 8. Establezca que la fuerza resultante (2 F) es igual a la masa total multiplicada por la aceleración a: 2 F = (mx + m2 + m3 + • • -)a 9. Sustituya las cantidades conocidas y calcule las des conocidas.
- 166. W El ascensor cargado que se muestra en la figura 7.6 se levanta con una aceleración de 2.5 m /s2. Si la tensión en el cable que lo soporta es de 9600 N, ¿cuál es la masa del elevador y su contenido? Plan: Seguiremos la estrategia para resolver problemas al trazar un diagrama de cuerpo li bre apropiado (véase la figura 7.6) y escribir la segunda ley de Newton para la línea de ace leración. Por tanto, la masa del ascensor es la única variable desconocida en esa ecuación. Solución: Organizamos los datos dados y establecemos qué vamos a calcular. Dados: T = 9600 N; g = 9.8 m/s2; a = 2.5 m /s2 Encuentre: m = ? Al despejar la masa, es útil escribir el peso como el producto de la masa por la gravedad (mg). Observe que la dirección positiva de la aceleración (hacia arriba) se indica en el diagrama de cuerpo libre. La aceleración a lo largo del eje x es cero y toda la aceleración a está a lo largo del eje y. ay = a y ax = 0 Por tanto, la fuerza resultante es la suma de las fuerzas a lo largo del eje y 2 Fy = T - mg A partir de la segunda ley de Newton, escribimos Fuerza resultante —masa total X aceleración T —mg = ma Por último, calculamos la masa siguiendo estos pasos: T = mg + ma = m(g + a) T 9600 N 146 Capítulo 7 Segunda ley de Newton m = g + a 9.8 m /s2 + 2.5 m /s2 9600 N m = 12.3 m /sJ = 780.5 kg Puesto que la fuerza resultante debe estar en la misma dirección que la aceleración, muchas veces es conveniente seleccionar un solo eje a lo largo del movimiento como se hizo. Debemos también elegir la dirección del movimiento como positiva. Figura 7.6 Aceleración hacia arriba en un campo gravitacional.
- 167. Hp Una bola de 100 kg se hace descender por medio de un cable, con una aceleración hacia abajo de 5 m /s2. ¿Cuál es la tensión en el cable? Plan: Seguimos la estrategia anterior. No obstante, ponga atención a los signos dados para cada uno de los vectores cuando aplique la segunda ley de Newton. Solución: Al igual que en el ejemplo 7.7, trazamos un esquema y un diagrama de cuerpo libre, como en la figura 7.7. Al organizar la información, escribimos Dados: m = 100 kg; g = 9.8 m /s2; a = 5 m /s2 Encuentre: T = ? La dirección hacia abajo del movimiento se elige como dirección positiva. Esto significa que los vectores con dirección hacia abajo serán positivos y aquellos con dirección hacia arriba serán negativos. La fuerza resultantes es, por tanto, mg —T y no T —mg. Ahora, a partir de la segunda ley de Newton, escribimos Fuerza resultante hacia abajo = masa total X aceleración hacia abajo mg — T = ma T = mg —ma = m{g — a) T = (100kg)(9.8 m /s2 — 5 m /s2) T = 480 N Si así lo prefiere, este problema puede resolverse al sustituir los valores conocidos al principio del problema en vez de hallar primero la solución algebraica. Sin embargo, por lo general es mejor hacer la sustitución al final. 7.4 Técnicas para resolver problemas 147 i + I a = 5 m/s2 W Figura 7.7 Aceleración hacia abajo. m vsa m Una máquina de Atwood consiste en una polea simple con masas suspendidas a ambos lados unidas por un cable. Se trata de una versión simplificada de gran número de sistemas industriales en los cuales se utilizan contrapesos para equilibrar. Suponga que la masa del lado derecho es de 10 kg y que la masa del lado izquierdo es de 2 kg. (a) ¿Cuál es la ace leración del sistema? (b) ¿Cuál es la tensión en la cuerda? Plan: En este problema hay dos masas, una que se mueve hacia arriba y la otra que se mueve hacia abajo. En estos casos muchas veces es mejor aplicar la segunda ley de Newton primero a todo el sistema de movimiento. La línea de movimiento está, por tanto, hacia arriba a la izquierda (+ ) y hacia abajo a la derecha (+). Por tanto, la masa del sistema es todo lo que se está moviendo y la fuerza resultante es simplemente la diferencia en los pesos. Una vez que hallamos la aceleración de todo el sistema, podemos aplicar la segunda
- 168. 148 Capítulo 7 Segunda ley de Newton (a) 10 kg i T >f W, = g (b) l T m2- £ 2rl"~ W2=m2Í (c) Figura 7.8 Dos masas cuelgan de una polea fija. Se muestran los diagramas de cuerpo libre; la dirección positiva de la aceleración se elige hacia arriba a la izquierda, y hacia abajo a la derecha. ley de Newton en forma separada a cualquiera de las dos masas para obtener la tensión en la cuerda. Solución (a): Primero se traza el esquema y los diagramas de cuerpo libre para cada masa, como se muestra en la figura 7.8. Los pesos de las masas se escriben como m g y m7g, respectivamente. Al organizar los datos escribimos Dados: mx = 2 kg; m2 = 10 kg; g = 9.8 m /s- Encuentre: a y T. Determinaremos la aceleración al considerar todo el sistema. Observe que la polea simplemente cambia la dirección de las fuerzas. Si omitimos la masa del cable, la fuerza no equilibrada es tan sólo la diferencia en los pesos (m^g —mtg). La tensión en el cable no es un factor porque el cable ligero es parte del sistema de movimiento. Si omitimos la masa del cable, la masa total es la suma de todas las masas en movimiento (m2g + m g). Al elegir una dirección positiva constante para el movimiento (hacia arriba en la izquierda y hacia abajo en la derecha), aplicamos la segunda ley de Newton: m2g — mx g = (7 nl + m2)a = m28 ~ "hg = {m2 ~ mx)g m] + m2 ml + m2 (10 kg - 2 kg)(9.8 m /s2) 10 kg + 2 kg a — 6.53 m /s2 Solución (b): Para resolver para la tensión T en el cable, se debe considerar cualquiera de las masas en forma individual ya que si se considera el sistema como un todo, no se incluye la tensión en el cable. Suponga que consideramos sólo aquellas fuerzas que actúan sobre la masa izquierda my Fuerza resultante en mí = masa mxX aceleración de m La aceleración de m] es, desde luego, la misma que para el sistema total (6.53 m /s2). Así que, T —m{g = mx a o T = mxa + mx g = mx(a + g) T = (2 kg)(6.53 m /s2 + 9.8 m /s2) T = 32.7 N Demuestre que se obtendría la misma respuesta si se aplica la segunda ley de Newton a la segunda masa.
- 169. 7.4 Técnicas para resolver problemas 149 Ejemplo 7.10 jP ^Jn bloque m] de 5 kg se encuentra en reposo sobre una mesa sin fricción. Tiene atada una cuerda que pasa sobre una polea liviana sin fricción y que está atada en su otro extremo a una masa m , como se muestra en la figura 7.9. (a) ¿Cuál debe ser la masa m2 para im partir al sistema una aceleración de 2 m /s2? (b) ¿Cuál es la tensión en la cuerda para este arreglo? Plan: De nuevo resulta conveniente calcular la aceleración de todo el sistema al sumar las fuerzas a lo largo de toda la línea de movimiento. Después de determinar la aceleración, aplicaremos la segunda ley de Newton sólo a una de las masas para hallar la tensión en la cuerda que une las masas. Solución (a): Dibuje diagramas de cuerpo libre para cada cuerpo del sistema, como se muestra en la figura 7.9. La dirección positiva constante es hacia la derecha en la mesa y hacia abajo para la masa suspendida. La información dada es Dados: mx 5 kg; a = 2 m /s2; g = 9.8 m /s2; Encuentre: m2 y T. La fuerza normal TI equilibra el peso mx g de la masa de la mesa y la cuerda es parte del sistema, así que la fuerza resultante sobre el sistema es simplemente el peso de la masa suspendida m7 g. Al aplicar la segunda ley de Newton a todo el sistema se obtiene Fuerza resultante sobre el sistema = masa total X aceleración m.2g = (ni + m2)a Para determinar la masa m2, debemos despejar la variable como se muestra a continuación: m2g = mxa + m2a m2g —m2a = mx a m2(g —a) = mx a mx a m2 = -------- Ahora, la sustitución de valores conocidos da lo siguiente: (5 kg)(2 m /s2) ra9 = 9.8 m /s2 - 2 m /s2 = 1.28 kg Solución (b): Ahora que conocemos la masa m1, podemos encontrar la tensión en la cuer da al considerar cualquiera de las masas en forma independiente, m o mr La opción más m j = 5 kg (a) Figura 7.9 +2 m/s2 (b) i T - I ' < (C) +2 m/s2
- 170. 150 Capítulo 7 Segunda ley de Newton simple sería la masa de la mesa m , ya que la fuerza resultante sobre la masa es la tensión en la cuerda. T = m¡a = (5 kg)(2 m /s2) T = 10.0 N La misma respuesta se obtiene si aplicamos la segunda ley de Newton sólo para la masa suspendida. Al elegir la dirección positiva hacia abajo obtenemos m2g — T = m2a o T = m2(g —a) De nuevo, la sustitución muestra que la tensión debe ser 10.0 N. jf Considere las masas ml = 20kgy«?, = 18 kg en el sistema representado en la figura 7.10. Si el coeficiente de fricción cinética es 0.1 y el ángulo de inclinación d es 30°, encuentre (a) la aceleración del sistema y (b) la tensión en la cuerda que une las dos masas. Pía n: Este problema es parecido al ejemplo 7.10 excepto que una de las masas se mueve hacia arriba por el plano inclinado contra la fricción. Elegiremos con cuidado una línea consistente de movimiento para todo el sistema. La ley de Newton se aplicará primero a todo el sistema y después a una sola masa. Solución (a): Trace un diagrama de cuerpo libre para cada objeto y luego liste la infor mación dada. Dadas: m] = 20 kg; m2 = 18 kg; g = 9.8 m /s2; Encuentre: a y T. Observe la línea positiva de movimiento que se muestra en la figura 7.10. Necesitaremos trabajar con las componentes de los vectores que están a lo largo de esta línea o son per pendiculares a la misma. El ángulo de la pendiente es 30°, esto significa que el ángulo de referencia para el peso mtg es 60° o el ángulo complementario del ángulo de la pendiente. Por tanto, la fuerza resultante en el sistema es la diferencia entre el peso suspendido m g y las fuerzas opuestas de fricción f ky la componente del peso my g hacia abajo por el plano inclinado. Al aplicar la ley de Newton obtenemos Fuerza resultante sobre todo el sistema = masa total X aceleración del sistema >n2g ~ fk - mx g eos 60° = (mí + m2)a (7 .5) Si observamos el diagrama de cuerpo libre y recordamos la definición de la fuerza de fric ción, vemos que fk = !¿kn y n = mg sen 60° 18 kg (a) Figura 7.10 (b) (c)
- 171. 7.4 Técnicas para resolver problemas 151 La sustitución de estas cantidades en la ecuación (7.5) da m2g — l¿k(m g sen 60°) —m xg eos 60° = (m1 + m2)a Al resolver para a, tenemos m2g ~ !¿kmg sen 60° —m xg eos 60° . a = m 1 + m2 Finalmente, sustituimos toda la información dada para hallar a: (18 kg)(9.8 m /s2) - 0.1(20 kg)(9.8 m /s2) sen 60° - (20 kg)(9.8 m /s2) eos 60° a ~ 20 kg + 18 kg a = 1.62 m /s2 Tal vez quiera sustituir la información dada si así lo prefiere, pero corre el peligro de co meter un error al principio que irá creciendo en el trabajo subsiguiente. Solución (b): Para determinar la tensión en la cuerda, aplicamos la ley de Newton sólo a la masa de 18 kg. A partir de la figura 7.10c obtenemos Fuerza resultante de m7 = masa m X aceleración de m2 m2g — T = m2a T = m2g — m2a = m2(g — a) T = (18 kg)(9.8 m /s2 - 1.62 m /s2) r = 147 N Verifique este resultado al aplicar la ley de Newton a la masa sobre el plano inclinado.
- 172. Resumen En este capítulo hemos considerado el hecho de que una fuerza resultante siempre producirá una aceleración en la dirección de la fuerza. La magnitud de la aceleración es directamente pro porcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa, de acuerdo conla segundaley de Newton sobre el movimiento. Los conceptos siguientesson esenciales para las aplicaciones de esta ley fundamental: 0 La fórmula matemática que expresa la segunda ley de Newton sobre el movimiento puede escribirse así: Fuerza = masa X aceleración F F F = ma m = — a = — a m En unidades del SI: 1 N = (1 kg)(l m /s2) En unidades del SUEU: 1 Ib = (1 slug)(l ft/s2) • El peso es la fuerza debida a una aceleración particular g. Por consiguiente, el peso W se relaciona con la masa m por medio de la segunda ley de Newton: f W = mg m = — g = 9.8 m /s2o 32 ft/s2 § Por ejemplo, una masa de 1 kg tiene un peso de 9.8 N. Un peso de 1Ib tiene una masa de i slug. En un problema especí fico, debe considerar si le informan el peso o la masa. Luego, es necesario determinar qué se requiere en una ecuación. Las conversiones de masa a peso y de peso a masa son comunes. • Aplicación de la segunda ley de Newton: 1. Construir un diagrama de cuerpo libre para cada cuer po que experimente una aceleración. Indicar en este diagrama la dirección de la aceleración positiva. 2. Determinar una expresión para la fuerza neta resul tante sobre un cuerpo o un sistema de cuerpos. 3. Establecer que la fuerza resultante es igual a la masa total del sistema multiplicada por la aceleración del sistema. 4. Resolver la ecuación resultante para la cantidad des conocida. Conceptos clave masa 140 peso 140 slug 139 newton 139 segunda ley de Newton 139 Preguntas de repaso 7.1. Indique con claridad la diferencia entre la masa de un objeto y su peso, y mencione cuáles son las uni dades apropiadas para cada uno en los sistemas de unidades del SI y del SUEU. 7.2. ¿A qué nos referimos exactamente cuando decimos que un atleta es una persona de 160 Ib? ¿Cuál sería la masa de esa persona en la Luna si g = 6 ft/s2? 7.3. Una pieza de latón redonda que se encuentra en el laboratorio está marcada como 500 g. ¿Esta cifra in dica su peso o su masa? ¿Cómo lo sabe? 7.4. Se mantiene un estado de equilibrio en una mesa suspendida, colgando masas de las poleas montadas en diversos puntos de su borde circular. En el cálculo de las masas necesarias para establecer el equilibrio, a veces empleamos gramos en lugar de newtons. ¿Existe alguna justificación para hacerlo así? 7.5. Al trazar diagramas de cuerpo libre, ¿por qué es conveniente, en general, elegir el eje x o el eje y en la dirección del movimiento, aunque eso implique girar los ejes? Use como ilustración el ejemplo del movimiento a lo largo de un plano inclinado. 7.6. En el ejemplo de una máquina Atwood (ejemplo 7.9), no tomamos en cuenta la masa del cable que une las dos masas. Comente cómo se modifica este problema si la masa del cable es suficientemente grande para afectar el movimiento. 7.7. En la industria es frecuente oír hablar de un kilogra mo-fuerza (kgr), el cual se define como una fuerza equivalente al peso de 1 kg de masa junto a la su perficie de la Tierra. En Estados Unidos a menudo se habla también de la libra-masa (lbm ), unidad que corresponde a la masa de un objeto cuyo peso es de 1 Ib junto a la superficie de la Tierra. Calcule el va lor de esas cantidades en las unidades del SI apro piadas y comente los problemas que se presentan a causa de su utilización.
- 173. Problemas Sección 7.1 Segunda ley de Newton 7.1. Una masa de 4 kg está bajo la acción de una fuerza resultante de (a) 4 N, (b) 8 N y (c) 12 N. ¿Cuáles son las aceleraciones resultantes? Resp. (a) 1 m /s2, (b) 2 m /s2, (c) 3 m /s2 7.2. Una fuerza constante de 20 N actúa sobre una masa de (a) 2 kg, (b) 4 kg y (c) 6 kg. ¿Cuáles son las ace leraciones resultantes? 7.3. Una fuerza constante de 60 Ib actúa sobre cada uno de tres objetos, produciendo aceleraciones de 4, 8 y 12 ft/s2. ¿Cuáles son las masas? Resp. 15, 7.5 y 5 slug 7.4. ¿Qué fuerza resultante debe actual-sobre un martillo de 4 kg para impartirle una aceleración de 6 m/s2? 7.5. Se ha calculado que una fuerza resultante de 60 N producirá una aceleración de 10 m /s2en una carre ta. ¿Qué fuerza se requiere para producir en ella una aceleración de sólo 2 m /s2? Resp. 12 N 7.6. Un automóvil de 1000 kg avanza hacia el Norte a 100 km/h y frena hasta detenerse por completo en 50 m. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza requerida? Resp. 7717 N, Sur Sección 7.2 La relación entre peso y masa 7.7. ¿Cuál es el peso de un buzón de correo de 4.8 kg? ¿Cuál es la masa de un depósito de 40 N? Resp. 47.0 N, 4.08 kg 7.8. ¿Cuál es la masa de un niño de 60 Ib? ¿Cuál es el peso de un hombre de 7 slugs? 7.9. Una mujer pesa 800 N en la Tierra. Cuando camina en la Luna, su peso es de sólo 133 N. ¿Cuál es la aceleración debida a la gravedad en la Luna y cuál es la masa de la mujer en ese satélite? ¿Y en la Tierra? Resp. 1.63 m /s2, 81.6 kg en ambos lugares 7.10. ¿Cuál es el peso de un astronauta de 70 kg en la su perficie de la Tierra? Compare la fuerza resultante necesaria para impartirle una aceleración de 4 m /s2 en la Tierra y la fuerza resultante que se requiere para impartirle la misma aceleración en el espacio, donde la gravedad es insignificante. 7.11. Calcule la masa y el peso de un cuerpo si una fuerza resultante de 16 N basta para impartirle una acelera ción de 5 m /s2. Resp. 3.20 kg, 31.4 N 7.12. Encuentre la masa y el peso de un cuerpo, sabiendo que una fuerza resultante de 850 N hace que su rapi dez se incremente de 6 m/s a 15 m/s en un tiempo de 5 s junto a la superficie de la Tierra. 7.13. Calcule la masa y el peso de un cuerpo, consideran do que con una fuerza resultante de 400 N provoca una disminución de 4 m/s en su velocidad en 3 s. Resp. 300 kg, 2940 N Sección 7.3 Aplicación de la segunda ley de Newton a problemas de un solo cuerpo 7.14. ¿Qué fuerza horizontal se requiere para jalar un trineo de 6 kg con una aceleración de 4 m/s2 cuando una fuerza de fricción de 20 N se opone al movimiento? 7.15. Un automóvil de 1200 kg tiene una rapidez de 25 m/s. ¿Qué fuerza resultante se requiere para dete nerlo a 70 m en un terreno nivelado? ¿Cuál debe ser el coeficiente de fricción cinética? Resp. -5 3 5 7 N, 0.456 7.16. Una masa de 10 kg se eleva por medio de un cable ligero. ¿Cuál es la tensión en el cable cuando la ace leración es igual a (a) cero, (b) 6 m /s2hacia arriba y (c) 6 m/s2hacia abajo? 7.17. Una masa de 20 kg cuelga en el extremo de una cuerda. Halle la aceleración de la masa si la tensión en el cable es (a) 196 N, (b) 120 N y (c) 260 N. Resp. 0, -3 .8 m /s2, +3.2 m /s2 7.18. Un ascensor de 800 kg se iza verticalmente con una cuerda resistente. Calcule la aceleración del ascen sor cuando la tensión en la cuerda es de (a) 9000 N, (b) 7840 N y (c) 2000 N. 7.19. Se aplica una fuerza horizontal de 100 N para arras trar un gabinete de 8 kg sobre un piso nivelado. En cuentre la aceleración del gabinete si ¡ik = 0.2. Resp. 10.5 m /s2 7.20. En la figura 7.11, una masa desconocida desciende deslizándose por el plano inclinado a 30°. ¿Cuál es la aceleración si no existe fricción alguna? 7.21. Suponga que J u,( = 0.2 en la figura 7.11. ¿Cuál es la aceleración? ¿Por qué no es necesario conocer la masa del bloque? Resp. 3.20 m /s2, baja por el plano *7.22. Suponga que m = 10 kg y ¡xk = 0.3 en la figura 7.11. ¿Qué fuerza de empuje P dirigida hacia arriba y a lo largo del plano inclinado de la figura 7.11 producirá una aceleración de 4 m /s2en dirección ascendente por el plano? *7.23. ¿Qué fuerza P hacia abajo por el plano inclinado de la figura 7.11 se requiere para que la aceleración ha cia abajo por dicho plano sea de 4 m/s2? Suponga que m = 10 kg y ¡xk = 0.3. Resp. 16.5 N Capítulo 7 Resumen y repaso 153
- 174. Sección 7.4 Aplicaciones de la segunda ley de Newton a problemas con varios cuerpos 7.24. Suponga una fricción cero en el sistema que muestra la figura 7.12. ¿Cuál es la aceleración del sistema? ¿Cuál es la tensión T en la cuerda de unión? Figura 7.12 7.25. ¿Qué fuerza ejerce el bloque A sobre el bloque B de la figura 7.13? Resp. 11.2 N 6 kg *7.26. ¿Cuáles son la aceleración del sistema y la tensión en la cuerda de unión para la distribución que presenta la figura 7.14? Las superficies no tienen fricción. Figura 7.14 *7.27. Si el coeficiente de fricción cinética entre la mesa y el bloque de 4 kg es de 0.2 en la figura 7.14, ¿cuál es la aceleración del sistema? ¿Cuál es la tensión en la cuerda? Resp. 5.10 m /s2, 28.2 N *7.28. Supongamos que las masas m1= 2 kg y m2= 8 kg es tán unidas por una cuerda que pasa por una polea ligera sin fricción como indica la figura 7.15. ¿Cuáles son la aceleración del sistema y la tensión en la cuerda? *7.29. El sistema descrito en la figura 7.16 parte del repo so. ¿Cuál es la aceleración si se supone una fricción de cero? Resp. 2.69 m /s2descendiendo por el plano *7.30. ¿Cuál es la aceleración en la figura 7.16 cuando el bloque de 10 kg desciende por el plano en presencia de fricción? Suponga que fi = 0.2. *7.31. ¿Cuál es la tensión en la cuerda en el problema 7.30? Resp. 22.2 N Problemas adicionales 7.32. En la figura 7.15 suponga que la masa m2 es el triple de la masa my Calcule la aceleración del sistema. 7.33. Un trabajador de 200 Ib está de pie sobre una báscu la en el ascensor donde la aceleración hacia arriba es 6 ft/s2. El ascensor se detiene y acelera hacia aba jo a 6 ft/s2. ¿Cuáles serán las lecturas en los movi mientos ascendente y descendente? Resp. 238 Ib ,163 Ib 7.34. Una carga de 8 kg es acelerada hacia arriba por me dio de una cuerda cuya resistencia de rotura es de 200 N. ¿Cuál es la aceleración máxima? 154 Capítulo 7 Resumen y repaso
- 175. 7.35. El valor de ¿u , = 0.7 para neumáticos de caucho en una carretera de concreto. ¿Cuál es la distancia ho rizontal mínima de frenado para una camioneta de 1600 kg que circula a 20 m/s? Resp. 29.2 m *7.36. Supongamos que las masas de 4 y 6 kg de la figu ra 7.14 se intercambian, de modo que la masa más grande esté sobre la mesa. ¿Cuáles serían la acele ración y la tensión en la cuerda (sin tomar en cuenta la fricción)? *7.37. Considere dos masas A y B unidas mediante una cuerda y colgadas de una sola polea. Si la masa A es el doble que la masa B, ¿cuál será la aceleración del sistema? Resp. 3.27 m /s2 *7.38. Una masa de 5 kg descansa sobre un plano inclinado a 34° en el cual = 0.2. ¿Qué impulso hacia arriba del plano inclinado hará que el bloque se acelere a 4 m /s2? *7.39. Un bloque de 96 Ib descansa sobre una mesa en la cual fi = 0.2. Una cuerda atada a este bloque pasa por una polea ligera sin fricción. ¿Qué peso habrá que aplicar en el extremo libre para que el sistema tenga una aceleración de 4 ft/s2? Resp. 35.7 Ib Preguntas para la reflexión crítica 7.40. En un experimento de laboratorio, la aceleración de un carrito se mide por la separación de los puntos marcados a intervalos regulares en una cinta recu bierta de parafina. Pesos cada vez más grandes son transferidos del carrito a un gancho colocado en el ex tremo de una cinta que pasa por una polea ligera sin fricción. De esta manera, la masa de todo el sistema se mantiene constante. En virtud de que el carrito se mueve sobre una pista neumática horizontal con fricción insignificante, la fuerza resultante es igual a las pesas colocadas en el extremo de la cinta. Así se han registrado los siguientes datos: Peso,W 2 4 6 8 10 12 Aceleración, m /s2 1.4 2.9 4.1 5.6 7.1 8.4 Elabore una gráfica de peso contra aceleración. ¿Cuál es el significado de la pendiente de esa curva? ¿Cuál es la masa del sistema? 7.41. En el experimento descrito en el problema 7.40, el estudiante coloca un peso constante de 4 N en el extremo libre de la cinta. Se realizan varios ensayos y, en cada uno de ellos, la masa del carrito se incre menta agregándole pesas. ¿Qué pasa con la acele ración cuando la masa del sistema se incrementa? ¿Cuál tiene que ser el valor del producto de la masa del sistema y la aceleración en cada ensayo? ¿Será necesario incluir la masa del peso constante 4 N en estos experimentos? 7.42. Se usa una disposición similar a la que presenta la figura 7.14, salvo que las masas son sustituidas. ¿Cuál es la aceleración del sistema si la masa sus pendida es tres veces mayor que la masa colocada sobre la mesa y ¡i = 0.3? Resp. 6.62 m /s2 7.43. Tres masas, de 2 kg, 4 kg y 6 kg, están unidas (en ese orden) por cuerdas y han sido colgadas del techo con otra cuerda, de modo que la masa más grande está en la posición más baja. ¿Cuál es la tensión en cada cuerda? Si después son separadas del techo, ¿cuál deberá ser la tensión en la cuerda superior para que el sistema tenga una aceleración ascenden te de 4 m /s2? En este último caso, ¿cuáles son las tensiones en las cuerdas que unen las tres masas? 7.44. Un astronauta de 80 kg sale a una caminata espacial y empuja un panel solar de 200 kg que se desprendió de una nave espacial. Esa fuerza imparte en el panel una aceleración de 2 m /s2. ¿A qué aceleración está sujeto el astronauta? ¿Los dos seguirán acelerando después del empujón? ¿Por qué sí o por qué no? Resp. -5 .0 0 m /s2, no 7.45. Un trineo de 400 Ib desciende por una colina (p, = 0.2) cuya pendiente tiene un ángulo de 60°. ¿Cuál es la fuerza normal sobre el trineo? ¿Cuál es la fuerza de fricción cinética? ¿Cuál es la fuerza resultante colina abajo? ¿Cuál es la aceleración? ¿Es necesario cono cer el peso del trineo para calcular su aceleración? 7.46. Tres masas, w = 10 kg, mn= 8 kg y m3= 6 kg, están unidas como indica la figura 7.17. Sin tomar en cuen ta la fricción, ¿cuál es la aceleración del sistema? ¿Cuáles son las tensiones en la cuerda de la izquierda y la cuerda de la derecha? ¿Sería igual la aceleración si la masa de en medio mnfuera eliminada? m2 Capítulo 7 Resumen y repaso 155
- 176. *7.47. Suponga que ¡±k = 0.3 entre la masa m2 y la mesa de la figura 7.17. Las masas m, y m3son de 8 y 6 kg respectivamente. ¿Qué masa se requiere para que el sistema se acelere hacia la izquierda a 2 m/s2? *7.48. Un bloque de masa desconocida recibe un impulso hacia arriba en un plano inclinado a 40° y después queda libre. Continúa ascendiendo por el plano (+) con una aceleración de — 9 m /s2. ¿Cuál es el coefi ciente de fricción cinética? Resp. 0.360 *7.49. El bloque A de la figura 7.18 pesa 64 Ib. ¿Cuál ten drá que ser el peso de un bloque B si el bloque A sube por el plano con una aceleración de 6 ft/s2? No tome en cuenta la fricción. *7.50. La masa del bloque B de la figura 7.18 es de 4 kg. ¿Cuál debe ser la masa del bloque A para que des cienda por el plano con una aceleración de 2 m/s2? No tome en cuenta la fricción. Resp. 7.28 kg *7.51. Suponga que las masas A y B de la figura 7.18 son de 4 kg y 10 kg, respectivamente. El coeficiente de fricción cinética es 0.3. Calcule la aceleración si (a) el sistema asciende inicialmente por el plano incli nado y (b) si el sistema desciende inicialmente por dicho plano. 156 Capítulo 7 Resumen y repaso
- 177. La Ninja, una montaña rusa en el parque Six Flags de Georgia, tiene una altura de 122 ft y una rapidez de 52 mi/h. La energía potencial de la gravedad debida a su altura cambia en energía cinética de movimiento y el intercambio entre los dos tipos de energía continúa hasta el final del recorrido. (.Fotografía de Paul E. Tippens.) Trabajo, energía y potencia Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alum no: 1. Definirá y escribirá las fórm ulas m atem áticas para el trabajo, la energía p o te n cial, la energía cinética y la potencia. 2. Aplicará los conceptos de trabajo, energía y potencia para resolver problem as similares a los presentados com o ejem plos en el texto. 3. Definirá y dem ostrará con ejem plos su conocim iento de las unidades siguien tes: joule, libra-pie, w att, caballo de fuerza y libra-pie p or segundo. 4. Analizará y aplicará sus conocim ientos sobre la relación entre la realización de un trabajo y el cam bio correspondiente en la energía cinética. 5. Analizará y aplicará su conocim iento del principio de la conservación de la energía mecánica. 6. Determ inará la potencia de un sistema y com prenderá su relación con el tie m po, la fuerza, la distancia y la velocidad. 157
- 178. 158 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia La razón principal de aplicar una fuerza resultante es causar un desplazamiento. Por ejem plo, una enorme grúa que levanta una viga de acero hasta la parte superior de un edificio; el compresor de un acondicionador de aire que fuerza el paso de un fluido a través de su ciclo de enfriamiento, y las fuerzas electromagnéticas que mueven electrones por la pantalla de un televisor. Como aprenderemos aquí, siempre que una fuerza actúa a distancia se realiza un trabajo, el cual es posible predecir o medir. La capacidad de realizar trabajo se define como energía y la razón de cambio que puede efectuar se definirá como potencia. En la actualidad, las industrias centran su interés principal en el uso y el control de la energía, por lo que es esencial comprender a fondo los conceptos de trabajo, energía y potencia. Cuando tratamos de arrastrar un carro con una cuerda, como se observa en la figura 8.1a, no pasa nada. Estamos ejerciendo una fuerza y, sin embargo, el carro no se ha movido. Por otra parte, si incrementamos en forma continua esta fuerza, llegará un momento en que el carro se desplazará. En este caso, en realidad hemos logrado algo a cambio de nuestro esfuerzo. En física este logro se define como trabajo. El término trabajo tiene una definición operacional, explícita y cuantitativa. Para que se realice un trabajo han de cumplirse tres requisitos: 1. Debe haber una fuerza aplicada. 2. La fuerza debe actuar a través de cierta distancia, llamada desplazamiento. 3. La fuerza debe tener una componente a lo largo del desplazamiento. Suponiendo que se cumplen esas condiciones, es posible dar una definición formal de trabajo: Trabajo es una cantidad escalar igual al producto de las m agnitudes del despla zam iento y de la com ponente de la fuerza en la dirección del desplazam iento. En esta ecuación, F. es la componente de F a lo largo del desplazamiento x. En la figura 8.1, sólo Fx contribuye al trabajo. Su magnitud puede determinarse por trigonometría, y el trabajo puede expresarse en términos del ángulo 9 formado entre F y x : Con gran frecuencia la fuerza que realiza el trabajo está dirigida íntegramente a lo largo del desplazamiento. Esto sucede cuando una pesa se eleva en forma vertical o cuando una fuerza horizontal arrastra un objeto por el piso. En estos casos sencillos, F = F, y el trabajo es simplemente el producto de la fuerza por el desplazamiento: Trabajo Trabajo = Componente de lajiierza X desplazamiento Trabajo = F x (8.1) Trabajo = (F eos 9 )x (8.2) Trabajo = Fx (8.3) F F F (a) Trabajo = 0 (b) Trabajo = (F eos 6) x Figura 8.1 El trabajo realizado por una fuerza F que ocasiona un desplazamiento x.
- 179. 8.2 Trabajo resultante 159 Otro caso especial se presenta cuando la fuerza aplicada es perpendicular al desplazamiento. En esta situación, el trabajo será de cero, ya que F = 0. Un ejemplo es el movimiento paralelo a la superficie terrestre, en el que la gravedad actúa verticalmente hacia abajo y es perpendicular a todos los desplazamientos horizontales. En esos casos, la fuerza de gravedad no influye. ¿Qué trabajo realiza una fuerza de 60 N al arrastrar un carro como el de la figura 8.1 a través de una distancia de 50 m, cuando la fuerza transmitida por el manubrio forma un ángulo de 30° con la horizontal? Plan: Sólo contribuye al trabajo la componente de la fuerza aplicada F que se halla a lo largo del desplazamiento. El trabajo se determinará como el producto de esta componente F eos 6 por el desplazamiento lineal x. Solución: Al aplicar la ecuación (8.1) se obtiene Trabajo = (F eos 9)x = (60 N)(cos 30°)(50 m) Trabajo = 2600 N • m Observe que las unidades de trabajo son las unidades de fuerza multiplicadas por las de distancia. Por tanto, en unidades del SI, el trabajo se mide en newtons-metro (N • m). Por convención, esta unidad combinada se llama joule y se representa con el símbolo J. Un jo u le (1 J) es igual al trabajo realizado p o r una fuerza de un new ton al m over un o b je to a lo largo de una distancia paralela de un m etro. En el ejemplo 8.1, el trabajo realizado para arrastrar el carro se escribiría 2600 J. En Estados Unidos, el trabajo se expresa a veces también en unidades del SUEU. Cuando la fuerza se expresa en libras (Ib) y el desplazamiento en pies (ft), la unidad de trabajo corres pondiente se llama libra-pie (ft • Ib). Una libra-pie (1 ft • Ib) es igual al trabajo realizado p or una fuerza de una libra al m over un objeto a lo largo de una distancia paralela de un pie. No hay un nombre especial para esta unidad. Los factores de conversión siguientes son útiles cuando se comparan unidades de trabajo en los dos sistemas: 1 J = 0.7376 ft • Ib 1 ft- Ib = 1.356 J Trabajo resultante Cuando consideramos el trabajo de varias fuerzas que actúan sobre el mismo objeto es útil distinguir entre el trabajo positivo y el negativo. En este texto se sigue la convención de que el trabajo de una fuerza concreta es positivo si la componente de la fuerza se halla en la misma dirección que el desplazamiento. El trabajo negativo lo realiza una componente de fuerza que se opone al desplazamiento real. Así, el trabajo que realiza una grúa al levantar una carga es positivo, pero la fuerza gravitacional que ejerce la Tierra sobre la carga realiza uno negativo. De igual forma, si estiramos un resorte, el trabajo sobre éste es positivo y el trabajo sobre el resorte es negativo cuando éste se contrae y nos arrastra. Otro ejemplo importante de trabajo negativo es el que se realiza mediante una fuerza de fricción que se opone a la dirección del desplazamiento. Si varias fuerzas actúan sobre un cuerpo en movimiento, el trabajo resultante (trabajo total) es la suma algebraica de los trabajos de las fuerzas individuales. Esto también será igual al trabajo de la fuerza resultante. La realización de un trabajo neto requiere la existencia de una fuerza resultante. En el ejemplo 8.2 se aclaran estas ideas.
- 180. 160 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia |^ j Una fuerza de impulsión de 80 N mueve un bloque de 5 kg hacia arriba por un plano inclinado a 30°, como se muestra en la figura 8.2. El coeficiente de fricción cinética es de 0.25 y la longitud del plano es de 20 m. (a) Calcule el trabajo que realiza cada una de las fuerzas que actúan sobre el bloque, (b) Demuestre que el trabajo neto realizado por estas fuerzas tiene el mismo valor que el trabajo de la fuerza resultante. Plan: Elabore y marque un diagrama de cuerpo libre (véase la figura 8.2b) donde se muestre cada fuerza que actúa a lo largo del desplazamiento x. Es importante distinguir entre el tra bajo de una fuerza individual, como P ,/A _ , 72 o W y el trabajo resultante. En la primera parte del problema consideraremos el trabajo de cada una de estas fuerzas independientemente de las otras. Luego, una vez que se reconozca que todas ellas tienen un desplazamiento común, demostraremos que el trabajo resultante equivale a la suma de los trabajos individuales. Solución (a): Note que la fuerza normal no realiza trabajo porque es perpendicular al desplazamiento y eos 90° = 0 (Trabajo)^ = (TI eos 90°)x o (Trabajo)^ = 0 La fuerza de impulsión P se ejerce por completo a lo largo del desplazamiento y en la misma dirección. Por tanto, (Trabajo)^ = (P eos 0°)„r = (80 N)(l)(20 m) (Trabajo)^ = 1600 J Para calcular el trabajo de la fuerza de fricciónf y el trabajo del peso W, primero debemos determinar las componentes del peso tanto a lo largo del plano como perpendicularmente a él. W = mg = (5 kg)(9.8 m /s2); W = 49.0 N W = (49.0 N) sen 30° = 24.5 N W = (49.0 N) eos 30° = 42.4 N Observe que la referencia al ángulo de 30° es respecto al eje y en este caso para evitar un diagrama amontonado, lo que significa que el lado opuesto es la componente x y el lado ad yacente la componente y. Elija con detenimiento las funciones trigonométricas correctas. Las fuerzas normales al plano están equilibrados, de forma que TI = W y Tl = W = 42.4 N Esto significa que la fuerza de fricción/ es f k = ¡jL kn = {0.25X42.4 N) / = - 1 0 .6 N El signo menos indica que la fuerza de fricción se dirige hacia abajo del plano. En conse cuencia, el trabajo realizado por esta fuerza es (Trabajo) = / x = (-1 0 .6 N)(20 m); (Trabajo) = -2 1 2 J (a) Figura 8.2 Trabajo que se requiere para empujar un bloque hacia arriba por un plano inclinado a 30°.
- 181. 8.3 Energía 161 El peso W del bloque también realiza un trabajo negativo, ya que su componente Wxtiene dirección opuesta al desplazamiento. (Trabajo),,, = -(24.5 N)(20 m) = -4 9 0 J Solución (b): El trabajo neto es igual a la suma de los trabajos realizados por cada fuerza Trabajo neto = (trabajo)^ = (trabajo)^ = (trabajo) + (trabajo)^ = 0 + 1600 J - 212 J - 490 J = 898 J Para demostrar que éste es también el trabajo de la fuerza resultante, calculamos primero esta última, que es igual a la suma de las fuerzas a lo largo del plano inclinado F* = P - f t ~ W = 80 N - 10.6 N - 24.5 N = 44.9 N Por tanto, el trabajo de F es Trabajo neto = FR x = (44.9 N)(20 m) = 898 J que es igual al valor obtenido cuando se calcula el trabajo de cada fuerza por separado. Es importante distinguir entre el trabajo resultante o neto y el trabajo de una fuerza indivi dual. Si nos referimos al trabajo necesario para mover un objeto cierta distancia, el trabajo rea lizado por la fuerza que tira de él no es necesariamente el trabajo resultante. El trabajo puede haberse realizado por medio de una fuerza de fricción o de otras fuerzas. El trabajo resultante es simplemente el trabajo hecho por una fuerza resultante. Si ésta es cero, entonces el trabajo resultante también es cero, aun cuando diversas fuerzas individuales puedan estar realizando un trabajo positivo o negativo. Energía La energía puede considerarse algo que es posible convertir en trabajo. Cuando decimos que un objeto tiene energía, significa que es capaz de ejercer una fuerza sobre otro objeto para realizar un trabajo sobre él. Por el contrario, si realizamos un trabajo sobre un objeto, le he mos proporcionado a éste una cantidad de energía igual al trabajo realizado. Las unidades de energía son las mismas que las del trabajo: joule y libra-pie. En mecánica nos interesan dos tipos de energía: Energía cinética K, que es la energía que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento. Energía potencial U, que es la energía que tiene un sistema en virtud de su posición o condición. Se dice que toda masa m que tenga velocidad posee también energía cinética. No obs tante. para que haya energía potencial es preciso tener el potencial — valga la expresión— de una fuerza aplicada. Por tanto, un objeto en sí no puede tener energía potencial; más bien, esta última ha de pertenecer al sistema. Una caja que se mantiene a cierta distancia sobre la super ficie de la Tierra es un ejemplo de un sistema con energía potencial. Si se le soltara, nuestro planeta ejercería una fuerza sobre ella; sin la Tierra no habría energía potencial. Se puede pensar en numerosos ejemplos de cada tipo de energía. Por ejemplo, un auto móvil en marcha, una bala en movimiento y un volante que gira tienen la capacidad de reali zar trabajo a causa de su movimiento. De forma similar, un objeto que ha sido levantado, un resorte comprimido y una liga estirada tienen el potencial para realizar trabajo siempre que se active una fuerza. En la figura 8.3 se presentan varios ejemplos de cada tipo de energía.
- 182. 162 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia m = 1200 kg; v = 80 km/h m = 20 g; v = 400 m/s - /'CsEZSí-- i . (a) n Figura 8.3 (a) Energía cinética de un automóvil o de una bala en movimiento, (b) Energía potencial de una pesa suspendida o de un arco tenso. (Fotografía de Hemera, Inc.) Trabajo y energía cinética Hemos definido la energía cinética como la capacidad de realizar trabajo como resultado del movimiento de un cuerpo. Para analizar la relación entre movimiento y trabajo, consideremos una fuerza F que actúa sobre el carrito de la figura 8.4. Supondremos que esta fuerza es la fuerza resultante sobre el carrito y despreciaremos toda fuerza de fricción. Digamos que el carrito y su carga tienen una masa combinada m y que tiene una velocidad inicial y final v0 y v , respectivamente. De acuerdo con la segunda ley de Newton del movimiento, habrá una aceleración resultado de la razón a = — (8.4) m Para proseguir con este ejemplo, recuerde que en el capítulo 5 vimos que 2 ax = vj — V q que puede expresarse en términos de a como sigue: a = V f ~ vq 2x Si sustituimos esta expresión en la ecuación 8.4 queda F vf ~ vo m 2x F /R Figura 8.4 El trabajo realizado por la fuerza resultante F produce un cambio en la energía cinética de la masa total m. (Fotografías de Hemera.)
- 183. 8.4 Trabajo y energía cinética 163 Después de reordenar los factores y simplificar se obtiene 1 2 1 2 Fx = -m v j - ~mv0 Si se presta atención, este resultado muestra que el miembro izquierdo de la ecuación representa el trabajo resultante hecho por una fuerza constante ejercida a lo largo del desplaza miento x. Los términos del miembro derecho son los valores inicial y final de una cantidad im portante (mv2). Denominaremos a esta cantidad la energía cinética y escribiremos la fórmula 1 2 K = —mv Energía cinética (8.5) Con esta definición, ahora podemos afirmar que el trabajo resultante efectuado sobre una masa m por unafuerza constante F ejercida a lo largo de una distancia x es igual al cambio de energía cinética AK. Ésta es la definición de lo que designaremos teorema del trabajo-energía. T eorem a dei trabajo-energía: El trabajo de una fuerza externa resultante ejer cida sobre un cuerpo es igual al cambio de la energía cinética de ese cuerpo Fx = —mvj — ~ mvo (8 * 6 ) En muchas aplicaciones, la fuerza F de la ecuación (8 .6 ) no es constante, sino que varía sig nificativamente a lo largo del tiempo. En tales casos, el teorema del trabajo-energía puede aplicarse para determinar lafuerza media, que podemos considerar como la fuerza constante que realizaría la misma cantidad de trabajo. Un análisis cuidadoso del teorema del trabajo-energía demostrará que un incremento de la energía cinética (v, > v0) ocurre como resultado de un trabajo positivo, en tanto que una dismi nución en la energía cinética (v < v0) es el resultado de un trabajo negativo. En el caso especial en que el trabajo sea cero, la energía cinética es constante e igual al valor dado en la ecuación (8 .6 ). Cabe señalar, asimismo, que las unidades de la energía cinética han de ser iguales que las del trabajo. Como ejercicio, debe demostrar que 1 kg • m /s2 = 1 J. ! j # Calcule la energía cinética de un mazo de 4 kg en el instante en que su velocidad es de 24 m/s. Solución: Con la aplicación directa de la ecuación (8.5) obtenemos K = m v~ = ^(4 kg)(24 m /s)2 K = 1150 J |P x a lc u le la energía cinética de un automóvil de 3 200 Ib que viaja a 60mi/h (8 8 ft/s). Plan: Como se describe el peso del auto en unidades del SUEU, debemos dividir entre la gravedad para hallar su masa. Después se calcula la energía cinética como siempre. Solución: jr 1 2 1 f W 2 K = ~m v = — — |v 2 2 g j 1 f 3 200 lb , s = - ----------- t (8 8 ft/s)2 = 3.87 X 103 ft • Ib 2 V32 ft/s2/ El uso de ft • Ib como unidad es anacrónico y se pide no emplearlo. Sin embargo, aún se le utiliza, si bien limitadamente, de modo que a veces es preciso realizar la conversión respectiva.
- 184. 164 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia mr / l í r ¿Qué fuerza media F es necesaria para detener una bala de 16 g que viaja a 260 m /s y que penetra en un trozo de madera a una distancia de 12 cm? Plan: La fuerza ejercida por el bloque sobre la bala no es de ningún modo constante, pero puede suponer una fuerza media de detención. Entonces, el trabajo necesario para detener la bala será igual al cambio de energía cinética (véase la figura 8.5). Solución: Tras observar que la velocidad de la bala cambia de un valor inicial de v0 = 260 m /s a uno final igual a cero, la aplicación directa de la ecuación (8 .6 ) resulta en Fx = - l ~mvl Al resolver explícitamente para F se obtiene 1 , Fx = -~ m v 5 -mv F = 2x Las cantidades dadas en SI son m = 16 g = 0.016 kg; x = 12 cm = 0 .1 2 m; v0 = 260 m/s Al sustituir valores se obtiene la fuerza media de detención -m v l -(0.016 kg)(260 m /s) 2 F = 2x F = -4 5 1 0 N 2(0.12 m) El signo menos indica que la fuerza era opuesta al desplazamiento. Cabe señalar que esta fuerza es aproximadamente 30 000 veces el peso de la bala. K = —mv Figura 8.5 El trabajo realizado para detener la bala es igual al cambio en la energía cinética de ésta. Energía potencial La energía que posee el sistema en virtud de sus posiciones o condiciones se llama energía potencial. Como la energía se expresa a sí misma en forma de trabajo, la energía potencial implica que debe haber un potencial para realizar trabajo. Supongamos que el martinete de la figura 8 .6 se utiliza para levantar un cuerpo cuyo peso es W hasta una altura h por arriba del pilote colocado sobre el suelo. Decimos que el sistema Tierra-cuerpo tiene una energía potencial gravitacional. Cuando se deje caer ese cuerpo, realizará un trabajo al golpear el pi lote. Si es lo suficientemente pesado y cae desde una altura suficientemente grande, el trabajo realizado hará que el pilote recorra una distancia y. La fuerza externa F necesaria para elevar el cuerpo debe ser por lo menos igual al peso W. Entonces, el trabajo realizado por el sistema está dado por Trabajo = Wh = mgh Esta cantidad de trabajo también puede ser efectuada por el cuerpo después de caer una dis tancia h. Por tanto, el cuerpo tiene una energía potencial igual en magnitud al trabajo externo necesario para elevarlo. Esta energía no proviene del sistema Tierra-cuerpo, sino que resulta del trabajo realizado sobre el sistema por un agente externo. Sólo una fuerza externa, como F en la figura 8 .6 o la fricción, puede añadir o extraer energía del sistema formado por el cuerpo y la Tierra.
- 185. El agua que está en la rueda superior de una noria tiene energía potencial. A medida que el agua cae, esta energía se vuelve energía cinética, la cual se aprovecha para hacer girar la rueda. La energía potencial disminuye a medida que la energía cinética aumenta. 8.5 Energía potencial 165 (a) (b) (c) Figura 8.6 (a) Para levantar una masa m hasta una altura h se requiere un trabajo igual a mgh. (b) Por tanto, la energía potencial es mgh. (c) Cuando se deja caer la masa tiene la capacidad para realizar el trabajo equi valente a mgh sobre el pilote. Con base en lo anterior, la energía potencial U se determina a partir de U = Wh = mgh Energía potencial (8.7) donde W y m son, respectivamente, el peso y la masa de un objeto situado a una distancia h arriba de un punto de referencia. La energía potencial depende de la elección de un nivel de referencia específico. La ener gía potencial gravitacional en el caso de un avión es muy diferente cuando se mide respecto a la cima de una montaña, un rascacielos o el nivel del mar. La capacidad de realizar trabajo es mucho mayor si el avión cae al nivel del mar. La energía potencial tiene un significado físico únicamente cuando se establece un nivel de referencia. J P Una caja de herramientas de 1.2 kg se halla 2 m por encima de una mesa que está a la vez a 80 cm del piso. Determine la energía potencial respecto a la parte superior de la mesa y respecto al piso. Plan: La altura por encima de la mesa y la altura arriba del piso son los dos puntos de referencia de la energía potencial. El producto del peso por la altura nos dará la energía potencial respecto a ellos. Solución (a): La energía potencial respecto a la parte superior de la mesa es U = mgh = (1.2 kg)(9.8 m /s2)(2 m) = 23.5 J Observe que kilogramos, metros y segundos son las únicas unidades de masa, longitud y tiempo que pueden ser congruentes con la definición de joule. Solución (b): La altura total en el segundo caso es la suma de la altura de la parte superior de la mesa a partir del piso y la altura de la caja de herramientas por encima de la mesa. U = mgh = mg{2 m + 0.80 m) = (1.2 kg)(9.8 m /s2)(2.8 m) = 32.9 J
- 186. 166 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia Una unidad comercial de aire acondicionado de 300 kg es elevada por medio de la cadena de un montacargas hasta que su energía potencial es de 26 kJ con relación al piso. ¿Cuál será la altura arriba de éste? Plan: Resolveremos la ecuación (8.7) para h y luego sustituiremos los valores conocidos. Solución: Tenemos que U = 26 kJ o 26 000 J y que m = 300 kg; por tanto U U = mgh; h = ---- mg 26000J h = (300 kg)(9.8 m/s") — = 8.84 m Las piedras de una pirámide de Egipto construida hace 2500 años tienen hoy la misma energía potencial que cuando se construyó la pirámide. Hemos señalado que el potencial para realizar trabajo tan sólo es función del peso mg y de la altura h sobre algún punto de referencia. La energía potencial en una posición específica sobre ese punto no depende de la trayectoria seguida para llegar a esa posición, puesto que debe realizarse el mismo trabajo contra la gravedad independientemente de la trayectoria. En el ejemplo 8.7, se necesitó un trabajo de 26 kJ para subir el acondicionador de aire a una altura vertical de 8.84 m. Si preferimos ejercer una fuerza menor subiéndolo por un plano inclinado, se requerirá una mayor distancia. En cualquier caso, el trabajo realizado contra la gravedad es de 26 kJ, ya que el resultado final es la colocación de una masa de 300 kg a una altura de 8.84 m. Conservación de la energía Con mucha frecuencia, a rapideces relativamente bajas tiene lugar un intercambio entre las energías potencial y cinética. Supongamos que se levanta una masa m hasta una altura h y luego se la deja caer (véase la figura 8.7). Una fuerza externa ha incrementado la energía del sistema, dándole una energía potencial U = mgh en el punto más alto. Ésta es la energía total disponible para el sistema y no puede modificarse a menos que se enfrente a una fuerza de resistencia externa. En la medida en que la masa cae, su energía potencial disminuye debido a que se reduce la altura sobre el piso. La pérdida de energía potencial reaparece en forma de ^ ~ ^ 0 U ~ mgh; K=0 vf Figura 8.7 Si no hay fricción, la energía total (U + K) es constante. Es la misma en la parte superior, a la mitad, en la parte inferior o en cualquier otro punto de la trayectoria.
- 187. 8.6 Conservación de la energía 167 El mayor obstáculo para los ciclistas que compiten en carreras es la fuerza de fricción producida por la resistencia del aire (70%) en contacto con sus propios cuerpos. Usar ropa muy ajustada y mantenerse agachados en su vehículo puede reducir tal resistencia. El peso de la bicicleta, el del ciclista y la fricción ocasionada por el camino son otros obstáculos. El diseño de la bicicleta ayuda a incrementar la aceleración. Aleaciones de poco peso y materiales mixtos, el mejoramiento de los cojinetes de las ruedas, diversos lubricantes y los diseños aerodinámicos ayudan a reducir el peso y la fricción producida por la bicicleta. energía cinética de movimiento. En ausencia de la resistencia del aire, la energía total (U + K) permanece igual. La energía potencial sigue transformándose en energía cinética hasta que la masa llega al piso (h = 0 ). En esta posición final, la energía cinética es igual a la energía total, y la energía potencial es cero. Es importante señalar que la suma de U y K es la misma en cualquier punto durante la caída (véase la figura 8.7). Si denotamos la energía total de un sistema con E, entonces podemos escribir Energía total = energía cinética + energía potencial = constante E = K + U = constante En el ejemplo de una pelota que cae, se dice que la energía mecánica se conserva. En la parte más alta la energía total es mgh, en tanto que en la parte más baja es mvf, si despreciamos la resistencia del aire. Ahora estamos listos para enunciar el principio de conservación de la energía mecánica: Conservación d e la energía m ecánica: En ausencia de resistencia del aire o de otras fuerzas disipadoras, la suma de las energías potencial y cinética es una constante, siempre que no se añada ninguna otra energía al sistema. Siempre que se aplique este principio resulta conveniente pensar en el principio y el fin del proceso de que se trate. En cualquiera de esos puntos, si hay velocidad v, existe una ener gía cinética K si hay altura h, hay energía potencial U. Si asignamos los subíndices 0 y /a los puntos inicial y final, respectivamente, podemos escribir Energía total en el punto inicial = energía total en el punto final U0 + K0 = U f + K f O, con base en las fórmulas apropiadas mgh0 + -m v l = m8hf + ^ mvf (8.8) Desde luego, esta ecuación se aplica estrictamente sólo en los casos donde no hay fuerzas de fricción y no se añade energía al sistema. En el ejemplo donde se plantea el caso de un objeto que cae a partir del reposo desde una altura inicial h , la energía total inicial es igual a mgh0(v0 = 0 ), y la energía total final es m vj (ih = 0). Por tanto mgh0 1 ~mvf Resolviendo esta relación para v obtenemos una ecuación útil para determinar la velocidad final a partir de las consideraciones generales sobre la energía de un cuerpo que cae desde el reposo sin que lo afecte la fricción vf = V 2gh0 Cabe señalar que la masa no es importante al determinar la velocidad final, ya que aparece en todas las fórmulas de la energía. Una gran ventaja que ofrece este método es que la velocidad final se calcula a partir de los estados inicial y final de la energía. Si no hay fricción, la trayec toria seguida no importa. Por ejemplo, resulta la misma velocidad final si el objeto sigue una trayectoria curva a partir de la misma altura inicial. En la figura 8 .8 , una bola de demolición de 40 kg se impulsa lateralmente hasta que queda 1.6 m por arriba de su posición más baja. Despreciando la fricción, ¿cuál será su velocidad cuando regrese a su punto más bajo? Plan: La conservación de la energía total requiere que la suma U + K sea la misma en los puntos inicial y final. La velocidad puede determinarse reconociendo que la energía cinéti ca final ha de equivaler a la energía potencial inicial si se conserva la energía.
- 188. 168 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia Figura 8.8 La velocidad de una masa suspendida al pasar por el punto más bajo de su trayectoria puede determinarse a partir de las consideraciones generales sobre la energía. Solución: Si se aplica la ecuación (8 .8 ) se obtiene mgh0 + 0 = 0 + ~m vj o mgh0 = —mvj 2 2 Al resolver para la velocidad final y sustituir los valores conocidos queda v = / 2gh0 = /2 (9 .8 m /s2)(1.6 m) Vf = 5.60 m/s Como un ejemplo adicional, demuestre que la energía total E al principio y al final del proceso es de 627 J. Energía y fuerzas de fricción Es útil considerar la conservación de la energía mecánica como un proceso de contabilidad, en el que se lleva un recuento de lo que pasa a la energía de un sistema desde el principio hasta el fin. Suponga que retira $1000 del banco y luego paga $400 por un pasaje de avión a Nueva York. Le quedarían $600 para gastar en diversiones. Los $400 ya se gastaron y no pueden re embolsarse, pero deben tenerse en cuenta. Ahora considere un trineo en la cima de una colina y suponga una energía total de 1000 J. Si 400 J de energía se pierden a causa de las fuerzas de fricción, el trineo llegaría al fondo con una energía de 600 J para usarlos en velocidad. No es posible recobrar los 400 J perdidos en trabajo contra las fuerzas de fricción, así que la energía total E es menor que la energía total inicial E0. Además, aún hay que considerar el calor y otras pérdidas disipadoras en el proceso. Podríamos escribir la afirmación siguiente: Energía total inicial = energía totalfinal + pérdida debida a lafricción UQ+ K^= Uf + K + Jtrabajo contra la fricción[ (8.9) El trabajo realizado por las fuerzas de fricción siempre es negativo, de modo que hemos em pleado las rayas verticales de valor absoluto para indicar que estamos considerando el valor positivo de la pérdida de energía. Al considerar la fricción ahora podemos escribir un postulado más general de la conser vación de la energía: C onservación d e la energía: La energía total de un sistema es siempre cons tante, aun cuando se trasforme la energía de una forma a otra dentro del sistema.
- 189. 8.7 Energía y fuerzas de fricción 169 En las aplicaciones del mundo real no es posible dejar de considerar las fuerzas externas; por tanto, es posible obtener un postulado aún más general del principio de conservación de la energía reescribiendo la ecuación (8.9) en términos de los valores inicial y final de la altura y la velocidad: mgh0 + K nvl = mghf + ^mv} + fkx (8.10) Se ha sustituido el término que denota la pérdida de energía por el valor absoluto del trabajo realizado por una fuerza cinética de fricción ejercida a lo largo de la distancia x. Naturalmente, si un objeto parte del reposo (v0 = 0) a partir de una altura hQsobre su posición final, la ecuación (8 .1 0 ) se simplifica a mgh0 = ~m vj + fkx (8.11) Al resolver problemas, es útil establecer la suma de las energías potencial y cinética en algún punto inicial. Luego se determina la energía total en el punto final y se suma el valor absoluto de cualquier pérdida de energía. La conservación de la energía precisa que estas dos ecuacio nes sean equivalentes. Con base en tal postulado, se puede determinar entonces el parámetro incógnito. f e 1 Un trineo de 20 kg descansa en la cima de una pendiente de 80 m de longitud y 30° de inclinación, como se observa en la figura 8.9. Si ¡xt = 0.2, ¿cuál es la velocidad al pie del plano inclinado? Plan: Al principio la energía total £ es la energía potencial U = mghQ . Una parte se pier de al realizar trabajo contra la fricción f kx, lo que deja el resto para la energía cinética X = m v2. Se traza un diagrama de cuerpo libre como el de la figura 8.9, el cual se usa para calcular la magnitud de la fuerza de fricción. Por último, después de aplicar la ley de la conservación de la energía es posible determinar la velocidad al pie del plano inclinado. Solución: Antes de hacer algún cálculo, escribamos la ecuación de la conservación en términos generales. La energía total en la cima ha de ser igual a la energía total en la parte inferior menos la pérdida por realizar trabajo contra la fricción. mgh0 + ^m v 5 = mghf + | mv} + |f kx (a) (b) Figura 8.9 Una parte de la energía potencial inicial que tenía el trineo en la cima del plano inclinado se pierde debido al trabajo que se realiza para contrarrestar la fricción cuando el trineo desciende.
- 190. 170 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia Tras reconocer que v0 = 0 y h = 0 podemos simplificar a mgh0 = - mvj + fkx Ahora se advierte qué es necesario para determinar la velocidad final. Aun hay que esta blecer la altura inicial y la fuerza de fricción. A partir del triángulo trazado en la figura 8.9 es posible hallar la altura h como sigue: h0 = (80 m) sen 30° = 40 m La fuerza de fricción depende del valor de la fuerza normal. Un estudio del diagrama de cuerpo libre revela que las fuerzas se hallan en equilibro perpendicular con el plano incli nado, así que la fuerza normal es igual a la componente y la altura; por tanto 71 = Wy = mg eos 30° = (20 kg)(9.8 m /s2) eos 30° = 170 N La fuerza de fricción es el producto de ¡xk por TI, así que f k = ¡xkn = (0.2)(170 N) = 34.0 N Con esta información, volvemos a la ecuación de conservación mgh0 = ~m vj + fkx (20 kg)(9.8 m /s2)(40 m) = ^(20 kg)v^ + |(34 N)(80 m)| 7840 J = ^-(20 kg)v2 + 2720 J De los 7 840 J disponibles para el sistema, 2720 J se perdieron en trabajo para contrarrestar la fricción y el resto fue energía cinética. Ahora podemos determinar la velocidad final 1 9 -(2 0 k g )vj = 7 840 J - 2720 J (10kg)vj = 5 120 J /5 120 J vf = A/ ---------= 2 2 .6 m/s f V 10 kg Como ejercicio adicional, usted debe demostrar que la velocidad final sería de 28.0 m /s si no hubiera fuerzas de fricción. C onservación d e la e n e rg ía 1. Lea el problema, luego trace y marque un diagrama sencillo, donde identificará cada objeto cuya altura o velocidad cambie. 2. Determine un punto de referencia para medir la ener gía potencial gravitacional; por ejemplo, la base de un 1 plano inclinado, el piso de una habitación o el punto más bajo en la trayectoria de una partícula. 3. Para cada objeto, anote las alturas y las velocidades iniciales y finales: hQ , v0, h y v . Cada una de las alturas se mide a partir de la posición de referencia elegida y sólo se requieren las magnitudes para las velocidades.
- 191. 8.8 Potencia 171 4. La energía total del sistema en cualquier instante es fuerza de fricción/por el desplazamiento x. Recuerde la suma de las energías cinética y potencial. Por con- que / = siguiente, la energía total inicial EQy la energía total ¿ Escr¿ba la ecuación de la conservación de la energía y final Ef son despeje la incógnita E0 = mgh0 + -m v l Ef = mghf + -m v j mgh0 + —mvl = mghf + + ¡pérdidas de energía] 5. Determine si hay fuerzas de fricción. Si la fricción o la resistencia del aire están presentes, entonces la pérdi da de energía debe darse como dato o calcularse. Con frecuencia, la pérdida de energía al realizar un traba jo contra la fricción es simplemente el producto de la 7. Recuerde utilizar el valor absoluto de la pérdida de energía cuando aplique la relación anterior. El trabajo real contra la fricción siempre es negativo, pero en este caso se está tomando en cuenta como una pérdida. Potencia En nuestra definición de trabajo, el tiempo no participó en forma alguna. La misma cantidad de trabajo se realiza si la tarea dura una hora o un año. Si se le da tiempo suficiente, aun el motor menos potente llega a levantar una carga enorme. Sin embargo, si deseamos realizar una tarea con eficiencia, la razón de cambio con la que se efectúa el trabajo se vuelve una cantidad importante en ingeniería. Potencia es la razón de cambio con la que se realiza el trabajo. La unidad del SI para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Por tanto, un foco de 80 W consume energía a razón de 80 J/s. En unidades del SUEU, se utiliza la libra-pie por segundo (ft • Ib/s) y no se da ningún nombre en particular a esta unidad. El watt y la libra-pie por segundo tienen el inconveniente de ser unidades demasiado pe queñas para la mayor parte de los propósitos industriales. Por ello, se usan el kilowatt (kW) y el caballo defuerza (hp), que se definen como: En Estados Unidos, el watt y el kilowatt se usan casi exclusivamente en relación con la energía eléctrica; el caballo de fuerza se reserva para la energía mecánica. Esta práctica es simplemente una convención y de ningún modo es obligatoria. Resulta perfectamente correc to hablar de un foco de 0.08 hp o mostrar muy ufanos un motor de 238 kW. Los factores de conversión son: 1 hp = 746 W = 0.746 kW 1 kW = 1.34 hp Puesto que el trabajo se realiza de manera continua, es útil disponer de una expresión para la potencia que incluya la velocidad. Así, P = ------— tiempo trabajo (8.12) 1 W = 1 J/s 1 kW = 1000 W 1 hp = 550 ft ■lb/s P = ------ — = — t t trabajo Fx (8.13) de donde x P = F ~ = Fv t (8.14) donde v es la velocidad del cuerpo sobre la que se aplica la fuerza paralela F.
- 192. 172 Capítulo 8 Trabajo, energía y potencia Ejemplo 8.10 m ¡r r. i/i La carga de un ascensor tiene una masa total de 2800 kg y se eleva a una altura de 200 m en un lapso de 45 s. Exprese la potencia media tanto en unidades del SI como del SUEU. Solución: Esta es una aplicación directa de la ecuación (8.13), donde la distancia x se convierte en la altura h sobre el suelo. P = Fx mgh P = (2800 kg)(9.8 m /s2)(200 m) 45 s = 1.22 X 105 W P = 122 kW Como 1 hp = 746 W, los caballos de fuerza desarrollados son 1 hp P = (1.22 X 10= W) 746 W = 164 hp ’' Se subirá un piano de 280 kg a rapidez constante hasta un departamento 10 m arriba del piso. La grúa que carga el piano gasta una potencia media de 600 W. ¿Cuánto tiempo se requiere para realizar el trabajo? Plan: Se escribe la ecuación de la potencia y luego se despeja el tiempo. Solución: Puesto que h = 10 m, m = 280 kg y P = 600 W se tiene que P = mgh t = mgh ------ o i = ------ t P (280 kg)(9.8 m /s2)(10 m) 600 W t = 45.7 s Las empresas de suministro de energía cobran a sus clientes por kilowatt-hora en lo que se denomina recibo de luz. Como ejercicio, debe analizar las unidades con objeto de demos trar que el producto de una unidad de potencia por el tiempo es en realidad una unidad de trabajo o energía.
- 193. Resumen En este capítulo se han explicado los conceptos de trabajo, energía y potencia. A continuación se resumen los aspectos esenciales que es necesario recordar: • El trabajo realizado por una fuerza F que actúa a lo largo de una distancia x se calcula a partir de las ecuaciones siguientes (use la figura 8.1 como referencia): Trabajo = Fxx Trabajo = (F eos d)x Unidad del SI: joule (J) Unidad del SUEU: libra-pie: (ft ■Ib) • La energía cinética K es la capacidad para realizar trabajo como resultado del movimiento. Tiene las mismas unida des que el trabajo y se determina a partir de l 2 l ' W - K = ~mv K = - ~ v2 2 2 ' Kg J mgh0 + ~mv0 = mghf + -mvj + fkx Potencia es la razón de cambio con la que se realiza un trabajo: La energía potencial gravitacional es la que resulta de la posición de un objeto respecto a la Tierra. La energía potencial U tiene las mismas unidades que el trabajo y se calcula a partir de trabajo Fx P = Fv t t U = Wh U = mgh Unidad del SI: watt (W) Unidad del SUEU: ft • lb/s Otras unidades: 1kW = 10;' W 1hp = 550 ft • Ib/s Conceptos clave caballo de fuerza 171 conservación de la energía mecánica 167 conservación de la energía 168 desplazamiento 158 energía cinética 161 energía potencial 161 energía 158 joule 159 kilowatt 171 pie-libra 159 potencia 158 teorema del trabajo-energía trabajo resultante 159 trabajo 158 watt 171 163 Preguntas de repaso 8.1. Señale con claridad la diferencia entre el concepto de trabajo que tiene un físico y el de una persona común. 8.2. Dos equipos compiten tirando de los extremos de una cuerda. ¿Realizan algún trabajo? ¿En qué instante? 8.3. Siempre que se realiza un trabajo neto sobre un cuerpo, ¿éste se somete necesariamente a una acele ración? Explique. 8.4. Una clavadista está de pie en un trampolín a 10 ft de altura sobre el agua. ¿Qué tipo de energía resul ta de esta posición? ¿Qué pasa con esa energía cuando ella se zambulle en el agua? ¿Se realiza al gún trabajo? En caso afirmativo, ¿quién efectúa el trabajo y sobre qué lo realiza? 8.5. Compare las energías potenciales de dos cuerpos A y B si (a) A tiene el doble de altura que B pero am- 8.6. 8.7. 8 .8 . bos tienen la misma masa; (b) B tiene el doble de peso que A pero ambos tienen la misma altura, y (c) A tiene el doble de peso que B pero B tiene el doble de altura que A. Compare las energías cinéticas de dos cuerpos A y B si (a) A tiene el doble de velocidad que B, (b) A tiene la mitad de masa que B y (c) A tiene el doble de masa y la mitad de la velocidad que B. Al apilar tablas de 8 pies, usted levanta una de ellas por el centro y la coloca encima de la pila. Su ayu dante levanta un extremo de su tabla, lo apoya sobre la pila y después levanta el otro extremo. Compare el trabajo que ambos han realizado. A la luz de lo que ha aprendido sobre trabajo y ener gía, describa el procedimiento más eficiente para tocar la campana en la feria en el juego de golpear 173
- 194. un muelle con un mazo. ¿Qué precauciones deben tomarse? 8.9. La montaña rusa de una feria se anuncia con “una altura máxima de 100 ft y una rapidez máxima de 60 mi/h”. ¿Cree usted que digan la verdad en ese anuncio? Explique su respuesta. Problemas Sección 8.1 Trabajo 8.1. ¿Cuál es el trabajo realizado por una fuerza de 20 N que actúa a lo largo de una distancia paralela de 8 m? ¿Qué fuerza realizará el mismo trabajo en una distancia de 4 m? Resp. 160 J, 40 N 8.2. Un trabajador levanta un peso de 40 Ib hasta una al tura de 10 ft. ¿A cuántos metros se puede levantar un bloque de 10 kg con la misma cantidad de trabajo? 8.3. Un remolcador ejerce una fuerza constante de 4000 N sobre un barco, desplazándolo una distancia de 15 m. ¿Cuál es el trabajo realizado? Resp. 60 kJ 8.4. Un martillo de 5 kg es levantado a una altura de 3 m. ¿Cuál es el trabajo mínimo requerido para hacerlo? 8.5. Un empuje de 120 N se aplica a lo largo del asa de una cortadora de césped. Ese empuje produce un desplazamiento horizontal de 14 m. Si el asa forma un ángulo de 30° con el suelo, ¿qué trabajo fue rea lizado por la fuerza de 120 N? Resp. 1460 J 8.6. El baúl de la figura 8.10 es arrastrado una distancia horizontal de 24 m mediante una cuerda que forma un ángulo 9 con el piso. Si la tensión de la cuerda es de 80 N, ¿cuál es el trabajo realizado en cada uno de los ángulos siguientes: 0o, 30°, 60°, 90o? 8.7. Una fuerza horizontal empuja un trineo de lOkghasta una distancia de 40 m en un sendero. Si el coeficiente de fricción de deslizamiento es 0.2, ¿qué trabajo ha realizado la fuerza de fricción? Resp. — 784 J 8 .8. Un trineo es arrastrado una distancia de 12.0 m por medio de una cuerda, con una tensión constante de 140 N. La tarea requiere 1200 J de trabajo. ¿Qué ángulo forma la cuerda con el suelo? Sección 8.2 Trabajo resultante 8.9. Una fuerza media de 40 N comprime un resorte has ta una distancia de 6 crn. ¿Cuál es el trabajo reali- 8.10. Un hombre ha cortado el césped de sujardín durante varios años con una cortadora de 4 hp. Un día compra una cortadora de 6 hp. Después de usar algún tiempo la nueva cortadora, tiene la impresión de que ahora cuenta con el doble de potencia. ¿Por qué cree usted que está convencido de ese aumento de potencia? zado por la fuerza de 40 N? ¿Qué trabajo realiza el resorte? ¿Cuál es el trabajo resultante? Resp. 2.40 J, -2 .4 0 J, 0 J 8.10. Una fuerza horizontal de 20 N arrastra un pequeño trineo 42 metros sobre el hielo a velocidad rápida. Halle el trabajo realizado por las fuerzas de tracción y de fricción. ¿Cuál es la fuerza resultante? 8.11. Un bloque de 10 kg es arrastrado 20 m por una fuer za paralela de 26 N. Si /xk = 0.2, ¿cuál es el trabajo resultante y qué aceleración se produce? Resp. 128 J, 0.640 m /s2 8.12. Una cuerda que forma un ángulo de 35° con la ho rizontal arrastra una caja de herramientas de 10 kg sobre una distancia horizontal de 20 m. La tensión en la cuerda es de 60 N y la fuerza de fricción cons tante es de 30 N. ¿Qué trabajo realizan la cuerda y la fricción? ¿Cuál es el trabajo resultante? 8.13. En el ejemplo descrito en el problema 8.12, ¿cuál es el coeficiente de fricción entre la caja de herramien tas y el piso? Resp. 0.472 *8.14. Un trineo de 40 kg es arrastrado horizontalmente una distancia de 500 m ( /xt = 0.2). Si el trabajo resultante es de 50 kJ, ¿cuál fue la fuerza de tracción paralela? *8.15. Suponga que m = 8 kg en la figura 8.11 y ¡xk = 0. ¿Qué trabajo mínimo tendrá que realizar la fuerza P para llegar a la parte más alta del plano inclinado? ¿Qué trabajo se requiere para levantar verticalmente el bloque de 8 kg hasta la misma altura? Resp. 941 J, 941 J *8.16. ¿Cuál es el trabajo mínimo que debe realizar la fuer za P para mover el bloque de 8kg hasta la parte más Figura 8.11 174 Capítulo 8 Resumen y repaso
- 195. alta del plano inclinado si fik = 0.4? Compare este resultado con el trabajo necesario para levantar el bloque verticalmente hasta la misma altura. *8.17. ¿Cuál es el trabajo resultante cuando el bloque de 8 kg se desliza desde la parte más alta hasta la más baja del plano inclinado de la figura 8.11? Suponga que ¡ik = 0.4. Resp. 492 J Sección 8.4 Trabajo y energía cinética 8.18. ¿Cuál es la energía cinética de una bala de 6 g en el instante en que su rapidez es de 190 m/s? ¿Cuál es la energía cinética de un automóvil de 1200 kg que viaja a 80 km/h? 8.19. ¿Cuál es la energía cinética de un automóvil de 2 400 Ib cuando circula a una rapidez de 55 mi/h? ¿Cuál es la energía cinética de una pelota de 9 Ib cuando su ra pidez es de 40 ft/s? Resp. 244 000 ft Ib; 225 ft Ib 8.20. ¿Cuál es el cambio en la energía cinética cuando una pelota de 50 g golpea el pavimento a una velo cidad de 16 m/s y rebota a la velocidad de 10 m/s? 8.21. Una carreta de 400 kg entra sin control en un campo de maíz a una velocidad de 12 m/s y finalmente se detiene. ¿Cuál fue la magnitud del trabajo realizado por esa carreta? Resp. — 28.8 kJ 8.22. Un automóvil de 2400 Ib aumenta su rapidez de 30 mi/h a 60mi/h. ¿Quétrabajoresultante serequirió para lograrlo? ¿Cuál es el trabajo equivalente en joules? 8.23. Un martillo de 0.6 kg se mueve a 30 m/s justo an tes de golpear la cabeza de una alcayata. Calcule la energía cinética inicial. ¿Qué trabajo realizó la cabeza del martillo? Resp. 270 J, — 270 J 8.24. Un martillo de 12 Ib que se mueve a 80 ft/s golpea la cabeza de un clavo y lo hunde en la pared hasta una profundidad de 4 in. ¿Cuál fue la fuerza media de detención? 8.25. ¿Qué fuerza media se necesita para incrementar la velocidad de un objeto de 2 kg de 5 m/s a 12 m/s en una distancia de 8 m? . Resp. 14.9 N *8.26. Compruebe la respuesta del problema 8.25 aplican do la segunda ley de Newton del movimiento. *8.27. Un proyectil de 20 g choca contra un banco de fan go (véase la figura 8.12) y penetra 6 cm antes de 80 m/s 6 cm detenerse. Calcule la fuerza de detención F si la ve locidad de entrada es de 80 m/s. Resp. —1070 N *8.28. Un automóvil de 1500 kg transita a 60 km/h por una carretera nivelada. ¿Qué trabajo se requiere para frenarlo? Si ¡ik = 0.7, ¿cuál es la distancia de frenado? Sección 8.5 Energía potencial 8.29. Un bloque de 2 kg reposa sobre una mesa a 80 cm del piso. Calcule la energía potencial del bloque en relación con: (a) el piso, (b) el asiento de una silla que está a 40 cm del piso y (c) el techo, a 3 m del piso. Resp. 15.7 J, 7.84 J, — 43.1 J 8.30. Un ladrillo de 1.2kg está suspendido a 2 m de distan cia arriba de un pozo de inspección y luego se le deja caer. El fondo del pozo está 3 m por debajo del nivel de la calle. Con respecto a la calle, ¿cuál es la ener gía potencial del ladrillo en cada uno de esos lugares? ¿Cuál es el cambio en términos de energía potencial? 8.31. En cierto instante, un proyectil de mortero desarro lla una velocidad de 60 m/s. Si su energía potencial en ese punto es igual a la mitad de su energía cinéti ca, ¿cuál es su altura sobre el nivel del suelo? Resp. 91.8 m *8.32. Un trineo de 20 kg es empujado en una pendiente de 34° hasta una altura vertical de 140 m. Una fuerza de fricción constante de 50 N actúa durante toda esa distancia. ¿Qué trabajo externo se requirió? ¿Cuál fue el cambio en la energía potencial? *8.33. Se requiere una fuerza media de 600 N para com primir un resorte una distancia de 4 cm. ¿Cuál es el valor del trabajo realizado por el resorte? ¿Cuál es el cambio en la energía potencial del resorte com primido? Resp. — 24 J, +24 J Sección 8.6 Conservación de la energía 8.34. Una pesa de 18 kg se levanta hasta una altura de 12 m y después se suelta en caída libre. ¿Cuáles son la energía potencial, la energía cinética y la energía total en: (a) el punto más alto, (b) 3 m sobre el nivel del suelo y (c) en el suelo? 8.35. Un martillo de 4 kg se levanta a una altura de 10 m y se deja caer. ¿Cuáles son las energías potencial y cinética del martillo cuando ha caído a un punto ubicado a 4 m del nivel del suelo? Resp.157 J, 235 J 8.36. ¿Cuál será la velocidad del martillo del problema 8.35 justo antes de golpear el suelo? ¿Cuál es la ve locidad en el punto ubicado a 4 m? 8.37. ¿Qué velocidad inicial debe impartirse a una masa de 5 kg para elevarla a una altura de 10 m? ¿Cuál es la energía total en cualquiera de los puntos de su trayectoria? Resp. 14 m/s, 490 J Capítulo 8 Resumen y repaso 175
- 196. 8.38. 8.39. Un péndulo simple de 1 m de longitud tiene en su extremo una pesa de 8 kg. ¿Cuánto trabajo se re quiere para mover el péndulo desde su punto más bajo hasta una posición horizontal? A partir de con sideraciones de energía, halle la velocidad de la pesa cuando pasa por el punto más bajo en su oscilación. En la figura 8.13 se ilustra un péndulo balístico. Una pelota de 40 g es golpeada por una masa suspendida de 500 g. Después del impacto, las dos masas se elevan una distancia vertical de 45 mm. Calcule la velocidad de las masas combinadas inmediatamente después del impacto. Resp. 93.9 cm/s *8.40. Un trineo de 100 Ib se desliza a partir del reposo en la parte más alta de un plano inclinado a 37°. La altura original es de 80 ft. En ausencia de fricción, ¿cuál es la velocidad del trineo cuando llega al pun to más bajo del plano inclinado? *8.41. En la figura 8.14, un carrito de 8 kg tiene una ve locidad inicial de 7 m/s en su descenso. Desprecie la fricción y calcule la velocidad cuando el bloque llega al punto i?. Resp. 21.0 m/s *8.42. *8.43. ¿Cuál es la velocidad del bloque de 8 kg en el punto C en el problema 8.41? Una muchacha que pesa 80 Ib está sentada en un columpio cuyo peso es insignificante. Si se le im parte una velocidad inicial de 20 ft/s, ¿a qué altura se elevará? Resp. 6.25 ft Sección 8.7 Energía y fuerzas de fricción 8.44. Un trineo de 60 kg se desliza desde el reposo hasta el fondo de una pendiente de 30 m de longitud y 25° de inclinación. Una fuerza de fricción de 100 N actúa en toda esa distancia. ¿Cuál es la energía to tal en la cumbre y al pie de la pendiente? ¿Cuál es la velocidad que alcanza el trineo en el punto más bajo? 8.45. Un bloque de 500 g se suelta desde la parte más alta de un plano inclinado a 30° y se desliza 160 cm has ta llegar al punto más bajo. Una fuerza de fricción constante de 0.9 N actúa durante toda esa distancia. ¿Cuál es la energía total en el punto más alto? ¿Qué trabajo ha realizado la fricción? ¿Cuál es la veloci dad en el punto más bajo? Resp. 3.92 J, —1.44 J, 3.15 m/s 8.46. ¿Qué velocidad inicial debe impartirse al bloque de 500 g del problema 8.45 para que apenas logre lle gar al punto más alto de la misma pendiente? 8.47. Un carro de 64 Ib empieza a subir por un plano in clinado a 37° con una velocidad inicial de 60 ft/s. Si queda inmóvil después de haberse desplazado una distancia de 70 ft, ¿cuánta energía se perdió a causa de la fricción? Resp. 906 ft-Ib *8.48. Una pelota de 0.4 kg cae una distancia vertical de 40 m y rebota a una altura de 16 m. ¿Cuánta energía se perdió en el choque contra el suelo? *8.49. A un trineo de 4 kg se le imparte una velocidad ini cial de 10 m/s en la cumbre de una pendiente de 34°. Si [ik = 0.2, ¿qué distancia habrá recorrido el trineo cuando su velocidad alcance los 30 m/s? Resp. 104 m *8.50. Suponga que la masa del carrito de la figura 8.14 es de 6 kg y que se pierden 300 J de energía en el tra bajo realizado para contrarrestar la fricción. ¿Cuál es la velocidad cuando la masa llega al punto C? *8.51. El conductor de un autobús aplica los frenos para evitar un accidente. Al hacerlo, los neumáticos de jan una marca de 80 ft de largo sobre el suelo. Si fAk= 0.7, ¿con qué rapidez circulaba el vehículo an tes que el conductor frenara? Resp. 59.9 ft/s Sección 8.8 Potencia 8.52. La correa transportadora de una estación automática levanta 500 toneladas de mineral a una altura de 90 ft en 1h. ¿Qué potencia media se requiere para esto, en caballos de fuerza? 8.53. Una masa de 40 kg se eleva a una distancia de 20 m en un lapso de 3 s. ¿Qué potencia media se utiliza? Resp. 2.61 kW 8.54. Un ascensor de 300 kg es elevado una distancia ver tical de 100 m en 2 min. ¿Cuál es la potencia em pleada? 176 Capítulo 8 Resumen y repaso
- 197. 8.55. 8.56. 8.57. Un motor de 90 kW se utiliza para elevar una carga de 1200 kg. ¿Cuál es la velocidad media durante el ascenso? Resp. 7.65 m/s ¿A qué altura puede un motor de 400 W subir una masa de 100 kg en 3 s? Un estudiante de 800 N sube corriendo un tramo de escaleras y asciende 6 m en 8 s. ¿Cuál es la potencia media que ha desarrollado? Resp. 600 W Problemas adicionales 8.59. Un trabajador saca de un pozo un cubo de 20 kg a rapidez constante y realiza un trabajo de 8kJ. ¿Cuál es la profundidad del pozo? Resp. 40.8 m 8.60. Una fuerza horizontal de 200 N empuja horizontal mente una caja de 800 N una distancia de 6 m a velocidad constante. ¿Qué trabajo ha realizado esa fuerza de 200 N? ¿Cuál es el trabajo resultante? *8.61. Una masa de 10 kg es izada a una altura de 20 m y luego se suelta. ¿Cuál es la energía total del sistema? ¿Cuál es la velocidad de la masa cuando se encuentra a5m del suelo? Resp. 1960 J, 17.1 m/s 8.62. Una caja se levanta a rapidez constante de 5 m/s por un motor cuya potencia de salida es de 4 kW. ¿Cuál es la masa de la caja? 8.63. Una montaña rusa alcanza una altura máxima de 100 ft. ¿Cuál es la rapidez máxima en millas por hora cuando llega a su punto más bajo? Resp. 54.4 mi/h 8.64. Una fuerza de 20 N arrastra un bloque de 8 kg hasta una distancia horizontal de 40 m mediante una cuer da que forma un ángulo de 37° con la horizontal. Suponga que ¡j, = 0.2 y que el tiempo requerido es de 1min. ¿Qué trabajo resultante se ha realizado? 8.65. ¿Cuál es la velocidad del bloque del problema 8.64 al final del recorrido? ¿Qué potencia resultante se requirió? Resp. 5.20 m/s, 1.80 W 8.66. Un esquiador de 70 kg desciende por una pendiente de 30 m que forma un ángulo de 28° con la horizon tal. Suponga que ¡xk= 0.2. ¿Cuál es la velocidad del esquiador cuando llega al pie de la pendiente? *8.67. Una pulga de 0.3 mg puede saltar a una altura de 3 cm, aproximadamente. ¿Cuál debe ser su rapidez cuando empieza el salto? ¿Es necesario conocer la masa de la pulga? Resp. 76.7 cm/s; no *8.68. Una montaña rusa llega hasta su punto más bajo y apenas tiene fuerza para alcanzar la siguiente cues ta, 15 m más arriba. ¿Cuál es la rapidez mínima en el punto más bajo de su recorrido? 8.69 *8.70. El martillo de un martinete para hincar pilotes pesa 800 Ib y cae una distancia de 16 ft antes de golpear el pilote. El impacto hinca este último 6 in dentro del suelo. ¿Cuál fue la fuerza media para hincar el pilote? Resp. -25 600 Ib Suponga que el agua en la parte superior de la cas cada mostrada en la figura 8.15 se lleva a una tur bina ubicada en la base de la caída, a una distancia vertical de 94 m (308 ft). Digamos que 20% de la energía disponible se pierde debido a la fricción y a otras fuerzas de resistencia. Si entran en la turbina 3000 kg de agua por minuto, ¿cuál es su potencia de salida? Figura 8.15 Lower Falls en el parque nacional de Yellowstone (Fo tografía de Paul E. Tippens.) Capítulo 8 Resumen y repaso 177
- 198. Preguntas para S a reflexión crítica *8.71. Una tabla colocada como rampa se utiliza para des cargar cajas de clavos de la parte posterior de un camión. La altura de la plataforma del camión es 60 cm y la tabla tiene 1.2 m de longitud. Suponga que fi = 0.4 y a las cajas se les imparte un empujón inicial para que empiecen a descender. ¿Cuál es su rapidez cuando llegan al suelo? ¿Qué rapidez inicial debería tener al llegar al suelo para subir de nuevo deslizándose hasta la plataforma del camión? Si no existiera fricción, ¿estas dos preguntas tendrían la misma respuesta? Resp. 1.90 m/s, 4.46 m/s, sí *8.72. Una caja fuerte de 96 Ib es empujada para que suba una distancia de 12 ft por un plano inclinado a 30° con fricción insignificante. ¿Cuál es el incremento de la energía potencial? ¿Se produciría el mismo cambio de energía potencial si una fuerza de fric ción de 10 Ib se opusiera al movimiento ascendente por el plano? ¿Por qué? ¿Se requeriría el mismo tra bajo? *8.73. Una pelota de 2 kg está suspendida de un cable de 3 m unido a la pared por medio de una alcayata. Se tira de la pelota, de modo que el cable forma un ángulo de 70° con la pared, y luego la soltamos. Si durante la colisión con la pared se pierden 10 J de energía, ¿cuál es el ángulo máximo entre el cable y la pared después del primer rebote? Resp. 59.2° *8.74. Una pelota de 3 kg se deja caer desde una altura de 12 m y alcanza una velocidad de 10 m/s justo antes de llegar al suelo. ¿Cuál es la fuerza media retardataria ocasionada por la presencia del aire? Si la pelota rebota sobre el suelo con una rapidez de 8 m/s, ¿cuánta energía habrá perdido en el impacto? ¿A qué altura rebotará la pelota si la resistencia pro medio del aire es la misma que en el caso anterior? *8.75. Considere una montaña rusa donde la primera cues ta tiene una altura de 34 m. Si en la montaña rusa se pierde sólo 8% de la energía entre las dos primeras cuestas, ¿cuál es la máxima altura posible para la segunda cuesta? Resp. 31.3 m *8.76. Un bloque de 4 kg se comprime contra un resorte en la parte inferior del plano inclinado que se muestra en la figura 8.16. Se requirió una fuerza de 4000 N para comprimir el resorte hasta una distancia de 6 cm. Si el resorte se suelta y el coeficiente de fricción es de 0.4, ¿hasta qué altura del plano inclinado se moverá el bloque? 178 Capítulo 8 Resumen y repaso
- 199. Impulso y cantidad de movimiento El astronauta Edward H. White II, piloto del vuelo espacial Gemini-litan 4, flota en el espacio con gravedad cero. White está unido a la nave espacial por medio de un cable umbilical de 25 ft y un cable sujetador de 23 ft, los dos recubiertos de chapa de oro para formar una cuerda. A su derecha, White lleva una unidad de mano de maniobra automática (HHSMU, por sus siglas en inglés). Al disparar-la pistola de gas se transfiere la cantidad de movimiento al astronauta. (Foto de la NASA.) Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Definirá y dará ejemplos de impulso y cantidad de m ovim iento como cantida des vectoriales. 2. Escribirá y aplicará la relación entre impulso y el cambio en la cantidad de m ovim iento resultante. 3. Enunciará la ley de la conservación de la cantidad de movimiento y la aplicará a la resolución de problemas físicos. 4. Definirá y calculará el coeficiente de restitución para dos superficies. 179
- 200. 180 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento 5. Distinguirá la diferencia entre choque elástico e ¡nelástico, por medio de ejem plos y definiciones. 6. Predecirá las velocidades de dos cuerpos que chocan, después del impacto, cuando se conocen el coeficiente de restitución, las masas y las velocidades iniciales. La energía y el trabajo son cantidades escalares que no informan absolutamente nada respecto de la dirección. La ley de la conservación de la energía describe tan sólo la relación entre los estados iniciales y finales; no dice nada acerca de cómo están distribuidas las energías. Por ejemplo, cuando chocan dos objetos, podemos decir que la energía total antes de la colisión debe ser igual a la energía después de la misma, si no tomamos en cuenta la fricción y otras pérdidas de calor. Sin embargo, necesitaremos un nuevo concepto si vamos a determinar cómo se reparte la energía total entre los objetos, o incluso sus direcciones relativas después del impacto. Los conceptos de impulso y cantidad de movimiento, que se presentan en este capítulo, añaden una descripción vectorial a nuestro estudio de la energía y el movimiento. Impulso y cantidad de movimiento Cuando se golpea una pelota de golf en el campo de juego, como se observa en la figura 9.1, una gran fuerza media F actúa sobre la pelota durante un corto espacio de tiempo Ai, ha ciendo que ésta se acelere desde el reposo hasta una velocidad final v . Es sumamente difícil medir tanto la fuerza como la duración de su acción; pero el producto de ambas F A i puede calcularse en función del cambio de velocidad resultante de la pelota de golf. A partir de la segunda ley de Newton, sabemos que T 7 V/ “ V ° í = m a = m — ;------ A t F Ar = m(f - v0) F Ar = mvf — mv0 (9.1) Al multiplicar por A i se obtiene o bien. Esta ecuación es muy útil para resolver problemas relacionados con choques, a los que se han asignado nombres especiales a sus términos. El impulso F At es una cantidad vectorial de igual magnitud que el producto de la fuerza por el intervalo de tiem po en el que actúa. Su dirección es la misma que la de la fuerza. Figura 9.1 Cuando el palo de golf golpea la pelota, una fuerza F que actúa durante un espacio de tiempo provoca un cambio en la cantidad de movimiento de la pelota.
- 201. 9.1 Impulso y cantidad de movimiento 181 La cantidad de m ovim iento p de una partícula es una cantidad vectorial de igual magnitud que el producto de su masa m por su velocidad v. p = m Por tanto, la ecuación (9.1) puede enunciarse verbalmente así: Impulso (F Ai) = cambio de la cantidad de movimiento (mvf —m Q ) La unidad del SI del impulso es el newton-segundo (N • s). La unidad de la cantidad de movimiento es el kilográmetro por segundo (kg • m/s). Resulta conveniente distinguir entre estas unidades, aun cuando en realidad sean iguales: kg • m N • s = ----^ — X s = ka • m/s s~ Las unidades correspondientes en el SUEU son la libra-segundo (Ib ■s) y el slug-pie por segundo (slug •ft/s). La cabeza de un mazo de 3 kg se mueve a una velocidad de 14 m/s en el momento que gol pea un perno de acero. Se detiene a los 0.02 s. Determine la fuerza media sobre el perno. Plan: Primero, determinaremos el impulso F At, que es igual al cambio en la cantidad de movimiento m para el mazo. Después calcularemos el tiempo al dividir la fuerza media entre el impulso. Dado que tanto la cantidad de movimiento como el impulso son cantida des vectoriales, debemos ser cuidadosos con los signos. Solución: Considere que la dirección hacia arriba es positiva y que la cabeza inicialmente se mueve hacia abajo. Esto significa que vQ= —14 m/s, vf = 0, m = 3 kg y Ai = 0.02 s. F Ai = mvj — mv0 = 0 —(3 kg)(—14 m/s) = +42.0 N • m Al dividir el impulso entre 0.02 obtenemos 42 N • m F Af = 42 N •m o F = ----------- = 2100N 0.02 s La fuerza media que actúa sobre el perno cuando el mazo se detiene es 2100 N con direc ción hacia arriba (+). La fuerza de reacción ejercida sobre el mazo es igual en magnitud, pero opuesta en dirección. Hay que destacar que las fuerzas determinadas en esta forma son fuerzas medias. Al principio del contacto con el perno, la fuerza cuando el mazo se detiene será mucho mayor que 2100 N. ' ( I M M R S K 7 ! ) » w m s M K T IVHSB S Una pelota de béisbol de 0.15 kg que se mueve hacia el bateador a una velocidad de 30 m/s es golpeada con un bat, lo cual causa que se mueva en dirección contraria a una velocidad de 42 m/s. (Use como referencia la figura 9.2.) Determine el impulso y la fuerza media ejercida sobre la pelota si el bat está en contacto con la pelota durante 0.002 s. Plan: Trace un esquema como el que se muestra en la figura 9.2. Observe que se indican las direcciones y los signos de la velocidad. Reconocemos que el impulso impartido a la pelota debe ser igual al cambio en la cantidad de movimiento de la pelota, y los signos da dos para la velocidad antes y después de que el bat golpea la pelota deben concordar. Solución: Al considerar la dirección hacia la derecha como positiva y organizar los datos, tenemos Dados: m = 0.15 kg, vfl = —30m/s, Calcule: F At y At vf = +42m/s, At = 0.002 s
- 202. 182 (a) Antes del impacto (b) Impulso Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento (c) Después del impacto vf = +42 m/s Figura 9.2 El impulso F At es igual al cambio en la cantidad de movimiento. Al sustituir en la ecuación (9.1) primero encontramos el valor del impulso. F Ai = mvf — mv0 = (0.15 kg)(42 m/s) - (0.15 kg)(— 30 m/s) = 6.30 kg • m/s + 4.50 kg m/s = 10.8 kg • m/s La velocidad cambia de — 30 m/s a +42 m/s, un cambio total de +72 m/s. Es fácil darse cuenta de que el uso incorrecto de los signos puede conducir a un error importante. A continuación se nos pide que hallemos la fuerza media ejercida por el bat mientras está en contacto con la pelota durante 0.002 s. Al resolver para F obtenemos F At = 10.8 kg • m/s 10.8 ka • m/s F = ---------------- = 5400 N 0.002 s Lina vez más, debemos reconocer que ésta es la fuerza media en la pelota. Ley de la conservación de la cantidad de movimiento Consideremos una colisión de frente entre las masas m y m , como se muestra en la figura 9.3. Suponga que las superficies están libres de fricción. Indicamos sus velocidades antes del impacto como u, y u , y después del impacto como v, y v2. El impulso de la fuerza F que actúa sobre la masa de la derecha es F¡At —m v —m u En forma similar, el impulso de la fuerza F, sobre la masa de la izquierda es F1At = v — Durante el tiempo At, Fj = — F,, de modo que Fí Ai = —F, At o bien, mív¡ - mlul = — (m2v2 - m¿if) y, finalmente, reagrupando los términos, m.u. + m2u2 = mlv¡ + m,v, (9.2) Cantidad de movimiento total antes del impacto = Cantidad de movimiento total después del impacto
- 203. 9.2 Ley de la conservación de la cantidad de movimiento 183 (a) Figura 9.3 (a) Antes del impacto: mlu¡ + m2u2; (b) durante el impacto Ft t = —F2At (c) después del impacto m(v + m2v2. Por tanto, hemos deducido un enunciado de la ley de la conservación de la cantidad de movimiento: La cantidad de m ovim iento total de los cuerpos que chocan es igual antes y después del impacto. Supongamos que una masa ml de 8 kg que se mueve a la derecha a 4 m/s choca con una masa m, de 6 kg que se mueve a la izquierda a 5 m/s. ¿Cuál es la cantidad de movimiento total antes y después del impacto? Plan: Trazaremos un esquema para este problema similar al mostrado en la figura 9.3. Después, elegiremos la dirección a la derecha como positiva, organizaremos los datos y sumaremos la cantidad de movimiento de las dos masas antes del impacto. Finalmente, suponiendo que la cantidad de movimiento se conserva, daremos el mismo valor para la cantidad de movimiento final. Solución: Tomamos el movimiento hacia la derecha como positivo y organizamos los datos. Dados: m, = 8 kg, ux = +4 m/s Encuentre: p0 = ? m2 = 6 kg, u2 = — 5 m/s pf = ? Ahora bien, la cantidad de movimiento total antes del impacto es p0 = mUx + m2u2 = (8 kg)(4 m/s) + (6 kg)(— 5 m/s) = 32 kg • m/s —30 kg • m/s = +2 kg • m/s Finalmente, conservación de la cantidad de movimiento significa que el mismo valor se aplica a la cantidad de movimiento total después del impacto. Si la velocidad de cualquier masa después del impacto puede determinarse, la otra ve locidad también puede obtenerse a partir del principio de conservación de la cantidad de movimiento.
- 204. 184 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento 1 fjr ca^°n ^^00 kg montado sobre ruedas dispara una bala de 60 kg en dirección hori zontal con una velocidad de 50 m/s, como se muestra en la figura 9.4. Suponiendo que el cañón se pueda mover libremente, ¿cuál será su velocidad de retroceso? Plan: Trace y marque un esquema como el de la figura 9.4, marcando como positiva la dirección a la derecha. Después organice los datos y haga la sustitución en la ecuación de la conservación para resolver para la velocidad de retroceso del cañón. Es útil elegir un subíndice para cada masa que identifica, como m o mbpara la bala del cañón. Por ejemplo, podemos representar la cantidad de movimiento para el cañónantes de lacolisión como m uc. Dado que la velocidad de retroceso debe ser a la izquierda y la masa del cañón es mucho más grande que la del proyectil, nos aseguramos de que nuestra respuesta sea consistente. Solución: Recuerde que la derecha es positiva y la u se aplica antes y la v se aplica des pués de la colisión. Dados: mc = 1400kg, uc = 0 m/s Encuentre: vc = ? mb = 60 kg, ub = 0 m/s vb = 50 m/s La sustitución en la ecuación de la conservación da mcuc + mhub = mcvc + mbvb 0 + 0 = mcvc + mbvb Al resolver para la velocidad del cañón después de la colisión, tenemos ~m bvb mcvc = ~m bvb o -(60 kg)(50 m/s) v„ = mr = — 2.14 m/s 1400 kg El signo y la magnitud de la velocidad de retroceso es razonable para la información dada. Figura 9.4 Cálculo de la velocidad de retroceso de un cañón. Puede realizarse un experimento interesante que demuestra la conservación de la canti dad de movimiento utilizando ocho balines pequeños y una pista acanalada, como se muestra en la figura 9.5. Si se suelta un balín desde el lado izquierdo, se detendrá al chocar con los demás, y el que está en el extremo derecho rodará hacia la derecha con la misma velocidad. En forma similar, cuando dos, tres, cuatro o cinco balines se sueltan desde la izquierda, el mismo número de ellos rodará hacia la derecha con la misma velocidad, mientras que los otros permanecerán en reposo en el centro. Es razonable preguntar por qué dos balines salen rodando en la figura 9.5, en lugar de que salga uno solo con el doble de velocidad, puesto que de este modo también se conservaría la cantidad de energía. Por ejemplo, si cada balín tiene una masa de 50 g, y si dos balines salen del lado izquierdo a una velocidad de 20 cm/s, la cantidad de movimiento total antes del impacto será 2000 g •cm/s. Una cantidad de movimiento igual se puede alcanzar después del impacto si
- 205. 9.3 Choques elásticos e inelásticos 185 Debido a su cantidad de movimiento, un buque superpetrolero con carga completa que navega a 16 nudos tardará 20 minutos en detenerse. Si un objeto inmóvil apareciera a tres millas náuticas de distancia, habría un choque. Figura 9.5 Conservación de la cantidad de movimiento. sólo rueda un balín de la izquierda, suponiendo que lo haga a una velocidad de 40 cm/s. La explicación se basa en el hecho de que la energía debe conservarse. Si un balín saliera disparado con el doble de velocidad, su energía cinética sería mucho mayor que la disponible a partir de los otros dos de la izquierda. La energía cinética que entraría entonces al sistema sería Eq = ^m v2 = ^ (0.1 kg)(0.2 m/s)2 = 2 X 10 3J La energía cinética de un balín que viaja a 40 cm/s es exactamente del doble de este valor. Ef = ^mv2 = — (0.05 kg)(0.4 m/s)2 = 4 X 10 3J Por tanto, la energía, al igual que la cantidad de movimiento, es importante en la descripción del fenómeno de choque. Choques elásticos e inelásticos A partir del experimento descrito en la sección 9.2, se puede suponer que la energía cinéti ca, al igual que la cantidad de movimiento, no cambia a causa de un choque o colisión. Sin embargo, esta suposición sólo es aproximadamente cierta para los cuerpos duros, como los balines y las bolas de billar; pero no resulta verdadera en el caso de los cuerpos blandos que rebotan con mucho mayor lentitud después de chocar. Durante el impacto, todos los cuerpos se deforman ligeramente y así se liberan pequeñas cantidades de calor. El vigor con el que un cuerpo recobra su forma original, después de sufrir una deformación, es una medida de su elasticidad o capacidad de restitución. Si la energía cinética permanece constante en un choque (el caso ideal), se dice que el choque es completamente elástico. En este ejemplo no se pierde ningunaenergía en forma de calor o deformación en un choque. Una bola de acero templado quese deja caer sobreuna placa de mármol se aproxima a lo que sería un choque completamente elástico. Cuando los cuerpos que chocan se adhieren entre sí y se mueven como un solo cuerpo después del choque, se dice que el choque es completamente inelástico. Una bala que se incrusta en un bloque de madera es un ejemplode este tipo dechoque. La mayoría de los choques se encuentran entre estos dos extremos. En una colisión completamente elástica entre dos masas m1y m,, podemos decir que tanto la energía como la cantidad de movimiento se conservan. Por tanto, es posible aplicar dos ecuaciones: 1 , 1 - 1 , 1 , Energía: — m,iq H — m7u? = -~m,v, -I— m?v• > & 2 i i 2 2 2 2 2 Cantidad de movimiento: mlu] + m2u2 — mlv1+ m2v2 podemos simplificar y obtener m{(u —v2) = m2(y — u2) m{{ux — Vj) = m2(v2 - u2) Al dividir la primera ecuación entre la segunda nos queda 2 ? ? ? lt± V j V 2 U -2 u ~ V1 v 2 ~ u 2
- 206. 186 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento Factorizando los numeradores y efectuando la división obtenemos Ui + Vj = u2 + v2 o bien, Vi Vn lh U| = (¿íj ll2) ^ Por consiguiente, en el caso ideal de un choque completamente elástico, la velocidad relativa después del choque, - v„ es igual al valor negativo de la velocidad relativa antes del choque. Cuanto más parecidas sean estas cantidades, tanto más elástica será la colisión. La relación negativa de la velocidad relativa después del choque entre la velocidad relativa antes del choque se llama coeficiente de restitución. El coeficiente de restitución e es la razón o relación negativa de la velocidad relativa después del choque, entre la velocidad relativa antes del choque. vi - v2 e = ------------ U — u2 Al incorporar el signo menos en el numerador de esta ecuación, nos queda v2 ~ v, e = —------1 (9.4) «j —u2 Si el choque es completamente elástico, entonces e = 1. Si el choque es completamente inelástico, e = 0. En el caso del choque inelástico, los dos cuerpos salen despedidos con la misma velocidad, es decir, v2 = vv En general, el coeficiente de restitución tiene un valor entre 0 y 1. Un método sencillo para determinar el coeficiente de restitución aparece en la figura 9.6. Una esfera del material que se va a medir se deja caer sobre una placa fija, desde una altura hv El rebote se mide a una altura h2. En este caso, la masa de la placa es tan grande que v, es aproximadamente 0. Por lo tanto, V2 — V, Vj U l — u2 u.¡ La velocidad ul es simplemente la velocidad adquirida durante la caída desde la altura h , y se determina a partir de u] - ul = 2gh} Pero la velocidad inicial u = 0, por lo cual u = 2gh] o bien, «1 = V 2~ghx Figura 9.6
- 207. 9.3 Choques elásticos e inelásticos 187 Para que las pelotas deportivas cumplan con un estándar de uso aceptable, deben tener un alto coeficiente de restitución. El coeficiente de restitución se mide al dejar caer las pelotas desde ciertas alturas en una superficie dura. Des pués se mide la altura de rebote. Las pelotas que alcanzan una altura acep table se desechan. ¿Por qué el coeficiente debe ser menor que 1.00? Hemos considerado la dirección hacia abajo como positiva. Si la pelota rebota hasta una altura h , su velocidad de rebote vl debe ser - V 2gh2. (El signo menos indica el cambio de dirección.) Así pues, el coeficiente de restitución está dado por e — — - V 2gh2 V 2gh, o bien, e = h2 hx (9.5) El coeficiente resultante es una propiedad conjunta de la pelota y de la superficie sobre la cual rebota. En el caso de una superficie muy elástica, el valor de e es de 0.95 o mayor (acero o vi drio); mientras que para sustancias menos elásticas e puede ser muy pequeño. Es interesante observar que la altura de rebote es una función del vigor con que se restablece la deformación por el impacto. Contrariamente a la creencia popular, un balín de acero o una canica rebotan a mucho mayor altura que la mayoría de las pelotas de hule. Conservación de la cantidad de movimiento: Choques 1. Lea el problema y luego trace y marque un diagrama sencillo. Indique la dirección del movimiento para cada masa, trazando vectores en el diagrama. 2. Elija el eje x a lo largo de la línea de choque e indique la dirección positiva. Las velocidades se considerarán positivas o negativas de acuerdo con esta elección. 3. Escriba una lista de las masas y velocidades conocidas, teniendo cuidado de utilizar en forma apropiada el sig no y las unidades para cada velocidad. El uso de subín dices y letras adecuados le ayudará a seguir la pista de las diferentes masas y velocidades, antes y después del choque. 4. Escriba la ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento: w í j M j + m2 u2 = mxv¡ + m2v2 5. Sustituya en esa ecuación todas las cantidades conoci das y simplifique la expresión resultante. Cuando sus tituya las velocidades, es esencial que incluya el signo apropiado para cada una de ellas. 6. Si el choque es completamente inelástico, proceda a resolver la ecuación de la cantidad de movimiento para la cantidad desconocida. 7. Si la colisión es elástica, la conservación de la energía le ofrecerá una segunda ecuación independiente: v? V ] = e(ul — u2) donde e es el coeficiente de restitución. (Para choques perfectamente elásticos, e = 1.) Por último, resuelva esta ecuación simultáneamente con la ecuación de la cantidad de movimiento. Tenga cuidado de no con fundir los signos de sustitución con los signos de ope ración. W Una pelota de 2 kg que se desplaza hacia la izquierda con una rapidez de 24 m/s choca de frente con otra pelota de 4 kg que viaja hacia la derecha a 16 m/s. (a) Encuentre la veloci dad resultante si las dos pelotas se quedan pegadas después del choque, (b) Determine sus velocidades finales si el coeficiente de restitución es 0.80. Plan: Dibujaremos y marcaremos un esquema que indique la dirección a la derecha como positiva. Luego, después de listar la información dada, aplicaremos la ecuación de la con servación para una colisión completamente inelástica en la que la velocidad combinada después del choque puede determinarse directamente a partir de la conservación. Segundo, usaremos la definición del coeficiente de restitución para establecer otra relación entre las velocidades finales. Eso resolverá dos ecuaciones simultáneas para hallar las velocidades finales de cada masa.
- 208. 188 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento Solución (a):Primero organizamos los datos: Dados: m1 = 2 kg, ul = — 24 m/s, e = 0.8 Encuentre: V j = ? m2 — 4 kg, u2 = +16 m/s v2= ? Para el caso inelástico, e = 0 y la velocidad combinada después del choque es Vc = V! = V2 Por tanto, podemos escribir la ecuación (9.2) como sigue: mlul + m2u2 = mjV, + m2v2 = + m2)vc Dado que la dirección hacia la derecha se considera positiva, sustituyendo, obtenemos: (2 kg)(—24 m/s) + (4 kg)( 16 m/s) = (2 kg +4 kg)vc — 48 kg • m/s + 64 kg • m/s = (6 kg)vc . 16 kg ■m/s = (6 kg)vc de donde vc = 2.67 m/s El hecho de que esta velocidad también sea positiva indica que ambos cuerpos se mueven juntos hacia la derecha después del choque. Solución (b): En este caso e no es cero y las balas rebotan después del choque con dife rentes velocidades. Por tanto, necesitamos más información de la que es posible obtener de la ecuación de la cantidad de movimiento por sí sola. Tanto el valor e = 0.80 como la ecuación (9.4) nos ofrecen más información. v2 —v, e = 0.80 = —------1 Hy o bien, v2 —V j = (0.80)(w! —u2) Al sustituir los valores conocidos para u y uv obtenemos v2 —V j = (0.80)(— 24 m/s — 16 m/s) = (0.80)(— 40 m/s) o finalmente v2 —V ! = — 32 m/s Ahora podemos utilizar la ecuación de la cantidad de movimiento para obtener otra rela ción entre v2y vv lo cual nos permite resolver las dos ecuaciones simultáneamente. m]ul + m2u2 = MVl + m2v2 El lado izquierdo de esta ecuación ya fue resuelto en la parte (a) y es igual a 16 kg • m/s. Por tanto, sustituimos los valores de m, y m, en el lado derecho 16 kg • m/s = (2 kg)v, + (4 kg)v2 de donde 2v¡ + 4v 2 = 1 6 m/s o bien, v, + 2v-, = 8 m/s
- 209. 9.3 Choques elásticos e inelásticos 189 Así, tenemos dos ecuaciones: v2 — Vj = —32 m/s Vi + 2v2 = 8 m/s Resolviéndolas en forma simultánea, obtenemos V ! = 24 m/s v2 = —8 m/s Por tanto, vemos que las pelotas invierten sus direcciones: ml se mueve hacia la derecha a una velocidad de 24 m /s y m2 se mueve hacia la izquierda a una velocidad de 8 m/s. Una bala de 12 g se dispara hacia un bloque de madera de 2 kg suspendido de un cordel, como muestra la figura 9.7. El impacto de la bala hace que el bloque oscile hasta 10 cm más arriba de su nivel original. Calcule la velocidad de la bala cuando golpea el bloque. Plan: El problema necesita dividirse en dos partes: la conservación de la cantidad de movimiento durante el impacto y la conservación de energía durante la oscilación ha cia arriba del bloque y de la bala. La velocidad inicial para la oscilación hacia arriba es la misma que la velocidad final en el impacto. Por tanto, calcularemos la velocidad v , requerida para alcanzar la altura máxima y usaremos la conservación de la cantidad de movimiento para hallar la velocidad de entrada de la bala que se requiere para impartir esa velocidad a las masas combinadas. Solución: Usaremos los símbolos mbpara la masa de la bala y mwpara la masa del bloque de madera. La energía cinética de las masas combinadas debe ser igual a la energía poten cial en el punto más alto. Por tanto, ^(mb + m jv 2 c = (mb + m jgh Al dividir la masa combinada (mb + m j y simplificar, obtenemos vi = 2gh o vc = V 2gh Figura 9.7 Cálculo de la velocidad de entrada de una bala disparada hacia un bloque suspendido.
- 210. 190 Capítulo 9 Impulso y cantidad de movimiento de donde vc = V 2(9.8m /s2)(0.10m) = 1.40 m/s Ahora bien, podemos usar esto como la velocidad combinada final después del choque. La conservación de la cantidad de movimiento requiere que mbub + mw uw = (mb + mw )vc Sabemos que mb = 0.012 kg, mw= 2 kg, uw= 0 y v; = 1.40 m/s. Al sustituir estos valores tenemos (0.012 kg)Hj + 0 = (0.012 kg + 2 kg)(1.40 m/s) (0.012 kg)ub + 0 = 0.0168 kg • m/s + 2.8 kg • m/s (0.012 kg)ub = 2.82 kg • m/s lo que nos da una velocidad de entrada de la bala de ub = 235 m/s
- 211. Resumen En este capítulo hemos aprendido la relación entre impulso y cantidad de movimiento. Se presentaron problemas físicos relacionados con choques elásticos e inelásticos. Los princi pales conceptos se resumen a continuación: • El impulso es el producto de la fuerza media F y el inter valo de tiempo At durante el cual actúa esa fuerza. Impulso = F At Unidades del SI: N • s Unidades del SUEU: Ib • s • La cantidad de movimiento de una partícula es su masa multiplicada por su velocidad. Cantidad de movimiento p = mv Unidades del SI: kg • m/s Unidades del SUEU: slug • ft/s 8 El impulso es igual al cambio que se produce en la canti dad de movimiento: F At = mVf — mvQ Conservación de la cantidad de movimiento: La cantidad de movimiento total antes del impacto es igual a la can tidad de movimiento total después del impacto. (Véase la figura 9.3.) El coeficiente de restitución se determina a partir de las velocidades relativas antes y después del choque, o en función de la altura del rebote: Si el choque es completamente elástico, e = 1. Si el choque es completamente inelástico, e = 0. Nota: N • s = kg • m/s (unidades equivalentes) Conceptos clave cantidad de movimiento 180 coeficiente de restitución 186 conservación de la cantidad de movimiento 183 choque elástico 185 choque inelástico 185 elasticidad 185 impulso 180 Preguntas de repaso 9.1. Muestre la equivalencia entre las unidades de im pulso y las unidades de cantidad de movimiento en unidades del SUEU. 9.2. Comente el carácter vectorial del impulso y de la cantidad de movimiento. 9.3. ¿Cómo son, comparadas entre sí, la magnitud del impulso 1 Ib • s y la magnitud del impulso 1 N ■s? 9.4. Comente la conservación de la energía y de la can tidad de movimiento en el caso de (a) un choque elástico y (b) un choque inelástico. 9.5. Si no sostenemos con firmeza un rifle al dispararlo, tal parece que recibimos una reacción o “patada” más intensa que si mantenemos firmemente el arma contra el hombro. Explique este fenómeno. ¿Qué efecto produce el peso del arma en este caso? 9.6. Una granada para mortero explota en el aire. ¿Cómo se conserva en este caso la cantidad de movimiento? ¿Cómo se conserva la energía? 9.7. Suponga que usted golpea una pelota de tenis en el aire con una raqueta. La pelota golpea primero la cancha de concreto y después rebota sobre la barda, cayendo en el césped. ¿Cuántos impulsos intervinie ron en este caso y cuál de esos impulsos fue mayor? 9.8. Un hombre y su hija se encuentran frente a frente en un estanque congelado. Describa los movimien tos relativos y las velocidades de cada uno de ellos si la muchacha empuja a su padre hacia atrás. ¿Se rían esos valores diferentes si el padre empujara a la hija? 9.9. Dos carritos cuyas masas son ml y m2están atados por un cordón y se ha colocado entre ellos un re sorte comprimido. Cuando el cordón se quema con la llama de un fósforo, el resorte se libera e impri me un impulso idéntico a cada carrito. Compare la razón de sus desplazamientos con la razón de sus masas en algún instante posterior. 191
- 212. Problemas Sección 9.1 Impulso y cantidad de movimiento 9.1. Una llave de tuercas de 0.5 kg cae desde una altura de 10 m. ¿Cuál es su cantidad de movimiento inme diatamente antes de tocar el suelo? Resp. 7 kg • m /s, hacia abajo 9.2. Calcule la cantidad de movimiento y la energía ci nética de un automóvil de 2400 Ib que avanza hacia el norte a 55 mi/h. 9.3. Un camión de 2500 kg que viaja a 40 km/h golpea una pared de ladrillo y se detiene en 0.2 s. (a) ¿Cuál es el cambio en su cantidad de movimiento? (b) ¿Cuál es el impulso? (c) ¿Cuál es la fuerza media sobre la pared durante el choque? Resp. (a) 27750 kg • m /s o -2 .7 8 X 104kg ■m/s, (b) -27750 kg • m /s o -2 .7 8 X 104 N •s, (c) 138750 N o 1.39 X 105 N 9.4. ¿Cuál es la cantidad de movimiento de una bala de 3 g que se mueve a 600 m/s en una dirección 30° por encima de la horizontal? ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de esta cantidad de movimiento? 9.5. Una pelota de béisbol de 0.2 kg lanzada hacia la iz quierda a 20 m/s es impulsada en la dirección con traria a 35 m/s al ser golpeada por un bat. La fuerza media sobre la pelota es de 6 400 N. ¿Cuánto tiempo estuvo en contacto con el bat? Resp. 1.72 ms 9.6. Un bat ejerce una fuerza media de 248 Ib sobre una pelota de 0.6 Ib durante 0.01 s. La velocidad de lle gada de la pelota fue de 44 ft/s. Si ésta sale dispara da en la dirección opuesta, ¿cuál es su velocidad? *9.7. Una pelota de 500 g se desplaza de izquierda a dere cha a 20 m/s. Un bat impulsa la pelota en la direc ción opuesta a una velocidad de 36 m/s. El tiempo de contacto fue de 0.003 s. ¿Cuál fue la fuerza pro medio sobre la pelota? Resp. 9 333 N *9.8. Una pelota de caucho de 400 g se deja caer sobre el pavimento desde una distancia vertical de 12 m. Está en contacto con el pavimento durante 0.01 s y rebota hasta una altura de 10 m. ¿Cuál es el cam bio total registrado en su cantidad de movimiento? ¿Qué fuerza media actúa sobre la pelota? *9.9. Un taco de billar golpea la bola ocho con una fuerza media de 80 N durante un tiempo de 12 ms. Si la masa de la bola es 200 g, ¿cuál será su velocidad? Resp. 4.80 m /s 9.10. Un jugador de golf golpea una pelota de 46 g con una velocidad inicial de 50 m/s a 30°. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical de la cantidad de movimiento impartida a la pelota? *9.11. La superficie del palo de golf del problema 9.10 está en contacto con la pelota durante 1.5 ms. ¿Cuá- 192 Capítulo 9 Resumen y repaso les son las componentes horizontal y vertical de la fuerza media sobre la pelota? (Sugerencia: Calcule en forma independiente el impulso y la cantidad de movimiento horizontal y vertical.) Resp. F = 1 326.67 N, F = 766.67 N Sección 9.2 Conservación de la cantidad de movimiento 9.12. Una niña de 20 kg y un niño en patines están des cansando parados frente a frente. Se empujan entre ellos lo más fuerte que pueden y el niño se mueve a la izquierda con una velocidad de 2 m/s, mientras que la niña se mueve a la derecha con una velocidad de 3 m/s. ¿Cuál es la masa del niño? 9.13. La masa del camión de juguete de la figura 9.8 es del triple de la masa del cochecito, y están unidos en su parte trasera por una cuerda y un resorte compri mido. Cuando el resorte se rompe, el cochecito se mueve a la izquierda a 6 m/s. ¿Cuál es la velocidad impartida al camión de juguete? Resp. 2 m /s 3m Figura 9.8 Un cochecito y un camión de juguete unidos por una cuerda después de comprimirse contra un resorte. 9.14. Una persona de 70 kg, parada sobre una plataforma de hielo sin fricción arroja un balón de fútbol ame ricano hacia adelante con una velocidad de 12 m/s. Si la persona se mueve hacia atrás a una velocidad de 34 cm/s, ¿cuál es la masa del balón? 9.15. Un niño que pesa 20 kg está quieto en un carrito. Cuando el niño salta hacia adelante a 2 m/s, el ca rrito es lanzado hacia atrás a 12 m/s. ¿Cuál es la masa del carrito? Resp. 3.33 kg 9.16. Dos niños, cuyos pesos son de 80 Ib y 50 Ib, respecti vamente, están inmóviles sobre sus patines de ruedas. El mayor de ellos empuja al más pequeño y éste se aleja a 6 mi/h. ¿Cuál es la velocidad del niño mayor? 9.17. Cuando un cohete de 60 g estalla, un trozo de 45 g es lanzado a la izquierda y el otro a la derecha, con una velocidad de 40 m/s. ¿Cuál es la velocidad del trozode45g? R esp.-1 3 .3 m /s *9.18. Una bala de 24 g es disparada a una velocidad ini cial de 900 m/s con un rifle de 5 kg. Halle la veloci dad de retroceso del rifle. ¿Cuál es la razón entre la energía cinética de la bala y la del rifle? *9.19. Una bola de boliche de 6 kg choca directamente con tra un bolo de 1.8 kg. Éste se mueve hacia adelante
- 213. a 3 m/s y la pelota reduce su velocidad a 1.6 m/s. ¿Cuál era la velocidad inicial de la bola de boliche? Resp. 2.50 m /s *9.20. Un hombre que pesa 60 kg está de pie sobre un lago de hielo y atrapa una pelota de 2 kg. Tanto la pe lota como el hombre se mueven a 8 cm/s después que éste atrapa la pelota. ¿Cuál era la velocidad de la pelota antes de ser atrapada? ¿Cuánta energía se perdió en el proceso? *9.21. Una piedra de 200 g se mueve hacia el sur a 10 m/s y golpea un bloque de 3 kg que inicialmente estaba en reposo, (a) Si los dos se mantienen juntos des pués del choque, ¿cuál será su velocidad común? (b) ¿Qué cantidad de energía se perdió en el cho que? Resp. 62.5 cm/s, 9.38 J Sección 9.3 Choques elásticos e inelásticos 9.22. Un automóvil que circulaba a 8 m/s choca contra otro de la misma masa que estaba detenido frente a un semáforo. ¿Cuál es la velocidad de los autos chocados inmediatamente después de la colisión, suponiendo que ambos se mantengan juntos? 9.23 Un camión de 2000 kg que viaja a 10 m/s choca contra un automóvil de 1200 kg que inicialmen te estaba en reposo. ¿Cuál es la velocidad común después del choque si ambos se mantienen juntos? ¿Cuál es la pérdida en términos de energía cinética? Resp. 6.25 m /s, 37 500 J 9.24. Un niño de 30 kg está de pie sobre una superficie sin fricción. Su padre le arroja un balón de fútbol ameri cano de 0.8 kg con una velocidad de 15 m/s. ¿Qué ve locidad tendrá el niño después de atrapar el balón? 9.25. Un objeto de 20 g que se mueve hacia la izquierda a 8 m/s choca de frente con un objeto de 10 g que se desplaza hacia la derecha a 5 m/s. ¿Cuál es la velo cidad combinada de ambos después del impacto? Resp. 3.67 m /s hacia la izquierda *9.26. Dos bolas de metal A y B están suspendidas como se muestra en la figura 9.9, así que cada una toca a la otra. Las masas se indican en la figura. La bola A se jala hacia un lado hasta que queda a 12 cm sobre su posición inicial y luego se deja caer. Si golpea la bola B en una colisión completamente elástica, halle la altura h alcanzada por la bola B, suponiendo que la fricción sea cero. *9.27. Un bloque de barro de 2 kg está suspendido del te cho por una cuerda larga, como indica la figura 9.9. Una bola de acero de 500 g, lanzada horizontalmen te, se incrusta en el barro provocando que las dos masas suban a una altura de 20 cm. Halle la veloci dad a la cual se incrustó la bola. Resp. 9.90 m /s Figura 9.9 Colisión completamente elástica de dos bo las de metal suspendidas. Figura 9.10 *9.28. Del problema 9.27, suponga que la bola de 500 g atraviesa por completo el barro y sale del otro lado con una velocidad de 10 m/s. ¿Cuál debe ser la nue va velocidad de entrada si el bloque se eleva a la misma altura anterior de 20 cm? *9.29. Una bala de 9 g está incrustada en un péndulo ba lístico de 2.0 kg parecido al que se muestra en la figura 9.7. ¿Cuál fue la velocidad inicial de la bala si ambas masas combinadas se elevan hasta una altura de 9 cm? Resp. 296.47 m /s *9.30. Una bola de billar lanzada hacia la izquierda a 30 cm/s choca de frente con otra bola que se movía hacia la derecha a 20 cm/s. Las dos bolas tienen la misma masa. Si el choque es perfectamente elástico, ¿cuál será la velocidad de cada bola después del impacto? 9.31. El coeficiente de restitución del acero es 0.90. Si una bola de acero se deja caer desde una altura de 7 m, ¿hasta qué altura rebotará? Resp. 5.67 m *9.32. ¿Cuánto tiempo transcurre entre el primer contacto con la superficie hasta el segundo contacto con ella en el problema 9.31? *9.33. Una pelota que se deja caer desde una posición en reposo sobre una placa horizontal fija rebota hasta una altura igual al 81 por ciento de su altura original. ¿Cuál es el coeficiente de restitución? ¿Cuál debe Capítulo 9 Resumen y repaso 193
- 214. ser la velocidad en el primer impacto para que la pelota rebote a una altura de 8 m? Resp. 0.9, 13.9 m /s *9.34. Un bloque de 300 g que se mueve hacia el norte a 50 cm/s choca contra un bloque de 200 g que se desplaza hacia el sur a 100 cm/s. Si el choque fue completamente inelástico, ¿cuál es la velocidad co mún de los bloques en cuanto empiezan a desplazar se juntos? ¿Cuál es la pérdida de energía? *9.35. Suponga que el choque descrito en el problema 9.34 es perfectamente elástico. ¿Cuáles serán las veloci dades después del impacto? Resp. -8 0 cm/s, +70 cm/s *9.36. Un objeto de 5 kg y otro de 12 kg se aproximan entre sí a velocidades iguales de 25 m/s. ¿Cuáles serán sus velocidades después del impacto si el cho que es (a) completamente inelástico o (b) perfecta mente elástico? Problemas adicionales 9.37. Una fuerza promedio de 4000 N que actúa sobre un trozo de metal de 400 g que estaba en reposo, provoca que el trozo de metal se mueva del reposo a una velocidad de 30 m/s. ¿Cuál fue el tiempo de contacto en lo que se refiere a esta fuerza? Resp. 3.00 ms 9.38. Un objeto de 600 g cuya velocidad es inicialmente de 12 m/s choca contra una pared y rebota con la mitad de su energía cinética original. ¿Cuál fue el impulso que recibió de la pared? 9.39. Un bloque de 10 kg que descansa sobre una superfi cie horizontal es golpeado por un proyectil balístico de 20 g que se mueve a 200 m/s. La bala atraviesa totalmente el bloque y sale de él a una velocidad de 10 m/s. ¿Cuál es la velocidad del bloque? Resp. 38.0 cm /s 9.40. ¿Cuánta energía cinética se perdió en el problema 9.39? 9.41. Un cuerpo de 60 g que se mueve hacia la derecha con una velocidad inicial de 100 cm/s choca con un cuerpo de 150 g que se movía hacia la izquierda a 30 cm/s. El coeficiente de restitución es de 0.8. ¿Cuáles son las velocidades de ambos después del impacto? ¿Qué porcentaje de la energía se ha perdi do en el impacto? Resp. -67 .1 cm /s, +36.9 cm /s; 35.5% 9.42. El bloque de la figura 9.10 pesa 1.5 kg. ¿A qué al tura se elevará dicho bloque si es golpeado por un proyectil de 40 g que se incrusta en él con una velo cidad inicial de 80 m/s? Resp. 22.0 cm 9.43. Un vagón desenganchado de un ferrocarril se des plaza hacia el norte a 10 m/s y golpea dos vagones idénticos, enganchados entre sí, que inicialmente se movían hacia el sur a 2 m/s. Si los tres vagones que dan enganchados después de la colisión, ¿cuál será su velocidad común? Resp. 2.00 m /s, norte *9.44. Una partícula atómica cuya masa es 2.00 X 10-27kg se desplaza con una velocidad de 4.00 X 106m /s y choca de frente con una partícula de masa 1.20 X 10-2 7 kg que estaba en reposo. Si suponemos que el choque fue perfectamente elástico, ¿cuál es la velocidad de la partícula incidente después de dicho impacto? *9.45. Un bat golpea una pelota de 400 g que se movía ho rizontalmente hacia la izquierda a 20 m/s. La pelota sale despedida por el bat con una velocidad de 60 m/s, a un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. ¿Cuáles son las componentes horizontal y vertical del impulso impartido a la pelota? Resp. 28.8 N • s, 12 N • s *9.46. Si el bat del problema 9.45 estuvo en contacto con la pelota durante 5 ms, ¿cuál fue la magnitud de la fuerza media sobre la pelota? *9.47. El carrito A tiene una masa de 300 g y se mueve en una pista neumática sin fricción a 1.4 m/s cuando golpea al carrito B que estaba en reposo. El choque es perfec tamente elástico y la velocidad del carrito de 300 g se reduce a 0.620 m/s después del choque. ¿Cuál era la masa del otro carrito y cuál fue su velocidad después del choque? Resp. 116 g, 2.02 m /s *9.48. En la figura 9.11, una masa de 1 kg se desplaza con una velocidad de 15 m/s hacia una masa de 2 kg en reposo. No hay fricción en ninguna superficie. ¿Cuál será la velocidad común si se desplazanjuntas después del choque? ¿Cuál es la razón entre la energía cinética final y la energía cinética inicial del sistema? *9.49. Supongamos que el choque del problema 9.48 fue perfectamente elástico. Determine la velocidad de cada una de las masas después del choque. Resp. v., = - 5 m /s, v2=10 m /s 194 Capítulo 9 Resumen y repaso
- 215. *9.50. Una masa de 2 kg se mueve hacia la derecha a 2 m/s y choca con una masa de 6 kg que se mueve hacia la izquierda a 4 m/s. Si el choque es completamente inelástico, ¿cuál es la velocidad común de las dos masas después de chocar y cuánta energía se perdió en el impacto? *9.51. En el problema 9.50, suponga que el choque es per fectamente elástico. ¿Cuáles son las velocidades después del choque? Resp. —1 m /s, —7 m /s Preguntas para la reflexión crítica *9.52. Un astronauta que sale de una cápsula en órbita uti liza un revólver para controlar su movimiento. Con todo su equipo, el astronauta pesa 200 Ib en la Tie rra. Si el revólver dispara balas de 0.05 Ib a 2700 ft/s y el astronauta ha disparado 10 tiros, ¿cuál es la velocidad final de dicho astronauta? Compare la energía cinética final de las 10 balas con la del astro nauta. ¿Por qué es tan considerable la diferencia? Resp. -6 .7 5 ft/s, balas = 56 953 ft Ib, astronauta = 142.38 ft Ib *9.53. Al aplicar la conservación de la cantidad de movi miento para hallar la velocidad final de objetos en co lisión, ¿se podría usar el peso de los objetos en lugar de la masa de los mismos? ¿Por qué sí o por qué no? Compruebe usted su respuesta aplicándola a alguno de los ejemplos de este texto. *9.54. Una bala de 20 g que se mueve a 200 m/s golpea un bloque de madera de 10 kg, lo atraviesa por com pleto y sale del otro lado con una velocidad de 10 m/s. ¿Cuál era la velocidad del bloque después del impacto? ¿Cuánta energía se perdió? Resp. 0.380 m /s, 399.27 J *9.55. Una pelota de béisbol de 0.30 kg se mueve horizon talmente a 40 m/s cuando es golpeada por un bat. Si la pelota está en contacto con el bat durante un periodo de 5 ms y se separa de él a una velocidad de 60 m/s, en un ángulo de 30°, ¿cuáles son las compo nentes horizontal y vertical de la fuerza media que actúa sobre el bat? *9.56. Cuando dos masas chocan producen impulsos igua les, pero en direcciones opuestas. Las masas no cambian en el choque, por lo cual el cambio regis trado en la cantidad de movimiento de una de ellas debe ser igual al cambio registrado en la otra, pero con signo negativo. ¿Es válida esta afirmación in dependientemente de que el choque sea elástico o inelástico? Compruebe su respuesta con los datos de los problemas 9.50 y 9.51. *9.57. Dos coches de juguete con masas m y 3m se aproxi man uno al otro viajando los dos a 5 m/s. Si continúan moviéndose unidos, ¿cuál será su rapidez común des pués del impacto? ¿Cuáles serán las velocidades de los coches si el choque fue perfectamente elástico? *9.58. Una bala de 8 g es disparada en dirección horizontal contra dos bloques que descansan sobre una super ficie sin fricción. El primer bloque tiene una masa de 1 kg y la masa del segundo es de 2 kg. La bala atraviesa por completo el primer bloque y se alo ja dentro del segundo. Después de esos choques, el bloque de 1kg se mueve a una velocidad de 1 m/s y el bloque de 2 kg se mueve a 2 m/s. ¿Cuál es la ve locidad de la bala antes y después de salir del primer bloque? Resp. 627 m /s, 502 m /s *9.59. Una masa A de 1 kg está unida a un soporte por medio de una cuerda de 80 cm de longitud y está sostenida horizontalmente como indica la figura 9.12. Cuando esta masa se suelta, oscila hacia abajo y golpea la masa B de 2 kg, la cual está en repo so sobre una mesa sin fricción. Suponiendo que el choque haya sido perfectamente elástico, ¿cuál es la velocidad de cada una de las masas inmediatamente después del impacto? Figura 9.12 Capítulo 9 Resumen y repaso 195
- 216. Movimiento circular uniforme Los centrifugadores se emplean para eliminar las partículas sólidas de un líquido. Las partículas con más masa tienen mayor inercia y, por tanto, se mueven hacia afuera de los tubos hasta que la fuerza centrípeta necesaria las hace moverse en un círculo. (No hay fuerza hacia afuera sobre esas partículas.) En biología y bioquímica, los centrifugadores se usan para aislar y separar biocompuestos a partir de su peso molecular. El mismo principio se aplica en una escala mucho mayor cuando se utilizan centrifugadores gigantescos para probar las reacciones de los pilotos y astronautas frente a fuerzas superiores que las experimentadas en la gravedad de la Tierra. (Fotografía © vol. 29 PhotoDisc/Getty.) Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alum no: 1. Dem ostrará p or m edio de definiciones y ejem plos su com prensión de los con ceptos de aceleración y fuerza centrípetas. 2. Aplicará sus conocim ientos sobre fuerza y aceleración centrípetas para resol ver problem as similares a los que se presentan en este texto. 3. Definirá y aplicará los conceptos de frecuencia y p eriodo de rotación y los rela cionará con la rapidez lineal de un o bje to en el m ovim iento circular uniform e. 4. A pi icará sus conocim ientos sobre la fuerza centrípeta a problem as relaciona dos con los ángulos de inclinación, el péndulo cónico y el m ovim iento en un círculo vertical. 5. Enunciará y aplicará la ley de la gravitación universal. 1%
- 217. 10.2 Aceleración centrípeta 197 En los capítulos anteriores hemos considerado principalmente el movimiento rectilíneo. Ello basta para describir y aplicar la mayor parte de los conceptos técnicos. Sin embargo, en gene ral, los cuerpos de la naturaleza se mueven en trayectorias curvas. Los proyectiles de artillería se desplazan siguiendo trayectorias parabólicas debido a la influencia del campo gravitacio- nal terrestre. Los planetas giran alrededor del Sol en trayectorias casi circulares. En el nivel atómico, los electrones giran alrededor del núcleo de los átomos. En realidad, es difícil ima ginar un fenómeno físico que no suponga el movimiento al menos en dos dimensiones. Movimiento en una trayectoria circular La primera ley de Newton dice que todos los cuerpos que se mueven en línea recta con rapi dez constante mantendrán inalterada su velocidad a menos que actúe sobre ellos una fuerza externa. La velocidad de un cuerpo es una cantidad vectorial definida por su rapidez y su dirección. Igual que se requiere una fuerza resultante para cambiar su rapidez, hay que aplicar una fuerza resultante para cambiar su dirección. Siempre que esa fuerza actúa en una direc ción diferente de la dirección original del movimiento, ocasiona un cambio en la trayectoria de la partícula en movimiento. El movimiento más sencillo en dos dimensiones se produce cuando una fuerza externa constante actúa siempre formando ángulos rectos respecto a la trayectoria de la partícula en movimiento. En este caso, la fuerza resultante producirá una aceleración que sólo cambia la dirección del movimiento y mantiene la rapidez constante. Este tipo de movimiento sencillo se conoce como movimiento circular uniforme. El m ovim iento circular uniform e es un m ovim iento en el que la rapidez no cam bia, sólo hay un cam bio en la dirección. Un ejemplo del movimiento circular uniforme consiste en dar vueltas en una trayectoria cir cular a una piedra atada a un cordel, como se ilustra en la figura 10.1. Mientras la piedra gira con rapidez constante, la fuerza hacia el centro originada por la tensión en el cordel cambia constantemente la dirección de la piedra, haciendo que ésta se mueva en una trayectoria circu lar. Si el cordel se rompiera, la piedra saldría disparada en una dirección tangencial, es decir, perpendicular al radio de su trayectoria circular. Figura 10.1 (a) La tensión hacia adentro que el cordel ejerce sobre la piedra hace que ésta se mueva en una trayectoria circular, (b) Si el cordel se rompe, la piedra sale volando en dirección tangencial al círculo. Aceleración centrípeta La segunda ley del movimiento de Newton establece que una fuerza resultante debe producir una aceleración en la dirección de la fuerza. En el movimiento circular uniforme, la acelera ción cambia la velocidad de una partícula que se mueve alterando su dirección.
- 218. 198 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme Una piedra incrustada en el neumático (montado en una llanta con diámetro de 14 o 15 in) de un automóvil que se desplaza con una rapidez apropiada para una autopista está sometida a una aceleración centrípeta de 2500 m/s2o 250 g, aproximadamente. Figura 10.2 (a) A y B son las posiciones en dos instantes separados por un intervalo de tiempo Ai. (b) El cambio de velocidad v se representa gráficamente. El vector apuntará directamente hacia el centro si Ai es lo suficientemente pequeño para que la cuerda s sea igual al arco que une los puntos A y B. La posición y la velocidad de una partícula que se mueve en una trayectoria circular de radio R se presenta en dos instantes en la figura 10.2. Cuando la partícula se halla en el punto A, su velocidad se representa con el vector v,. Después del intervalo de tiempo Ai, su veloci dad se denota por el vector v,. La aceleración, por definición, es el cambio de velocidad por unidad de tiempo. Por tanto, Av _ v2 - Vj 3 _ Ai “ At (10.1) El cambio en la velocidad Av se representa gráficamente en la figura 10.2b. La diferencia en tre los dos vectores v7y v se construye de acuerdo con los métodos expuestos en el capítulo 2. Como las velocidades v, y Vj tienen la misma magnitud, forman los lados del triángulo isósceles BPQ cuya base es Av. Si construimos un triángulo similar ABC, puede observarse que la relación entre la magnitud de Av y la magnitud de cualquiera de las velocidades es la misma que la relación entre la cuerda s y el radio R. Esta proporcionalidad se escribe simbó licamente así: Av 5 — = - (10.2) v R donde v representa la magnitud absoluta de v o de v2. La distancia que recorre realmente la partícula desde el punto A hasta el punto B no es la distancia s, sino la longitud del arco de A a B. Cuanto más corto es el intervalo de tiempo Ai, más cerca estarán estos puntos hasta que, en el límite, la longitud de la cuerda se iguala con la longitud del arco. En este caso, la longitud 5 está dada por í = vAi la cual, cuando se sustituye en la ecuación (10.2) resulta en Av v Ai v _ R Según la ecuación (10.1) la aceleración es Av/At, de modo que podemos reordenar los tér minos y obtener Av _ v" At ~ R Por consiguiente, la razón del cambio de velocidad, o aceleración centrípeta, está dada por 2 flc = J (10.3) donde v es la rapidez lineal de una partícula que se mueve en una trayectoria circular de radio R.
- 219. 10.2 Aceleración centrípeta 199 El término centrípeta significa que la aceleración siempre se dirige hacia el centro. Ob serve en la figura 10.2b que el vector Av no apunta hacia el centro. Esto se debe a que hemos considerado un intervalo de tiempo grande entre las mediciones de A y B. Si restringimos la separación de esos puntos a una distancia infinitesimal, el vector Av apuntaría hacia el centro. Las unidades de la aceleración centrípeta son las mismas que las de la aceleración lineal. Por ejemplo, en el SI, v2/R tendría las unidades (m/s)2 m2/s2 , -------- = -------- = m/s m m k Un cuerpo de 2 kg se ata al extremo de una cuerda y se hace girar en un círculo horizontal de 1.5 m de radio. Si el cuerpo realiza tres revoluciones completas por segundo, determine su rapidez lineal y su aceleración centrípeta. Plan: La distancia recorrida por el cuerpo en una revolución es igual al perímetro del círculo (P = 27tR); como da tres revoluciones por segundo, el tiempo para una de ellas debe ser la tercera parte de un segundo, o 0.333 s. Con esta información podemos determinar la rapidez lineal del cuerpo, así como la aceleración a partir de la ecuación (10.3). Solución: Primero se determina el perímetro de la trayectoria circular P = 2ttR = 2tt(1.5 m) o P = 9.43 m Al dividir la distancia entre los 0.333 s necesarios para dar una revolución se obtiene 9.43 m v = --------- = 28.3 m/s 0.333 s Después se calcula la aceleración con base en la ecuación (10.3) v2 (28.3 m/s)2 ac R 1.5 m ar = 534 m/s* El procedimiento utilizado para calcular la rapidez lineal en el ejemplo 10.1 es tan útil que conviene recordarlo. Si definimos como periodo el tiempo para completar una revolución y lo designamos con la letra T, la rapidez lineal puede calcularse dividiendo el perímetro entre el periodo. Por tanto, 2irR v = — (10.4) Otro parámetro útil en problemas de ingeniería es la rapidez rotacional, expresada en revoluciones por minuto (rpm) o revoluciones por segundo (rev/s). Esta cantidad se llama frecuencia de rotación y es la recíproca del periodo f = (10-5) La validez de esta relación se demuestra observando que la recíproca de segundos entre revoluciones (s/rev) es revoluciones por segundo (rev/s). Al sustituir esta definición en la ecuación (10.4) se obtiene otra ecuación para determinar la rapidez lineal. v = 2TrfR (10.6)
- 220. 200 C a p itu ló lo Movimiento circular uniforme Por ejemplo, si la frecuencia es 1 rev/s y el radio 1 m, la rapidez lineal será 2t t m /s. Técnico en diseño de parques de juegos mecánicos ¿De qué magnitud es la fuerza que mantiene firmes en sus asientos del "remolino inclinado" a los visitantes de un parque de atracciones? Los técnicos en diseño de parques mecánicos aprovechan el movimiento circular uniforme para hacer que sus atracciones sean seguras, divertidas y emocionantes. Fuerza centrípeta La fuerza dirigida hacia el centro necesaria para mantener el movimiento circular uniforme se conoce como fuerza centrípeta. De acuerdo con la segunda ley de Newton del movimiento, la magnitud de esta fuerza debe ser igual al producto de la masa por la aceleración centrípeta, es decir, Fr = mar = mv R (10.7) donde m es la masa de un objeto que se mueve con una velocidad v en una trayectoria circular de radio R. Las unidades elegidas para las cantidades F , m, v y R deben ser congruentes con el sistema seleccionado. Por ejemplo, las unidades del SI para mv2/R son kg • nr/s2 m = kg • m /s2 = N Analizando la ecuación (10.7) se pone de manifiesto que la fuerza hacia el centro F. es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del objeto en movimiento. Esto signi fica que, para incrementar la rapidez lineal al doble de su valor original se requiere una fuerza cuatro veces mayor que la original. Razonando de igual forma se demuestra que, si se duplica la masa del objeto o se reduce a la mitad el radio de giro, será necesaria una fuerza centrípeta dos veces mayor que la original. Para problemas en los que la rapidez rotacional se expresa en términos de lafrecuencia, la fuerza centrípeta puede determinarse a partir de Fe R = 4Tr2 f 2mR (10.8) Esta relación se obtiene al sustituir la ecuación (10.6), que expresa la rapidez lineal en térmi nos de la frecuencia de revolución. Ejemplo 10.2 E S Una pelota de 4 kg se hace girar en un círculo horizontal por medio de una cuerda de 2 m de longitud. ¿Cuál es la tensión en la cuerda si el periodo es de 0.5 s? Plan: La tensión de la cuerda equivale a la fuerza centrípeta necesaria para mantener el movimiento circular. La rapidez lineal se determina dividiendo el perímetro de la trayec toria entre el periodo o tiempo que lleva dar una revolución. Solución: La velocidad alrededor de la trayectoria es v = 2ttR _ 2-77(2 m) T ~ 0.5 s = 25.1 m/s por lo que la fuerza centrípeta es F„ = mv2 _ (4kg)(25.1 m /s)2 R 2 m F„ = 1260 N
- 221. 10.4 Peralte de curvas 201 Dos masas de 500 g giran alrededor de un eje central a 12 rev/s, como se muestra en la figura 10.3. (a) ¿Cuál es la fuerza constante que actúa sobre cada masa? (b) ¿Cuál es la tensión en la barra de soporte? Plan: La fuerza total hacia abajo de las pesas y la barra se equilibra con la fuerza hacia arriba que ejerce el soporte central. Por tanto, la fuerza resultante que actúa sobre cada pesa al girar está dirigida hacia el centro y es igual a la fuerza centrípeta. Determinaremos la velocidad a partir del radio y la frecuencia de revolución; luego calcularemos la fuerza centrípeta de cada masa. Solución (a): La velocidad de cada masa es v = 2irfR = 2-7t(12 rev/s)(0.30 m) = 22.6 m/s Ahora determinaremos la fuerza centrípeta con base en la ecuación (10.7). _ rnf_ _ (0.500 kg)(22.6 m/s)2 c ~~ R 0.300 m Fc = 853 N, hacia el centro El mismo cálculo se realiza para cualquiera de las masas. Solución (b): La fuerza resultante sobre cada masa es igual a 853 N dirigida hacia el centro. Esa fuerza es ejercida por la barra sobre la masa. Aunque con frecuencia creemos que la fuerza hacia afuera actúa sobre la masa en realidad es la fuerza de reacción ejercida por la masa sobre la barra. La tensión en esta última se debe a esta fuerza dirigida hacia afuera y es igual en magnitud a la fuerza centrípeta de 853 N. Q>- 500 g 30 cm 30 cm Ó 500 g (a) N . _____________ _ N mg --------------' mg (b) Figura 10.3 Objetos que se mueven en una trayectoria circular. La fuerza resultante que ejerce la barra sobre los objetos suministra la fuerza centrípeta necesaria. De acuerdo con la tercera ley de Newton, los objetos ejercen una fuerza de reacción igual y opuesta llamada fuerza centrífuga. Estas fuerzas no se cancelan entre sí porque actúan sobre objetos diferentes. Peralte de curvas Cuando un automóvil toma una curva cerrada en una carretera perfectamente horizontal, la fricción entre los neumáticos y el pavimento genera una fuerza centrípeta (véase la figura 10.4). Si esta fuerza se vuelve demasiado grande, el auto puede derrapar y salir de la carre tera. El máximo valor de la fuerza de fricción estática determina la velocidad máxima con la que un automóvil puede tomar una curva de un radio determinado.
- 222. 202 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme Ejemplo 10.4 Centro de curvatura W = mg (b) (c) Figura 10.4 Fuerza centrípeta de fricción. Observe que no existe una fuerza hacia afuera sobre el automóvil. |f ¿Cuál es la máxima velocidad a la que, sin derrapar, un automóvil puede tomar una curva cuyo radio es de 100 m, si el coeficiente de fricción estática es de 0.7? Plan: En este ejemplo, la fricción estática genera la fuerza centrípeta necesaria para mante ner el movimiento circular. A medida que el auto aumenta la velocidad, la fuerza centrípeta (fricción) será demasiado grande para contrarrestar la máxima fuerza de fricción estática y en ese instante la fuerza centrípeta igualará a esta última. Por tanto, hay dos fórmulas que pueden emplearse para calcular la misma fuerza: mv2 fs,máx Y Fc y puesto que F, = f smix,podemos escribir mv2 — = ^ n (io.9) Luego podemos aplicar la primera condición del equilibrio para determinar lafuerza nor mal y sustituir los datos que tenemosa fin de calcular lavelocidad enel instante en que el auto se derrapa. Solución: Como las fuerzas verticales están en equilibrio, sabemos que n = W = mg y fsmáx = así que la ecuación (10.9) se transforma en mv2 7 — = ¡ismg o v- = ¡xsgR de donde v = V^sgR (10.10) Por último, se sustituyen los valores que tenemos de g, R y ¡ispara determinar la máxima rapidez v = V(0.7)(9.8 m/s2)(100 m) = 26.2 m/s o aproximadamente 94.3 km/h (58.6 mi/h). Quizá parezca sorprendente que el peso del automóvil no participe en el cálculo de la máxima rapidez. Nuestra propia experiencia contradice esta independencia respecto al peso. Sin embargo, no debe confundimos la estabilidad de un automóvil con las condiciones para que se derrape. La fuerza ejercida por la carretera sobre los neumáticos actúa en la parte inferior de éstos, un punto considerablemente por debajo del centro de gravedad del auto.
- 223. 10.4 Peralte de curvas 203 Ejemplo 10.5 (C) Figura 10.5 Efectos del peralte de una curva. La componente horizontal de la fuerza normal, n sen d, pro porciona la aceleración centrípeta necesaria. Por tanto, un autobús es mucho más probable que se vuelque que un Corvette. Cabe recordar, asimismo, que los factores que influyen en la fricción son numerosos y que no se controlan cuando se aplica la ecuación (10.10) en cierta situación. Aspectos como el dibujo de los neu máticos, la temperatura y las variaciones del camino también pueden influir en la aplicación estricta de las ecuaciones. Y, no obstante, es posible utilizarlas para obtener cálculos confia bles de ingeniería. Ahora consideremos los efectos del peralte de una carretera para reducir o eliminar la necesidad de la fricción como generadora de la fuerza centrípeta. Considere la trayectoria circular que sigue el automóvil de la figura 10.5a. Cuando el auto está en reposo o marcha con rapidez lenta, la fuerza de fricción se dirige hacia la inclinación; cuando se aumenta la rapi dez, la fuerza de fricción estática disminuye hasta invertir su dirección y entonces actúa hacia abajo de la inclinación. La rapidez óptima se alcanza cuando la fuerza de fricción equivale a cero y toda la fuerza centrípeta es generada por la componente central de la fuerza normal ejercida por la carretera sobre el auto. Las componentes de la fuerza normal son TLr = n sen ( y 71. = n eos i Hay que señalar que el ángulo de inclinación 6 de la carretera es igual que el ángulo respecto al eje y en un diagrama de cuerpo libre (véase la figura 10.5c) y representa la componente horizontal, n sen 9, la cual genera la fuerza centrípeta. Si denotamos con v la velocidad tan gencial y el radio de la vuelta con R podemos escribir n sen 9 = mv R Y puesto que las fuerzas verticales se hallan en equilibrio TI eos 9 = mg Aquí el ángulo 9 representa el ángulo en el que la fricción es igual a cero y recibe el nombre de ángulo de peralte óptimo. Al dividir la primera de estas ecuaciones entre la segunda y recordando que tan 9 = (sen 9/ eos 9) se obtiene la expresión siguiente: tan0 = gR Angulo de peralte óptimo (10.11) w/y Mztrzzm vi El límite de velocidad de cierta carretera es de 80 km/h. Encuentre el ángulo de peralte óptimo para una curva cuyo radio es de 300 m. Plan: Primero se convierte la velocidad de 80 km/h en unidades congruentes del SI y luego se aplica la ecuación (10.11) para hallar el ángulo de peralte óptimo.
- 224. 204 C a p itu ló lo Movimiento circular uniforme Solución: Sabemos que 1km = 1000 m y que 1h = 3600 s, así que km f 1000 nA / 1h v = 80 1km A 3600 s = 22.2 m/s Al sustituir en la ecuación (10.11) se obtiene v2 (22.2 m/s)2 tan# = — = -----------r----------- gR (9.8 m/s )(300 m) El ángulo de peralte óptimo será entonces = 0.168 9 = 9.5° En realidad, las carreteras no siempre están inclinadas según ángulos de peralte ópti mo, ya que en las vueltas de radios pequeños los ángulos serían muy grandes. Si el radio de la vuelta de este ejemplo cambiara de 300 a 30 m, el ángulo de peralte óptimo sería colosal: 59°. Sin embargo, sí hay ejemplos en que los ángulos sí se acercan a los óptimos. Consi dere al motociclista dentro de una esfera que se presenta en la feria local, o mire ciertas zonas de las pistas de autos de las carreras de NASCAR (siglas en inglés de la Asociación Nacional de Carreras de Autos de Serie). El péndulo cónico Un péndulo cónico consta de una masa m que gira en un círculo horizontal con una rapidez constante v al extremo de una cuerda de longitud L. Si comparamos la figura 10.6 con la 10.5 vemos que la fórmula deducida para el ángulo de inclinación también se aplica al ángulo que forma la cuerda con la vertical en el caso del péndulo cónico. En este último caso, la fuerza centrípeta necesaria la proporciona la componente horizontal de la tensión en la cuerda. La componente vertical es igual al peso de la masa que gira; por tanto, mv T sen 0 = ----- T eos 9 = me R 6 de donde tan 9 Rg se obtiene como en la sección 10.4. Un estudio cuidadoso de la ecuación (10.11) demostrará que, al incrementarse la rapidez lineal, el ángulo que forma la cuerda con la vertical también aumenta. Por ende, se eleva la posición vertical de la masa (como se indica en la figura 10.6), originando una reducción en la distancia h por debajo del punto de apoyo. Si deseamos expresar la ecuación (10.11) en términos de la posición vertical h, debemos observar que R tan 9 = — h T eos 8 mg T sen 6 (a) (b) Figura 10.6
- 225. 10.6 Movimiento en un círculo vertical 205 Figura 10.7 En ciertas aplicaciones, reguladores centrífugos se usan para regular la velocidad con la aper tura o el cierre de válvulas. de donde obtenemos K- _üL h gR Por tanto, la distancia del peso por debajo del soporte es una función de la rapidez lineal y está dada por h = — v Una forma más útil para esta ecuación se obtiene expresando la rapidez lineal en térmi nos de la frecuencia rotacional. Como v = 2ttfR, podemos escribir * - s R 4tr2 f 2R2 4t72 / 2 Si se resuelve para/se obtiene (10. 12) Las primeras aplicaciones de la relación entre la frecuencia de rotación y el peso se ejem plificaron con el regulador centrífugo mostrado en la figura 10.7. La ubicación de las pesas sirve para abrir o cerrar válvulas de combustible. Todavía hoy se usan aparatos semejantes en aplicaciones científicas o de ingeniería, pero se emplean rara vez en los automóviles moder nos donde la rapidez se controla ahora con unidades de control electrónico (ECU, Electronic Control Unit). Movimiento en un círculo vertical El movimiento en un círculo vertical es diferente del movimiento circular explicado en seccio nes previas. Puesto que la gravedad siempre actúa hacia abajo, la dirección del peso es la mis ma en la parte más alta que en la parte más baja de la trayectoria. No obstante, las fuerzas que conservan el movimiento circular siempre deben dirigirse hacia el centro de ésta. Cuando actúa sobre un objeto más de una fuerza, es lafuerza resultante la que origina la fuerza centrípeta.
- 226. 206 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme mg Figura 10.8 Considere una masa m atada al extremo de una cuerda y girando en un círculo de radio R, como se muestra en la figura 10.8. Denotamos con v la velocidad en la parte más alta de la trayectoria circular y con v2la velocidad en la parte más baja. Consideremos primero la fuerza resultante sobre el objeto cuando éste pasa por el punto más alto. Tanto el peso mg como la tensión Tl en la cuerda se dirigen hacia abajo. La resultante de estas fuerzas es la fuerza centrípeta; por tanto, mv? 7j + mg = -- 1 (10.13) K Por otra parte,cuando la masa pasa por el punto másbajo, el peso mg aún se dirige hacia abajo, pero la tensión T, tienedirección hacia arriba. La resultante estodavía lafuerza centrí peta necesaria, así que tenemos mv? T2 ~m g = - ^ (10.14) A partir de estas ecuaciones queda claro que la tensión en la cuerda en la parte más baja es mayor que en la parte más alta. En un caso, el peso se suma a la tensión, mientras que en el otro, se resta de ella. La fuerza centrípeta (resultante) es una función de la velocidad, de la masa y del radio en cualquier sitio. emas M ovim iento circular uniform e 1. Lea el problema y luego trace y marque un diagrama. 2. Elija un eje perpendicular al movimiento circular en el punto donde la fuerza centrípeta actúa sobre una masa determinada. 3. Considere la dirección de la fuerza centrípeta (hacia el centro) como positiva. 4. La fuerza resultante hacia el centro es la fuerza centrí peta necesaria. Si sobre la masa actúa más de una fuer za, la fuerza neta dirigida hacia el centro será igual a mv2/R. Éste es en realidad un enunciado de la segunda ley de Newton para el movimiento circular. 5. Al calcular la fuerza central resultante (%F), considere las fuerzas dirigidas hacia el centro como positivas y las fuerzas que se alejan de él como negativas. El miembro derecho de la ecuación, mv2/R, siempre es positivo. 6. Sustituya las cantidades conocidas y despeje el factor desconocido. Tenga cuidado de distinguir entre el peso y la masa de un objeto.
- 227. 10.7 Gravitación 207 Jí En la figura 10.8, suponga que una pelota de 2 kg tiene una velocidad de 5 m/s cuando al girar pasa por la parte más alta del círculo cuyo radio es de 80 cm. (a) ¿Cuál es la tensión en la cuerda en ese instante? (b) ¿Cuál es la mínima rapidez necesaria al pasar por la parte más alta para que se conserve el movimiento circular? Plan: Impondremos un diagrama de cuerpo libre de las fuerzas ejercidas sobre la pelota en la parte superior de la vuelta (véase la figura 10.8), donde se indicará la dirección de la aceleración (hacia abajo) como positiva. Luego resolveremos para la tensión incógnita (Tt) igualando la fuerza resultante a la masa por la aceleración centrípeta. Seguiremos el mismo procedimiento para hallar la mínima velocidad, tras advertir que la tensión en la cuerda será igual a cero en ese instante. Solución (a): En la parte de arriba de la trayectoria, tanto el peso mg como la tensión de la cuerda se dirigen hacia abajo y hacia el centro del círculo; por tanto, al aplicar la segun da ley de Nevvton se obtiene mv? mv? Ti + mg = — o Tx = — - mg Al sustituir R = 0.80 m, g = 9.8 m/s2,v = 5 m/s y m = 2 kg, queda (2 kg)(5 m/s)2 , T, = -----—------- -- - (2 kg)(9.8 m/s2) 1 (0.80 m) & = 62.5 N - 19.6 N = 42.9 N Cabe advertir que la fuerza centrípeta de 62.5 N es lafuerza resultante en todos los puntos de la trayectoria circular donde la velocidad de la masa es de 5 m/s. En la parte de arriba, el peso de 19.6 N proporciona parte de esta fuerza necesaria; el resto se origina por la tensión de la cuerda (42.9 N). Solución (b): La velocidadcrítica v se presenta cuando la tensión de la cuerda disminuye a cero (Tí = 0) y toda la fuerza centrípeta es proporcionada por el peso mg. En este caso, mv2 mv2 T, + mg = ----- se convierte en mg = ----- 1 5 R b R Al cancelar la masa que multiplica y divide, y despejar v esta ecuación se simplifica a vc = rgR Velocidad crítica (10.15) Al sustituir los datos conocidos se determina ahora la velocidad crítica, v 7 c vc = V(9.8 m/s2)(0.80 m) = 2.80 m/s si la velocidad en la parte de arriba disminuye a menos de 2.80 m/s, ya no se tendrá la fuerza necesaria para mantener el movimiento circular y la pelota se convertirá en un cuerpo en caída libre. Gravitación La Tierra y los planetas siguen órbitas casi circulares alrededor del Sol. Newton sugirió que la fuerza hacia el centro que mantiene el movimiento planetario es tan sólo un ejemplo de la fuer za universal llamada gravitación, la cual actúa sobre todas las masas del universo. Él enunció su tesis en la ley de gravitación universal: Toda partícula en el universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente propor cional al cuadrado de la distancia que las separa.
- 228. 208 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme Figura 10.9 La ley de la gravitación universal. Esta proporcionalidad suele enunciarse en forma de una ecuación: m.mi F = (10.16) donde m] y m2 son las masas de cualquier par de partículas separadas por una distancia r, como se muestra en la figura 10.9. La constante de proporcionalidad G es una constante universal igual a G = 6.67 X 10“n N •m2/kg2 = 3.44 X 10~s Ib •ft2/slug2 Ejemplo 10.7 Dos pelotas, una de 4 kg y otra de 2 kg, están colocadas de modo que sus centros quedan separados una distancia de 40 cm. ¿Cuál es la fuerza con la que se atraen mutuamente? Solución: La fuerza de atracción se determina a partir de la ecuación (10.16): mxm2 (6.67 X 10“11N •m2/kg2)(4 kg)(2 kg) F = G- F = 3.34 X 10_9N (0.40 m)2 La fuerza gravitacional es, en realidad, pequeña. Debido a que la masa de la Tierra es relativamente grande en comparación con la de los objetos que se hallan en su superficie, solemos suponer que las fuerzas gravitacionales son muy grandes. Sin embargo, si con sideramos dos canicas muy cercanas entre sí que yacen sobre una superficie horizontal, nuestra experiencia nos permite comprobar que la atracción gravitacional es débil. Ejemplo 10.8 jsmr En la superficie de la Tierra, la aceleración debida a la gravedad es de 9.8 m/s2. Si el radio de la Tierra es de 6.38 X 106m, calcule la masa de la Tierra. Pía n: Para calcular la masa de la Tierra se considerará una pequeña masa de prueba m' cercana a la superficie de nuestro planeta y cuyo radio se denotará con R Para nuestros fines, diremos que toda la masa de la tierra mese halla en su centro geométrico. La anterior suposición es razonable, ya que representa la distancia media de la masa rrí desde cada partícula que forma la Tierra. La fuerza gravitacional sobre nuestra masa de prueba puede calcularse con la ecuación W = m'g, así como con la ecuación (10.6). Si se igualan ambas expresiones, la masa de prueba se cancela y la única incógnita que queda será la masa de la Tierra. Solución: Suponga que la masa de la Tierra está dada por mey que su radio es R . Para una masa de prueba m ' cercana a la superficie terrestre se tiene que Gm'm, W = m'g = Rl
- 229. 10.8 El campo gravitacional y el peso 209 Al cancelar la masa de prueba m' y despejar queda gRl me = — ecuación con la que es posible determinar la masa de la Tierra tras sustituir los datos co nocidos (9.8 m/s2)(6.38 X 106m)2 ^ no m. = - ----- ------n-i— t = 5.98 X 10 kg 6.67 X IO N -m /kg 6 Ejemplo 10.9 El campo gravitacional y el peso En capítulos anteriores hemos definido el peso como la atracción que ejerce la Tierra sobre las masas ubicadas cerca de su superficie. Tal vez ahora conviene revisar este concepto a la luz de la ley de la gravitación de Newton. La atracción que cualquier masa esférica grande (como la de la Tierra) ejerce sobre otra masa localizada por fuera de la esfera puede calcularse suponiendo que la masa total de la esfera grande se concentra en su centro. Suponga, como en el ejemplo 10.8, que una masa m se halla en la superficie de la Tierra, cuya masa es me.Al igualar el peso mg con la fuerza gravitacional se obtiene Gmme mg K El radio de la Tierra se representa con el símbolo R_.Ahora, tras cancelar la masa m, queda el valor siguiente para la aceleración debida a la gravedad Gm. g = (10.17) Ke En la sección 10.7 utilizamos la ecuación (10.16) para determinar la masa de la Tierra a partir del radio proporcionado. También nos indica esta ecuación que la gravedad y, por tanto, el peso de un objeto depende de su ubicación sobre la superficie de nuestro planeta. p ¿A qué distancia sobre la superficie de la Tierra se reducirá el peso de una persona hasta la mitad del valor que tiene estando en la superficie? Plan: El peso mg en la superficie se reducirá a la mitad cuando la aceleración debida a la gravedad g se vuelva ¿(9.8 m/s2), que equivale a 4.9 m/s2. Se aplica la ecuación (10.17), esta vez para la distancia general r = R + h, donde h es la altura sobre la superficie terrestre Gm„ 0 g = —7- = 4.9 m/s" r = Re + h r Al despejar r podemos restar el radio de la Tierra para determinar la altura, h. Solución: 4.9 m/s2 V4.9 m/s2 De ejemplos anteriores sabemos que m = 5.98 X 1024kg, así que (6.67 X 10~n N •m2/kg2)(5.98 X 1024kg) 5 ---------------------------------------------------= g m x 1 0 < 5 m 4.9m/s2
- 230. 210 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme Por último, restamos R = 6.38 X 106m para determinar la altura h sobre la superficie de la Tierra h = 9.02 X 106m - 6.38 X 106m = 2.64 X 106m En un punto a una distancia de 2640 km sobre la Tierra el peso de un objeto será la mitad de lo que vale en la superficie de nuestro planeta. Si conocemos la aceleración debida a la gravedad en cualquier sitio de la superficie terres tre podemos determinar la fuerza gravitacional (peso) que actúa sobre un objeto. La dirección de esta fuerza será hacia el centro de la Tierra. Observe la figura 10.10. Resulta conveniente definir el campo gravitacional como lafuerza por unidad de masa en un lugar determinado. La magnitud de este campo es simplemente la aceleración debida a la gravedad: 1£ m Gm„ (10. 18) donde r es la distancia del centro de la Tierra al punto donde se va a determinar la gravedad. Debe observarse que el campo gravitacional es unapropiedad del espacio y existe hasta cier to punto por arriba de la Tierra, haya o no masa situada en ese punto. Al conocer el campo gravitacional o la aceleración debida a la gravedad en ese punto, inmediatamente podemos determinar el peso de cierta masa colocada en ese lugar. Figura 10.10 El campo gravitacional sobre la Tierra puede representarse por medio de la aceleración g que podría experimentar una pequeña masa m si estuviera colocada en ese punto. La magnitud del campo se determina a partir de la masa mt de la Tierra y de la distancia R de dicha masa al centro de nuestro planeta. Satélites en órbitas circulares Un satélite terrestre no es sino un proyectil que “cae” alrededor de la Tierra. En un experi mento ficticio representado en la figura 10.11, imagine que usted está sobre la Tierra y lanza pelotas de béisbol a velocidades cada vez mayores. Cuanta más velocidad imparte a la bola, más larga es la trayectoria curva hasta el suelo. Puesto que la superficie de la Tierra es cur va, uno no puede sino imaginar que si la velocidad fuera lo suficientemente grande, al caer la pelota simplemente seguiría la superficie curva alrededor de la Tierra. Por supuesto, este ejemplo adolece de dos serios problemas: primero, que la superficie de la Tierra no es uni forme y que definitivamente habría obstrucciones; segundo, que debido a la gran aceleración que habría cerca de la superficie terrestre, la velocidad tendría que ser excepcionalmente grande. Los cálculos muestran que se requerirían velocidades del orden de 29 000 km/h o
- 231. 10.9 Satélites en órbitas circulares 211 Figura 10.11 Una bola de béisbol lanzada horizontalmente con velocidad cada vez más grande tarde o temprano se convertiría en un satélite al “caer” alrededor de la Tierra. Comunicaciones en órbita Los satélites colocados en órbita geoestacionaria (GEO , Geostationary Earth Orbit) permiten brindar servicios de fax, videoconferencias, internet, servicio telefónico fijo de larga distancia, televisión y multimedia de banda ancha a las áreas en desarrollo en todo el mundo. Los satélites colocados en órbita terrestre media (MEO, Médium Earth Orbit) se usan para teléfonos celulares, teléfonos fijos y otras tecnologías de comunicación personal. Los satélites colocados en órbita terrestre baja (LEO, Low Earth Orbit) se usan en teléfonos móviles manuales, radiolocalizadores personales, fax, rastreadores de barcos o camiones, teléfonos ordinarios fijos y multimedia de banda ancha. 18 000 mi/h. La pelota se quemaría y quedaría reducida a cenizas rápidamente a tales rapide ces debido a la fricción atmosférica. Sin embargo, hoy en día hay gran número de satélites co locados en órbita alrededor de la Tierra en altitudes donde la resistencia y la rapidez excesivas no constituyen un problema. Algunos se mueven en órbitas que son casi circulares mientras “caen” alrededor de nuestro planeta. Si se colocara una estación espacial en una órbita circu lar alrededor de la Tierra, ni el vehículo espacial ni los pasajeros quedarían “ingrávidos”; por el contrario, la fuerza gravitacional (peso) es la que proporciona la fuerza centrípeta necesaria para el movimiento circular. Considere por un momento el satélite de masa m que se mueve alrededor de la Tierra en una órbita circular de radio r, como se muestra en la figura 10.12. La fuerza centrípeta mv2/ r se determina a partir de la ley de la gravitación de Newton: mv~ Gmm. r r Simplificando y resolviendo para la velocidad v queda IGm. v = (10.19) Observe que sólo hay una rapidez v que un satélite puede tener para permanecer en una órbita de radio fijo r. Si cambia la rapidez, lo hace también el radio de la órbita. Figura 10.12 La fuerza centrípeta necesaria para el movimiento circular se origina por la fuerza gravita cional de atracción. Por tanto, un satélite sólo puede tener una rapidez v que le permita permanecer en una órbita de radio fijo.
- 232. 212 Capitulólo Movimiento circular uniforme Ejemplo 10.10 V Una astronauta con una masa de 100 kg viaja en una estación espacial que se mueve en una órbita circular 900 km sobre la superficie terrestre, (a) ¿Cuál es la rapidez de la estación espacial? (b) ¿Cuál es el peso del astronauta? Plan: Primero debe determinarse el radio r de la órbita, que es igual a la suma de la altura h y el radio de la Tierra (Re). Luego es necesario hallar la rapidez con base en la ecuación (10.19) y el peso del astronauta a partir de la ley de la gravitación de Newton. Del ejemplo 10.8 se sabe que la masa de la Tierra es de 5.98 X 102 4kg. Solución (a): Puesto que Re = 6.38 X 106m y que h = 900 km, r se calcula como sigue r = R + h = 6.38 X 106m + 0.900 X 106m; r = 7.28 X 106m e 7 Ahora se encuentra la rapidez sustituyendo este valor en la ecuación (10.19) Gme /(6.67 X 10“ u N • m2/kg2)(5.98 X 1024kg) V A' r 7.28 X 106 m = 7400 m/s (16600 mi/h) Solución (b): El peso del astronauta de 100 kg en órbita se calcula a partir de la ley de gravitación de Newton _ Gmme _ (6.67 X 10~n N ■m2/kg2)(100 kg)(5.98 X 1024kg) r2 ~ 7.28 X 106m = 753 N Como ejercicio adicional, compruebe el mismo resultado a partir de mv2/R. Note que el astronauta no es en lo absoluto “ingrávido”, simplemente se encuentra en una situación de caída libre que le da la apariencia de carecer de peso, puesto que no existe una fuerza hacia arriba o normal que actúe para equilibrar el peso. Figura 10.13 Los saté lites geosincrónicos están ubicados de modo que pue dan moverse alrededor de la Tierra en órbitas ecuato riales con un periodo igual al de la Tierra (un día). Para gran número de satélites, el periodo T, o sea el tiempo que le lleva al satélite dar una revolución completa en su órbita, es muy importante. Por ejem plo, los satélites de comunicación deben rodear la Tierra en un periodo igual al que emplea el planeta en dar un giro; en otras palabras, necesitan un día. Se dice que tales órbitas son geosincrónicas y los satélites se llaman satélites sincrónicos. Como se observa en la figura 10.13, esos satélites permanecen en un punto accesible en una latitud necesariamente constante, lo que permite que con facilidad haya comunicación directa entre dos puntos de la Tierra. Son necesarios tres satélites de éstos para permitir la comunicación por línea directa entre todos los puntos de la Tierra. La obtención de una relación entre el periodo T de un satélite (o de un planeta) y el radio r de su órbita puede lograrse aplicando los conceptos que ya se han estudiado en este capítulo. Si suponemos una órbita circular, la velocidad del satélite es: I tív Igualando esta expresión a v, como se indica en ecuación (10.19), tenemos IGm„ 2irr r ' T Al resolver para T se obtiene la ecuación siguiente: r - = i ^ ' l r’ Gm, (10.20) El cuadrado del periodo de una revolución es proporcional al cubo del radio de la órbita.
- 233. 10.10 Leyes de Kepler 213 Ejemplo 10.11 jf ¿Cuál debe ser la altitud de todos los satélites sincrónicos que están colocados en órbita alrededor de la Tierra? Pían: El periodo de uno de tales satélites es igual a un día, o 8.64 X 104 s. Con este dato, usaremos la ecuación (10.20) para determinar la distancia r desde el centro de la Tierra. Luego restaremos el radio del planeta para obtener la altura h sobre la superficie terrestre. Solución: La distancia r que va del centro de la Tierra al satélite se calcula con ('4t72 3 3 ( G m f- T- = ------ r o r = G m J 4-tt 3 (6.67 X 10~n N • m2/kg2)(5.98 X 1024kg)(8.64 X 104 s)2 r = -------------------------------------— j------------------------------------ 47T = 7.54 X 1022m3 después de obtener la raíz cúbica de ambos miembros se obtiene r = 4.23 X 107m Por último, después de restar el radio de la Tierra encontramos que h = 42.3 X 106m - 6.38 X 106m = 35.8 X 106m La órbita geocéntrica debe tener 35 800 km o más de 22000 millas sobre la superficie terrestre. f Í í ¡ | L e y e s de Kepler Durante miles de años se ha estudiado el movimiento de los planetas y las estrellas. Desde el siglo II d. C.. el astrónomo griego Claudio Ptolomeo postuló la teoría de que la Tierra era el centro del universo. Muchos siglos después, Nicolás Copémico (1473-1543) fue capaz de demostrar que la Tierra y otros planetas en realidad se movían en órbitas circulares alrededor del Sol. El astrónomo danés Tycho Brahe (1546-1601) realizó gran número de mediciones sobre el movimiento de los planetas durante un periodo de 20 años, proporcionando medidas de notable precisión sobre el movimiento de los planetas y de más de 700 estrellas visibles al ojo humano. Puesto que el telescopio todavía no se inventaba, Brahe hizo sus mediciones utilizando un gran sextante y un compás. A partir de estas primeras observaciones el modelo del sistema solar ha evolucionado hasta llegar al que se acepta actualmente. El astrónomo alemán Johannes Kepler, discípulo de Brahe. retomó los innumerables da tos recopilados por su mentor y trabajó con ellos muchos años intentando desarrollar un mo delo matemático que concordara con los datos observados. Al principiar esta investigación parecía obvio a Kepler que las órbitas de los planetas pudieran no ser circulares. Sus estudios demostraron que la órbita del planeta Marte era en realidad una elipse, con el Sol en uno de sus focos. Esta conclusión posteriormente se generalizó para todos los planetas que giran alrededor del Sol, y Kepler fue capaz de establecer varios enunciados matemáticos relaciona dos con el sistema solar. Hoy en día dichos enunciados se conocen como las leyes de Kepler del movimiento planetario. Primera ley de Kepler: Todos los planetas se mueven en órbitas elípticas con el Sol en uno de los focos. Esta ley a veces se llama ley de órbitas. En la figura 10.14 se presenta un planeta de masa mp que se mueve en una órbita elíptica alrededor del Sol, cuya masa es ms. El eje semimayor es a y el eje semimenor es b. El valor más pequeño de la distancia r del planeta al Sol se llama perihelio y el valor más grande
- 234. 214 Capítulo 10 Movimiento circular uniforme Figura 10.14 La primera ley de Kepler establece que todos los planetas se mueven en órbitas elípticas, con el Sol en uno de sus focos. El eje semimayor a y el eje semimenor b se indican en esta figura. se llama afelio. La distancia c del Sol al centro de la elipse debe obedecer la ecuación: a2= b2 + c2. La razón c/a se define como la excentricidad de la órbita. Salvo Marte, Mercurio y Plutón, la mayoría de las órbitas planetarias son casi circulares y tienen una excentricidad que es aproximadamente igual a 1, ya que c es casi igual a a. Segunda ley de Kepler: Una línea que conecte un planeta con el Sol abarca áreas iguales en tiempos iguales. A esta ley se le llama también ley de áreas. La segunda ley se ilustra en la figura 10.15. Significa que el planeta debe moverse más lentamente cuando está más alejado del Sol, y más rápidamente cuando está más cercano a él. Newton pudo demostrar posteriormente que esta observación, igual que las otras dos leyes, eran consecuencia de su ley de la gravitación universal. Tercera ley de Kepler: El cuadrado del periodo de cualquier planeta es pro porcional al cubo de la distancia media del planeta al Sol. Esta ley también se conoce como la ley de los periodos. La tercera ley de Kepler se representa claramente por medio de la ecuación (10-20), la cual se obtuvo para un satélite en una órbita circular. También es cierta para elipses si reem plazamos R (la distancia media del planeta al Sol) con a, el eje semimayor de la elipse. En consecuencia, una forma más general para la ecuación (10.20) puede escribirse como: , 47T 2£ 7 j T2 = — — (10.21) Gms Observe que cuando la trayectoria del planeta es circular, a = R. y la ecuación (10.21) es igual a la (10.20). Figura 10.15
- 235. Resumen Hemos definido el movimiento circular uniforme como un movimiento con trayectoria circular en el que la rapidez es constante y únicamente cambia la dirección. El cambio de dirección causado por una fuerza central se denomina acele ración centrípeta. Los principales conceptos que aparecen en este capítulo son los siguientes: • La rapidez lineal v de un objeto con movimiento circular uniforme se calcula a partir del periodo T o la frecuencia f : 2ttR V ~ T v = 2rrfR La aceleración centrípeta a,se calcula a partir de la rapidez lineal, el periodo o la frecuencia en la forma siguiente: v2 4tt2R |fc! I I < 3 ° rjil ac = 4-7T~f~R La fuerza centrípeta F es igual al producto de la masa m por la aceleración centrípeta a . Está dada por tnv , Fc = ----- Fc = 477’/ mR R Otras fórmulas útiles son las siguientes: Máxima rapidez sin deslizamiento tan B = gR Angulo de peralte o péndulo cónico / = 277 V h Frecuencia del péndulo cónico Ley de la gravitación de Newton: toda partícula del universo atrae a las demás con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente pro porcional al cuadrado de la distancia que las separa F = Gm1 m2 G = 6.67 X 1CT1 1N • m2/kg2 Primera ley de Kepler: todos los planetas se mueven en órbitas de elipse con el Sol en uno de los focos de ésta. Segunda ley de Kepler: una línea que conecta un planeta con el Sol recorre áreas iguales en tiempos iguales. Tercera ley de Kepler: el cuadrado del periodo T de cualquier planeta es proporcional al cubo de la distancia media del planeta al Sol 2,3 T- = 477_r Gms Conceptos clave aceleración centrípeta 198 campo gravitacional 210 centrípeta 199 frecuencia 200 fuerza centrípeta 200 geosincrónico 212 gravitación 207 ley de Kepler de los movimientos planetarios 213 ley de la gravitación universal 207 movimiento circular uniforme 197 péndulo cónico 204 periodo 199 peso 209 velocidad critica 207 rapidez lineal 198 Preguntas de repaso 10.1. Explique por medio de diagramas por qué se dirige hacia el centro la aceleración de un cuerpo que se mueve en círculos a rapidez constante. 10.2. Un ciclista se inclina hacia un lado cuando toma una curva. ¿Por qué? Describa con un diagrama de cuer po libre las fuerzas que actúan sobre él. 10.3. Al hacer un viraje circular, un automóvil entra en un tramo de hielo, derrapa y se sale del camino. Según la primera ley de Newton, el vehículo se moverá ha cia delante en dirección tangente a la curva, no hacia fuera en ángulo recto respecto a ella. ¿Por qué? 10.4. Si la fuerza impulsora del movimiento circular se dirige hacia el centro de rotación, ¿por qué el agua se separa de la ropa durante el ciclo de rotación de una máquina lavadora?
- 236. b 10.5. Cuando una pelota atada al extremo de una cuer da se hace girar en círculos a rapidez constante, la fuerza centrípeta dirigida hacia dentro es igual en magnitud a la fuerza centrífuga dirigida hacia fuera. ¿Representa esto una condición de equilibrio? Ex plique su respuesta. 10.6. ¿Qué factores intervienen para calcular los ángulos de los peraltes más adecuados en las carreteras? 10.7. ¿La fuerza centrífuga realiza algún trabajo en el mo vimiento circular uniforme? 10.8. Un motociclista recorre una pista circular con rapi dez constante. ¿De dónde proviene la fuerza cen trípeta y sobre qué actúa? ¿De dónde proviene la fuerza de reacción centrífuga y sobre qué actúa? 10.9. Una piedra atada al extremo de una cuerda se mue ve describiendo un círculo vertical. ¿En qué condi ciones puede ser constante su rapidez lineal? ¿Sobre qué actúa la fuerza centrípeta? ¿Sobre qué actúa la fuerza centrífuga? Problemas Sección 10.2 Aceleración centrípeta 10.1. Una pelota está unida al extremo de una cuerda de 1.5 m y gira en círculos con rapidez constante de 8 m/s. ¿Cuál es la aceleración centrípeta? Resp. 42.7 m/s2 10.2. ¿Cuáles son el periodo y la frecuencia de rotación de la pelota descrita en el problema 10.1? 10.3. Una polea motriz de 6 cm de diámetro se hace girar a 9 rev/s. ¿Cuál es la aceleración centrípeta en un punto localizado en el borde de la polea? ¿Cuál se ría la rapidez lineal de una banda accionada por la polea? Resp. 95.9 m/s2, 1.70 m/s 10.4. Un objeto gira describiendo un círculo de 3 m de diámetro con una frecuencia de 6 rev/s. ¿Cuál es el periodo de revolución, la rapidez lineal y la acelera ción centrípeta? 10.5. Un automóvil transita por una curva de 50 m de ra dio y recibe una aceleración centrípeta de 2 m /s2. ¿Cuál es su rapidez constante? Resp. 10.0 m/s 10.6. Un automóvil de 1500 kg recorre una pista circular con una rapidez constante de 22 m/s. Si la aceleración centrípeta es de 6 m/s2, ¿cuál es el radio de la pista? 10.7. Un avión desciende siguiendo una trayectoria curva de radio R a la velocidad v. La aceleración centrípeta es de 20 m/s2. Si tanto la velocidad como el radio se duplican, ¿qué valor tendrá la nueva aceleración? Resp. 40 m/s2 Sección 10.3 Fuerza centrípeta 10.8. Un niño de 20 kg se desplaza en círculos a 16 m/s so bre una pista de 16 m de radio, en uno de los juegos 10.10. ¿Cuál es el valor de la constante gravitacional G en la Luna? 10.11. Conociendo la masa de la Tierra, su distancia del Sol y su velocidad orbital, explique cómo se podría calcular la masa del Sol. 10.12. ¿De dónde proviene la fuerza que mantiene los sa télites en órbita alrededor de la Tierra? ¿Realmente carecen de peso los satélites en órbita? ¿Qué pasa con la órbita si el satélite aumenta o disminuye su velocidad? 10.13. ¿Qué sucede con la fuerza gravitacional entre dos masas cuando la distancia entre ellas se duplica? ¿Qué pasa si cada una de las masas se duplica? 10.14. La Tierra se mueve más lentamente en su órbita du rante el verano que en el invierno. Según las leyes de Kepler, ¿diría usted que la Tierra está más cerca o más lejos del Sol en los meses de invierno? mecánicos de una feria. ¿Cuál es la fuerza resultante sobre el niño? 10.9. Una piedra de 3 kg, atada a una cuerda de 2 m, os cila describiendo un círculo horizontal, de manera que completa una revolución en 0.3 s. ¿Cuál es la fuerza centrípeta sobre la piedra? ¿Se ejerce sobre la piedra alguna fuerza que la impulse hacia fuera? Resp. 2630 N, no 10.10. Un objeto de 5 kg oscila describiendo un círculo hori zontal con una rapidez de 30 m/s. ¿Cuál es el radio de su trayectoria si la fuerza centrípeta es de 2000 N? 10.11. Dos masas de 8 kg están unidas en el extremo de una varilla de aluminio de 400 mm de longitud. La varilla está sostenida en su parte media, gira en cír culos y sólo puede soportar una tensión máxima de 800 N. ¿Cuál es la frecuencia máxima de revolu ción? Resp. 3.56 rev/s 10.12. Una camisa mojada de 500 g gira contra la pared interna de una máquina lavadora a 300 rpm. El diá metro del tambor giratorio es de 70 cm. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza resultante sobre la camisa? 10.13. Un corredor de 70 kg recon-e una pista de 25 m de radio con una rapidez de 8.8 m/s. ¿Cuál es la fuerza central que hace al corredor describir la curva y a qué se debe esa fuerza? Resp. 217 N, a la fricción 10.14. En una carrera de trineos realizada durante la olim piada de invierno, un equipo toma una curva de 24 ft de radio con una rapidez de 60 mi/h. ¿Cuál es la aceleración? ¿A cuántas g están sometidos los tripu lantes? 216 C apitulólo Resumen y repaso
- 237. 10.15. En un día lluvioso, el coeficiente de fricción estática entre los neumáticos y la carretera es de sólo 0.4. ¿Cuál es la rapidez máxima a la que puede transitar un automóvil en una curva de 80 m de radio? Resp. 63.8 km/h 10.16. Un autobús toma una curva de 120 m de radio con una rapidez de 96 km/h. Si ésta es la rapidez a la que comienza a derrapar, ¿cuál es el coeficiente de fricción estática entre los neumáticos y la carretera? 10.17. Halle el coeficiente de fricción estática necesario para mantener un movimiento a 20 m/s en una cur va cuyo radio es de 84 m. Resp. 0.486 10.18. Un niño de 20 kg se sienta a 3 m del centro de una plataforma giratoria. Si /xv= 0.4, ¿cuál es el máxi mo número de revoluciones por minuto que puede alcanzar la plataforma antes que el niño resbale? 10.19. Una plataforma gira libremente a 100 rev/m. Si el coeficiente de fricción estática es 0.5, ¿a qué distan cia del centro de la plataforma se puede colocar un perno sin que resbale? Resp. 4.45 cm 10.20. Calcule el ángulo del peralte óptimo para que el au tomóvil transite por la curva descrita en el problema 10.15 sin derrapar. 10.21. Halle el ángulo del peralte óptimo para evitar que el autobús del problema 10.16 derrape. Resp. 31.2° 10.22. Se ha encontrado que el ángulo de peralte óptimo para una curva de 20 m de radio es de 28°. ¿Para qué rapidez fue proyectado este ángulo? 10.23. En un camino de 9 m de ancho hay una curva cuyo radio es de 96 m. ¿Cuánto más alto debe estar el borde externo respecto al interno para que un auto móvil pueda transitar por la curva a la rapidez ópti ma de 40 km/h? Resp. 1.17 m Sección 10.5 El péndulo cónico 10.24. Un péndulo cónico oscila describiendo un círculo horizontal de 30 cm de radio. ¿Qué ángulo forma el cordón del péndulo respecto a la vertical cuando la rapidez lineal de la masa es de 12 m/s? 10.25. ¿Cuál es la rapidez lineal de los contrapesos ilustra dos en la figura 10.16 si L = 20cmy 6 = 60o? ¿Cuál es la frecuencia de revolución? Resp. 1.71 m/s, 1.58 rev/s Sección 10.4 Cálculo del peralte de curvas 10.26. Si la longitud de L en la figura 10.16 es de 60 cm, ¿qué velocidad se requiere para que los contrapesos se muevan formando un ángulo de 30° con la vertical? 10.27. Cada uno de los contrapesos de la figura 10.16 tiene una masa de 2 kg. La longitud L es de 40 cm y el eje gira a 80 rev/min. ¿Cuál es la tensión en cada brazo? ¿Cuál es el ángulo 61 ¿Cuál es la altura hl Resp. 56.1 N, 69.6°, 14 cm 10.28. En la figura 10.16, suponga que L = 6 in, que el peso de cada contrapeso es 1.5 Ib y que el eje gira a 100 rev/min. ¿Cuál es la tensión en cada brazo? ¿Cuál es el ángulo 61 ¿Cuál es la distancia hl 10.29. Considere las “sillas voladoras” de la figura 10.17. La longitud L = 10 m y la distancia a = 3 m. ¿Cuál tendrá que ser la velocidad tangencial de la silla para que la cuerda forme un ángulo de 30° con la vertical? Resp. 6.73 m /s 10.30. ¿Cuál será la frecuencia de revolución del columpio de la figura 10.17 si el ángulo 8 es igual a 25o? Sección 10.6 Movimiento en un círculo vertical 10.31. Una piedra yace en el fondo de un cubo que se mue ve describiendo un círculo vertical de 70 cm de ra dio. ¿Cuál es la menor rapidez a la que debe mover se el cubo en la parte superior del círculo para que la piedra no se salga de él? Resp. 2.62 m/s 10.32. Una piedra de 1.2 kg está atada al extremo de una cuerda de 90 cm de longitud. A continuación, la piedra se hace girar con una rapidez constante des cribiendo un círculo vertical. ¿Cuál es la velocidad crítica que la cuerda debe alcanzar en la parte supe rior de la trayectoria para no perder su tensión? C apitulólo Resumen y repaso 217
- 238. 10.33. Suponga que la piedra del problema 10.32 se mueve con una rapidez constante de 8 m/s describiendo un círculo vertical. ¿Cuáles son las tensiones de la cuerda cuando está en la parte superior y en la infe rior del círculo? Resp. 73.6 N, 97.1 N *10.34. El piloto de pruebas de la figura 10.18 se lanza en picada a 620 ft/s y describe una curva de 2 800 ft de radio. Si el piloto pesa 160 Ib, ¿qué aceleración ex perimentará en el punto más bajo del círculo? ¿Cuál es la fuerza que ejerce el asiento sobre el piloto? Figura 10.18 Fuerzas que soporta un avión en los límites superior e inferior de un rizo vertical. 10.35. Si el piloto del problema 10.34 no está sujeto a una aceleración mayor que siete veces la gravedad (7 g), ¿cuál es la velocidad máxima para salir del descen so en un rizo de 1 km de radio? Resp. 943 km/h 10.36. Una pelota de 3 kg oscila describiendo un círculo vertical en el extremo de un cordón de 8 m. Cuando llega a la parte más alta de su trayectoria, su veloci dad es de 16 m/s. ¿Cuál es la tensión en el cordón? ¿Cuál es la velocidad crítica en el punto más alto? 10.37. Una niña de 36 kg ocupa el asiento de un columpio que está sujeto por dos cadenas de 20 m de longitud cada una. Si una persona suelta a la niña desde una posición 8 m por debajo del punto más alto del colum pio, ¿qué fuerza ejercerá éste sobre la niña cuando ella pase por el punto más bajo? Resp. 776 N Sección 10.7 Gravitación 10.38. ¿Qué distancia debe haber entre un peso de dos to neladas y un peso de tres ton si su fuerza de atrac ción mutua es igual a 0.0004 Ib? 10.39. Una masa de 4 kg se encuentra a una distancia de 8 cm de una masa de 2 kg. Calcule la fuerza de atrac ción gravitacional entre las dos masas. Resp. 8.34 X 10~8 N 10.40. Una masa de 3 kg está colocada a 10 cm de una masa de 6 kg. ¿Cuál es la fuerza gravitacional resultante sobre una masa de 2 kg colocada en el punto medio de una recta que une las dos primeras masas? 10.41. La aceleración debida a la gravedad en un planeta distante es de 5.00 m /s2y el radio del planeta es de 4560 km aproximadamente. Use la ley de la gravi tación para estimar la masa de ese planeta. Resp. 1.56 x 102 4 kg *10.42. La masa de la Tierra es aproximadamente 81 veces mayor que la de la Luna. Si el radio de la Tierra es cuatro veces mayor que el de la Luna, ¿cuál es la aceleración debida a la gravedad en la Luna? *10.43. Dos masas, una de 60 kg y otra de 20 kg, están a una distancia de 10 m. ¿En qué punto de la recta que une a estas dos cargas se puede colocar otra masa de manera que la fuerza resultante sobre ella sea cero? Resp. a 6.34 m de la masa de 60 kg Sección 10.10 Leyes de Kepler 10.44. ¿Qué rapidez debe tener un satélite para que descri ba una órbita circular de 800 km sobre la superficie de la Tierra? 10.45. La masa de Júpiter es de 1.90 X 102 7kg y su radio mide 7.15 X 107m. ¿Qué rapidez debe alcanzar una nave espacial para volar en círculos a una altura de 6.00 X 107m sobre la superficie de Júpiter? Resp. 31 000 m/s (69 800 mi/h, aproximadamente) 10.46. ¿Cuál es la rapidez orbital de un satélite cuya órbi ta se encuentra 1200 km sobre la superficie de la Tierra? 10.47. El radio de la Luna es de 1.74 X 106m y la acelera ción debida a la gravedad es de 1.63 m /s2. Aplique la ley de la gravitación universal para hallar la masa de la Luna. Resp. 7.40 X 102 2 kg 10.48. Un satélite se halla a una distancia de 900 km sobre la superficie de la Tierra. ¿Cuál es el periodo del movimiento del satélite? 10.49. ¿A qué distancia sobre la superficie de la Tierra debe estar un satélite para que complete una vuelta alrededor de nuestro planeta en un lapso de 28 h? Resp. 4.04 X 107 m Problemas adicionales 10.51. ¿Que aceleración centrípeta se necesita para mover 10.50. ¿A qué frecuencia ha de girar una bola de 6 Ib en un una masa de 2.6 kg en un círculo horizontal de 300 radio de 3 ft para producir una aceleración centrípe- mm de radio si su rapidez lineal es de 15 m/s? ¿Cuál ta de 12 ft/s2? ¿Cuál es la tensión en la cuerda? es la fuerza centrípeta? Resp. 750 m /s2, 1950 N 218 Capitulólo Resumen y repaso
- 239. 10. 52. ¿Cuál debe ser la rapidez de un satélite colocado 1000 mi sobre la superficie de la Tierra si se tiene que desplazar en una trayectoria circular? 10.53. Una pelota de 2 kg oscila describiendo un círculo vertical en el extremo de un cordón de 2 m de largo. ¿Cuál deberá ser la velocidad crítica en la parte más alta de la órbita para que ésta conserve su forma circular? Resp. 4.43 m /s 10.54. Una piedra de 4 kg oscila a la rapidez constante de 10 m/s en un círculo vertical en el extremo de un cordón de 1.4 m. ¿Cuáles son las tensiones en el cordón en la parte más alta y en la más baja de esa trayectoria circular? 10.55. ¿Qué frecuencia de revolución se necesita para que los contrapesos de la figura 10.16 se levanten hasta una distancia vertical de 25 mm por encima de su posición más baja? Suponga que L = 150 mm. Resp. 84.6 rev/min 10.56. La masa combinada de una motocicleta y su con ductor es de 210 kg. Si el motociclista va a tomar un círculo vertical completo de 6 m de radio, ¿cuál ten drá que ser la rapidez crítica en el punto más alto? 10. 57. Si la rapidez en la parte más alta del círculo descrito en el problema 10.56 es de 12 m/s, ¿cuál es la fuer za normal en el punto más alto del círculo? Resp. 2980 N 10. 58. El límite de rapidez en cierta curva de 200 ft de ra dio es 45 mi/h. ¿Cuál es el ángulo de peralte óptimo para esa curva? ¿Las carreteras están construidas en realidad de acuerdo con sus ángulos óptimos? 10.59. En el péndulo cónico mostrado en la figura 10.17, suponga que íi = 2 m y L = 4 m. ¿Qué rapidez lineal se requiere para que en su oscilación se des place hasta un ángulo de 20o? Resp. 3.47 m/s Preguntas para la reflexión crítica 10.60. Una moneda yace en una plataforma giratoria a una distancia de 12 cm del centro de rotación. Si el coe ficiente de fricción estática es de 0.6, ¿cuál es la máxima frecuencia de rotación para que la moneda no resbale? Supongamos que la frecuencia se redu ce a la mitad. ¿A qué distancia del centro se puede colocar ahora la moneda? Resp. 1.11 rev/s, 48 cm * 10. 61. El aparato de laboratorio que se ilustra en la figu ra 10.19 permite que una masa giratoria estire un resorte, de modo que el cordón de soporte quede en posición vertical con una frecuencia de rotación específica. Supongamos que la masa del peso osci lante es 400 g y el radio de revolución es de 14 cm. Por medio de un cronómetro se ha observado que el tiempo que corresponde a 50 revoluciones es 35 s. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la fuerza que actúa sobre el peso oscilante? 10.62. En el problema 10.61, suponga que se agrega una masa de 100 g a la masa de 400 g del peso oscilante. La fuerza necesaria para estirar el resorte sería la misma que antes, pero la masa de rotación se habrá incrementado. ¿Qué cambia cuando se realiza de nuevo el experimento, de modo que la fuerza cen trípeta sea la misma que en el caso anterior? ¿Sobre qué actúa la fuerza centrípeta en este experimento? *10.63. Una plataforma de 10 in de diámetro gira a 78 rev/min. Un insecto yace sobre ella a 1 in del borde exterior. Si el insecto pesa 0.02 Ib, ¿qué fuerza actúa sobre él? ¿De dónde proviene esa fuerza? ¿Hacia dónde deberá desplazarse el insecto para reducir di cha fuerza a la mitad? 10.64. El diámetro de Júpiter es 11 veces mayor que el de la Tierra y su masa es casi 320 veces mayor que la de nuestro planeta. ¿Cuál es la aceleración debida a la gravedad cerca de la superficie de Júpiter? Resp. 25.9 m/s2 10.65. Suponga que L = 50 cm y m = 2 kg en la figura 10.16. ¿Cuántas revoluciones por segundo se nece sitan para que se forme un ángulo 6 = 30o? ¿Cuál es la tensión en la varilla de soporte en ese punto? Resp. 0.757 rev/s, 22.6 N *10.66. Un bloque de 9 kg ha sido colocado en la platafor ma de un camión que transita por una curva de 86 m de radio. Suponga que fi = 0.3 y que ¡xs = 0.4. ¿La fuerza de fricción sobre el bloque actúa acercándose al centro de la curva o alejándose de él? ¿Cuál es la máxima rapidez a la que puede tomar la curva el camión sin que derrape? Si el camión toma la curva a una rapidez mucho mayor, ¿cuál será la fuerza re sultante sobre el bloque? Capitulólo Resumen y repaso 219
- 240. Las turbinas de viento como la que se muestran en esta figura, pueden generar una energía considerable que no perjudica el ambiente y es renovable. Estas fuentes de energía representan 20 por ciento de las necesidades energéticas de Dinamarca. Los conceptos de aceleración rotacional, velocidad angular, desplazamiento angular, inercia rotacional y otros temas estudiados en este capítulo son útiles para describir la operación de las turbinas de viento. {Foto © vol. 29 PhotoDisc! Getty.) Rotación de cuerpos rígidos 220
- 241. 11.1 Desplazamiento angular 221 Figura 11.1 El desplazamiento angular 6 se indica por la porción sombreada del disco. El desplazamiento angular es el mismo de C a D que de A a B para un cuerpo rígido. Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Definirá el desplazamiento angular, la velocidad angular y la aceleración angu lar, y aplicará estos conceptos a la resolución de problemas físicos. 2. Ofrecerá analogías que relacionen los parámetros del movimiento rotacional (9, a, a) con los parámetros del movimiento rectilíneo, y resolverá problemas de ace leración angular de una manera parecida a lo que se aprendió en el capítulo 6, la resolución de problemas sobre aceleración tangencial (consulte la tabla 11.1). 3. Escribirá y aplicará las relaciones entre la rapidez o aceleración lineal y la rapi dez o aceleración angulares. 4. Definirá el momento de inercia de un cuerpo y describirá en qué forma pue den utilizarse esta cantidad y la rapidez angular para calcular la energía cinéti ca rotacional. 5. Aplicará los conceptos de la segunda ley de Newton, trabajo rotacional, po tencia rotacional y cantidad de movimiento angular a la resolución de proble mas físicos. Se ha considerado únicamente el movimiento traslacional, en el que la posición de un objeto cambia a lo largo de una línea recta. Pero es posible que un objeto se mueva en una trayecto ria curva o que tenga un movimiento rotacional. Por ejemplo, las ruedas, ejes, poleas, girós copos y muchos otros dispositivos mecánicos, giran sobre su eje sin que haya movimiento traslacional. La generación y transmisión de potencia casi siempre depende de algún tipo de movimiento rotacional. Es esencial que usted sea capaz de predecir y controlar este tipo de movimiento. Los conceptos y fórmulas que se presentan en este capítulo serán útiles para que adquiera estas habilidades esenciales. Desplazamiento angular El desplazamiento angular de un cuerpo describe la cantidad de rotación. Si el punto A en el disco giratorio de la figura 11.1 gira sobre su eje hasta el punto B. el desplazamiento angular se denota por el ángulo 8. Hay varias formas de medir este ángulo. Ya nos hemos familiarizado con las uni dades de grados y revoluciones, las cuales están relacionadas de acuerdo con la definición 1 rev = 360° Ninguna de estas unidades es útil para describir la rotación de cuerpos rígidos. Una medida más fácil de aplicar el desplazamiento angular es el radián (rad). Un ángulo de 1 rad es un ángulo central cuyo arco 5es igual en longitud al radio R (véase la figura 11.2). Es más común que el radián se defina por la siguiente ecuación: o - s R (11.1) (a) (b) (c) Figura 11.2 Medida del desplazamiento angular y una comparación de unidades.
- 242. 222 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos donde s es la longitud de arco de un círculo descrito por el ángulo 6. Puesto que el cociente s entre R es la razón de dos distancias, el radián es una cantidad sin unidades. El factor de conversión que permite relacionar radianes con grados se encuentra consi derando un arco de longitud 5 igual al perímetro o circunferencia de un círculo 2itR. Dicho ángulo en radianes se obtiene a partir de la ecuación (11.1) 2itK 0 = — — = 2tt rad Así tenemos, de donde se observa que 1 rev = 360° = 2 i t rad 360° 1 rad = ----- = 57.3° 2tt Ejemplo 11.1 Un extremo de una cuerda se ata a una cubeta de agua y el otro extremo se enrolla muchas veces alrededor de un carrete circular de 12 cm de radio. ¿Cuántas revoluciones del carrete se requiere para levantar la cubeta a una distancia vertical de 5 m? Plan: La distancia vertical de elevación debe ser igual a la longitud de la cuerda envuelta alrededor del carrete de modo que la longitud de arco s = 5 m. Primero se calcula la rota ción en radianes necesarios para una longitud de arco de 5 m. Recuerde establecer el modo de radianes en su calculadora (normalmente está en modo de grados). Más adelante una conversión de este ángulo a revoluciones dará la respuesta buscada. Solución: Apartir de la ecuación (11.1), obtenemos s 5 m 6 = - = --- R 0.12 m = 41.7 rad Recordemos que 1rev = 2 tt rad, se hace la conversión para hallar el ángulo en revoluciones. , 1 rev , = 41.7 rad( i ------ 7 I = 6.63 rev y2ir rady Por tanto, aproximadamente seis revoluciones dos tercios levantarán la cubeta 5 m. jf" Un asiento en el perímetro de una rueda de la fortuna en la feria experimenta un despla zamiento angular de 37°. Si el radio de la rueda es 20 m, ¿qué longitud de arco describe el asiento? Pía n: Dado que el desplazamiento angular se definió en función de los radianes, los gra dos deben convertirse a radianes. La longitud de arco puede entonces determinarse al resolver la ecuación (11.1) para s. 9 = (37°) 277 rad 360° = 0.646 rad La longitud de arco está dada por s = R6 = (20 m)(0.646 rad) s = 12.9 m La unidad radián desaparece porque representa una relación de longitud a longitud (m/m = 1).
- 243. 11.2 Velocidad angular 223 Velocidad angular Ejemplo 11.3 A la razón de cambio del desplazamiento angular con respecto al tiempo se le llama velocidad angular. Por lo tanto, si un objeto gira a través de un ángulo 9 en un tiempo t, su velocidad angular media está dada por 9 co = — Velocidad angular (11.2) El símbolo co(letra griega omega) se usa para denotar la velocidad angular. Cuando una barra aparece sobre el símbolo, indica que la velocidad angular es un valor medio. Aun cuando la velocidad angular puede expresarse en revoluciones por minuto (rpm) o revoluciones por segundo (rev/s), en la mayoría de los problemas físicos es necesario utilizar radianes por segundo para adaptarse a la opción básica del desplazamiento angular 9 en radianes. Tenga en mente que la velocidad angular puede estar en el sentido de las manecillas del reloj o con trasentido; es decir, tiene dirección. Debemos elegir una dirección positiva para la rotación y sustituir los signos que concuerden con esa elección. Puesto que la velocidad de rotación en gran número de problemas técnicos se expresa en términos revoluciones por minuto o revoluciones por segundo, es conveniente hallar una ex presión para la conversión a radianes por segundo. Si la frecuencia de revoluciones en rev/s se denota por medio del símbolo/, la velocidad angular en rad/s está dada por tu = 2tTf (11.3) Si la frecuencia está en rpm en vez de rev/s, el factor de conversión es (2-77-/60). : La rueda de una bicicleta tiene de radio de 33 cm y gira 40 revoluciones en 1 min. ¿Qué distancia lineal recorrerá la bicicleta en 30 s? Plan: Primero se convertirá la velocidad angular de la rueda a radianes por segundo. Luego podemos usar la definición de velocidad media para calcular la longitud de arco .y descrita por un punto en el borde de la rueda. Esta distancia será la misma que la recorrida por la bicicleta a lo largo de una trayectoria horizontal. Solución: Primero se convierte la frecuencia de rpm a rev/s. (40 re v f 1 m in / = -— — - 7Z— = 0.667 rev/s 1 min / V 60 s J Sustituyendo esta frecuencia en la ecuación (11.3) se obtiene la velocidad angular. a — 2rrf = (2-tt rad)(0.667 rev/s) = 4.19 rad/s Ahora bien, se vuelve a escribir la ecuación (11.1) y la ecuación (11.2), con lo cual se obtiene s = 9R y 9 = cot Esto significa que la distancia i es s = (cot)R = (4.19 rad/s)(30 s)(0.33 m) 5 = 41.5 m Es importante observar que la velocidad angular descrita por la ecuación (11.2) represen ta un valor medio (o un valor constante). La misma distinción se debe hacer entre la veloci dad angular instantánea y la media tal como se estudió en el capítulo 6 para las velocidades instantáneas y medias.
- 244. 224 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos Aceleración angular Al igual que el movimiento rectilíneo, el movimiento rotacional puede ser uniforme o ace lerado. La velocidad de la rotación puede aumentar o disminuir bajo la influencia de un mo mento de torsión resultante. Por ejemplo, si la velocidad angular cambia de un valor inicial co a un valor final w en un tiempo t, la aceleración angular es COf — OÚQ a = ---------- t La letra griega a {alfa) denota la aceleración angular. Una forma más útil de esta ecuación es co f = co0 + at (H.4) Al comparar la ecuación (11.4) con la ecuación (6.4) para la aceleración lineal se verá que sus formas son idénticas si establecemos analogías entre los parámetros angulares y li neales. Ahora que hemos introducido el concepto de velocidades angulares inicial y final, pode mos expresar la velocidad angular media en términos de sus valores inicial y final: COf + COq co = 2 Al sustituir esta igualdad para co en la ecuación (11.2) se obtiene una expresión más útil para el desplazamiento angular: / co*+ co0 e = m = — jt (H.5) Esta ecuación es similar a una ecuación deducida para el movimientorectilíneo. En realidad, las ecuaciones parala aceleración angular tienen la misma forma básica quelas que se obtu vieron en el capítulo 6 para la aceleración lineal si establecemos las siguientes analogías: ^ (m) 8 (rad) v(m/s) w (rad/s) a (m/s2) < -» ■a (rad/s2) El tiempo, desde luego, es el mismo para ambos tipos de movimiento y se mide en segundos. La tabla 11.1 ilustra las similitudes entre el movimiento rotacional y el rectilíneo. Tabla 11.1 Com paración de las fórm ulas de la aceleraciones lineal y la aceleración angular. Aceleración lineal constante Aceleración angular constante v o + v f (1) * - ( — )t (2) Vf = v0 + at (3) i- = v0f + —at2 9 = Ü .1 :T COf = Ú J0 + Cít 1 , 9 = a> nt -1 — a t (4) s = vft ~ —at2 6 = co ft ----- a t (5) 2as = j — V q 2a9 = cúj — o)5
- 245. 11.3 Aceleración angular 225 Ejemplo 11.4 Al aplicar estas fórmulas, debemos tener cuidado de elegir las unidades apropiadas para cada cantidad. También es importante seleccionar una dirección (en el sentido del avance de las manecillas del reloj o contrario a éste) como positiva y conservarla en forma consistente para asignar los signos apropiados a cada cantidad. W Un volante aumenta su velocidad de rotación de 6 a 12 rev/s en 8 s. Determine la acelera ción angular en radianes por segundo al cuadrado. Plan: Cuando se aplican las ecuaciones para la aceleración angular uniforme, las únicas unidades angulares aceptables son los radianes. Primero debemos cambiar las unidades para las velocidades angulares final e inicial. Luego se organizan los datos dados, se elige una ecuación adecuada y se resuelve para la aceleración angular. Solución: Las velocidades angulares son: ( 2tt ra d í 6 rev "°=27r/=W ¡7A” J =3 7 - 7 rad /s f 2 tt radA /12 rev = 2 = ~Trev^/ s J = rad/s Ahora bien, podemos resolver para a usando la definición de aceleración angular. Dados: & > 0 = 37.7 rad/s; cof = 75.4 rad/s; t = 8 s Encuentre: a = ? Seleccionemos la ecuación (2) de la tabla 11.1 como la ecuación que contiene a y no 8. Al resolver para a obtenemos wf ~ wo 75.4 rad/s —37.7 rad/s a = —--------= -------------- ---------------- t 8 s a = 4.71 rad/s2 Ejemplo 11.5 ÍP füna rueda de esmeril que gira inicialmente a 6 rad/s recibe una aceleración-constante de 2 rad/s2durante 3 s. Determine su desplazamiento angular y su velocidad angular final. Plan: Organice los datos dados, seleccione la ecuación apropiada y resuelva para obtener los valores desconocidos. Dados: = 6 rad/s: a = 2 rad/s2: t = 3 s Encuentre: 8 = 1 Solución: Vq La ecuación (3) contiene a y no cof. El desplazamiento angular es ,2 f = c ú q í + at~ 2 0 = (6rad/s)(3 s) + —(2 rad/s2)(3 s)2 = 27.0 rad La velocidad angular final co f se obtiene a partir de la ecuación (2) cúf = cú0 + a t = 6 rad/s + (2 rad/s2)(3 s) = 12.0 rad/s
- 246. 226 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos 11.4 y =0 ^ 1 - II 3 r / V 7 ,v1 v - - t Relación entre Sos movimientos rotacional y rectilíneo El eje de rotación de un cuerpo rígido que gira se puede definir como la línea de partículas que permanecen estacionarias durante la rotación. Se puede tratar de una línea a través del cuerpo, como en el caso de un trompo, o puede ser una línea a través del espacio, como un aro en rotación. En cualquier caso, nuestra experiencia nos dice que cuanto más lejos está la partícula del eje de rotación, mayor es su velocidad tangencial. Este hecho se expresó en el capítulo 10 mediante la fórmula v = 27rfR donde/es la frecuencia de rotación. Ahora deduzcamos una relación similar en términos de velocidad angular. La partícula de la figura 11.3 gira a través de un arco .9que se describe como 5 = dR a partir de la ecuación (11.1). Si la distancia es recorrida en un tiempo t, la velocidad tangen cial de la partícula está dada por s_ _ QR t t v = Puesto que 6/t = co, la velocidad tangencial se puede expresar como una función de la velo cidad angular. Figura 11.3 Relación entre velocidad angular y velocidad tangencial. v = coR (11.6) Este resultado también proviene de la ecuación (11.3), en la cual la velocidad angular se ex presa como una función de la frecuencia de revolución. Ejemplo 11.6 W Un eje de tracción tiene una velocidad angular de 60 rad/s. ¿A qué distancia del eje deben colocarse unos contrapesos para que éstos tengan una velocidad tangencial de 12 m/s? Solución: Al despejar R en la ecuación (11.6), obtenemos v 12 m/s R = — = ---------- = 0.200 m 60 rad/s Consideremos de nuevo una partícula que se mueve en un círculo de radio R y suponga mos que la velocidad tangencial cambia de cierto valor inicial voal valor final vfen un tiempo t. La aceleración tangencial aTde dicha partícula está dada por vf ~ v0 aT = --------- Debido a la estrecha relación entre la velocidad tangencial y la angular, como quedó represen tado en la ecuación (11.6), podemos expresar también la aceleración tangencial en función de un cambio en la velocidad angular. wfR — o ¡)0R cúf — a > 0 ciT = —------------= —---------R t t o bien aT = aR (11.7) donde a representa la aceleración angular.
- 247. 11.5 Energía cinética rotacional; momento de inercia 227 Figura 11.4 Relación entre las aceleraciones tangencial y centrípeta. Ejemplo 11.7 Debemos ser cuidadosos en distinguir entre la aceleración tangencial, como quedó defi nida en la ecuación (11.7), y la aceleración centrípeta definida por (11.8) v a = — c R La aceleración tangencial representa un cambio en la velocidad tangencial, mientras que la aceleración centrípeta representa tan sólo un cambio en la dirección del movimiento. La distinción se muestra gráficamente en la figura 11.4. La aceleración resultante puede determi narse calculando el vector suma de las aceleraciones tangencial y centrípeta. y Calcule la aceleración resultante de una partícula que se mueve en un círculo de radio 0.5 m en el instante en que su velocidad angular es 3 rad/s y su aceleración angular es 4 rad/s2. Pía n: Trazaremos un esquema similar a aquel de la figura 11.4, luego determinaremos la velocidad tangencial v como el producto coR. La aceleración centrípeta a entonces se determinará a partir de la ecuación (11.8). La aceleración tangencial aTestá dada por la ecuación (11.7). La resultante de estos vectores perpendiculares darán la aceleración angular neta. Solución: Dado que R = 0.5 m y a >—3 rad/s, obtenemos v = coR = (3 rad/s)(0.5 m) = 1.50 m/s La aceleración centrípeta a partir de la ecuación (11.8), es, por tanto, v ~ R (1.50 m/s)2 , = 4.50 m/s2 (0.5 m) Ahora bien, de la ecuación (11.7), la aceleración tangencial es aT = aR = (4 rad/s2)(0.5 m); aT = 2.00 m/s2 Por último, la magnitud de la aceleración resultante se obtiene del teorema de Pitágoras. a = V a2 T + a- = V(2.00 m/s2)2 + (4.50 m/s2)2 a = 4.92 m/s2 La dirección de la aceleración, si lo desea puede obtenerse a partir de sus componentes en la forma usual. Energía cinética rotacional: momento de inercia Hemos visto que una partícula que se mueve en un círculo de radio R tiene una rapidez lineal dada por v = coR Si la partícula tiene una masa m, tendrá una energía cinética que se obtiene por K = ~mv2 = - mco2R2 2 2 Un cuerpo rígido como el de la figura 11.5 se puede considerar formado por muchas partí culas de diferentes masas localizadas a diversas distancias del eje de rotación O. La energía
- 248. 228 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos Figura 11.5 Rotación de un cuerpo extenso. El cuerpo puede considerarse como un conjunto de masas individuales que giran con la misma velocidad angular. cinética total de un cuerpo será entonces la suma de las energías cinéticas de cada partícula que forma el cuerpo. Así. K = "V, —mcú2r: 2 Puesto que la constante 5 y la velocidad angular coson las mismas para todas las partículas, se puede reorganizar la ecuación anterior y obtener K = 1 ,(^2 mr^Jco2 La cantidad entre paréntesis, 2 mr2, tiene el mismo valor para uncuerpo dadoindependien temente de suestado de movimiento. Se define esta cantidad comoel momento de inercia y se representa por 7: I = m^r + m2r + m^rj + o bien 7 = 2 m r2 (H .9 ) La unidad del SI para 7es el kilogramo-metro al cuadrado y la unidad del SUEU es el slug-ft cuadrado. Utilizando esta definición, podemos expresar la energía cinética rotacional de un cuerpo en términos de su momento de inercia y de su velocidad angular: 1 , K = - Ico2 (11.10) Note la similitud entre los términos m para el movimiento rectilíneo e 7 para el movimiento rotacional. Calcule el momento de inercia para el sistema ilustrado en la figura 11.6. El peso de las barras que unen las masas es insignificante y el sistema gira con una velocidad angular de 6 rad/s. ¿Cuál es la energía cinética rotacional? (Considere que las masas están concentradas en un punto.) Pían: El momento de inercia del sistema es igual a la suma de los momentos de inercia de cada masa respecto del centro de rotación. La energía cinética rotacional está dada por la ecuación (1 1 .1 0 ) usando el valor calculado para 7.
- 249. 11.6 La segunda ley del movimiento en la rotación 229 Figura 11.6 Cálculo del momento de inercia. Solución: Partiendo de la ecuación (11.9), se obtiene I = ^ mr1 = + m2r + m3r + m^rl I = (2 kg)(0.5 m)2 + (4 kg)(0.2 m)2 + (2 kg)(0.5 m)2 + (4 kg)(0.2 m)2 I = 1.32 kg • m2 Usando este resultado y el hecho de que co = 6 rad/s, la energía cinética rotacional está dada por K = = ^ rad/s)2 o K = 23.8 J Para cuerpos que no están compuestos por masas separadas, sino que son en realidad distribuciones continuas de materia, los cálculos del momento de inercia son más difíciles y generalmente requieren conocimientos de cálculo integral. En la figura 11.7 se muestran algunos casos sencillos, junto con las fórmulas para calcular sus momentos de inercia. A veces es conveniente expresar la inercia rotacional de un cuerpo en términos de su radio de giro k. Esta cantidad se define como la distancia radial del centro de rotación a la circunferencia en la cual se puede considerar concentrada la masa total del cuerpo sin cambiar su momento de inercia. De acuerdo con esta definición, el momento de inercia se calcula a partir de la fórmula, I = mk2 (11.11) donde m representa la masa total del cuerpo que gira y A :es su radio de giro. La segunda ley del movimiento en la rotación Suponga que analizamos el movimiento de rotación de un cuerpo rígido en la figura 11.8. Considere a una fuerza F que actúa sobre la pequeña masa m, indicada por la porción som breada del objeto, a una distancia r del eje de rotación. La fuerza F aplicada en forma perpendicular a r hace que el cuerpo gire con una acele ración tangencial: aT = ar donde a es la aceleración angular. Partiendo de la segunda ley de Newton del movimiento, F = maT = mar Al multiplicar ambos lados de esta relación por r queda Fr = (mr)c¿ La cantidad Fr se reconoce como el momento de torsión producido por la fuerza F con res pecto al eje de rotación. Por lo tanto, para la masa m escribimos
- 250. 230 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos (a) Aro delgado 7= mi?2 (b) Aro delgado alrededor de uno de sus diámetros 1=-l -mR2 (c) Disco sólido T—_L™ E>2 (d) Cilindro sólido /= y m i?2 (e) Cilindro hueco 1=m(R+R$) (f) Barra delgada, eje a través de su centro /= -Lmi2 (g) Barra delgada, eje en uno de sus extremos 1=—mi2 (h) Esfera sólida, eje en su diámetro /= 4 m i?2 (i) Esfera hueca de pared delgada / = f mR2 Figura 11.7 Momentos de inercia de algunos cuerpos con respecto a sus ejes indicados. Figura 11.8 La segunda ley de Newton para el movimiento de rotación establece la relación entre el mo mento de torsión Fr y la aceleración angular a.
- 251. 11.6 La segunda ley del movimiento en la rotación 231 Ejemplo 11.9 Se puede deducir una ecuación similar para todas las demás porciones del objeto que gira. Sin embargo, la aceleración angular será constante para cada porción independientemente de su masa o de su distancia al eje. Por consiguiente, el momento de torsión resultante en todo el cuerpo es r = m r^ja o bien, T — I(X (11.12) Momento de torsión = momento de inercia X aceleración angular Observe la similitud de la ecuación (11.12) con la segunda ley del movimiento rectilíneo, F = ma. La ley del movimiento rotacional de Newton se enuncia como sigue: Un momento de torsión resultante aplicado a un cuerpo rígido siempre genera una aceleración angular que es directamente proporcional al momento de tor sión aplicado e inversamente proporcional al momento de inercia del cuerpo. Al aplicar la ecuación (11.12), es importante recordar que el momento de torsión producido por una fuerza es igual al producto de su distancia al eje por la componente perpendicular de la fuerza. También debe recordarse que la aceleración angular se expresa en radianes por segundo por segundo. Y Un disco de esmeril de radio 0.6 m y 90 kg de masa gira a 460 rpm. ¿Qué fuerza de fric ción, aplicada en forma tangencial al borde, hará que el disco se detenga en 20 s? Plan: La inercia rotacional / puede determinarse a partir de la fórmula para un disco dada en la figura 11.7. Por tanto, la aceleración angular a puede calcularse del cambio en la velocidad angular por unidad de tiempo. Para hallar la fuerza F en el borde, recordaremos que el momento de torsión (.FR) debe ser igual al producto la, de acuerdo con la segunda ley de Newton. Solución: La inercia rotacional de un disco es I = —mR2 = —(90 kg)(0.60 m)2 = 16.2 kg • m2 Al convertir 460 rpm a unidades de rad/s, la velocidad angular inicial se escribe como ( rev ( 2 i t r a d / 1 m in W° ~ V46° m iñ / rev A 60 s / W ° ~ ~ 4§'2 rad/S Observe que cof = 0 y t = 20 s, es posible hallar la aceleración angular a. o 0 — (48.2 rad/s) a = —---------= ---------------------- - t 20 s = -2.41 rad/s2 A partir de la segunda ley de Newton, recordemos que el momento de torsión resultan te (t = FR), debe ser igual al producto de la inercia rotacional y la aceleración angular (r = la). Por tanto, la FR = la o F = — R (16.2 kg • m2)(—2.41 rad/s2) F = --------- ------- ------------------ - = -65.0 N 0.60 m El signo negativo aparece debido a que la fuerza debe tener una dirección opuesta a la dirección de rotación del disco.
- 252. 232 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos Figura 11.9 Trabajo y potencia en el movimiento de rotación. Trabajo y potencia rotacionales En el capítulo 8 se definió el trabajo como el producto de un desplazamiento por la compo nente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Ahora consideremos el trabajo reali zado en el desplazamiento rotacional bajo la influencia de un momento de torsión resultante. Considere la fuerza F que actúa al borde de una polea de radio r, como muestra la figura 11.9. El efecto de dicha fuerza es hacer girar la polea a través de un ángulo 9 mientras el punto en el que se aplica la fuerza se mueve una distancia s. La longitud de arco 5 se relaciona con 9 mediante s = rd Así, el trabajo de la fuerza F es por definición Trabajo = Fs = FrO pero Fr es el momento de torsión debido a la fuerza, por lo que obtenemos Trabajo = t 9 (11.13) El ángulo 6 debe expresarse en radianes en cualquier sistema de unidades de modo que el trabajo pueda expresarse en libras-pie o joules. La energía mecánica generalmente se transmite en la forma de trabajo rotacional. Cuando hablamos de la potencia de salida que desarrollan las máquinas, lo que nos interesa es la razón de cambio con que se realiza el trabajo rotacional. Por tanto, la potencia rotacional puede de terminarse dividiendo ambos lados de la ecuación (11.13) entre el tiempo ?requerido para que el momento de torsión r lleve a cabo un desplazamiento 9: Potencia = Trabajo r 9 (11.14) Puesto que 9/1representa la velocidad angular media cú, escribimos Potencia = tw (11.15) Observe la similitud entre esta relación y su análoga, P = Fv, obtenida anteriormente para el movimiento rectilíneo. Ambas medidas son una potencia media. Ejemplo 11.10 ET f Una rueda de 60 cm de radio tiene un momento de inercia de 5 kg •m2. Se aplica una fuerza constante de 60 N tangente al borde de la misma. Suponiendo que parte del reposo, ¿qué trabajo se realiza en 4 s y qué potencia se desarrolla? Plan: El trabajo es el producto del momento de torsión por el desplazamiento angular. Primero se calcula el momento de torsión al multiplicar la fuerza del borde por el radio de la rueda. Luego hallamos la aceleración angular a partir de la segunda ley de Newton. Una vez que sabemos la aceleración podemos determinar el desplazamiento lineal, así como el trabajo y la potencia gastados. Solución: La información dada se organiza como sigue: Dados: R = 0.60 m, F = 60 N, I = 5 kg • m2, t = 4 s Encuentre: trabajo y potencia El momento de torsión aplicado al borde de la rueda es r = FR = (60 N)(0.60 m) = 36.0 N • m Enseguida, determinamos a a partir de la segunda ley de Newton (r = la). t 36 N • m a = I 5 kg • m2’ a = 7.20 rad/s“
- 253. 11.8 Rotación y traslación combinadas 233 El desplazamiento angular 8 es 1 9 6 = cont H — a r 2 = 0 + ” (7.20 rad/s2)(4 s)2 = 57.6 rad El trabajo es, por tanto, Trabajo = t6 = (36 N • m)(57.6 rad) = 2070 J Por último, la potencia media es el trabajo por unidad de tiempo, o Trabajo _ 2 070 J 4 s P = 518 W El mismo resultado podría encontrarse si se calcula la velocidad angular media w y se usa la ecuación (11.15). Como ejemplo adicional, podríamos decir que el trabajo realizado es igual al cambio en la energía rotacional. Rotación y traslación combinadas Para comprender la relación entre el movimiento rectilíneo y angular de un objeto que rota, primero considere que un disco circular de radio R se desliza a lo largo de una superficie ho rizontal sin rotación ni fricción. Como se muestra en la figura 11.10a, cualquier pieza de este disco viajará a una velocidad igual a la del centro de la masa. Ahora bien, suponga que el mismo disco rota libremente sin deslizarse por la misma superficie, como en la figura 11.10b. Se requiere más energía para mantener la misma rapidez horizontal, ya que ahora además de rotación hay traslación. Como no hay deslizamiento, el centro de la masa del disco está rotando en relación al punto de contacto P con la misma ve locidad angular que la del disco que está rotando. Así, podemos escribir una relación familiar entre la velocidad tangencial v del centro de la masa del disco y su rapidez rotacional co. v i' = coR o (o = — R Para saber si ha comprendido esta ecuación considere una rueda de bicicleta de 50 cm de radio que rota a 20 rad/s. Verifique que la rapidez horizontal de la bicicleta sea 10 m/s. Al trabajar con problemas que involucran tanto la rotación como la traslación, debemos recordar sumar la energía cinética rotacional KR a la energía cinética trasnacional Kr Por ejemplo, al aplicar el principio de conservación de la energía total, sabemos que el total de todos los tipos de energía antes de un suceso debe ser igual al total después del suceso más cualquier pérdida debida a la fricción o a otras fuerzas disipativas. (U0 + Kto + Kro) = (JJj + KT f + KR f) + (Pérdidas | (11.16) p p (a) (b) Figura 11.10 (a) Todas las partes de un disco en traslación pura se mueven con la velocidad va i¡del centro de masa, (b) Un objeto rodando es una combinación de traslación y rotación de tal forma que la velocidad lineal horizontal está dada por v = uR.
- 254. 234 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos Los subíndices 0 y /s e refieren a los valores inicial y final de la energía potencial U, la ener gía cinética rotacional K y la energía cinética trasnacional Kr El término “pérdidas” puede establecerse como 0 si suponemos que el movimiento es sin fricción. Ejemplo 11.11 i,. Un aro y un disco circular tienen cada uno una masa de 2 kg y un radio 10 cm. Se dejan caer rodando desde el reposo a una altura de 20 m a la parte inferior de un plano inclinado, como se muestra en la figura 11.11. Compare sus rapideces finales. Plan: Como estamos interesados en hallar la rapidez v en la parte inferior del plano incli nado, los parámetros rotacionales se convertirán en sus parámetros lineales correspondien tes. Por ejemplo, la inercia rotacional 1 de un aro es mR~ y la inercia rotacional I de un disco es m R 2. Además, la velocidad rotacional co es la razón v/R. La conservación de energía exige que la suma de energía potencial, cinética y rotacional en la parte superior del plano inclinado debe ser igual a la suma de estas energías en la parte inferior. De esta manera, podemos aplicar primero la ecuación (11.16) para el aro y luego para el disco, suponiendo pérdidas de fricción insignificantes para cada caso. ynv~ Solución: En cada caso, U = mgh; KR = 2 energía sin pérdidas de la fricción da (U0 + Kto + Kro) = (Uf + KTf + KRf) y Kt = lor. La conservación de la 1 1 mgh0 + 0 + 0 = — niVf + —Icof Para el aro: I = mR2, así que al sustituir se obtiene mgh() = -m v 2 + —(m í^)( R*- , 1 2 , 1 7 mgn0 = —mv + —mv Al simplificar y resolver para v, obtenemos V = V gh0 = V (9.8m /s2)(20 m) v = 14.0 m/s 9 Para el disco: I = —mR', y 2 J mgh0 = K nv2 + ^ i : Esto puede resolverse para obtener ;gho -(9.8 m/s')(20 m) o v = 16.2 m/s Observe que aun cuando las masas y los radios son los mismos, el disco tiene una inercia rotacional inferior que da como resultado una rapidez final mayor. Llegará primero a la parte inferior que el anillo. Figura 11.11
- 255. 11.9 Cantidad de movimiento angular 235 ¿Por qué un frisbee que se lanza y gira, vuela, mientras que uno que no gira se cae? La respuesta es la cantidad de movimiento angular. El frisbee que gira tiene una gran cantidad de movimiento angular, con su material más grueso en los bordes. La cantidad de movimiento angular ayuda al disco que gira a vencer los momentos de torsión provocados por las fuerzas dinámicas. Cantidad de movimiento angular Considere una partícula de masa m que se mueve en un círculo de radio r, como muestra la figura 11.12a. Si su velocidad tangencial es v, tendrá una cantidad de movimiento rectilíneo p = mv. Con respecto al eje de rotación fijado, definimos la cantidad de movimiento angular L de la partícula como el producto de su cantidad de movimiento rectilíneo por la distancia perpendicular que va del eje a la partícula que gira. L = mvr (11.17) Ahora consideremos la definición de la cantidad de movimiento angular cuando ésta se aplica a un cuerpo rígido extenso. La figura 11.12b describe este tipo de cuerpo, el cual gira alrededor de su eje O. Cada partícula del cuerpo tiene una cantidad de movimiento angular dado por la ecuación (11.17). Sustituyendo v = cor, cada partícula tiene una cantidad de mo vimiento angular dada por mvr = m(cor)r = (mr2)w Puesto que el cuerpo es rígido, todas las partículas que lo forman tienen la misma velocidad angular, y la cantidad de movimiento angular del cuerpo es Por tanto, la cantidad de movimiento angular total es igual al producto de la velocidad angular del cuerpo por su momento de inercia: L = Ico (11.18) V )m // / / / / / / r / / 0 1 i iG)m j i / / (Ú* - ■ ■ > / 7 r J (a) (b) Figura 11.12 Definición de la cantidad de movimiento angular. Ejemplo 11.12 ST* * Una varilla uniforme delgada mide 1 m de longitud y tiene una masa de 6 kg. Si la varilla se hace girar en su centro y se queda en rotación con una velocidad angular de 16 rad/s, calcule su cantidad de movimiento angular. Solución: El momento de inercia de una varilla delgada es, a partir de la figura 11.7, mi2 (6 kg)(l m)2 I = = --------7T------ = 0.5 kg • m 12 12 Entonces, su cantidad de movimiento angular es L = Ico = (0.5 kg • m2)(16 rad/s) = 8 kg • m2/s Observe que la unidad del SI de la cantidad de movimiento angular es kg •mr/s. La unidad del SUEU es slug • ft2/s.
- 256. 236 Capítulo 11 Rotación de cuerpos rígidos Conservación de la cantidad de movimiento angular Podemos entender mejor la definición de movimiento si regresamos a la ecuación básica para el movimiento angular, t = la. Recuerde la ecuación que define la aceleración angular Cüf — C ú q podemos escribir la segunda ley de Newton como ( a ) f- c o 0 = 1 - Al multiplicar por t, obtenemos V t Tt = IíOf — Iü)0 (11.19) Impulso angular = cambio en la cantidad de movimiento angular El producto Tt se define como impulso angular. Observe la semejanza entre esta ecuación y la que se obtuvo en el capítulo 9 para el impulso lineal. Si no se aplica ningún momento de torsión externo a un cuerpo que gira, podemos esta blecer r = 0 en la ecuación (11.19), y obtener 0 = Iíüf —ICú0 Icüf = Icón -o (11.20) Cantidad de movimiento angularfinal = cantidad de movimiento angular inicial De esta manera, llegamos a un enunciado para expresar la conservación de la cantidad de movimiento angular: Si la suma de los momentos de torsión externos que actúan sobre un cuerpo o sistema de cuerpos es cero, la cantidad de movimiento angular permanece sin cambios. Este enunciado resulta verdadero aun en el caso de que el cuerpo que gira no sea rígido, sino que pueda cambiar su forma de tal modo que su momento de inercia cambie. En este caso, la rapidez angular también cambia de tal modo que el producto Ico siempre es constante. Los pa tinadores, clavadistas y acróbatas controlan la rapidez con que giran sus cuerpos extendiendo o encogiendo sus extremidades para aumentar o disminuir su rapidez angular. Un experimento interesante que ilustra la conservación de la cantidad de movimiento angular se muestra en la figura 11.13. Una mujer está parada sobre una plataforma giratoria y Figura 11.13 Experimento para demostrar la conservación de la cantidad de movimiento angular. La mujer controla su velocidad de rotación moviendo las pesas hacia adentro para aumentar su rapidez rotacional o hacia afuera para disminuirla.
- 257. 11.10 Conservación de la cantidad de movimiento angular 237 Ejemplo 11.13 sostiene unas pesas grandes en cada mano. Al principio, empieza a girar con los brazos com pletamente extendidos. Al acercar las manos a su cuerpo, disminuye su momento de inercia. Dado que la cantidad de su movimiento angular no puede cambiar notará un aumento consi derable en su rapidez angular. Al extender sus brazos podrá disminuir su rapidez angular. *®5>uponga que la mujer que sostiene las pesas con los brazos extendidos en la figura 11.13 tiene una inercia rotacional de 6 kg • m2cuando y que la inercia rotacional disminuye a 2 kg • m2cuando coloca las pesas junto a su cuerpo. Con las pesas en su posición extendida rota a 1.4 rev/s. ¿Cuál será su velocidad de rotación cuando acerca las pesas al cuerpo? Plan: Si no existe momento de torsión externo, el equilibrio rotacional del sistema no cambia. Esto significa que la cantidad de movimiento angular con las pesas extendidas debe ser el mismo que cuando las pesas están cerca de ella. El cambio en la rapidez an gular debe compensar la reducción en la inercia rotacional. Además, si estamos contentos con la velocidad final en rev/s no habrá necesidad de cambiar a rad/s. Solución: La conservación de la cantidad de movimiento angular exige que /o^o >f (6 kg • m2)(l .4 rev/s) IfCOf — I q Cü q o (júf = ------- — ------- — -------= 4.20 rev/s (2 kg • m ) Básicamente observamos que el hecho de disminuir la inercia rotacional a un tercio pro voca que la rapidez angular se triplique con el fin de conservar la cantidad de movimiento angular. Estrategia para resolver problemas Rotación de cuerpos rígidos 1. Es útil saber que los problemas relacionados con la rotación de un cuerpo rígido son similares a los que usted ya ha resuelto para la aceleración lineal constan te. Revise las analogías incluidas en el resumen que se presenta al final de este capítulo. 2. Cuando efectúe conversiones de movimiento rectilí neo a angular o viceversa, recuerde las relaciones si guientes: s ~ 9R v = cúR a = aR Cuando aplique estas relaciones, las medidas angula res deben estar en radianes (rad). 3. Los problemas de aceleración angular uniforme se en focan en la misma forma que se hizo para la acelera ción lineal en el capítulo 6. (Consulte la tabla 11.1.) Basta con que localice tres de las cantidades dadas y seleccione la ecuación apropiada que contenga un solo factor desconocido. Tenga cuidado de usar en forma congruente las unidades para el desplazamiento, la ve locidad y la aceleración. 4 . Las aplicaciones sobre la segunda ley de Newton, el trabajo, la energía, la potencia y la cantidad de movi miento también se abordan de la misma manera como se hizo en capítulos anteriores. Tan sólo recuerde que, para la rotación, utilizamos la inercia rotacional en lugar de la masa lineal y que empleamos medidas angulares para el desplazamiento, la velocidad y la aceleración.
- 258. Resumen En este capítulo ampliamos el concepto de movimiento cir cular para incluir la rotación de un cuerpo rígido formado por muchas partículas. Descubrimos que muchos problemas se pueden resolver por los métodos expuestos anteriormente para el movimiento rectilíneo. Los conceptos esenciales se re sumen a continuación. ° Semejanzas entre el movimiento rotacional y el movi miento rectilíneo: Rotacional e co a I Ico T la t O l r 2 2 reo Rectilíneo s V a 1 7 1 mv F ma Fs 1 2 —m v 2 Fv El ángulo en radianes es la razón entre la longitud de arco s y el radio R del arco. Simbólicamente podemos escribir: s 9 — s — 6R R El radián no tiene unidades y es la razón entre dos longitudes. La velocidad angular, que es la relación de desplazamien to angular, se puede calcular a partir de 9 o de la frecuen cia de rotación: 2irf Velocidad angular fnedia La aceleración angular es la tasa de cambio de la rapidez angular en el tiempo: Aceleración angular Al comparar 9 con s, cocon vy a con a, podemos usar las si guientes ecuaciones en problemas de aceleración angular: Cuando se conocen tres cualesquiera de los cinco pará metros 6, a, t, a > f y a > 0, los otros dos se pueden hallar a partir de una de estas ecuaciones. Elija la dirección de rotación que va a considerar positiva en todos sus cálculos. 8 Las siguientes ecuaciones son útiles cuando se compara el movimiento rectilíneo con el movimiento rotacional: v = ü)R Otras relaciones útiles: aR 7 = 2 mR2 Momento de inercia I = mk2 Radio de giro Trabajo = t 9 Trabajo L = I(ú Cantidad de movimiento angular K = -I(ü¿ 2 Energía cinética rotacional r = la Ley de Newton P = reo Potencia Conseiyación de la cantidad de movimiento Conceptos clave aceleración angular 226 aceleración tangencial 227 cantidad de movimiento angular L 235 conservación de la cantidad de movimiento angular 236 desplazamiento angular 221 eje de rotación 226 energía cinética rotacional 228 momento de inercia 228 movimiento traslacional 221 radián 221 radio de giro k 229 trabajo rotacional 232 velocidad angular 223 238
- 259. Preguntas de repaso 11.1. Elabore una lista de las unidades del SI y el SUEU correspondientes a: velocidad angular, aceleración angular, momento de inercia, momento de torsión y energía cinética rotacional. 11.2. Señale las analogías angulares para las siguientes ecuaciones para el movimiento de traslación: a. = v0 + at 1 7 b. s = v0t + —ar c. F — ma 1 9 d. K = —mv 2 e. Trabajo = Fs f. Potencia = trabajo/r = Fv 11.3. Una esfera, un cilindro, un disco y un aro hueco tienen todos la misma masa y giran con velocidad angular constante en tomo del mismo eje. Compare sus respectivas energías cinéticas rotacionales, su ponga que sus diámetros exteriores son iguales. 11.4. Explique cómo controla sus movimientos una cla- vadista para determinar si va a tocar primero el agua con los pies o con la cabeza. 11.5. Si sujetamos a un gato con las patas hacia arriba y lo soltamos hacia el suelo, siempre dará la vuelta y caerá sobre sus patas; ¿cómo lo logra? 11.6. Cuando se suministra energía a un cuerpo y se pro ducen resultados en términos de traslación y rota ción, su energía cinética total está dada por 1 , 1 , K = — mv -1 — Icj- 2 2 Lo que determina la forma en que se divide la ener gía entre efectos rotacionales y traslacionales es la distribución de la masa (el momento de inercia). A partir de estas declaraciones, ¿cuál de los siguientes objetos llegará primero rodando hasta la parte infe rior de un plano inclinado? a. Un disco sólido de masa M b. Un aro circular de masa M 11.7. Use como referencia la pregunta 11.6. Si una esfera sólida, un disco sólido, un cilindro sólido y un cilin dro hueco, todos con el mismo radio, se sueltan al mismo tiempo desde la parte superior de un plano inclinado, ¿en qué orden llegarán al punto más bajo del plano? 11.8. Un disco cuyo momento de inercia es It y cuya ve locidad angular es se combina con un disco cuyo momento de inercia es I2y cuya velocidad angular es (o2. Escriba la ecuación de la conservación sim bolizando con u¡ su velocidad angular combinada. 11.9. Tome como referencia la pregunta 11.8. Suponga que (o = ft), y I = 2/,. ¿Cómo son sus velocidades combinadas en comparación con su velocidad ini cial? Suponga que col = 3co2e = /7. Problemas Sección 11.3 Aceleración angular y Sección 11.4 Relación entre movimiento rotacional y lineal 11.1. Un cable está enrollado en tomo de un carrete de 80 cm de diámetro. ¿Cuántas revoluciones de este ca rrete se requieren para que un objeto atado al cable recorra una distancia rectilínea de 2 m? ¿Cuál es el desplazamiento angular? Resp. 0.796 rev, 5 rad 11.2. La rueda de una bicicleta tiene 26 in de diámetro. Si esa rueda describe 60 revoluciones, ¿qué distancia rectilínea recorrerá? 11.3. Un punto localizado en el borde de una gran rueda cuyo radio es 3 m se mueve en un ángulo de 31°. Halle la longitud del arco descrito por ese punto. R esp .1.94 m 11.4. Una persona sentada en el borde de una plataforma de 6 ft de diámetro recorre una distancia de 2 ft. Exprese el desplazamiento angular de esa persona en radianes, grados y revoluciones. 11.5. Un motor eléctrico gira a 600 rpm. ¿Cuál es su velo cidad angular? ¿Cuál es el desplazamiento angular después de 6 s? Resp. 62.8 rad/s, 377 rad 11.6. Una polea giratoria completa 12 revoluciones en 4 s. Calcule la velocidad angular media en revoluciones por segundo, revoluciones por minuto y radianes por segundo. 11.7. Un cubo cuelga de una cuerda enrollada con varias vueltas en un carrete circular cuyo radio es de 60 cm. El cubo parte del reposo y asciende hasta una altura de 20 m en 5 s. (a) ¿Cuántas revoluciones giró el carrete? (b) ¿Cuál fue la rapidez angular media del carrete al girar? Resp. (a) 5.31 rev; (b) 6.67 rad/s Capítulo 11 Resumen y repaso 239
- 260. 11.8. Una rueda de 15.0 crn de radio parte del reposo y completa 2.00 revoluciones en 3.00 s. (a) ¿Cuál es la velocidad angular media en radianes por segun do? (b) ¿Cuál es la velocidad tangencial final de un punto situado en el borde de la rueda? 11.9. Un trozo cilindrico de material de 6 in de diámetro gira en un torno a 800 rev/min. ¿Cuál es la veloci dad tangencial en la superficie del cilindro? Resp. 20.9 ft/s 11.10. La velocidad tangencial adecuada para fabricar ma terial de acero es de 70 cm/s aproximadamente. ¿A cuántas revoluciones por minuto deberá girar en un torno un cilindro de acero cuyo diámetro es de 8 cm? 11.11. ¿Cuál es la aceleración angular de la rueda descrita en el problema 11.8? ¿Cuál es la aceleración tan gencial de un punto localizado en el borde de esa rueda? Resp. 2.79 rad/s2, 0.419 m/s2 11.12. Un carrete circular de 40 cm de radio gira inicial mente a 400 rev/min. Luego se detiene por com pleto después de 50 revoluciones. ¿Cuáles fueron la aceleración angular y el tiempo de detención? 11.13. Una correa pasa por la ranura de una polea cuyo diámetro es de 40 cm. La polea gira con una acele ración angular constante de 3.50 rad/s2. La rapidez rotacional es de 2 rad/s en el t = 0. ¿Cuáles son el desplazamiento angular y la velocidad angular de la polea 2 s más tarde? Resp. 11.0 rad, 9.00 rad/s 11.14. En el problema 11.13, ¿cuáles son la rapidez lineal y la aceleración tangencial final de la correa cuando se mueve sobre la ranura de la polea? 11.15. Una rueda gira inicialmente a 6 rev/s y después se somete a una aceleración angular constante de 4 rad/s2. ¿Cuál es su velocidad angular después de 5 s? ¿Cuántas revoluciones completará la rueda? Resp. 57.7 rad/s, 38.0 rev 11.16. Un disco rectificador detiene su movimiento en 40 revoluciones. Si la aceleración de frenado fue de — 6 rad/s2, ¿cuál fue la frecuencia inicial de giro en revoluciones por segundo? 11.17. Una polea de 320 mm de diámetro gira inicialmen te a 4 rev/s y luego recibe una aceleración angular constante de 2 rad/s2. ¿Cuál es la velocidad tan gencial de una correa montada en dicha polea, al cabo de 8 s? ¿Cuál es la aceleración tangencial de la correa? Resp. 6.58 m/s, 0.320 m/s2 *11.18. Una persona que inicialmente se encontraba en re poso, colocada a 4 m del centro de una plataforma giratoria, recorre una distancia de 100 m en 20 s. ¿Cuál es la aceleración angular de la plataforma? ¿Cuál es la velocidad angular al cabo de 4 s? Sección 11.5 Energía cinética rotacional: momento de inercia 11.19. Una masa de 2 kg y una masa de 6 kg están unidas por una barra ligera de 30 cm. Se hace girar el sis tema horizontalmente a 300 rpm en torno a un eje localizado a 10 cm de la masa de 6 kg. ¿Cuál es el momento de inercia en tomo de este eje? ¿Cuál es la energía cinética rotacional? Resp. 0.140 kg m2, 69.1 J 11.20. La rueda de una bicicleta pesa 1.2 kg y tiene 70 cm de radio; además, tiene rayos cuyo peso es insigni ficante. Si parte del estado de reposo y recibe una aceleración angular de 3 rad/s2, ¿cuál será su ener gía cinética rotacional después de 4 s? 11.21. Un disco esmeril de 16 Ib gira a 400 rev/min. ¿Cuál es el radio del disco si su energía cinética es de 54.8 ft • Ib? ¿Cuál es el momento de inercia? Resp. 6.00 ¡n, 0.0625 slug ft2 11.22. ¿Cuál deberá ser el radio de un disco circular de 4 kg si se requiere que su momento de inercia sea igual al de una varilla de 1kg de peso y 1 m de longitud que oscila apoyada en su punto medio? *11.23. La rueda de una carreta mide 60 cm de diámetro y está montada en un eje central sobre el cual gira a 200 rev/min. Se puede considerar que la rueda es un aro circular de 2 kg de masa y cada uno de sus 12 rayos de madera de 500 g puede conside rarse como una varilla delgada que gira sobre sus extremos. Calcule el momento de inercia de toda la rueda. ¿Cuál es su energía cinética rotacional? Resp. 0.360 kg m2, 78.9 J 11.24. Compare la energía cinética rotacional de tres obje tos que tienen radios y masas iguales: un aro circu lar, un disco circular y una esfera sólida. Sección 11.6 Segunda ley de Newton y rotación 11.25. Una cuerda que está enrollada en un carrete circular de 5 kg permite arrastrar objetos con una tensión de 400 N. Si el radio del carrete es de 20 cm y puede girar libremente sobre su eje central, ¿cuál es la ace leración angular? Resp. 800 rad/s2 11.26. El volante de un motor tiene un momento de inercia de 24 slug • ft2. ¿Qué momento de torsión se requie re para acelerar el volante desde el reposo hasta una velocidad angular de 400 rpm en 10 s? 11.27. Una varilla delgada de 3 kg tiene 40 cm de longitud y oscila sobre su punto medio. ¿Qué momento de torsión se requiere para que la varilla describa 20 revoluciones al tiempo que su rapidez de rotación se incrementa de 200 a 600 rev/min? Resp. 0.558 N • m 11.28. Una rueda grande de turbina pesa 120 kg y tiene un radio de giro de 1 m. Un momento de torsión friccio- 240 Capítulo 11 Resumen y repaso
- 261. nal de 80 N • m se opone a la rotación del eje. ¿Qué momento de torsión se deberá aplicar para acelerar la rueda desde el reposo hasta 300 rev/min en 10 s? 11.29. Una masa de 2 kg se balancea en el extremo de una varilla ligera, describiendo un círculo de 50 cm de radio. ¿Qué momento de torsión resultante se re quiere para impartir a esa masa una aceleración an gular de 2.5 rad/s2? Resp. 1.25 N • m 11.30. Una cuerda está enrollada con varias vueltas en un cilindro de 0.2 m de radio y 30 kg de masa. ¿Cuál es la aceleración angular del cilindro si la cuerda tiene una tensión de 40 N y gira sin fricción alguna? 11.31. Un disco rectificador de 8 kg tiene 60 cm de diáme tro y gira a 600 rev/min. ¿Qué fuerza de frenado se deberá aplicar tangencialmente al disco para dete ner su movimiento de rotación en 5 s? Resp. 15.1 N 11.32. Un momento de torsión no balanceado de 150 N • m le imparte una aceleración angular de 12 rad/s2 al rotor de un generador. ¿Cuál es el momento de inercia? Sección 11.7 Trabajo rotacional y potencia 11.33. Una cuerda enrollada en un disco de 3 kg y 20 cm de diámetro recibe una fuerza de tracción de 40 N que la desplaza una distancia lineal de 5 m. ¿Cuál es el trabajo lineal realizado por la fuerza de 40 N? ¿Cuál es el trabajo rotacional realizado sobre el disco? Resp. 200 J, 200 J 11.34. Aplique el teorema del trabajo y la energía para calcular la velocidad angular final del disco, si éste parte del estado de reposo en el problema 11.33. 11.35. Un motor de 1.2 kW impulsa durante 8 s una rueda cuyo momento de inercia es 2 kg ■m2. Suponiendo que la rueda estaba inicialmente en reposo, ¿cuál es su rapidez angular final? Resp. 98.0 rad/s 11.36. Un cordón está enrollado en el borde de un cilindro que tiene 10 kg de masa y 30 cm de radio. Si se tira del cordón con una fuerza de 60 N, ¿cuál es la acele ración angular del cilindro? ¿Cuál es la aceleración lineal del cordón? 11.37. Un motor de 600 W impulsa una polea con una ve locidad angular media de 20 rad/s. ¿Cuál es el mo mento de torsión así obtenido? Resp. 30 N • m 11.38. El cigüeñal de un automóvil desarrolla un momento de torsión de 350 Ib • ft a 1800 rpm. ¿Cuál es la potencia resultante en caballos de fuerza? Sección 11.8 Rotación y traslación combinadas 11.39. Un cilindro de 2 kg tiene un radio de 20 cm. Rueda sin deslizarse a lo largo de una superficie horizontal a una velocidad de 112 m/s. (a) ¿Cuál es su energía cinética trasnacional? (b) ¿Cuál es su energía cinéti ca rotacional? (c) ¿Cuál es la energía cinética total? Resp. (a) 144 J; (b) 72 J; (c) 216 J 11.40. Un aro circular tiene la misma masa y radio que el ci lindro del problema 11.39. ¿Cuál es la energía cinéti ca total si rueda con la misma velocidad horizontal? 11.41. Considere un plano inclinado de 16m de altura. Cua tro objetos de diferentes materiales tienen la misma masa de 3 kg: Un aro circular, un disco, una esfera y una caja. Suponga que la fricción es insignificante para la caja, pero hay suficiente fricción para que los objetos rodantes rueden sin deslizarse. Al calcular las velocidades finales en cada caso, determine el or den en el cual llegan al punto más bajo del plano. Resp. vc = 17.7 m/s; ve = 14.97~15.0 m/s; v, = 14.46 m/s; v = 12.5 m/s a ' a *11.42. ¿Qué altura debe tener un plano inclinado para que un disco circular ruede desde una posición en repo so hasta el punto más bajo del plano con una veloci dad final de 20 m/s? Sección 11.9 Momento angular y Sección 11.10 Conservación de la cantidad de movimiento angular 11.43. Una varilla de acero de 500 g y 30 cm de longitud oscila sobre su centro y gira a 300 rev/min. ¿Cuál es su cantidad de movimiento angular? Resp. 0.118 kg m /s2 11.44. En el problema 11.39, ¿qué momento de torsión promedio deberá aplicarse para detener totalmente la rotación en 2 s? 11.45. Un momento de torsión de 400 N ' m s e aplica re pentinamente en el borde de un disco inicialmente en reposo. Si la inercia rotacional del disco es de 4 kg •m2y el momento de torsión actúa durante 0.02 s, ¿cuál será el cambio en la cantidad de movimiento angular? ¿Cuál será la rapidez angular final? Resp. 8.00 kg • m2/s, 2.00 rad/s 11.46. En la figura 11.14, un disco A de 6 kg, que gira en el sentido de las manecillas del reloj a 400 rev/min, / A (O , 0 h . Figura 1 1 .1 4 Capítulo 11 Resumen y repaso 241
- 262. se acopla a un disco B de 3 kg que inicialmente es taba en reposo. El radio del disco A es de 0.4 m, y el radio del disco B es de 0.2 m. ¿Cuál es la rapidez angular combinada después de que los dos discos se acoplan? 11.47. Suponga que el disco B del problema 11.46 gira ini cialmente en el sentido de las manecillas del reloj a 200 rev/min, en la misma dirección que el disco A. ¿Cuál sería entonces la rapidez angular común después de su acoplamiento? Resp. 378 rev/min 11.48. Suponga que existen las mismas condiciones descri tas en el problema 11.46, con excepción de que el disco B gira en contrasentido al avance de las mane cillas del reloj yA gira en el sentido de las manecillas del reloj. ¿Cuál es la velocidad angular combinada después del acoplamiento de los discos? 11.49. La varilla que conecta los dos pesos de la figura 11.15 tiene un peso insignificante, pero está confi gurada para permitir que los pesos resbalen hacia afuera. En el instante en que la rapidez angular llega a 600 rev/min. las masas de 2 kg están separadas 10 cm. ¿Cuál será la rapidez rotacional cuando las masas estén a 34 cm de distancia una de otra? Resp. 51.9 rpm cot = 600 rpm -34 cm - 2 ks ex 2 kg Figura 11.15 Problemas adicionales 11.50. Un disco rectificador circular de 6 kg gira inicial mente a 500 rev/min. El radio del disco es de 40 cm. ¿Cuál es la aceleración angular del disco si el eje ejerce una fuerza tangencial de 120 N en el bor de? ¿Cuántas revoluciones describirá el disco antes de detenerse? ¿Qué trabajo se realiza y cuánta po tencia se pierde en el proceso? 11.51. Una rueda de 3 kg, con rayos de masa insignificante, gira libremente sobre su centro sin fricción alguna. El borde de la rueda, de 40 cm de radio, es golpeado repentinamente con una fuerza tangencial media de 600 N durante 0.002 s. (a) ¿Qué impulso angular se le imparte a la rueda? (b) Si la rueda estaba ini cialmente en reposo, ¿cuál era su rapidez angular al final del intervalo de 0.002 s? Resp. (a) 0.48 N • m • s; (b) 1 rad/s 11.52. El disco A tiene el triple de la inercia rotacional del disco B. El disco A gira inicialmente en el sentido de las manecillas del reloj a 200 rev/min y el disco B gira en la dirección opuesta a 800 rev/min. Si los dos discos se acoplan, ¿cuál será la velocidad co mún de rotación de los discos combinados? 11.53. Si los discos del problema 11.52 giran inicialmente en la misma dirección, ¿cuál será su rapidez angular común después del acoplamiento? Resp. 350 rev/min en el sentido de las manecillas del reloj 11.54. El radio de giro de una rueda de 8 kg es de 50 cm. Halle su momento de inercia y su energía cinética cuando está girando a 400 rev/min. 11.55. ¿Cuánto trabajo se requiere para reducir la rotación de la rueda del problema 11.50 a 100 rev/min? Resp. -1645.9 J 11.56. Una rueda de 2 ft de radio tiene un momento de iner cia de 8.2 slug ft2. Una fuerza constante de 12 Ib ac túa tangencialmente en el borde de la rueda, la cual está inicialmente en reposo. ¿Cuál es la aceleración angular? 11.57. En el problema 11.56 la rueda se detuvo por com pleto en 5 s. ¿Cuánto trabajo se realizó? ¿Qué po tencia se desarrolló en caballos de fuerza? Resp. 879 ft • Ib, 0.319 hp 11.58. Una máquina funciona a 1800 rev/min y desarrolla 200 hp. ¿Qué momento de torsión desarrolla? 242 Capítulo 11 Resumen y repaso
- 263. 11.59. Una fuerza constante de 200 N actúa sobre el borde de una rueda de 36 cm de diámetro y la impulsa a 20 revoluciones en 5 s. ¿Qué potencia se desarrolla? Resp. 905 W *11.60. Un aro circular de 2 kg desciende rodando por un plano inclinado desde una altura inicial de 20 m. La energía cinética que desarrolla se comparte entre la rotación y la traslación. ¿Cuál será la rapidez cuan do llegue al punto más bajo del plano inclinado? 11.61. Suponga que un disco circular desciende rodando por el mismo plano inclinado del problema 11.60. ¿Cuál será su rapidez cuando llegue al punto más bajo del plano inclinado? Resp. 16.2 m/s Preguntas para la reflexión crítica 11.62. Un aro circular con 2 kg de masa y 60 cm de radio gira libremente sobre su centro, al cual está conecta do por medio de rayos centrales ligeros. Una fuerza de 50 N actúa tangencialmente sobre el borde de la rueda durante un lapso de 0.02 s. (a) ¿Cuál es el impulso angular? (b) ¿Qué cambio se registra en la cantidad de movimiento angular? (c) Si el aro esta ba inicialmente en reposo, ¿cuál fue la rapidez an gular final? (d) Aplique el teorema del trabajo y la energía para calcular el desplazamiento angular. Resp. (a) 0.60 N • ms; (b) 0.60 kg • m2/s, (c) 0.833 rad/s, (d) 0.00693 rad 11.63 El ciclo de exprimido de una máquina lavadora dis minuye de 900 a 300 rev/min en 4 s. Calcule la ace leración angular. ¿Actúa una fuerza para extraer el agua de la ropa o la ausencia de dicha fuerza produ ce este efecto? Cuando el ciclo opera a 900 rev/min, la potencia resultante es de 4 kW. ¿Qué momento de torsión se desarrolla? Si el radio de la tina es de 30 cm, ¿cuál es la rapidez lineal de la ropa que se encuentra cerca del borde inferior? 11.64. Un bloque está unido a un cordón que pasa por la ranura de una polea a través de un orificio en la cu bierta horizontal de una mesa como muestra la figura 11.16. Inicialmente, el bloque gira a 4 rad/s a una distancia r del centro del orificio. Si se tira del cor dón desde abajo hasta que su radio es r/4, ¿cuál es la nueva velocidad angular? Resp. 64 rad/s *11.66. Considere la figura 11.17 en la cual m = 2 kg, M = 8kg, R = 60 cm y h = 6 m. Escriba la segunda ley de Newton para el caso del disco, en función de la tensión sobre la cuerda, el momento de inercia del disco y la aceleración angular. A continuación, escriba la segunda ley de Newton para masas en caí da libre, en función de la tensión sobre la cuerda, la masa y la aceleración lineal. Elimine T de estas dos ecuaciones. Halle la aceleración tangencial de la masa de 2 kg, para ello recuerde que v = a>R, a = aR y / = mR2. Resp. 3.27 m/s2 11.65. Suponga que el bloque de la figura 11.16 tiene una masa de 2 kg y gira a 3 rad/s cuando r = 1 m. ¿A qué distancia r la tensión del cordón será de 25 N? 11.67. Aplique la conservación de la energía para hallar la velocidad de la masa de 2 kg en la figura 11.17 justo antes de que toque el suelo, que se encuentra 6 m más abajo. Use los datos correspondientes al problema 11.66. 11.68. Un estudiante está de pie sobre una plataforma, con los brazos extendidos, sosteniendo una pesa en cada mano, de manera que su inercia rotacional es de 6.0 kg • m2. La plataforma inicia un movimiento cons tante de rotación a 90 rev/min sin fricción alguna. Ahora el estudiante puede reducir la inercia rotacio nal a 2 kg • m2si retrae las pesas acercándolas a su cuerpo, (a) ¿Cuál será la nueva velocidad de rota ción si no existe momento de torsión externo? (b) ¿Cuál es la razón entre la energía cinética final y la Capítulo 11 Resumen y repaso 243
- 264. energía cinética inicial? (c) Explique el incremento en la energía. Resp. (a) 270 rev/min; (b) 3; (c) el trabajo realizado sobre las masas *11.69. Considere el aparato que muestra la figura 11.18. Suponga que la polea grande es un disco de 6 kg y 50 cm de radio. La masa de la derecha es de 4 kg y la masa de la izquierda es de 2 kg. Considere tanto la energía de rotación como la de traslación y calcu le la velocidad inmediatamente antes que la masa de 4 kg toque el piso. ¡í~ 244 Capítulo 11 Resumen y repaso
- 265. Máquinas simples Las máquinas simples sirven para realizar numerosas tareas con eficiencia notable. En este ejemplo, un sistema de engranes, poleas y palancas funciona para producir mediciones exactas del tiempo. (Fotografía © vol. 1 PhotoDisc/Getty.) Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Describirá una máquina simple y su funcionamiento en términos generales, has ta un nivel que le permita explicar la eficiencia y la conservación de la energía. 2. Escribirá y aplicará fórmulas para calcular la eficiencia de una máquina simple en términos de trabajo o potencia. 3. Distinguirá, por medio de definiciones y ejemplos, la diferencia entre una ven taja mecánica ideal y una ventaja mecánica real. 4. Trazará un diagrama de cada una de las máquinas simples siguientes y anexará a cada diagrama la fórmula que perm ite calcular la ventaja mecánica ideal: (a) palanca, (b) plano inclinado, (c) cuña, (d) engranes, (e) sistema de poleas, (f) rueda y eje o cabria, (g) gato de tornillo, (h) transmisión por banda. 5. Calculará la ventaja mecánica y la eficiencia de cada una de las máquinas sim ples mencionadas en el objetivo anterior. Una máquina simple es un aparato que transforma la aplicación de una fuerza en trabajo útil. Por medio de un malacate o cabestrante podemos convertir una pequeña fuerza, dirigida hacia abajo, en una gran fuerza que se dirige hacia arriba y nos permite elevar una carga. En la industria se manipulan muestras de material radiactivo muy delicado mediante máquinas 245
- 266. 246 Capítulo 12 Máquinas simples con las que la fuerza aplicada se reduce en forma considerable. Las poleas simples sirven para cambiar la dirección de una fuerza aplicada sin afectar su magnitud. El estudio sobre las máquinas y su eficiencia es fundamental para la aplicación productiva de la energía. En este capítulo estudiará las palancas, los engranes, los sistemas de poleas, los planos inclinados y otras máquinas usadas rutinariamente en diversas aplicaciones industriales. Máquinas simples y eficiencia En una máquina simple, el trabajo de entrada se realiza mediante la aplicación de una sola fuerza, y la máquina realiza el trabajo de salida a través de otra fuerza única. Durante una operación de este tipo (véase la figura 12.1) ocurren tres procesos: 1. Se suministra trabajo a la máquina. 2. El trabajo se realiza contra la fricción. 3. La máquina realiza trabajo útil o de salida. De acuerdo con el principio de la conservación de la energía, estos procesos se relacionan de la forma siguiente: Trabajo de entrada = trabajo contra lajricción + trabajo de salida La cantidad de trabajo útil producido por una máquina nunca puede ser mayor que el trabajo que se le ha suministrado. Siempre habrá alguna pérdida debido a la fricción o a la acción de otras fuerzas disipadoras. Por ejemplo, cuando se introduce aire en un neumático de bicicleta por medio de una pequeña bomba manual, se ejerce una fuerza descendente sobre el émbolo, forzando el aire a ir hacia el neumático. Parte de este trabajo de entrada se pierde a causa de la fricción, lo cual puede comprobarse fácilmente sintiendo cómo se calienta el cilin dro de la bomba manual. Cuanto más se reduzca la pérdida por fricción en una máquina, tanto más provecho se obtendrá del esfuerzo realizado. Dicho de otro modo, la eficiencia de una máquina puede medirse comparando su trabajo de salida con el trabajo que se le suministró. La eficiencia e de una máquina se define como la relación del trabajo de salida entre el trabajo de entrada. trabajo de salida e = — r - !---------------------------------------------------- t -(12-1) trabajo de entrada La eficiencia, tal como se define en la ecuación (12.1), siempre será un número entre 0 y 1. Por costumbre se expresa este número decimal como un porcentaje que se obtiene multipli cando por 100 la cantidad obtenida. Por ejemplo, una máquina que realiza un trabajo de 40 J cuando se le suministran 80 J, tiene una eficiencia de 50%. Trabajo de entrada debida a la fricción Figura 12.1 Durante el funcionamiento de una máquina ocurren tres procesos: (1) la entrada de cierta can tidad de trabajo, (2) la pérdida de energía al realizar trabajo contra la fricción, y (3) la salida de trabajo útil.
- 267. 12.2 Ventaja mecánica 247 Otra expresión útil para la eficiencia puede obtenerse a partir de la definición de potencia como trabajo por unidad de tiempo. Podemos escribir trabajo m . P = --------- o Trabajo = Pt La eficiencia en términos de potencia de entrada P. y potencia de salida Pgestá dada por trabajo de salida P0t trabajo de entrada P¡t o bien potencia de salida Pn e = —----------------------= — (12.2) potencia de entrada P¡ W Un motor de 45 kW arrolla un cable alrededor de un tambor mientras levanta una masa de 2000 kg a una altura de 6 m en 3 s. Determine la eficiencia del motor y cuánto trabajo se realiza contra las fuerzas de fricción. Plan: Se conoce la potencia de entrada (45 kW); la de salida es la razón a la que se efectúa el trabajo de levantar la masa. La eficiencia del motor se calcula obteniendo la razón de la potencia de salida a la de entrada. Por último, se calcula la pérdida de potencia restando la potencia de salida de la de entrada. Solución: La potencia de salida levanta la masa a una altura h = 6 m en 3 s; por tanto Fh mgh P = — = t t _ (2000 kg)(9.8 m/s2)(6 m) 3 s = 39.2 kW = 39200W Ahora se encuentra la eficiencia a partir de la ecuación (12.2): P¡ 45 kW En consecuencia, la eficiencia del motor es 87.1%. La pérdida de potencia debida a la fricción es la diferencia entre las potencia de salida y de entrada P . - P = 45 kW - 39.2 kW = 5.80 kW l O Pérdida de potencia debida a lafricción = 5.80 kW Ventaja mecánica Las máquinas simples como la palanca, el polipasto, el malacate, los engranes, el plano incli nado y el gato de tomillo desempeñan un papel importante en la industria moderna. Podemos ilustrar la operación de cualquiera de estas máquinas mediante el diagrama general de la figura 12.2. Una fuerza de entrada F actúa a lo largo de una distancia s. realizando un trabajo F.s.. La ventaja mecánica real (MA) de una máquina se define como la razón que hay de la fuerza de salida (FJ a la fuerza de entrada (F).
- 268. 248 Capítulo 12 Máquinas simples Figura 12.2 Durante el funcionamiento de cualquier máquina simple, una fuerza de entrada F. actúa a lo largo de una distancia s., mientras una fuerza de salida Foactúa a lo largo de una distancia so. fuerza de salida F „ MA = -----------------------= — fuerza de entrada F¡ Una ventaja mecánica real mayor que 1 indica que la fuerza de salida es mayor que la de entrada. Si bien casi todas las máquinas tienen valores de M4mayores que 1, no siempre es así. Cuando se manejan objetos pequeños y frágiles, a veces es deseable lograr que la fuerza de salida sea más pequeña que la de entrada. En la sección previa observamos que la eficiencia de una máquina aumenta en la medida en que los efectos de la fricción se vuelven más pequeños. Aplicando el principio de la con servación de la energía a la máquina simple de la figura 12.2 se obtiene Trabajo de entrada — trabajo contra lafricción + trabajo de salida F.s. = (trabajo)/ + Fo.so La máquina más eficiente que pudiera existir no tendría pérdidas debidas a la fricción. Pode mos representar este caso ideal igualando (trabajo)/= 0 en la ecuación anterior. Por tanto, F s = F.s. 0 0 1 1 Como esta ecuación representa un caso ideal, definimos la ventaja mecánica ideal como F a si = i = i (12.4) t; Sn La ventaja mecánica ideal de una máquina simple es igual a la razón de la dis tancia que recorre la fuerza de entrada a la distancia que recorre la fuerza de salida. La eficiencia de una máquina simple es la relación del trabajo de salida entre el trabajo de entrada. Por consiguiente, para la máquina general de la figura 12.2 se tiene que e = F X = Fq/Fí F < s¡ s¡/s0 Por último, utilizando las ecuaciones (12.3) y (12.4) se obtiene MA ‘ = M, (12-5) Todos los conceptos anteriores se han expuesto como se aplicarían a una máquina en general. En las secciones siguientes los aplicaremos a máquinas específicas.
- 269. 12.3 La palanca 249 La palanca Tal vez la máquina más antigua y la más comúnmente usada es la palanca simple. Una pa lanca consiste en cualquier barra rígida apoyada en cierto punto, al que se le llama fulcro. En la figura 12.3 se ejemplifica el uso de una barra larga para levantar el peso W. Podemos calcular la ventaja mecánica ideal de ese tipo de dispositivos de dos formas. El primer método comporta el principio del equilibrio y el segundo utiliza el principio del trabajo, tal como se analizó en la sección previa. Puesto que el método del equilibrio es más fácil para el caso de la palanca, lo aplicaremos primero. Debido a que no se incluye ningún movimiento traslacional durante la aplicación de una palanca, la condición de equilibrio es que el momento de torsión de entrada es igual al mo mento de torsión de salida: La ventaja mecánica ideal se determina a partir de M j = f =; 7 (12.6) r i ro La razón F /F se tiene como la ideal porque no se considera ninguna fuerza de fricción. Se obtiene el mismo resultado a partir de consideraciones sobre el trabajo. Observe en la figura 12.3b que la fuerza F se desplaza a lo largo de un arco cuya distancia es s., mientras que la fuerza Fose mueve a lo largo del arco cuya longitud es so. Sin embargo, los dos arcos son subtendidos por el mismo ángulo 6, por lo que podemos escribir la proporción siguiente: Al sustituirla en la ecuación (12.4) se comprueba el resultado obtenido partiendo de las con sideraciones sobre el equilibrio, es decir, M; = r./ro. Figura 12.3 La palanca. Ejemplo 12.2 T 4 - m Una barra de hierro de 1.2 m de largo se usa para levantar un contenedor de 60 kg. La barra se utiliza como palanca, tal como se muestra en la figura 12.3. El fulcro está colocado a 30 cm del contenedor. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal del sistema y qué fuerza de entrada se requiere? Plan: Las distancias de entrada y salida determinarán la ventaja mecánica ideal, que en este caso también será la real. Al igualar la razón que va de la fuerza de salida y la de en trada con la ventaja mecánica ideal se calculará la fuerza de entrada que se necesita. Solución: La distancia de salida es r = 0.30 m y la de entrada es r. = 1.2 m —0.30 O J l m = 0.90 m. Por tanto, la ventaja mecánica ideal es r¡ 0.90 m
- 270. 250 Capítulo 12 Máquinas simples Al sustituir este valor en la ecuación (12.6) se obtiene F° Q J7 F ° — = 3 O F: = — F¡ ' 3 La fuerza de salida es igual al peso mg por ende mg (60 kg)(9.8 m/s2) F¡ = — = ------ — ---------- - = 196.0 N 3 3 Antes de dar por terminado el tema de la palanca, cabe observar que cierta cantidad muy pequeña de trabajo de entrada se pierde debido a las fuerzas de fricción. Con fines prácticos, la ventaja mecánica real de una palanca simple es igual a la ventaja mecánica ideal. Otros ejemplos de la palanca se ilustran en la figura 12.4. F, (c) (d) Figura 12.4 La palanca constituye el principio funcional de numerosas máquinas simples. Aplicaciones del principio de la palanca Una limitación seria de la palanca elemental es que funciona a través de un ángulo pequeño. Hay muchas formas de superar esta restricción permitiendo que el brazo de palanca gire continuamente. Por ejemplo, la rueda y eje (o cabria) (véase la figura 12.5) permite la acción continua de la fuerza de entrada. Si aplicamos el razonamiento seguido en la sección 12.2 para una máquina simple en general, es posible demostrar que F0 R M,:h. — = - 7 F r (12.7) Fulcro
- 271. 12.4 Aplicaciones del principio de la palanca 251 Figura 12.5 La rueda y el eje (o cabria). W Figura 12.6 Una sola polea fija nada más sirve para cambiar de dirección la fuerza de entrada. Por tanto, la ventaja mecánica ideal de una cabria es la razón del radio de la rueda al radio del eje. Otra aplicación del concepto de palanca es a través del uso de poleas. Una polea simple, como se muestra en la figura 12.6, es tan sólo una palanca cuyo brazo de palanca de entrada es igual a su brazo de palanca de salida. A partir del principio de equilibrio, las fuerzas de entrada igualarán a la de salida y la ventaja mecánica ideal será , , Fo M, = — = 1 Fi (12.8) La única ventaja de este tipo de dispositivo es que ofrece la posibilidad de cambiar la dirección de la fuerza de entrada. Por otra parte, una polea móvil simple (véase la figura 12.7) tiene una ventaja mecánica ideal de 2. Observe que las dos cuerdas de soporte deben reducirse en 1ft para elevar la carga una distancia de 1 ft. Por consiguiente, la fuerza de entrada se mueve una distancia de 2 ft, mientras que la fuerza de salida se mueve tan sólo una distancia de 1ft. Al aplicar el principio del trabajo se obtiene F(2 ft) = F ( 1 ft) F¿ 2 ft u W = F0 (b) ~T 1 ft _L w (a) Figura 12.7 Una polea simple móvil, (a) La fuerza de entrada se mueve a lo largo de una distancia igual al doble de la distancia que recorre la fuerza de salida, (b) El diagrama de cuerpo libre muestra que 2F. = F .
- 272. 252 Capítulo 12 Máquinas simples de donde la ventaja mecánica ideal es M, = ~ = 2 (12.9) F: El mismo resultado se obtiene construyendo un diagrama de cuerpo libre, como en la figura 12.7b, donde es evidente que 2Fi = F0 y M, = § = 2 F¡ El último método se aplica generalmente a problemas que suponen poleas móviles, ya que esto permite asociar M7con el número de cordones que soportan la polea móvil. Ejemplo 12.3 f Calcule la ventaja mecánica ideal del polipasto que aparece en la figura 12.8a. Plan: Se traza un bosquejo y se construye el diagrama de cuerpo libre (véase la figura 12.8b). La ventaja mecánica real se determina como la razón de la fuerza de salida a la de entrada. Solución: Con base en el diagrama se advierte que 4 F. = F l O De forma que la ventaja mecánica es Fa 4 F , m>= m* = 7 = T ± i í i M¡ = 4 Observe que la polea más alta sirve únicamente para cambiar la dirección de la fuerza de entrada. La misma ventaja mecánica resultaría si se aplicara hacia arriba F. en el punto a. F 1 1 F. t V j 4F,- = F„ F0 (b) W (a) Figura 12.8 El polipasto. Este dispositivo tiene una ventaja mecánica ideal de 4, ya que cuatro cables o “cordeles” soportan el bloque móvil.
- 273. 12.5 La transmisión del momento de torsión 253 La transmisión del momento de torsión Las máquinas simples estudiadas hasta ahora se utilizan para transmitir y aplicar fuerzas que muevan cargas. En la mayoría de las aplicaciones mecánicas, el trabajo se realiza por medio de la transmisión del momento de torsión de un mecanismo a otro. Por ejemplo, la transmi sión por banda o correa (véase la figura 12.9) transmite el momento de torsión de una polea motriz a una polea de salida. La ventaja mecánica de este tipo de sistema es la razón de los momentos de torsión entre la polea de salida y la polea motriz: momento de torsión de salida r„ M, = 1 momento de torsión de entrada 're partiendo de la definición de momento de torsión podemos escribir esta expresión en término de los radios de las poleas: T F Y M = _£ = _2_£ Fin Si no hay deslizamientos entre la banda y las poleas, se puede decir con certeza que la fuerza tangencial de entrada F. es igual a la fuerza tangencial de salida Fo; por tanto, F v y M _ V o __ [o F,n r, En vista de que generalmente se especifican los diámetros de las poleas y no los radios, una expresión más práctica es M1 = ^ (12.10) donde D es el diámetro de la polea motriz y Does el diámetro de la polea de salida. Suponga que aplicamos ahora el principio del trabajo a la transmisión por banda. Re cuerde que en el movimiento circular quedó definido el trabajo como el producto del momento de torsión t y el desplazamiento angular 6. Para la transmisión por banda, suponiendo que las condiciones sean ideales, el trabajo de entrada sería igual al de salida; por ende La potencia de entrada también debe ser igual a la potencia de salida. Si dividimos la ecua ción anterior entre el tiempo t requerido para girar entre los ángulos 9. y 6o, obtenemos 6; _ _ 60 T¡ ^ T ° f ^ ^ donde co. y (o son las velocidades angulares de las poleas de entrada y salida, respectivamen te. Observe que la razón r / r. representa la ventaja mecánica ideal. Por tanto, podemos añadir otra expresión a la ecuación (12.10) para obtener D n co, M , = — = — (12.11) 7 D: / V Figura 12.9 La transmisión por banda.
- 274. 254 Capítulo 12 Máquinas simples Este importante resultado muestra que la ventaja mecánica se logra a expensas del movimien to de rotación. Dicho de otro modo, si la ventaja mecánica es 2, el eje de rotación de entrada debe girar con una velocidad angular igual al doble de la rapidez angular del eje de rotación de salida. La razón co./a>ose conoce a veces como razón de rapideces. Si la razón de rapidez es mayor que 1, la máquina produce un momento de torsión de salida mayor que el momento de torsión de entrada. Como ya hemos visto, esta proeza puede realizarse a costa de la rotación. Por otra parte, muchas máquinas se diseñan a fin de incre mentar la rapidez rotacional de salida. En estos casos, la razón de rapideces es menor que 1 y el aumento en la rapidez rotacional trae consigo una reducción en el momento de torsión de salida. Ejemplo 12.4 7 Considere la transmisión por banda de la figura 12.9, en la que el diámetro de la pequeña polea motriz es de 6 in y el de la polea de carga es de 18 in. Un motor de 6 hp acciona la polea de entrada a 600 rpm. Calcule las revoluciones por minuto y el momento de tor sión suministrados a la polea de carga si el sistema tiene una eficiencia de 75%. Plan: Primero calculamos la ventaja mecánica ideal (100% de eficiencia) a partir de la razón de los diámetros de las poleas. Al multiplicar este valor por el valor de la eficiencia se obtiene la ventaja mecánica real, que es la razón del momento de torsión de salida al de entrada. Con ello será posible despejar el momento de torsión de salida. Por último, la velocidad de rotación de salida puede obtenerse con base en la razón de los diámetros de las poleas. Solución: La ventaja mecánica ideal se obtiene con la ecuación (12.11) D, 6 in Puesto que la eficiencia es de 75%, la ventaja mecánica real está dada por la ecuación (12.5) Ma = eM¡ = (0.75)(3) = 2.25 Ahora, la ventaja mecánica real es la simple razón del momento de torsión de salida (r ) al momento de torsión de entrada (r.). Si recordamos que la potencia en el movimiento rotacional es igual al producto del momento de torsión por la velocidad angular, podemos calcular r. como srnue: P, (6 hp)[(550 ft • lb/s)/hp] < w ¿ (600 rev/min)(2-77 rad/rev)(l min/60 s) (6)(550 ft • lb/s) = — ™ ------r;-------= 52-5 ft - Ib 2077 rad/s Puesto que MA = rJ t ., el momento de torsión está dado por ro = M at . = (2.25)(52.5 ft • Ib) = 118 ft • Ib Suponiendo que la banda no se deslice, se moverá con la misma velocidad tangencial v alrededor de cada polea. Puesto que v = wr, podemos escribir la igualdad coD = co D de donde = < O jD j (600 rpm)(6 in) D„ 18 in 200 rpm
- 275. 12.6 El plano inclinado 255 Engrane motriz Engrane de carga Figura 12.10 Engranes cilindricos. La ventaja mecánica ideal es la razón del número de dientes del engra ne de salida al número de dientes del engrane de entrada. Observe que la razón de co. a co establece la ventaja mecánica ideal, no la real. La di ferencia entre M y MAse debe a la fricción, tanto en la banda como en los puntos de apoyo de los ejes. Cuanto mayor sea la tensión en la banda mayores fuerzas de fricción resultarán, así que la eficiencia máxima se obtiene reduciendo la tensión de la banda hasta que casi se evite que la banda resbale sobre las poleas. Antes de terminar el estudio de la transmisión del momento de torsión debemos conside rar la aplicación de los engranes. Un engrane es simplemente una rueda dentada que puede transmitir momentos de torsión acoplándose con otra rueda dentada, como se ve en la figura 12.10. Un par de engranes acoplados difiere de la transmisión por banda tan sólo en que los engranes giran en dirección opuesta entre sí. Las mismas relaciones deducidas para la trans misión por banda son válidas para los engranes: ,, Da coi M, = — = — A co0 (12.12) Una expresión más útil se basa en el hecho de que el número de dientes (N) del borde del engrane es proporcional a su diámetro (£>). Debido a esta dependencia, la razón del número de dientes en el engrane de carga N al número de dientes del engrane motriz N. es la misma que la razón de sus diámetros. En consecuencia, podemos escribir M¡ = No N; Do D, (12.13) El uso de engranes evita el problema de deslizamientos, que es común en las transmisiones por banda. También ahorra espacio y permite que se transmita un mayor momento de torsión. Además de los engranes cilindricos ilustrados en la figura 12.10, hay otros tipos de en granes. Cuatro tipos comunes son los engranes sinfín, los helicoidales, los cónicos y los planetarios. En la figura 12.11 se muestran ejemplos de cada uno de ellos, para los cuales se aplican las mismas relaciones generales. El plano inclinado Las máquinas que hemos estudiado hasta ahora se relacionan con la aplicación del principio de la palanca. Una segunda máquina fundamental es el plano inclinado. Suponga que debe mover una pesada carga desde el piso hasta la plataforma de un camión sin ayuda de una grúa. Probablemente usted cogería algunas tablas largas y formaría una rampa del piso a la plataforma del camión. La experiencia le ha enseñado que se requiere menos esfuerzo si se empuja la carga hacia arriba por una pequeña elevación que si la sube directamente. Debido a que con una fuerza de entrada menor se produjo la misma fuerza de salida, se ha obtenido una ventaja mecánica. Sin embargo, la fuerza de entrada menor se ha logrado a expensas de recorrer una mayor distancia.
- 276. 256 Capítulo 12 Máquinas simples (a) Engranes helicoidales (b) Engranes planetarios (c) Engranes cónicos Figura 12.11 Cuatro tipos comunes de engranes: (a) helicoidal, (b) planetario, (c) cónico, (d) sinfín, usa y se muestra en la figura 12.10.) W (a) (b) Figura 12.12 El plano inclinado. La fuerza de entrada representa el esfuerzo requerido para empujar el bloque hacia arriba por el plano; la fuerza de salida es igual al peso del bloque. Considere el movimiento de un peso W hacia arriba del plano inclinado de la figura 12.12. El ángulo de inclinación 6 es tal que el peso debe moverse a lo largo de una distancia s para llegar a la altura h en el punto más alto del plano inclinado. Si despreciamos la fricción, el trabajo necesario para empujar el peso hacia arriba del plano es el mismo que el trabajo requerido para levantarlo verticalmente. Podemos expresar esta igualdad como Trabajo de entrada = trabajo de salida Fs = Wh l donde F. es la fuerza de entrada y W la de salida. Como se despreció la fricción, la ventaja mecánica ideal será la misma que la real. Por tanto, en ausencia de fricción la ventaja mecánica ideal de un plano inclinado es simple mente la razón de la distancia de salida (hacia arriba de la rampa) a la distancia de entrada (la altura). IV (d) Engrane sinfín (El engrane cilindrico es el que más se Ventaja mecánica ideal del plano inclinado (12.14)
- 277. 12.6 El plano inclinado 257 En casi todas las aplicaciones habrá fuerzas de fricción significativas que habrán de ven cerse, lo que hará que la fuerza de entrada necesaria (F.) sea mayor y que la ventaja mecánica real sea considerablemente menor que la razón de longitud a altura. En el ejemplo 12.5 se ilustra este aspecto. Ejemplo 12.5 Hay que subir una caja de botellas de cerveza de 88 kg a una plataforma de carga que está a 2 m sobre el piso. La longitud de la rampa es de 4 m y el coeficiente de fricción cinética es de 0.3. ¿Cuáles son las ventajas mecánicas ideal y real! Plan: Se traza un bosquejo y un diagrama de cuerpo libre similares a los mostrados en la figura 12.13. La ventaja mecánica ideal (M) se calcula sustituyendo los valores directa mente en la ecuación (12.14). No obstante, la ventaja mecánica real es menor debido a que la fuerza de entrada debe superar la fuerza de fricción y no sólo la componente del peso hacia abajo debido a la rampa. Si suponemos movimiento constante hacia arriba por el pla no, aplicaremos la primera condición del equilibrio para determinar la fuerza de entrada, que puede entonces usarse para determinar MA. Solución: La ventaja mecánica ideal es 5 4 m M, = - = — ; M¡ = 2 h 2 m El ángulo de inclinación se determina a partir de la figura 12.13 2 m sen 6 4 m = 0.5; = 30° Con este ángulo determinamos las componentes del peso perpendiculares a la rampa Wy = mg eos 6 = (88 kg)(9.8 m/s2) eos 30°; Wx = mg sen 6 = (88 kg)(9.8 m/s2) sen 30°; Wx = 431 N Wy = 747 N P = 4 3 1 N + /, Wy = 747 N Para obtener la ventaja mecánica real, debemos hallar la mínima fuerza hacia arriba de la rampa, lo que implica considerar que las fuerzas sobre lacaja están en equilibrio, y 2 ^ =0; P -w x- f k= 0 o 2 =0; n - w y= oo n La última de estas ecuaciones nos permite hallar la fuerza defricción/ A = = (0.3X747 N); f k = 224 N Con la primera ecuación de equilibrio se obtiene la fuerza de entrada, P P = 431 N + fk = 431 N + 224 N; P = 655 N (a) Figura 12.13 (b)
- 278. 258 Capítulo 12 Máquinas simples Por último, la ventaja mecánica real es la razón de la fuerza de salida W a la de entrada, P. Calculamos W mg (88 kg)(9.8 m/s2) A ~ P ~ P ~ 655 N Mj = 1.32 Se deja como ejercicio al lector demostrar que la eficiencia de esta rampa es de sólo 57%. Aplicaciones del plan© inclinado En gran número de máquinas se utiliza el principio del plano inclinado. La más sencilla es la cuña (véase la figura 12.14), la cual es en realidad un plano inclinado doble. En el caso ideal, la ventaja mecánica de una cuña de longitud L y grosor t está dada por M , = y (12.15) Esta ecuación es una consecuencia directa de la relación general expresada con la ecuación (12.14). La ventaja mecánica ideal siempre es mucho mayor que la real debido a las grandes fuerzas de fricción que se generan entre las superficies en contacto. La cuña se aplica en hachas, cuchillos, cinceles, cepilladoras y todas las demás herramientas cortantes. Una leva es una especie de cuña giratoria que se usa para levantar las válvulas de los motores de com bustión interna. Una de las aplicaciones más útiles del plano inclinado es el tornillo. Este principio pue de explicarse examinando una herramienta comúnconocida como gato de tornillo (véase la figura 12.15). La rosca esesencialmente un plano inclinado arrollado deforma continua alre dedor de un eje cilindrico. Cuando la fuerza de entrada F. provoca un giro de una revolución completa (2ttR ) , la fuerza de salida Foavanzará una distanciap. Esta distanciap es en realidad la distancia entre dos roscas consecutivas y recibe el nombre de paso del tornillo. La ventaja mecánica ideal es la razón de la distancia de entrada a la distancia de salida Sj I ttR M , = — = ------- (12.16) ^ P M , = - (b) Figura 12.14 La cuña es. en realidad, un plano inclinado doble.
- 279. 12.7 Aplicaciones del plano inclinado 259 Figura 12.15 El gato de tornillo. El tornillo es un ejemplo de una máquina muy poco eficiente, pero en este caso representa en general una ventaja, puesto que son necesarias las fuerzas de fricción para mantener la carga en su lugar mientras no se aplique una fuerza de entrada.
- 280. . , í t r n Resumen y repaso //-* / ■ ■ ' # iiJ Resumen Se ha definido una máquina simple como un aparato que con vierte una sola fuerza de entrada F. en una sola fuerza de salida l F . En general, la fuerza de entrada se desplaza a lo largo de una distancia s , y la fuerza de salida se mueve en una distancia s . Su propósito es realizar un trabajo útil en forma adecuada para una aplicación concreta. A continuación se presentan los principales conceptos a este respecto. • Una máquina simple es un dispositivo que convierte una sola fuerza de entrada F. en una sola fuerza de salida F . I O La fuerza de entrada se mueve por una distancia s y la fuerza de salida se mueve en una distancia s . Esto pre senta dos ventajas mecánicas: „ F° MA= — Ventaja mecánica real (considerada lafricción) M, = - Sn Ventaja mecánica ideal (se supone que no hayfricción) La eficiencia de una máquina es la razón entre el trabajo de salida y el trabajo de entrada. Se expresa normalmente como un porcentaje y puede calcularse con cualquiera de las relaciones siguientes: trabajo de salida trabajo de entrada potencia de salida potencia de entrada M, Las ventajas mecánicas ideales de varias máquinas sim ples se presentan a continuación M, = Fn Palanca i / ideal o M, = R — Rueda y eje M, = Do = c o l D; C 0 o M N° D° M, = — = — Ni D: Transmisión por correa W s M, = — = — 7 F¡ h Plano inclinado L M¡ = ~ Cuña Engranes s¡ 2itR M, = — = ----- So P Gato de tomillo M, Conceptos clave cuña 258 palanca 250 tornillo 258 eficiencia 246 paso 258 transmisión por correa 253 engrane 255 plano inclinado 255 ventaja mecánica ideal 248 fulcro 249 polea 251 ventaja mecánica real 248 máquina simple 245 rueda y eje 250 Preguntas de repaso 12.1. ¿Qué entendemos por trabajo útil o trabajo de salida? ¿Qué significa trabajo de entrada? Escriba la relación general entre el trabajo de entrada y el de salida. 12.2. Dos gatos funcionan en forma simultánea para le vantar el extremo delantero de un automóvil. Inme diatamente después, el gato de la izquierda se siente más caliente que el de la derecha. ¿Cuál de los gatos es más eficiente? Explique su respuesta. 12.3. Una máquina puede modificar la magnitud, la direc ción o ambas de una fuerza de entrada, (a) Dé varios ejemplos en los que se presenten ambos cambios, (b) Cite ejemplos en los que sólo se altere la magni tud de la fuerza de entrada, (c) Cite ejemplos en los que sólo se modifique la dirección. 12.4. Una máquina eleva una carga hasta una distancia vertical de 4 ft, mientras la fuerza de entrada la traslada hasta una distancia de 2 ft. ¿Sería útil está máquina para levantar grandes pesos? Explique su respuesta. 12.5. Una bicicleta puede funcionar en tres niveles de en granes. En el nivel bajo, los pedales describen dos revoluciones completas al tiempo que la rueda tra sera completa una sola revolución. En el medio, los pedales y las ruedas giran con la misma velocidad. 260
- 281. En el nivel alto, la rueda trasera de la bicicleta rea liza dos revoluciones por cada revolución completa de los pedales. Comente las ventajas y desventajas de cada nivel. 12.6. ¿Qué ocurre con la ventaja mecánica ideal si una máquina simple funciona en sentido inverso? ¿Qué sucede con su eficiencia? 12.7. Cite varios ejemplos de máquinas que tengan una ventaja mecánica real menor que 1. 12.8. ¿Por qué los autobuses y los camiones tienen a me nudo volantes de dirección más grandes que el vo lante de los automóviles? ¿Qué principio se aplica en este caso? Problemas Sección 12.1 Máquinas simples, eficiencia y Sección 12.2 Ventaja mecánica 12.1. Una máquina con 25% de eficiencia realiza un tra bajo externo de 200 J. ¿Qué trabajo de entrada re quiere? Resp. 800 J 12.2. ¿Cuál es el trabajo de entrada de un motor de ga solina con 30% de eficiencia si en cada uno de sus ciclos realiza 400 J de trabajo útil? 12.3. Un motor de 60 W levanta una masa de 2 kg a una altura de 4 m en 3 s. Calcule la potencia de salida. Resp. 26.1 W 12.4. ¿Cuál es la eficiencia del motor del problema 12.3? ¿Cuál es la potencia con la que se realiza el trabajo contra la fricción? 12.5. Una máquina con 60% de eficiencia levanta una masa de 10 kg con una rapidez constante de 3 m/s. ¿Cuál es la potencia de entrada requerida? Resp. 490 W 12.6. Durante la operación de un motor de 300 hp se pier de energía a causa de la fricción a razón de 200 hp. ¿Cuál es la potencia de salida útil y cuál es la efi ciencia del motor? 12.7. Una máquina sin fricción levanta una carga de 200 Ib hasta una altura vertical de 10 ft. La fuerza de en trada se mueve a lo largo de una distancia de 300 ft. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de la máquina? ¿Cuál es la magnitud de la fuerza de entrada? Resp. 30, 6.67 Ib Sección 12.3 Aplicaciones del principio de la palanca 12.8. Un extremo de una caja fuerte de 50 kg se levanta con una varilla de acero de 1.2 m. ¿Qué fuerza de entrada se requiere en el extremo de la varilla si se coloca un punto de apoyo (fulcro) a 12 cm de la caja? (Sugeren cia: para levantar un extremo se requiere una fuerza igual a la mitad del peso de la caja fuerte.) 12.9. Trace diagramas de sistemas de poleas que tengan ventajas mecánicas ideales de 2, 3 y 5. 12.10. Generalmente, el camino que llega hasta la cumbre de una montaña describe muchas curvas alrede dor de ésta en lugar de ascender en línea recta por la pendiente. ¿Por qué? Si no se toma en cuenta la fricción, ¿se requiere más trabajo para llegar a la cumbre por esos caminos en espiral? ¿Se requiere más potencia? Si tenemos en cuenta la fricción, ¿se requeriría menos trabajo para conducir directamen te hacia la cumbre de la montaña? Explique sus res puestas. 12.9. En el caso del cascanueces de la figura 12.4a, la nuez se halla a 2 cm del punto de apoyo y una fuer za de entrada de 20 N se aplica en los mangos, los cuales están a 10 cm de dicho punto. ¿Qué fuerza se aplica para partir la nuez? Resp. 100 N 12.10. En el caso de la carretilla de la figura 12.4b, el cen tro de gravedad de una carga neta de 40 kg se ubica a 50 cm de distancia de la rueda. ¿Qué empuje as cendente se tendrá que aplicar en un punto de los mangos que se encuentra a 1.4 m de la rueda? 12.11. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de la carretilla descrita en el problema 12.10? Resp. 2.80 12.12. Calcule la ventaja mecánica ideal de la palanca descrita en la figura 12.4c si la fuerza de entrada se aplica a 30 cm del clavo y el punto de apoyo se localiza a 2 cm de dicho clavo. 12.13. La fuerza de entrada que ejerce un músculo del an tebrazo (véase la figura 12.4d) es de 120 N y actúa a una distancia de 4 cm del codo. La longitud total del antebrazo es de 25 cm. Calcule cuánto es el peso que se ha levantado. Resp. 19.2 N 12.14. Una rueda de 20 cm de diámetro está unida a un eje cuyo diámetro es de 6 cm. Si se agrega al eje un peso de 400 N, ¿qué fuerza habrá que aplicar al borde de la rueda para levantar el peso con rapidez constante? Desprecie la fricción. 12.15. Una masa de 20 kg va a ser levantada con una varilla de 2 m de largo. Si se puede ejercer una fuerza descen dente de 40 N en un extremo de la varilla, ¿dónde se deberá colocar un bloque de madera que actúe como punto de apoyo? Resp. A 33.9 cm de la masa 12.16. Calcule la fuerza F necesaria para levantar una car ga W de 200 N por medio de la polea que se muestra en la figura 12.16a. 12.17. ¿Qué fuerza de entrada se necesita para levantar la carga de 200 N con el sistema ilustrado en la figura 12.16b? Resp. 50.0 N Capítulo 12 Resumen y repaso 261
- 282. 12.18. ¿Cuáles son las fuerzas de entrada necesarias para levantar la carga de 200 N con los sistemas que muestran las figuras 12.16c y d? 12.19. ¿Cuál es la ventaja mecánica de un destornillador utilizado usado como rueda y eje (cabria) si su hoja tiene 0.3 in de ancho y su mango tiene 0.8 in de largo? Resp. 2.67 12.20. El malacate de cadena de la figura 12.17 es una combinación de la rueda y eje con el aparejo de po leas. Demuestre que la ventaja mecánica ideal de este dispositivo está dada por W Figura 12.17 12.21. Suponga que el radio mayor de la figura 12-17 es tres veces más grande que el radio pequeño. ¿Qué fuerza de entrada se requiere para levantar una car ga de 10 kg sin fricción alguna? Resp. 32.7 N Sección 12.5 La transmisión del momento de torsión 12.22. Un motor de 1500 rev/min tiene una polea de trac ción de 3 in de diámetro y la polea de arrastre tiene un diámetro de 9 in. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal y cuál es el número de revoluciones por minu to de la polea de salida? 12.23. Una polea de entrada de 30 cm de diámetro gira a 200 rev/min sobre una correa de transmisión co nectada a una polea de salida cuyo diámetro es de 60 cm. ¿Cuál es la razón entre el momento de tor sión de salida y el momento de torsión de entrada? ¿Cuántas revoluciones por minuto hay en la salida? Resp. 100 rev/min 12.24. Un sistema de poleas con correa en V tiene poleas de tracción de salida y entrada cuyos diámetros son 6 in y 4 in, respectivamente. Se aplica un momento de torsión de 200 Ib • in a la tracción de entrada. ¿Cuál es el momento de torsión de la salida? 12.25. La razón entre la rapidez de salida y la de entrada de un sistema de impulsión por engranes es de dos a uno (2:1). ¿Cuál es la ventaja mecánica en este caso? Resp. 12.26. Un conjunto de dos engranes cilindricos tiene 40 y 10 dientes, respectivamente. ¿Cuáles son sus posi bles ventajas mecánicas ideales? 12.27. Para los engranes cilindricos del problema 12.26, ¿cuál es la rapidez rotacional del engrane más pe queño si la del más grande es de 200 rev/min? Resp. 800 rev/min Sección 12.7 Aplicaciones del plano inclinado 12.28. ¿Cuál debe ser el espesor de la base si una cuña tiene 20 cm de longitud y se desea que la fuerza de entrada sea igual a la décima parte de la fuerza de salida? 262 Capítulo 12 Resumen y repaso
- 283. 12.29. ¿Cuál debe ser el ángulo de la punta de una cuña para que su ventaja mecánica sea de 10? Resp. 5.71° 12.30. Una caja de 10 kg es llevada desde el piso hasta una plataforma de carga a través de una rampa de 6 m de longitud y 2 m de altura. Supongamos que ¡ik = 0.25. ¿Cuáles son las ventajas mecánicas ideal y real de esa rampa? 12.31. En el caso de la rampa del problema 12.30, ¿cuál es la eficiencia de dicha rampa? Resp. 58.6% *12.32. Una fuerza de entrada de 20 Ib se aplica al man go de 6 in de una llave de tuercas que se usa para apretar una tuerca de in de diámetro. Se produce una fuerza real de salida de 600 Ib. Si el perno tiene 10 cuerdas o roscas por pulgada, ¿cuál es la ventaja mecánica ideal y cuál es la eficiencia? 12.33. La palanca de un gato de tomillo tiene 24 in de lar go. Si el tornillo tiene seis cuerdas o roscas por pul gada, ¿cuál es la ventaja mecánica ideal? Resp. 904 12.34. Si el gato de tornillo del problema 12.33 tiene 15% de eficiencia, ¿qué fuerza se requiere para levantar con él 2000 Ib? Problemas adicionales *12.35. Un plano inclinado tiene 6 m de longitud y 1 m de altura. El coeficiente de fricción cinética es 0.2. ¿Cuánta fuerza se requiere para empujar con rapi dez constante un peso de 2400 N hacia la parte alta del plano inclinado? ¿Cuál es la eficiencia del plano inclinado? Resp. 873 N, 45.8% *12.36. Una rueda y un eje se usan para elevar una masa de 700 kg. El radio de la rueda es de 0.50 m y el del eje de 0.04 m. Si la eficiencia real es de 60%, ¿qué fuerza de entrada deberá aplicarse a la rueda? *12.37. Un eje que gira a 800 rev/min imparte un momento de torsión de 240 N • m a un eje de salida que gira a 200 rev/min. Si la eficiencia de la máquina es de 70%, calcule el momento de torsión de salida. ¿Cuál es la potencia de salida? Resp. 672 N ■m, 14.1 kW *12.38. El tornillo de un gato tiene una cuerda cuyo paso de rosca es de 0.25 in. Su manija tiene 16 in de largo y se está levantando con él una carga de 1.9 toneladas. Sin tener en cuenta la fricción, ¿qué fuerza hay que aplicar en el extremo de la manija? ¿Cuál es la ven taja mecánica? *12.39. Cierto compresor para refrigeración viene provisto de una polea de 250 mm de diámetro y está dise- 12.40. 12.41. 12.42. *12.43. ñado para funcionar a 600 rev/min. ¿Cuál deberá ser el diámetro de la polea del motor para que su velocidad sea de 2000 rev/min? Resp. 75.0 mm En la correa de un ventilador, la rueda impulsora es de 20 cm de diámetro y la rueda de arrastre tie ne un diámetro de 50 cm. La potencia de entrada proviene de un motor de 4 kW que hace girar a la rueda motriz a 300 rev/min. Si la eficiencia es de 80%, calcule el número de revoluciones por minuto y el momento de torsión que se imparten a la rueda impulsada. Una cuña para partir leños mide 16 cm por lado y el ángulo de la punta es de 10°. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal? Resp. 5.76 Una máquina tiene una eficiencia de 72%. Una fuer za de entrada de 500 N se ejerce a través de una dis tancia paralela de 40 cm. ¿Cuánta energía se pierde en el proceso? Un motor con 80% de eficiencia acciona un malaca te con una eficiencia de 50%. Si la potencia que se imparte al motor es de 6 kW, ¿a qué altura elevará el malacate una masa de 400 kg en un tiempo de 4 s? Resp. 2.45 m Preguntas para la reflexión crítica 12.44. Un peso de 60 N es levantado por los tres procedi mientos que se ilustran en la figura 12.18. Calcule la ventaja mecánica ideal y la fuerza de entrada que se requiere para cada aplicación. Resp. 2, 30 N; 3, 20 N; 0.33, 180 N 12.45. Una transmisión de tornillo sinfín similar a la que se muestra en la figura 12.11 tiene n dientes en la rueda dentada. (Si n = 80, una vuelta completa del tornillo sinfín hará avanzar la rueda un octavo de revolución.) Obtenga una expresión para calcular la ventaja mecánica ideal de la rueda dentada para el tornillo sinfín en función del radio de la polea de entrada R, el radio del eje motor r y el número de dientes n de la rueda dentada. 12.46. La transmisión de tornillo sinfín del problema 12.45 tiene una rueda dentada con 80 dientes. Si el radio de la rueda de entrada es de 30 cm y el radio del eje motor es de 5 cm, ¿qué fuerza de entrada se requiere para levantar una carga de 1200 kg? Suponga una eficiencia de 80%. Resp. 30.6 N Capítulo 12 Resumen y repaso 263
- 284. •; 12.47. La chumacera de un remo de 3.5 m está instalada a 1 m del extremo del mango. La persona que rema en un bote aplica una fuerza de 50 N al extremo del mango. ¿Cuáles son la ventaja mecánica ideal y la fuerza de salida? ¿Aumenta o disminuye la ventaja mecánica si la chumacera se coloca más cerca del extremo del mango? ¿A qué distancia del extremo del mango se debe instalar la chumacera para obte ner un incremento de 20% en la fuerza de salida? 60 N ■120 cm - 60 N (a) 12.48. Dibuje bosquejos que muestren las dimensiones po sibles que producirá una ventaja mecánica de 5 en una palanca, una rueda y eje, y un plano inclinado. 12.49. Un motor de 60 W impulsa la polea de entrada de una transmisión por correa a 150 rev/min. Los diá metros de las poleas de entrada y de salida son 60 cm y 20 cm, respectivamente. Supongamos que en este caso la ventaja mecánica real es de 0.25. (a) ¿Cuál es el momento de torsión de salida? (b) ¿Cuál es la potencia de salida? (c) ¿Cuál es la eficiencia? *12.50. Un par de poleas por pasos (véase la figura 12.19) permite cambiar las rapideces de salida con una sen cilla modificación de la correa. Si un motor eléctri co impulsa la polea de entrada a 2000 rev/min, halle los valores posibles de la rapidez angular del eje de salida. Los diámetros de las poleas son 4, 6 y 8 cm. Resp. (a) Polea pequeña de entrada: 2000, 1330, 1000 rev/min; (b) polea de entrada de en medio: 3000, 2000, 1500 rev/min; (c) polea grande de entrada: 4000, 2670, 2000 rev/min. 40 cm - 60 N ■120 cm - (b) ' 1 - ■ Á (c) Figura 1 2 .1 8 264 Capítulo 12 Resumen y repaso
- 285. El salto de bungee utiliza una correa elástica larga que se estira hasta alcanzar una longitud máxima que es proporcional al peso de la persona que salta. La elasticidad de la correa determina la amplitud resultante de las vibraciones. Si el límite elástico de la correa se excede, la cuerda se rompe. (Foto © vol. 10 PhotoDisc/Getty.) Elasticidad Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Demostrará, por medio de ejemplos y análisis, que ha comprendido los concep tos de elasticidad, límite elástico, esfuerzo, deformación y límite de ruptura. 2. Escribirá y aplicará fórmulas para calcular el m ódulo de Young, el m ódulo de corte y el m ódulo volumétrico. 3. Definirá y analizará el significado de dureza, maleabilidad y ductilidad en el caso de los metales. 265
- 286. 266 Capítulo 13 Elasticidad Hasta ahora hemos estudiado objetos en movimiento o en reposo. Se ha partido de la suposi ción de que los objetos son rígidos y totalmente sólidos. Sin embargo, sabemos que el alam bre puede alargarse, que los neumáticos de hule se comprimen y que los pernos se rompen en algunas ocasiones. Para tener una comprensión más completa de la naturaleza, es necesario estudiar las propiedades mecánicas de la materia. En este capítulo se analizarán los conceptos de elasticidad, tensión y compresión. En la medida en que aumentan los tipos de aleaciones y la demanda de ellas es cada vez mayor, se vuelve más importante que conozcamos bien todos estos conceptos. Por ejemplo, el esfuerzo al que se someten los vehículos espaciales o los cables de los puentes modernos es de una magnitud que hace apenas unos años era in concebible. Propiedades elásticas de la materia Definimos como cuerpo elástico aquel que recobra su tamaño y su forma originales cuando deja de actuar sobre él una fuerza deformante. Las bandas de hule, las pelotas de golf, los trampolines, las camas elásticas, las pelotas de fútbol y los resortes son ejemplos comunes de cuerpos elásticos. La masilla, la pasta y la arcilla son ejemplos de cuerpos inelásticos. Para todos los cuerpos elásticos, conviene establecer relaciones de causa y efecto entre la defor mación y las fuerzas deformantes. Considere el resorte de longitud l en la figura 13.1. Podemos estudiar su elasticidad aña diendo pesas sucesivamente y observando el incremento en su longitud. Una pesa de 20 N alarga el resorte en 1 cm, una pesa de 40 N alarga el resorte 2 cm, y una pesa de 60 N alarga el resorte 3 cm. Es evidente que existe una relación directa entre el estiramiento del resorte y la fuerza aplicada. Robert Hooke fue el primero en establecer esta relación por medio de la invención de un volante de resorte para reloj. En términos generales, Hooke descubrió que cuando una fuerza F actúa sobre un resorte (figura 13.2) produce en él un alargamiento s que es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza. La ley de Hooke se representa como F = ks (13.1) La constante de proporcionalidad k varía mucho de acuerdo con el tipo de material y recibe el nombre de constante elástica. Para el ejemplo ilustrado en la figura 13.1, la constante elástica es F k = - = 20 N/cm La ley de Hooke no se limita al caso de los resortes en espiral; de hecho, se aplica a la deformación de todos los cuerpos elásticos. Para que la ley se pueda aplicar de un modo más general, es conveniente definir los términos esfuerzo y deformación. El esfuerzo se refiere a la causa de una deformación elástica, mientras que la deformación se refiere a su efecto, en otras palabras, a la alteración de la forma en sí misma. 60 N F Figura 13.1 Alargamiento uniforme de un resorte. Figura 13.2 Relación entre la fuerza F aplicada y la elongación que produce.
- 287. 13.1 Propiedades elásticas de la materia 267 w w F •*- (a) Tensión (b) Compresión (c) Cortante Figura 13.3 Tres tipos comunes de esfuerzos y sus correspondientes deformaciones: (a) tensión, (b) com presión, (c) cortante. En la figura 13.3 se muestran tres tipos comunes de esfuerzos y sus correspondientes de formaciones. Un esfuerzo de tensión se presenta cuando fuerzas iguales y opuestas se apartan entre sí. En un esfuerzo de compresión las fuerzas son iguales y opuestas y se acercan entre sí. Un esfuerzo cortante ocurre cuando fuerzas iguales y opuestas no tienen la misma línea de acción. La eficacia de cualquier fuerza que produce un esfuerzo depende en gran medida del área sobre la que se distribuye la fuerza. Por esta razón, una definición más completa de esfuerzo se puede enunciar en la siguiente forma: Esfuerzo es la razón de una fuerza aplicada entre el área sobre la que actúa, por ejemplo, newtons por metro cuadrado o libras por pie cuadrado. Como se mencionó antes, el término deformación representa el efecto de un esfuerzo dado. La definición general de deformación es la siguiente: Deformación es el cambio relativo en las dimensiones o en la forma de un cuerpo como resultado de la aplicación de un esfuerzo. En el caso de un esfuerzo de tensión o de compresión, la deformación puede considerarse como un cambio en la longitud por unidad de longitud. Un esfuerzo cortante, por otra parte, puede alterar únicamente la forma de un cuerpo sin cambiar sus dimensiones. Generalmente el esfuerzo cortante se mide en función de un desplazamiento angular. El límite elástico es el esfuerzo máximo que puede sufrir un cuerpo sin que la deforma ción sea permanente. Por ejemplo, una varilla de aluminio cuya área en sección transversal es de 1 in2se deforma permanentemente si se le aplica un esfuerzo de tensión mayor de 19000 Ib. Esto no significa que la varilla de aluminio se romperá en ese punto, sino únicamente que el cable no recuperará su tamaño original. En realidad, se puede incrementar la tensión hasta casi 21 000 Ib antes de que la varilla se rompa. Esta propiedad de los metales les permite ser convertidos en alambres de secciones transversales más pequeñas. El mayor esfuerzo al que se puede someter un alambre sin que se rompa recibe el nombre de resistencia límite.
- 288. 268 Capítulo 13 Elasticidad Si no se excede el límite elástico de un material, podemos aplicar la ley de Hooke a cual quier deformación elástica. Dentro de los límites para un material dado, se ha comprobado experimentalmente que la relación de un esfuerzo determinado entre la deformación que produce es una constante. En otras palabras, el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. La ley de Hooke establece: Siempre que no se exceda el límite elástico, una deformación elástica es direc tamente proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada por unidad de área (esfuerzo). Si llamamos a la constante de proporcionalidad el módulo de elasticidad, podemos escri bir la ley de Hooke en su forma más general: £Sj~W£t~ZO Módulo de elasticidad — ------------ -- (13.2) deformación En las siguientes secciones analizaremos las aplicaciones específicas de esta relación funda mental. Módulo de Young En esta sección vamos a considerar que los esfuerzos y deformaciones son longitudinales cuando se aplican a alambres, varillas o barras. Por ejemplo, en la figura 13.4 una fuerza F se aplica al extremo de un alambre con un área en sección transversal A. El esfuerzo longitudinal está dado por F Esfuerzo longitudinal = — La unidad métrica para el esfuerzo es el newton por metro cuadrado, que es idéntico al pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m2 La unidad del SUEU para el esfuerzo es la libra por pulgada cuadrada (lb/in2). Puesto que la libra por pulgada cuadrada se sigue usando, resulta útil compararla con la unidad del SI: 1 lb/in2 = 6895 Pa = 6.895 kPa El efecto de tal esfuerzo es el alargamiento del alambre, o sea, un incremento en su longitud. Por tanto, la deformación longitudinal puede representarse mediante el cambio de longitud por unidad de longitud. Podemos escribir A/ Deformación longitudinal = — F Figura 13.4 Cálculo del módulo de Young para un alambre con un área en sección transversal A. La elon gación Al se ha amplificado para mostrarla con mayor claridad.
- 289. 13.2 Módulo de Young 269 donde I es la longitud original y A/ es la elongación (alargamiento total). Se ha demostrado experimentalmente que hay una disminución similar en la longitud como resultado de un esfuerzo de compresión. Las mismas ecuaciones se aplican ya sea que se trate de un objeto sujeto a tensión o de un objeto sujeto a compresión. Si definimos el módulo de elasticidad longitudinal como módulo de Young Y, podemos escribir la ecuación (13.2) como Módulo de Young esfuerzo longitudinal deformación longitudinal Y = Fl F/A ______ AT/l ~ ÁA7 (13.3) Las unidades del módulo de Young son las mismas que las unidades de esfuerzo: libras por pulgada cuadrada o pascales. Esto es lógico, ya que la deformación longitudinal es una cantidad que carece de unidades (adimensional). Los valores representativos correspondien tes de algunos de los materiales más comunes se muestran en las tablas 13.1 y 13.2. Tabla 13.1 C onstantes elásticas de varios m ateriales, en unidades del SI Material Módulo de Young Y, MPa* Módulo de corte S, MPa Módulo volumétrico B, MPa Límite elástico MPa Resistencia límite MPa Acero 207000 82700 159 000 248 489 Aluminio 68900 23 700 68 900 131 145 Cobre 117000 42 300 117 000 159 338 Hierro 89600 68900 96 500 165 324 Latón 89600 35300 58 600 379 455 *(1 MPa = 106Pa) Tabla 13.2 C onstantes elásticas de varios m ateriales en unidades de! SUEU Material Módulo de Young Y, Ib/in2 Módulo de corte S, lb/in2 Módulo volumétrico B, lb/in2 Límite elástico Ib/in2 Resistencia límite lb/in2 Acero 13 X 106 10 X 106 14 X 106 24 000 47 000 Aluminio 10 X 106 3.44 X 106 10 X 106 19 000 21 000 Cobre 17 X 106 6.14 X 106 17 X 10s 23 000 49 000 Hierro 13 X 106 10 X 106 14 X 106 24 000 47 000 Latón 13 X 106 5.12 X 106 8.5 X 106 55 000 66 000 Un cable telefónico de 120 m de largo y de 2.2 mm de diámetro se estira debido a una fuerza de 380 N a lo largo del cable. ¿Cuál es el esfuerzo longitudinal? Si la longitud des pués de ser estirado es de 120.10 m, ¿cuál es la deformación longitudinal? Determine el módulo de Young para el cable.
- 290. 270 Capítulo 13 Elasticidad Plan: Calcularemos el área de la sección transversal del cable y determinaremos el esfuer zo como la fuerza por unidad de área. Luego, la deformación se reconoce como el cambio en la longitud por unidad de longitud inicial. Por último, el módulo de Young es la relación del esfuerzo entre la deformación. Solución: La sección transversal de un cable de 2.2 X 10-3 m de diámetro es ttD 2 7 t(2 .2 X 1(T3m)2 , , A = —— = — ------------------ A = 3.80 X 10"6m2 4 4 F 380 N Esfuerzo = — A 3.80 X 10-6 m2 Esfuerzo = 100 X 106N/m2 = 100 MPa El cambio en la longitud es (120.10 m — 120.00 m) o 0.100 m. Por consiguiente, M 0.10 m , Deformación = — = --------- ; Deformación = 8.3 X 10 1 120 m Por último, el módulo de Young es la razón del esfuerzo a la deformación. esfuerzo 100 MPa Y = — --------— = ------------zt; Y = 120 000 MPa deformación 8.3 X 10 Ejemplo 13.2 ¿Cuál es la carga máxima que se puede colgar de un alambre de acero de 6 mm de diámetro y 2 m de longitud, sin exceder su límite elástico? Determine el incremento en la longitud bajo el efecto de esta carga. Plan: De nuevo, necesitamos hallar el área de la sección transversal del alambre. Luego, a partir de la tabla 13.2, observamos que el límite elástico para el acero es 248 000 MPa. El peso W de la carga suspendida no debe producir un esfuerzo mayor que este límite, por tanto, podemos resolver para la carga en la ecuación del esfuerzo. El aumento en la longi tud puede calcularse directamente a partir de la ecuación (13.3). Solución: El área del cable es t D2 tt(6 X 10“3m)2 A = A = 2.83 X 10"3 m El esfuerzo limitante en este caso es el peso por unidad de área, o W Limite elástico = — o W = límite elástico X A A W = (2.48 X 108Pa)(2.83 X 10“5m2) = 7.01 X 103N La mayor carga que puede soportarse se calcula a partir de este peso: W 7.01 X 103N m = 9.8 m/s2 = 716 kg El incremento de longitud bajo dicha carga se determina a partir de la ecuación (13.3), en la siguiente forma: 2.00 m / F AL = - Y A ) 2.07 X 10n Pa AL = 2.40 X 10~3m (2.48 X 10 Pa) La longitud aumenta 2.40 mm y la nueva longitud es 2.0024 m.
- 291. 13.3 Módulo de corte 271 13.3 Módulo de corte Los esfuerzos de compresión y de tensión producen un ligero cambio en las dimensiones li neales. Como se mencionó antes, un esfuerzo cortante altera únicamente la forma del cuerpo, sin que cambie su volumen. Por ejemplo, considere las fuerzas paralelas no concurrentes que actúan sobre el cubo que se ilustra en la figura 13.5. La fuerza aplicada provoca que cada capa sucesiva de átomos se deslice sobre la siguiente, en forma parecida a lo que les ocurre a las páginas de un libro bajo un esfuerzo similar. Las fuerzas interatómicas restituyen al cubo su forma original cuando cesa dicho esfuerzo. El esfuerzo cortante se define como la relación de la fuerza tangencial F entre el área A sobre la que se aplica. La deformación cortante se define como el ángulo < fi (en radianes), que se conoce como ángulo de corte (consulte la figura 13.5b). Si se aplica la ley de Hooke, podemos ahora definir el módulo de corte S en la siguiente forma: 5 = Esfuerzo cortante Deformación cortante F/A (13.4) El ángulo cf)por lo general es tan pequeño que es aproximadamente igual a tan </>.Apro vechando este hecho, podemos volver a escribir la ecuación (13.4) en la siguiente forma: F/A F/A tan 4> d/l (13.5) Debido a que el valor de S nos da información sobre la rigidez de un cuerpo, a veces se le conoce como módulo de rigidez. A ^ el 4/ 1 / (a) (b) Figura 13.5 Esfuerzo cortante y deformación cortante. Ejemplo 13.3 Un perno de acero (figura 13.6) tiene una sección transversal de 1.8 X 10 4m2y sobresale 3.8 cm de la pared. Si el extremo del perno está sometido a una fuerza cortante de 35 kN, ¿cuál será la flexión hacia abajo del perno? Figura 13.6
- 292. 272 Capítulo 13 Elasticidad Pía n: El esfuerzo cortante es la fuerza cortante F por unidad de área A, y la deformación cortante es la desviación d por unidad de longitud / del perno. Podemos determinar el mó dulo de corte para el acero a partir de la tabla 13.1 y luego calcular la desviación a partir de la ecuación (13.5). Procure usar las unidades básicas del SI para todas las cantidades sustituidas. Solución: Resolvemos para la desviación d como sigue: s- HA - EL d/l Ad _ FI__ (35000 N)(0.038 m) ~ AS ~ (1.8 X 10~4m2)(8.27 X 1010Pa) d = 8.94 X 10~5m El extremo del perno cuyo diámetro mide aproximadamente 1.5 cm se desvía alrededor de 0.09 mm.Las deformaciones de corte por lo general son muy pequeñas. Elasticidad de volumen; módulo volumétrico Hasta ahora hemos considerado los esfuerzos que causan un cambio en la forma de un objeto o que dan por resultado principalmente deformaciones en una sola dimensión. En esta sección nos ocuparemos de los cambios en el volumen. Por ejemplo, considere el cubo de la figura 13.7 en el cual las fuerzas se aplican uniformemente sobre la superficie. El volumen inicial del cubo se indica como V y el área de cada cara se representa por A. La fuerza resultante F que se aplica normalmente a cada una de las caras provoca un cambio en el volumen —Ay. El signo menos indica que el cambio representa una reducción de volumen. El esfuerzo de volumen F/A es la fuerza normal por unidad de área, mientras que la deformación de volumen —AV/y es el cambio de volumen por unidad de volumen. Al aplicar la ley de Hooke, defini mos el módulo de elasticidad de volumen, o módulo volumétrico, de la manera siguiente: B = esfuerzo de volumen _ F/A deformación de volumen A y/y (13.6) Este tipo de deformación se aplica tanto a líquidos como a sólidos. La tabla 13.3 muestra los módulos de volumen para algunos de los líquidos más comunes. Cuando se trabaja con líquidos a veces es más conveniente representar el esfuerzo como la presión P, que se define como la fuerza por unidad de área F/A. Con esta definición podemos escribir la ecuación (13.6) como B - W v (13'7) Figura 13.7 Módulo volumétrico. El volumen original se reduce por la acción de una fuerza de compresión uniforme sobre cada una de las caras.
- 293. 13.5 Otras propiedades físicas de los metales 273 Tabla 13.3 Módulos de volumen para líquidos Módulo volumétrico B Líquido MPa lb/in2 Aceite 1700 2.5 X 105 Agua 2100 3.1 X 105 Alcohol etílico 1100 1.6 X 105 Benceno 1050 1.5 X 105 Mercurio 27000 40 X 105 Al valor recíproco del módulo volumétrico se le llama compresibilidad k. Con frecuencia conviene estudiar la elasticidad de los materiales midiendo sus respectivas compresibilida des. Por definición. n av PJ V0 (13.8) La ecuación (13.8) indica que la compresibilidad es el cambio fraccional en volumen por unidad de incremento en la presión. Ejemplo 13.4 * Una prensa hidráulica contiene cinco litros de agua. Determine el decremento en volumen de agua cuando se ve sometida a una presión de 2000 kPa. Solución: El decremento de volumen se obtiene al despejar AV de la ecuación (13.7): PV (2 X 106Pa)(5 L) AV = ------= ----------------i----- - B 2.1 X 10 Pa = -0.00476 L = -4.76 mL Otras propiedades físicas de los metales Además de la elasticidad, el esfuerzo de tensión y el esfuerzo cortante, los materiales pre sentan otras propiedades importantes. Un sólido consiste en un conjunto de moléculas tan cercanas unas a otras que se atraen fuertemente entre sí. Esta atracción, llamada cohesión, le imparte a un sólido una forma y un tamaño definidos. También afecta su utilidad para la industria como material de trabajo. Es preciso comprender propiedades como la dureza, la ductilidad, la maleabilidad y la conductividad antes de elegir metales para aplicaciones espe cíficas. Tres de estas propiedades se ilustran en la figura 13.8. Dureza es un término industrial utilizado para describir la capacidad de los metales para resistir a fuerzas que tienden a penetrarlos. Los materiales duros resisten rayaduras, desgas tes, penetración o cualquier otro daño físico. Algunos metales, como el sodio y el potasio son blandos, mientras que el hierro y el acero son dos de los materiales más duros. La dureza de los metales se prueba con máquinas que presionan una punta de diamante cónica contra los materiales que se van a probar. La penetración se mide y la dureza se lee directamente en una carátula graduada. Las otras dos propiedades especiales de los materiales son la ductilidad y la maleabi lidad. El significado de cada uno de estos términos se puede apreciar en la figura 13.8. La ductilidad se define como la capacidad de un metal de ser convertido en alambre. El tungsteno
- 294. 274 Capítulo 13 Elasticidad (a) Dureza (b) Ductilidad (c) Maleabilidad Figura 13.8 Ejemplos de las propiedades de trabajo de los metales: (a) un metal duro resiste la penetración, (b) un metal dúctil puede estirarse en forma de alambre, y (c) un metal maleable puede laminarse en hojas. y el cobre son sumamente dúctiles. La maleabilidad es la propiedad que nos permite martillar o doblar los metales para darles la forma deseada o para laminarlos en forma de hojas. La mayoría de los metales son maleables y el oro es el más maleable de todos. La conductividad se refiere a la capacidad de los metales para permitir que fluya la elec tricidad a través de ellos. Los mejores conductores son la plata, el cobre, el oro y el aluminio, en ese orden. Se examinará con mayor detalle esta propiedad en capítulos posteriores.
- 295. esumen y repaso Resumen En la industria se deben utilizarlos materiales en forma eficaz, y para las situaciones apropiadas. Si no es así, habrá fallas en los metales que darán lugar a daños costosos olesiones graves entre los empleados. En este capítulo hemos expuesto las pro piedades elásticas de la materia y algunas de las fórmulas que se emplean para predecirlos efectos del esfuerzo sobre ciertos sólidos. Los siguientes puntos resumen este capítulo: • Según la ley de Hooke, un cuerpo elástico se deforma o se alarga en una cantidad 5 cuando se le aplica una fuerza F. La constante de proporcionalidad k es la constante de elasticidad: F = ks k = — Ley de Hooke s El esfuerzo es la relación entre una fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. La deformación es el cambio re lativo de dimensiones resultante del esfuerzo. Por ejemplo, Esfuerzo longitudinal = Deformación longitudinal = F A A[ l El módulo de elasticidad es la relación constante entre el esfuerzo y la deformación: esfuerzo Módulo de elasticidad = deformación El módulo de Young Y permite calcular deformaciones longitudinales: El esfuerzo cortante se presenta cuando se produce una deformación angular </>: F/A S = ~ ~ Módulo de corte d/l Siempre que la aplicación de un esfuerzo provoca un cambio de volumen AV, es necesario aplicar el módulo volumétrico B, el cual se calcula con la expresión B = - F/A Ay/y Módulo volumétrico El recíproco del módulo volumétrico se conoce como compresibilidad. Conceptos clave cohesión 273 constante elástica 266 cuerpo elástico 266 deformación 266 ductilidad 273 dureza 273 elasticidad 266 esfuerzo 266 esfuerzo cortante 267 esfuerzo de compresión 267 esfuerzo de tensión 267 ley de Hooke 266 límite elástico 267 maleabilidad 273 módulo de corte 271 módulo de elasticidad 268 módulo de rigidez 271 módulo de Young 269 módulo volumétrico 272 resistencia límite 267 Preguntas de repaso 13.1. 13.2. Explique con claridad la relación entre esfuerzo y deformación. Dos alambres tienen la misma longitud y área en sección transversal, pero no son del mismo mate rial. Ambos alambres cuelgan del techo y tienen 13.3. atado un peso de 2000 Ib cada uno. El alambre de la izquierda se estira dos veces más que el de la dere cha, ¿cuál de ellos tiene mayor módulo de Young? ¿El módulo de Young depende de la longitud y del áreade la seccióntransversal? Explique su respuesta. 275
- 296. 13.4. Dos alambres. A y B, son del mismo material y es tán sometidos a las mismas cargas. Comente cuá les serán sus alargamientos relativos cuando: (a) el alambre A tiene el doble de longitud y de diámetro que el alambre B, y (b) el alambre A tiene el doble de longitud que el alambre B y su diámetro es igual a la mitad del diámetro del alambre B. 13.5. Después de estudiar las diversas constantes elásti cas que se presentan en las tablas 13.1 y 13.2, ¿qué diría usted que es más fácil: estirar un material o cortarlo? Explique su respuesta. 13.6. Una masa de 200 kg está sostenida de manera uni forme por tres alambres, uno de cobre, uno de alu minio y uno de acero. Si los alambres tienen las mismas dimensiones, ¿a cuál de ellos corresponde el mayor esfuerzo y a cuál el menor? ¿Cuál de ellos sufre la mayor deformación y cuál la menor? 13.7. Comente los diversos esfuerzos que se presentan cuando un tornillo de máquina se aprieta. 13.8. Mencione varios ejemplos prácticos de esfuerzos longitudinales, cortantes y volumétricos. 13.9. Para un metal dado, ¿esperaría usted que hubiera alguna relación entre su módulo de elasticidad y su coeficiente de restitución? Comente el tema. 13.10. ¿Qué tiene mayor compresibilidad, el acero o el agua? Problemas Sección 13.1 Propiedades elásticas de la materia 13.1. 13.2. 13.3. Cuando una masa de 500 g cuelga de un resorte, éste se alarga 3 cm. ¿Cuál es la constante elástica? Resp. 163 N/m ¿Cuál es el incremento del alargamiento en el resor te del problema 13.1 si se cuelgauna masa adicional de 500 g debajo de la primera? La constante elástica de un resorte resultó ser de 3000 N/m. ¿Qué fuerza se requiere para comprimir el resorte hasta una distancia de 5 cm? Resp. 150 N 13.4. En un extremo de un resorte de 6 in se ha colgado un peso de 4 Ib, por lo cual la nueva longitud del resorte es de 6.5 in. ¿Cuál es la constante elástica? ¿Cuál es la deformación? 13.5. Un resorte en espiral de 12 cm de largo se usa para sostener una masa de 1.8 kg que produce una defor mación de 0.10. ¿Cuánto se alargó el resorte? ¿Cuál es la constante elástica? Resp. 1.2 cm, 1470 N/m En el caso del resorte del problema 13.5, ¿qué masa total se deberá colgar de él si se desea provocar un alargamiento de 4 cm? 13.6. Sección 13.2 Módulo de Young 13.7. Un peso de 60 kg está suspendido de un cable cuyo diámetro es de 9 mm. ¿Cuál es el esfuerzo en este caso? Resp. 9.24 Mpa Un trozo de alambre de 50 cm de longitud se estira hasta alcanzar la longitud de 50.01 cm. ¿Cuál es la deformación? Una varilla de 12 m está sometida a un esfuerzo de compresión de —0.0004. ¿Cuál es la nueva longitud de la varilla? Resp. 11.995 m 13.10. El módulo de Young de una varilla es de 4 X 1011 Pa. ¿Qué deformación resultará con un esfuerzo de tensión de 420 Mpa? 13.8. 13.9. 13.11. Una masa de 500 kg se ha colgado del extremo de un alambre de metal cuya longitud es de 2 m, y tiene 1 mm de diámetro. Si el alambre se estira 1.40 cm, ¿cuáles han sido el esfuerzo y la deformación? ¿Cuál es el módulo de Young en el caso de este metal? Resp. 6.24 X 109 Pa, 7.00 X 10-3, 8.91 X 1011 Pa 13.12. Una viga maestra de acero de 16 ft con área de sec ción transversal de 10in2sostiene una carga de com presión de 20 toneladas. ¿Cuál es la disminución resultante en la longitud de la viga? 13.13. ¿En qué medida se alarga un trozo de alambre de bronce, de 60 cm de longitud y 1.2 mm de diámetro, cuando se cuelga una masa de 3 kg de uno de sus extremos? Resp. 0.174 mm 13.14. Un alambre cuya sección transversal es de 4 mm2se alarga 0.1 mm cuando está sometido a un peso deter minado. ¿En qué medida se alargaráuntrozo de alam bre delmismo materialylongitudsi su áreade sección transversal es de 8mm2y se le somete almismopeso? 13.15. El esfuerzo de compresión del hueso de un muslo humano de la figura 13.9 se parece al ejercido en la i?j = 12.5 mm R. = 6.2 mm Figura 13.9 Esfuerzo de compresión en el hueso del muslo (fémur). (Figura por Hemera, Inc.) 276 Capítulo 13 Resumen y repaso
- 297. sección transversal de un cilindro hueco. Si el es fuerzo máximo que puede sostenerse es 172 MPa, ¿cuál es la fuerza requerida para romper el hueso en su parte más estrecha? Use las dimensiones que se proporcionan en la figura. Resp. 63.66 kN Sección 13.3 Módulo de corte 13.16. Una fuerza de corte de 40 000 N se aplica a la parte superior de un cubo cuyo lado mide 30 cm. ¿Cuál es el esfuerzo cortante en este caso? 13.17. Si el cubo del problema 13.16 es de cobre, ¿cuál será el desplazamiento lateral de la superficie supe rior del cubo? Resp. 3.15 ¡im 13.18. Una fuerza de corte de 26 000 N se distribuye de ma nerauniforme sobre la seccióntransversal de un alfiler de 1.3cm dediámetro. ¿Cuál es el esfuerzo cortante? 13.19. Una varilla de aluminio cuyo diámetro es 20 mm sobresale 4.0 cm de la pared. El extremo de la va rilla está sujeto a una fuerza de corte de 48 000 N. Calcule la flexión hacia abajo. Resp. 0.258 mm 13.20. Una varilla de acero sobresale 1.0 in por encima del piso y tiene 0.5 in de diámetro. La fuerza de corte F aplicada es de 6000 Ib y el módulo de corte es 11.6 X 106 lb/in2. ¿Cuáles son los valores del esfuerzo cortante y la flexión horizontal? 13.21. Una carga de 1500 kg está sostenida por un extremo de una viga de aluminio de 5 m, como se aprecia en la figura 13.10. El área de la sección transversal de la vigaes de 26cm2yelmódulo de cortees 23 700MPa. ¿Cuáles sonelesfuerzocortanteylaflexiónhaciaaba jo de la viga? Resp. 5.65 X 106Pa, 1.19 mm 13.22. Una placa de acero de 0.5 in de espesor tiene una resistencia límite de corte de 50 000 lb/in2. ¿Qué fuerza se tendrá que aplicarpara hacerun orificio de 1/4 in que atraviese toda la placa? 5 m Lñ 1500 kg Figura 13.10 Sección 13.4 Elasticidad de volumen; Módulo volumétrico 13.23. Una presión de 3 X 108Pa se aplica a un bloque cuyo volumen es 0.500 m3. Si el volumen dismi nuye en 0.004 m3,¿cuál es el módulo volumétrico? ¿Cuál es la compresibilidad? Resp. 37 500 MPa, 2.67 X 10-" m3/Pa-1 13.24. El módulo volumétrico para un determinado tipo de aceite es de 2.8 X 1010Pa. ¿Cuánta presión se requiere para que su volumen disminuya de acuerdo con un factor de 1.2 por ciento? 13.25. Una esfera de latón macizo (B = 35 000 MPa) cuyo volumen es 0.8 m3se deja caer en el océano hasta una profundidad en la cual la presión hidrostática es 20 Mpa mayor que en la superficie. ¿Qué cambio se registrará en el volumen de la esfera? Resp. —4.57 X 10~4m3 13.26. Un fluido en particular se comprime 0.40 por ciento bajo una presión de 6 MPa. ¿Cuál es la compresibi lidad de ese fluido? 13.27. ¿Cuál es el decremento fraccional del volumen del agua cuando está sometida a una presión de 15 MPa? Resp. -0.00714 Problemas adicionales 13.28. Un alambre de acero de 10 m y 2.5 mm de diámetro se estira una distancia de 0.56 mm cuando se coloca cierta carga en su extremo. ¿Cuál es la masa de esa carga? 13.29. Una fuerza de corte de 3000 N se aplica en la super ficie superior de un cubo de cobre cuyo lado mide 40 mm. Suponga que S = 4.2 X 1010Pa. ¿Cuál es el ángulo de corte? Resp. 4.46 X 10-5 rad 13.30. Una columna sólida cilindrica de acero mide 6 m de longitud y 8 cm de diámetro. ¿Cuál es la disminu ción de la longitud cuando la columna soporta una carga de 90 000 kg? 13.31. Un pistón de 8 cm de diámetro ejerce una fuerza de 2000 N sobre 1litro de benceno. ¿Cuánto disminuye elvolumen delbenceno? Resp. —3.79 X 10-7 m3 13.32. ¿Cuánto se estirará un trozo de alambre de cobre de 600 mm de longitud y 1.2 mm de diámetro cuando se cuelga una masa de 4 kg de uno de sus extremos? 13.33. Una columna cilindrica sólida de acero mide 12 ft de altura y 6in de diámetro. ¿Qué carga debe sopor tar para que su longitud disminuya —0.0255 in? Resp. 1.50 X 105Ib 13.34. Calcule la contracción del volumen de mercurio si un volumen original de 1600 cm3de este elemento se somete a una presión de 400 000 Pa. 13.35. ¿Cuál es el diámetro mínimo de una varilla de bron ce si tiene que soportar unatensión de 400 N sin que se exceda el límite elástico? Resp. 1.16 mm Capítulo 13 Resumen y repaso 277
- 298. 13.36. Un bloque cúbico de metal con lados de 40 cm so- 13.37. Unacuerda de acero parapiano tiene unaresistencia porta una fuerza de corte de 400 000 N en su borde límite de 35 000 lb/in2aproximadamente. ¿Cuál es superior. ¿Cuál es el módulo de corte para este me- la mayor carga que puede soportar una cuerda de tal si el borde superior se flexiona hasta una distan- acero de 0.5 in de diámetro sin romperse? cia de 0.0143 mm? Resp. 6868.75 Ib Preguntas para la reflexión crítica 13.38. Un alambre de metal se alarga 2 mm cuando está sometido a una fuerza de tensión. ¿Qué alargamien to se puede esperar con esa misma fuerza si el diá metro del alambre se reduce a la mitad de su valor inicial? Suponga que el alambre de metal conserva sumismo diámetro, pero que su longitud se duplica. ¿Qué alargamiento se podría esperar entonces con la misma carga? Resp. 0.500 mm, 4 mm 13.39. Un cilindro de 4 cm de diámetro estálleno de aceite. ¿Qué fuerza habrá que ejercer en total sobre el acei te para obtener una disminución de 0.8 por ciento en el volumen? Compare las fuerzas necesarias si el aceite se sustituye por agua y si se sustituye por mercurio. *13.40. Unabola de 15kg está unida alextremo deun alam bre de acero de 6 m de largo y 1.0 mm de diámetro. El otro extremo del alambre está sujeto a un techo elevado y el conjunto constituye un péndulo. Si pasamos por alto el pequeño cambio de longitud, ¿cuál es la rapidez máxima con la cual puede pasar la bola por supunto más bajo sin que se exceda el lí mite elástico? ¿Cuál será el incremento de longitud del alambre bajo el esfuerzo limitador? ¿Qué efecto tendrá este cambio sobre la velocidad máxima? Resp. 4.38 m/s, 7.19 mm, un ligero aumento en la velocidad máxima 13.41. En un cilindro de 10 in de diámetro se vierte gliceri- nahasta una altura de 6in. Un pistón del mismo diá metro empuja hacia abajo el líquido con una fuerza de 800 Ib. La compresibilidad de la glicerina es 1.50 X 10~6in2/lb. ¿Cuál es el esfuerzo sobre la gliceri na? ¿Hasta qué distancia desciende el pistón? *13.42. Latorsión deun eje cilindrico (figura 13.11) hastaun ángulo 9es un ejemplo de deformación por esfuerzo cortante. Un análisis de la situación muestra que el ángulo de torsión en radianes se calcula mediante 2 Ti 9 ~ 77SR4 Figura 13.11 Un momento de torsión r aplicado en un extremo de un cilindro sólido hace que éste se tuerza hasta un ángulo 9. Si un momento de torsión de 100 Ib • ft se aplica al extremo de un eje cilindrico de acero de 10 ft de longitud y 2 in de diámetro, ¿cuál será el ángulo de torsión en radianes? Resp. 0.00764 rad *13.43. Un eje de aluminio de 1cm de diámetro y 16 cm de alto está sometido a un esfuerzo cortante de torsión como se explicó en el problema anterior. ¿Qué mo mento de torsión ocasionará un retorcimiento de Io según se describe en la figura 13.11? *13.44. Dos láminas de aluminio que forman parte del ala de un avión están unidas entre sí con remaches de aluminio cuya sección transversal tiene un área de 0.25 in2.El esfuerzo cortante sobre cadaremache no debe ser mayor de la décima parte del límite elásti co del aluminio. ¿Cuántos remaches se necesitan si cada uno de ellos soporta la misma fracción de una fuerza de corte total de 25 000 Ib? Resp. 53 remaches donde r = momento de torsión aplicado / = longitud del cilindro R = radio del cilindro S = módulo de corte 278 Capítulo 13 Resumen y repaso
- 299. Movimiento armónico simple Un trampolín ejerce una fuerza de restauración sobre la persona que salta directamente proporcional a la fuerza media necesaria para desplazar la colchoneta. El movimiento hacia adelante y atrás debido a las fuerzas de restitución suministra la energía necesaria para el movimiento armónico simple. (Fotografía de Mark Tippens.) Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Definirá el movimiento armónico simple y describirá y aplicará la ley de Hooke y la segunda ley de Newton para determinar la aceleración en función del des plazamiento. 2. Aplicará los principios de conservación de la energía mecánica para una masa que se desplaza con movimiento armónico simple. 3. Usará el círculo de referencia para describir la variación de la magnitud y di rección del desplazamiento, la velocidad y la aceleración para el movimiento armónico simple. 4. Escribirá y aplicará fórmulas para determinar el desplazamiento x, la velocidad v o la aceleración en términos del tiempo, la frecuencia y la amplitud. 5. Escribirá y aplicará la relación entre la frecuencia del movimiento y la masa de un objeto que vibra, cuando se conoce la constante del resorte. 279
- 300. 280 Capítulo 14 Movimiento armónico simple 6. Calculará la frecuencia o el periodo en el movimiento armónico simple cuando se conocen la posición y la aceleración. 7. Describirá el movimiento de un péndulo simple y calculará la longitud necesa ria para producir una determinada frecuencia. Hasta ahora hemos estudiado el movimiento de objetos que reciben la influencia de una fuerza constante e invariable. Describimos ese tipo de movimiento calculando la posición y velocidad en función del tiempo. Sin embargo, en el mundo real existen fuerzas variables. Ejemplos muy conocidos de ello son los péndulos oscilantes, las ruedas de compensación o balance de los relojes, los diapasones, una masa que vibra en el extremo de un resorte en es piral y las columnas de aire en vibración de los instrumentos musicales. En estos y en muchos otros casos se precisa una descripción más completa del movimiento causado por una fuerza resultante que varía de forma predecible. Figura 14.1. Vibración periódica de un trampolín. Movimiento periódico Siempre que se deforma un objeto, aparece en él una fuerza elástica de restitución propor cional a la deformación. Cuando la fuerza deja de actuar, el objeto vibra de un lado a otro respecto de su posición de equilibrio. Por ejemplo, después de que un clavadista salta del trampolín (figura 14.1), éste continúa vibrando de arriba abajo de su posición normal durante cierto tiempo. Se dice que este tipo de movimiento esperiódico porque la posición y la velo cidad de las partículas en movimiento se repiten en función del tiempo. Puesto que la fuerza de restitución disminuye después de cada vibración, tarde o temprano el trampolín volverá al estado de reposo. El movimiento periódico es aquel en el que un cuerpo se mueve de un lado a otro, sobre una trayectoria fija, y regresa a cada posición y velocidad después de un intervalo de tiempo definido. Una mesa de aire es un aparato de laboratorio sobre el que los objetos se deslizan con muy poca fricción. Suponga que fijamos un extremo de un resorte ligero a la pared y el otro a un disco circular libre para deslizarse sobre esa mesa, como se muestra en la figura 14.2. Denotaremos su posición inicial de equilibrio con x = 0, y luego estiraremos el resorte a la derecha una distancia x = A. Al soltarlo, se observa que el disco oscila de un lado a otro por la posición de equilibrio con fricción despreciable. De acuerdo con la ley de Hooke (véase el capítulo anterior), la fuerza de restitución F es directamente proporcional al desplazamiento a Mesa de aire Presión del aire +A F=-kx I I I . . ] r i i k __________________________________________________________ ~ ~ l I I I I ---------- X Figura 14.2. Un disco unido a un resorte oscila a un lado y otro sobre una mesa de aire, lo que ejemplifica el movimiento armónico simple.
- 301. 14.1 Movimiento periódico 281 partir de x - 0. Esa fuerza siempre se opone al desplazamiento, de modo que la ley de Hooke puede escribirse como F — —kx Ley de Hooke (14.1) El desplazamiento máximo a partir de la posición de equilibrio x = ±A se llama am plitud. En esta posición, el disco experimenta su fuerza máxima dirigida hacia el centro de oscilación. La fuerza disminuye a medida que el disco se aproxima al centro de oscilación; al llegar a él, se vuelve igual a cero. La cantidad de movimiento del disco lo lleva más allá del centro, pero luego la fuerza invierte esta dirección, lo que disminuye el movimiento hasta que el disco alcanza su amplitud en la otra dirección y la oscilación continúa. Sin fricción, este movimiento perduraría por siempre. Este tipo de movimiento oscilatorio sin fricción se denomina movimiento armónico simple (MAS). El movimiento armónico simple (MAS) es un movimiento periódico que ocurre en ausencia de fricción y es producido por una fuerza de restitución directa mente proporcional al desplazamiento y tiene una dirección opuesta a éste. El periodo T se define como el tiempo en el que se realiza una oscilación completa cuan do el objeto se mueve con MAS. Considere, por ejemplo, la masa atada al extremo de un re sorte vertical, como aparece en la figura 14.3. Si tiramos de la masa hacia abajo una distancia y = —A y luego la soltamos, su movimiento se aproximará al MAS. El tiempo que va desde que se la suelta en y = —A hasta que vuelve a y = —A representa el lapso de una oscilación completa, es decir, el periodo. En realidad, podríamos elegir cualquier posición y durante la oscilación y el periodo sería el tiempo que demoraría la masa en volver a ese lugar movién dose en la misma dirección. Cabe señalar que el tiempo requerido para moverse del centro de oscilación al máximo desplazamiento A en cualquier dirección sólo es una cuarta parte del periodo. Suponga que la masa oscilatoria de la figura 14.3 tiene un periodo igual a 4 s. En f = 0, pasa el centro de oscilación en dirección ascendente. Tras un segundo, se hallará en y = +A. Después de 2 s, pasará otra vez por el centro de equilibrio. No obstante, irá en dirección des cendente, así que el tiempo es igual a medio periodo. El periodo completo de 4 s sólo se alcan za cuando la masa vuelve a y = 0 y se mueve en la misma dirección que tenía cuando t = 0. La frecuencia f es el número de oscilaciones completas por unidad de tiempo. Puesto que el periodo es igual a la cantidad de segundos por oscilación, se deduce que la frecuencia será el recíproco del periodo o número de oscilaciones por segundo Movimiento armónico simple y = +A Amplitud A A v El periodo T es el tiempo en que se tiene una oscilación completa (segundos, s) /= 1 La frecuencia/es el número de oscilaciones completas por segundo Figura 14.3 El movimiento armónico simple (MAS) es un movimiento periódico con amplitud, frecuencia y periodo constantes.
- 302. En el SI, la unidad para la frecuencia (oscilaciones/segundo) es el hertz (Hz) El hertz Por tanto, una frecuencia de 20 oscilaciones por segundo se escribe 20 Hz. 282 Capítulo 14 Movimiento armónico simple 1 1 Hz = - = i ' 1 5 Ejemplo 14.1 La masa suspendida de la figura 14.3 se tira hacia abajo y luego se suelta, por lo que oscila con MAS. Un estudiante determina que el tiempo transcurrido para 50 vibraciones com pletas es de 74.1 s. ¿Cuáles son el periodo y la frecuencia del movimiento? Plan: El tiempo proporcionado es de 50 vibraciones. Sabemos que el periodo es el tiempo que se lleva una vibración y que la frecuencia es el recíproco del periodo. Solución: Al dividir el tiempo total entre las vibraciones totales se obtiene 74.1 s T = -------- = 1.48 s 50 vib Por último, con base en la ecuación (13.2) se determina la frecuencia / = 0.675 Hz / = - = — -— J T 1.48 s’ Debe señalarse que una vibración u oscilación es una unidad adimensional tal que vibra- ciones/s se expresa sencillamente como s~! o Hz. Ejemplo 14.2 Se fija al techo un resorte ligero; luego se marca su posición inferior en un metro. Cuando se cuelga una masa de 3 kg del extremo inferior del resorte, éste se mueve hacia abajo una distancia vertical de 12 cm. Determine la constante del resorte. Plan: De acuerdo con la ley de Hooke, la constante del resorte es la razón de cambio de fuerza al cambio de desplazamiento. Observe que la constante del resorte es una cantidad absoluta. El signo negativo de la ley de Hooke indica la dirección de la fuerza de restitu ción es opuesta al desplazamiento. Solución: El cambio de la fuerza es igual al peso de la masa mg, así que AF = mg y Ax = 0.12 m. A partir de la ley de Hooke se obtiene k = AF mg x (3 kg)(9.8 m/s2) 0.12 m = 242 N/m La letra griega delta en las ecuaciones anteriores es importante, ya que denotan el cambio de fuerza y de desplazamiento que determinan la constante del resorte. En este ejemplo, si añadimos una segunda masa de 3 kg debajo de la primera, el resorte se moverá hacia abajo otros 12 cm. Más adelante, en la sección 14.7 demostraremos que el periodo y la frecuencia para un sistema que oscila con MAS puede determinarse a partir de la masa y la constante del resorte.
- 303. 14.2 La segunda ley de Newton y la ley de Hooke 283 La segunda ley de Newton y la ley de Hooke La fuerza de restitución de un sistema oscilatorio con MAS cumple la ley de Hooke, pero cualquier fuerza resultante satisface la segunda ley de Newton; por ende, la aceleración de una masa que vibra será proporcional tanto a la fuerza resultante como al desplazamiento F = ma y F = —kx Al combinar estas dos relaciones se obtiene ma = —kx así que la aceleración de una masa m que se mueve con MAS está dada por a = - — x (14.3) m El signo negativo indica que la aceleración (y la fuerza de restitución) se dirige siempre en dirección opuesta al desplazamiento. Si éste es hacia abajo, la aceleración es hacia arriba; si el desplazamiento va a la derecha, la aceleración lo hará a la izquierda. Suponga que el disco circular de la figura 14.4 tiene una masa de 1.5 kg y que se le tira hacia fuera una distancia de 12 cm; luego se le suelta y oscila con MAS sobre una mesa de aire. La constante del resorte es de 120 N/m . (a) ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la aceleración? (b) ¿Cuál es la fuerza sobre la masa cuando ésta tiene los desplazamien tos siguientes: (a) +12 cm, (b) +8 cm, y (c) - 4 cm? Plan: Con la ecuación (14.3) se halla la aceleración correspondiente a cada desplaza miento. La fuerza se determina entonces a partir de la ley de Hooke o de la segunda ley de Newton. Sin embargo, debemos prestar atención a los signos porque tanto la fuerza como la aceleración deben ser opuestas al desplazamiento. Elegiremos la dirección hacia la derecha como positiva. Solución (a): Primero calculamos la aceleración y la fuerza para* = +12 cm = 0.12 m, que debe representar la aceleración máxima y la fuerza de restitución, ya que la masa se halla en la amplitud A. kx (120 N/m)(+0.12 m) _ a = ----- = --------------------------------; a = -9 .6 m/s m 1.5 kg F = —kx = —(120 N/m)(+0.12 m); / ? = - 1 4 . 4 N Observe que la fuerza y la aceleración correspondientes a este desplazamiento se dirigen a la izquierda. Figura 14.4 El trabajo realizado por la fuerza de extensión F cuando ésta desplaza la masa una distancia igual a A ' a partir de la posición de equilibrio.
- 304. 284 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Solución (b): Cuando x = +8 cm = 0.08 m, la aceleración y la fuerza son kx (120 N/m)(+0.08 m) , a = ----- = --------------------------------; a = —6.4 m/s m 1.5 kg F = —kx = —(120 N/m) + (0.08 m); F = - 9.6 N Solución (c): Cuando x = —4 cm = — 0.04 m se obtiene kx (120 N/m)(—0.04 m) a = a = +3.2 m/s2 m 1.5 kg F = —kx = -(120 N/m)(—0.04 m); F = +4.8 N Cabe advertir en el último ejemplo que el disco se halla del lado izquierdo de la posición de equilibrio, lo que significa que el resorte está comprimido y ejerce una fuerza de restitu ción que va a la derecha. Los signos de las respuestas indican las direcciones. Trabajo y energía en el movimiento armónico simple Suponga que consideramos el trabajo hecho al extender un resorte, como el que aparece en la figura 14.5. Una fuerza externa F actúa a lo largo de una distancia x al comprimir el resorte. Este trabajo es positivo e igual al producto de la fuerza por la distancia, Fx. A la vez, el resor te ejerce una fuerza equivalente y en dirección opuesta (contra la fuerza que comprime) que realiza la misma cantidad de trabajo, pero negativo. Si trazamos una gráfica de la fuerza F en función del desplazamiento x, es posible demostrar que el trabajo que efectúa es igual a kx2, lo que significa que la energía potencial U almacenada en el resorte está dada por Energía potencial U = —kx2 2 (14.4) Cuando se suelta un resorte comprimido, la energía potencial se convierte en energía ci nética {mv2) a medida que la masa que aquél tiene unida gana velocidad. Si suponemos que no hay fricción, la energía cinética final será igual a la energía potencial inicial. La energía potencial se guarda en el resorte sólo cuando está comprimido o extendido. Por su parte, la energía cinética sólo existe si la masa tiene velocidad. Recuerde que la energía total (U + K) de un sistema no cambia. En consecuencia, en ausencia de fricción escribimos Conservación de la energía U0 + K0 = U f + K f —kxl + —mvo = —kxj H — m v? 2 2 2 2 (14.5) donde los subíndices 0 y / se refieren a los valores inicial y final. Si hay fricción, debemos sumar en el miembro derecho de la ecuación el trabajo absoluto realizado por ella. AAAi mÍ Í N Í N N N mi/VVW /7 m : X Figura 14.5 Conservación de la energía para el MAS.
- 305. 14.3 Trabajo y energía en el movimiento armónico simple 285 Ahora estamos listos para considerar la conservación de la energía para una masa m que oscila con MAS, como se muestra en la figura 14.5. Básicamente, en cualquier punto durante la oscilación, la energía total (E = U + K) es 1 ,9 1 9 E = —kx~ H — mv 2 2 Considere la energía total E en cada uno de los casos siguientes: 1 1 1 En x = ±A : E = —kA2 + —m(O)2 o E = —kA1 2 2 2 1 1 1 9 En x = 0: E = ^k(0)2 + -m v 2 máx o E = 1 - 1 E nx = x: E = —kx H — mv 2 2 9 Enseguida, deduciremos una expresión para determinar la velocidad v de una masa que se mueve con MAS y sin fricción. Como la energía total en cualquier punto es la misma que se tiene al alcanzar la amplitud, podemos escribir — kx2 + —mv2 ~ —kA2 2 2 2 Si resolvemos para la velocidad, v, hallaremos que v = <i4-6) Observe que para el caso especial en que x = 0, la velocidad es máxima e igual a r j A (14.7) Las ecuaciones (14.6) y (14.7) son útiles en cálculos repetitivos, pero casi siempre es mejor aplicar solamente la ecuación de conservación (14.5) porque es más fácil recordarla. Puesto que la energía es una cantidad escalar, no se sabe la dirección de la velocidad a partir de estas ecuaciones. La raíz cuadrada de un número puede ser positiva o negativa. Un resorte tiene atada una masa de 0.4 kg que oscila con MAS a lo largo de una superficie sin fricción, como en la figura 14.5. La constante del resorte es de 20 N /m y la amplitud de 5 cm. (a) ¿Cuál es la velocidad máxima de la masa? (b) ¿Cuál es la velocidad cuando la masa se halla a una distancia de +3 cm a la derecha de la posición de equilibrio? Plan: La energía total se conserva, de forma que ambas preguntas pueden responderse aplicando la ecuación (14.4) para las distancias conocidas. Reconocemos que la velocidad alcanza su máximo cuando x = 0, ya que la fuerza de restitución siempre ha ido en una misma dirección para el periodo más grande en ese punto. La velocidad en la posición x = +3 puede determinarse reconociendo que la energía total en ese punto es igual a la energía total en cualquier amplitud (kA2). Es útil organizar los datos antes de resolver para v. Dados: A = 0.05 m, x = 0 y +0.03 m, m — 0.4 kg, k — 20 N /m Solución (a): La velocidad máxima ocurre parax = 0, así que la conservación de la ener gía obliga a que
- 306. 286 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Al despejar v . se obtiene r J máx í~k 120 N/m vm áx = ^ ^ Q4kg (0.05 m); vm áx= ±0.354 m/s A partir de este resultado no podemos saber si la masa se mueve a la derecha o a la izquier da cuando pasa por x = 0. Solución (b): La velocidad en x = +0.03 se determina con la ecuación de conservación. ^kx2 +^m v2 m áx= ~kA2 |(2 0 N/m)(0.03 m)2 + |(0 .4 kg)v2 = ^-(20 N/m)(0.05 m)2 Al resolver para v se llega a v = ±0.283 m /s La sustitución directa en la ecuación (14.6) da la misma respuesta. De nuevo, ello sólo indica la rapidez de la masa en este punto. Podría estarse moviendo a la derecha o a la izquierda en el instante en que se ubica 3 cm a la derecha del centro. El círculo de referencia y el movimiento armónico simple Las leyes del movimiento uniformemente acelerado no se aplican al MAS debido a que en éste hay una fuerza que varía. El movimiento armónico simple es producto de esa fuerza, que es proporcional al desplazamiento. Recordará de la ecuación (14.3) que k a = -----x m Mientras la masa m permanezca constante, la aceleración aumentará con el desplazamiento y su dirección siempre será opuesta a éste. A fin de determinar relaciones nuevas que nos permitan predecir la posición, la velocidad y el desplazamiento en función del tiempo hemos de recurrir al cálculo. Por fortuna, esas ecuaciones pueden deducirse de una comparación del MAS con la revolución periódica de una masa en torno a cierto radio. Considere el aparato que se muestra en la figura 14.6, donde la sombra de una pelota unida a un disco giratorio se mueve hacia delante y hacia atrás con movimiento armónico simple. Este experimento indica que lo que sabemos del movimiento circular uniforme puede ser de utilidad al describir el movimiento armónico simple. El círculo de referencia de la figura 14.4 sirve para comparar el movimiento de un objeto que se mueve en un círculo, con su proyección horizontal. Puesto que es el movimiento de la proyección el que deseamos estudiar, nos referiremos aquí a la posición P del objeto que se mueve en círculo como el punto de referencia. El radio del círculo de referencia es igual a la amplitud de la oscilación horizontal. Si la rapidez lineal vTy la velocidad angular a >del punto de referencia son constantes, entonces la proyección Q se moverá de un lado al otro con MAS. Al tiempo se le asigna un valor de cero cuando el punto de referencia se encuentra en B en la figura 14.4. En un momento posterior t, el punto de referencia P se habrá movido a lo largo de un ángulo 6. El desplazamiento x de la proyección Q es, por tanto, x = A eos 6
- 307. 14.5 Velocidad en el movimiento armónico simple 287 Q Figura 14.6. La proyección o sombra de una pe- Figura 14.7. Desplazamiento en el movimiento Iota unida a un disco que gira se mueve con movi- armónico simple, miento armónico simple. Como el ángulo 6 = cot, ahora podemos escribir el desplazamiento como una función de la velocidad angular del punto de referencia x = A eos 6 = A eos cot (14.8) Aunque la velocidad angular a >es útil para describir el movimiento del punto de referencia P, no se aplica directamente a la proyección Q. Sin embargo, recordemos que la velocidad angular se relaciona con la frecuencia de revolución mediante co = iTrf donde co se expresa en radianes por segundo y / e s el número de revoluciones por segundo. También hay que reconocer que la proyección Q describirá una oscilación completa, mientras el punto de referencia describe una revolución completa. Por tanto, la frecuencia/es la misma para cada punto. Sustituyendo co = 2 v fe n la ecuación (14.8) se obtiene x = A eos 2 tt/ (14.9) Esta ecuación puede aplicarse para calcular el desplazamiento de un cuerpo quese mueve con un MAS de amplitud A y frecuencia/. Recuerde que el desplazamiento x siempre se mide a partir del centro de oscilación. Velocidad en el movimiento armónico simple Considere un cuerpo que se mueve de un lado a otro con un MAS bajo la influencia de una fuerza de restitución. Puesto que la dirección del cuerpo que oscila se invierte en los puntos extremos de su movimiento, su velocidad debe ser cero cuando su desplazamiento es máxi mo. Entonces se acelera hacia el centro mediante la fuerza de restitución, hasta que alcanza su rapidez máxima en el centro de la oscilación, cuando su desplazamiento es igual a cero. En la figura 14.8 la velocidad de un cuerpo que oscila se compara en tres distintos ins tantes con los correspondientes puntos sobre el círculo de referencia. Se observará que la velocidad v del cuerpo, en cualquier instante, es la componente horizontal de la velocidad tangencial vr del punto de referencia. En el punto B, el punto de referencia se mueve en direc ción vertical hacia arriba y no tiene velocidad horizontal. Por tanto, este punto corresponde a la velocidad cero del cuerpo oscilante, cuando éste alcanza su amplitud A. En el punto C la componente horizontal vr es igual a su magnitud total. Este punto corresponde a una po sición de velocidad máxima para el cuerpo que oscila, es decir, a su centro de oscilación. En
- 308. 288 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Figura 14.8 La velocidad y el círculo de referencia. general, la velocidad de este cuerpo en cualquier punto Q se determina a partir del círculo de referencia de esta forma: v = —vTsen tí = —vTsen cot (14.10) El signo es negativo en virtud de que la dirección de la velocidad es hacia la izquierda. Pode mos dar una forma más conveniente a la ecuación si recordamos la relación entre la velocidad tangencial vTy la velocidad angular: vT= (oA = 27rfA Sustituyendo en la ecuación 14.5 nos queda v = —2irfA sen 2irft (14.11) Con esta ecuación se obtiene la velocidad de un cuerpo que oscila en cualquier instante si se tiene presente que sen 6 es negativo cuando el punto de referencia queda por debajo del diámetro del círculo de referencia. Se fija una masa m a un resorte como se muestra en la figura 14.4, y luego se tira de ella 6 cm a la derecha y entonces se la suelta. Vuelve al punto donde se le soltó en 2 s y sigue oscilando con movimiento armónico simple, (a) ¿Cuál es su velocidad máxima? (b) ¿Cuál es su posición y velocidad 5.2 s después de que se le soltó? Plan: Primero se reconoce que 2 s para la primera oscilación completa corresponde al pe riodo del movimiento. Como la frecuencia es el recíproco del periodo, entonces f = 0.5 Hz (si una oscilación ocupa 2 s, entonces cada segundo se tiene media oscilación). Organiza remos la información proporcionada y decidiremos qué ecuaciones comprenden esas can tidades. El primer máximo para la velocidad se presenta cuando el desplazamiento es igual a cero, lo cual corresponde a 90° en el círculo de referencia. La posición y la velocidad 5.2 s después de haber soltado la masa se determinan con las ecuaciones (14.9) y (14.11). La conservación de la energía no ayuda en este caso, ya que no conocemos la constante del resorte ni la posición.
- 309. 14.6 Aceleración en el movimiento armónico simple 289 Solución (a): Sabemos que / = 0.5 Hz, A = 0.06 m y 9 = 90°. La velocidad máxima se determina sustituyendo estos datos en la ecuación (14.9). Recuerde que sen 90° = 1. V m áx = -277/A sen90° = - 2 t t/A = -27r(0.5H z)(0.06m ) = —0.188 m/s El signo negativo indica que la primera velocidad máxima es —18.8 cm /s en dirección izquierda. Si hubiéramos sustituido 270° para el ángulo 9, la velocidad máxima hubiera sido +18.8 cm /s hacia la derecha. Solución (b): En este caso se pide determinar la posición y la velocidad en un instante determinado: 5.2 s. Cuando el ángulo de referencia 6 se escribe como 2 v ft es indispen sable recordar que los ángulos deben expresarse en radianes, no en grados. Cerciórese de que su calculadora está configurada para leer los ángulos en radianes. Como un pequeño error en la medida de éstos es importante, mejor asegúrese de no redondear sus datos hasta que haya alcanzado la respuesta final. El desplazamiento en t = 5.2 s se halla a partir de la ecuación (14.9) x = Acos(27rft) = (0.06 m) cos[2tt(0.5 Hz)(5.2 s)] = (0.06 m )cos(l6.34 rad) = (0.06 m )(-0.809) = —0.0485 m = —4.85 cm La velocidad se encuentra con la ecuación (14.11) usando el mismo ángulo, en radianes v = -2irfA sen(16.34 rad) = —2ir(0.5 Hz)(0.06 m )(-0.588) = +0.111 m/s = +11.1 cm/s Cabe observar que la velocidad después de 5.2 s es positiva, lo que indica que la masa se mueve a la derecha en ese instante. Aceleración en el movimiento armónico simple La velocidad de un cuerpo que oscila jamás es constante. Por tanto, la aceleración tiene suma relevancia en las ecuaciones obtenidas para la posición y la velocidad en la sección anterior. Ya contamos con una expresión para predecir la aceleración en función de la distancia; ahora deduciremos la relación con el tiempo. En la posición de desplazamiento máximo (±A), la velocidad de una masa que oscila es igual a cero. Es en ese instante cuando la masa está sometida a la máxima, fuerza de resti tución. Por consiguiente, su aceleración es máxima cuando su velocidad es cero. Cuando la masa se aproxima a su posición de equilibrio, la fuerza de restitución (y, por tanto, la acelera ción) se reduce hasta llegar a cero en el centro de la oscilación. En la posición de equilibrio, la aceleración es igual a cero y la velocidad alcanza su valor máximo. Miremos el círculo de referencia de la figura 14.9, trazado para estudiar la aceleración a de una partícula que se mueve con movimiento armónico simple (MAS). Note que la acelera ción centrípeta a de una masa que se mueve en un círculo de radio R = A se compara con la aceleración de su propia sombra. La aceleración a de la sombra representa el MAS y es igual a la componente horizontal de la aceleración centrípeta acde la masa. Con base en la figura, a = —aceos 9 = —aceos cot (14.12) donde < w= 2nrf. El signo menos indica que la aceleración es opuesta al desplazamiento pero igual a la dirección de la velocidad.
- 310. 290 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Figura 14.9 Aceleración y el círculo de referencia. De nuestra explicación sobre la rotación y el movimiento circular recordemos que v2 v = wR y a .= — 7 c R Si combinamos ambas relaciones se obtiene (coR)2 , ar = ------- o ur — co~R R Como ac = w 2 R y R = A, es posible rescribir la ecuación (14.12) como sigue a = —w 2 A eos mí Esta relación expresa la aceleración de un cuerpo que se mueve conMAS conamplitud igual a A y frecuencia angular iguala a¡ (en rad/s). Es posible hallar lamismaecuación expresada en términos de la frecuencia/(en Hz) sustituyendo co = 277/para obtener a = -ATT2 f-A eos (2ttft) (14.13) Si observamos la ecuación (14.9) podemos simplificar esta ecuación como sigue x eos 9 = cos(27rft) = — Por tanto, la ecuación (14.13) se convierte en a = —47t2/ 2A— J A o bien a = -47T2 f~x (14.9) Se advierte que la aceleración es directamente proporcional al desplazamiento, a cuya direc ción se opone, como debe suceder de conformidad con la ley de Hooke.
- 311. 14.7 El periodo y la frecuencia 291 El periodo y la frecuencia A partir de ia información establecida acerca del desplazamiento, la velocidad y la acelera ción de cuerpos que oscilan podemos deducir algunas fórmulas útiles para calcular el periodo o la frecuencia de la oscilación. Por ejemplo, si resolvemos la ecuación (14.9) para la fre cuencia/s e obtiene (14.5) Los balcones y los puentes para caminar requieren una ingeniería precisa respecto de su frecuencia de resonancia. La gente que zapatea o marcha puede ocasionar que esas estructuras resuenen y se sacudan. La altura total de la onda puede ser mayor de la que resultaría únicamente del peso de las personas sumado al de la estructura. Puesto que el desplazamiento x y la aceleración son siempre de signos opuestos, el término — a/x siempre es positivo. El periodo T es el recíproco de la frecuencia. Recurriendo a este hecho en la ecuación (14.15) definimos el periodo como (14.16) T = 2tt — a Por consiguiente, si se conoce la aceleración correspondiente a un determinado desplaza miento es posible calcular el periodo de oscilación. Cuando se analiza el movimiento de cuerpos bajo la influencia de unafuerza de restitu ción elástica, es más conveniente expresar el periodo en función de la constante del resorte y de la masa del cuerpo que oscila, lo cual se logra comparando las ecuaciones (14.3) y (14.14): a = ---- x a = —4ir2 f 2x m Combinando estas relaciones obtenemos 2j? 2 4TT-f k_ m de donde resulta que la frecuencia es / = 27T (14.17) Finalmente, el periodo T está dado por el recíproco de la frecuencia, es decir, T = 2 t t (14.18) Observe que ni el periodo ni la frecuencia dependen de la amplitud (desplazamiento máximo) del cuerpo oscilatorio; sólo dependen de la constante del resorte y de la masa del cuerpo mismo. Y Una bola de acero de 0.2 kg está unida al extremo de una tira plana de metal que está sujeta en su base, como muestra la figura 14.10. Si se requiere una fuerza de 5 N para desplazar la bola 3 cm, ¿cuál será su periodo de oscilación después de soltarla? ¿Cuál será su acele ración máxima?
- 312. 292 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Plan: Primero determinaremos la constante del resorte k a partir de la ley de Hooke y del hecho de que una fuerza de 5 N desplaza la masa 3 cm. La aceleración máxima se presenta cuando el desplazamiento es un máximo (en x = 3 cm). Solución: De la ley de Hooke se tiene que F 5 N k = - = ---------; k = 167 N/m x 0.03 m Ahora sustituimos k = 167 N/m y m = 0.2 kg en la ecuación (14.18) para hallar el periodo T m / 0.2 kg T = 2 t t J — = 2t t 1 e k V 167 N/m T = 0.218 s Recuerde que la frecuencia/es el recíproco del periodo, es decir, equivale a 1/T, y la ace leración máxima se determina sustituyendo x = ±A = ±0.03 m en la ecuación (14.14) 7 . 47t2A a = — 47t f x = ------ J rjr > 2 4tt2(0.03 m) „ “ = “ (0.218 s)2 ; “ = _25-° m/S Observe que el signo negativo resulta de que usamos el signo positivo para la amplitud. Cuando la bola llega al lado izquierdo, x = — 0.03 m y la aceleración es de +25 m/s2.
- 313. 14.8 El péndulo simple 293 El péndulo simple Cuando una lenteja de un péndulo oscila unida al extremo de una cuerda o varilla ligera, como se muestra en la figura 14.11, lo hace con algo próximo al movimiento armónico simple (MAS). Si suponemos que toda la masa se concentra en el centro de gravedad de la lenteja y que la fuerza de restitución actúa en un solo punto, denominamos a este aparato péndulo simple. Aunque esta suposición no es estrictamente cierta, se obtiene una aproximación ha ciendo que la masa de la cuerda o varilla de sostén sea pequeña en comparación con la lenteja del péndulo. Observe que el desplazamiento x de la lenteja no se produce a lo largo de una línea recta sino que sigue un arco subtendido por el ángulo 9. De acuerdo con los métodos estudiados en el capítulo 11, la longitud del desplazamiento es simplemente el producto del ángulo 9 y la longitud de la cuerda, por lo que Si el movimiento de la lenteja corresponde al MAS, la fuerza de restitución estará dada por lo que significa que la fuerza de restitución debiera ser proporcional a 9, puesto que la lon gitud L es constante. Examinemos la fuerza de restitución para ver si esto es cierto. En el movimiento de un lado a otro de la lenteja, la fuerza de restitución necesaria la proporciona la componente tangencial del peso. Con base en la figura 14.11 podemos escribir Por consiguiente, la fuerza de restitución es proporcional a sen 9 y no a 9. La conclusión es que la lenteja no oscila con MAS. Sin embargo, si estipulamos que el ángulo 6 es pequeño, sen 9 será aproximadamente igual al ángulo 9 en radianes. Compruébelo considerando varios ángulos pequeños: x = LO F = — kx = —kL9 (14.19) F — —mg sen 9 (14.20) sen 6 d (rad) sen 6o = 0.1045 sen 12° = 0.208 sen 27° = 0.454 6o = 0.1047 12° = 0.209 27° = 0.471 > mg Figura 14.11
- 314. 294 Capítulo 14 Movimiento armónico simple Ejemplo 14.7 Cuando se utiliza la aproximación sen 9 — 9, la ecuación (14.20) se vuelve F = —mg sen 9 = —mgd Comparando esta relación con la ecuación (14.19) se obtiene F = — kL9 = —mg9 de donde m L k g Sustituyendo esta proporción en la ecuación (14.18) resulta una expresión para el periodo de un péndulo simple'. T = 2 v J - (14.21) Observe que para amplitudes pequeñas el periodo del péndulo simple no está en función de la masa de la lenteja ni de la amplitud de la oscilación. En realidad, puesto que la acele ración de la gravedad es constante, el periodo depende exclusivamente de la longitud de la cuerda o varilla. 'W p ' En un experimento de laboratorio un estudiante recibe un cronómetro, una lenteja de ma dera y un trozo de cuerda. Para determinar la aceleración debida a la gravedad (g), cons truye un péndulo simple de 1 m de longitud. Se ata la lenteja de madera a un extremo y se hace oscilar el péndulo con MAS. Si el tiempo de 20 oscilaciones completas es igual a 40 s, ¿cuál será el valor obtenido para gl Plan: El periodo es el tiempo de una oscilación o, en este caso, 2 s (40 s/20 ose = 2 s/osc). Para determinar la aceleración debida a la gravedad debemos resolver la ecuación (14.21) explícitamente para g y luego sustituir las valores para T y para L. Solución: Al elevar al cuadrado ambos miembros de la ecuación (14.21) se obtiene T2 = 47T2- 8 de donde El péndulo de torsión Otro ejemplo de MAS es el péndulo de torsión (figura 14.12), que consta de un disco o cilin dro sólido apoyado en el extremo de una barra delgada. Si el disco se hace girar recorriendo un ángulo 9, el momento de torsión r es directamente proporcional al desplazamiento angu lar. Por tanto, r = - k ’d (14.22) donde k’ es una constante que depende del material de que está hecha la varilla (véase el problema 13.42).
- 315. 14.9 El péndulo de torsión 295 F igura 1 4 .1 2 Cuando el disco se suelta, el par de restitución produce una aceleración angular que es directamente proporcional al desplazamiento angular. El periodo del movimiento armónico simple angular producido en esta forma está dado por T = 2i (14.23) donde I es el momento de inercia del sistema que oscila y k! es la constante de torsión defi nida por la ecuación (14.17). Ejemplo 14.8 Un disco sólido de masa igual a 0.40 kg y radio a 0.12 m está sostenido por el centro por una varilla delgada y rígida que, a su vez, se ha fijado al techo. Se gira la varilla en un ángulo de 1 rad y luego se le suelta para que oscile. Si la constante de torsión es de 0.025 N • m/rad, ¿cuál será la aceleración máxima y el periodo de oscilación? Plan: Primero calcularemos el momento de inercia del disco (m R2). Para determinar la aceleración angular en función del desplazamiento angular debemos combinar las leyes de Newton y de Hooke para la rotación, de un modo semejante al usado para la oscila ción lineal. El periodo se halla mediante la sustitución directa de los datos en la ecuación (14.23). Solución: El momento de inercia del disco es / = KnR2 = ^(0.40 kg)(0.12 m)2; / = 2.9 X 10^3kg • m2 A partir de la ley de Newton, el momento de torsión es igual a la y, con base en la ley de Hooke, a —k'a, así que o O í a = la = - k 'd -(0.025 N ■m/rad)(l rad) - k'd -8.62 rad/s2 2.9 X 10~3kg • m2 Después, el periodo T se halla con sustitución directa, de este modo T — 2tt i — = 2-77 2.9 X 10 3kg • nr 0.025 N • m/rad T = 2.14 s Observe que el periodo no es función del desplazamiento angular.
- 316. ■ . • " • • • . / ñ i^ a {^--f ) i / í f t . '/A * w illJ ¿ i /M mSi * SP Resumen y repaso W P Resumen El movimiento armónico simple es un movimiento periódico en el que la fuerza de restitución es proporcional al despla zamiento. Ese movimiento oscilatorio sin fricción produce variaciones predecibles en términos de desplazamiento y ve locidad. A continuación se resumen los principales conceptos expuestos en este capítulo. 0 El movimiento armónico simple es producido por una fuerza de restitución F que se calcula mediante: F = —kx Fuerza de restitución • Puesto que F = ma = —kx, la aceleración producida por una fuerza de restitución es k a = ----x Aceleración m La energía se conserva durante el MAS sin fricción. He mos determinado que para una masa m que oscila en un extremo de un resorte la energía total E es constante l , . 1 9 E = —kx~ -I— niv~ 2 2 constante — kx~ H — mv = — mvi,^ = — M 2 2 2 2 En esta relación, k es la constante del resorte, v la veloci dad, x el desplazamiento, A la amplitud y m la masa. Una forma práctica de estudiar el movimiento armónico simple consiste en usar el círculo de referencia. Las va riaciones del desplazamiento x, la velocidad v y la acele ración a pueden observarse tomando como referencia las figuras 14.7, 14.8 y 14.9, respectivamente. En el MAS, el desplazamiento, la velocidad y la acelera ción se pueden expresar en función de la amplitud A, el tiempo t y la frecuencia de vibración/: x = Acos27r/r v — —iTrfA sen lirft a = —4ir2 f 2 x Desplazamiento Velocidad Aceleración El periodo Ty la frecuencia/en el movimiento armónico simple se calculan a partir de / 2 tt 1 2 7 7 - V m T = 2 tt m T =2,TJ j Frecuencia Periodo CONVENCIONES DEL USO DE LOS SIGNOS EN EL MAS x =-A x = 0 x = +A ® El desplazamiento x es positivo cuando la masa se ubica a la derecha de x = 0 y negativo cuando se halla a la izquierda del cero. No queda determinado por la dirección de la velocidad ni de la aceleración. • La velocidad v es positiva cuando el movimiento va a la derecha y negativo cuando va a la izquierda. La dirección dela aceleración o de la velocidad no es un factor. La velocidad es máxima en el punto medio y cero en cada extremo, o La aceleración a y la fuerza de restitución F son positivas cuando el desplazamiento es negativo y negativascuandoéste es positivo. La aceleración y la fuerza son un máximo en los extremos e iguales a cero en el punto medio. 296
- 317. Conceptos clave amplitud 281 constante de torsión 295 desplazamiento 291 frecuencia 281 Preguntas de repaso fuerza de restitución 291 hertz 282 movimiento armónico simple (MAS) 281 14.1. 14.2. 14.3. 14.4. 14.5. Exponga varios ejemplos de movimiento que co rrespondan al MAS. Si se duplica la amplitud A de un cuerpo que se mue ve con MAS, ¿qué efecto tendrá en (a) el periodo, (b) 14.6. la velocidad máxima y (c) la aceleración máxima? Una masa m de 2 kg se mueve en MAS con una fre- 14.7. cuencia/ . ¿Qué masa m, hará que el sistema oscile al doble de esa frecuencia? Explique por medio de diagramas por qué la veloci- 14.8. dad en el MAS es máxima cuando la aceleración es mínima. 14.9. Un disco unido a un resorte de fuerza constante k y configurado para oscilar con amplitud A, como se muestra en la figura 14.2. Después, el resorte se sustituye por otro cuya fuerza constante es igual a 4k y se le configura para una oscilación de la misma amplitud que antes. Compare sus periodos y fre cuencias de oscilación. Un reloj de péndulo funciona demasiado lentamente y se atrasa. ¿Qué ajuste requiere? Si tiene un resorte con una constante de fuerza co nocida, una regla graduada y un cronómetro, ¿cómo se puede halla el valor de una masa desconocida? ¿Cómo se puede aplicar el principio del péndulo para calcular (a) la longitud, (b) la masa y (c) el tiempo? Explique con claridad por qué el movimiento de un péndulo no es armónico simple cuando la amplitud es grande. ¿El periodo es mayor o menor de lo que debería ser si el movimiento fuera estrictamente un movimiento armónico simple? Problemas Sección 14.1 Movimiento periódico y Sección 14.2 Segunda ley de Newton y ley de Hooke 14.1. Una piedra oscila en círculos a rapidez constante en el extremo de una cuerda, describiendo 50 revolu ciones en 30 s. ¿Cuáles son la frecuencia y el periodo de este movimiento? Resp. 1.67 rev/s, 0.600 s 14.2. Un niño está sentado en el borde de una plataforma que gira a 30 rev/min. La plataforma tiene 10 m de diámetro. ¿Cuál es el periodo del movimiento y cuál es la rapidez del niño? 14.3. Una pelota de caucho oscila en un círculo horizontal de 2 m de diámetro y describe 20 revoluciones en 1 min. Una luz distante proyecta la sombra de la pelo ta sobre una pared. ¿Cuáles son la amplitud, la fre cuencia y el periodo del movimiento de la sombra? Resp. 1.00 m, 0.333 Hz, 3.00 s 14.4. Suponga que una pelota se mueve en un círculo de 12 cm de radio a 300 rev/min. ¿Cuáles son la am plitud, la frecuencia y el periodo de la sombra de la pelota proyectada en una pared? 14.5. Una masa oscila a la frecuencia de 3 Hz y con una amplitud de 6 cm. ¿Cuáles serán sus posiciones en los tiempos í = 0 y t = 3.22 s? Resp. 6 cm, — 3.22 cm 14.6. Una masa de 50 g oscila con un MAS cuya frecuen cia es de 0.25 Hz. Suponga que t = 0 cuando la masa se halla en su desplazamiento máximo. ¿En qué momento será el desplazamiento igual a cero? ¿En qué momento se encontrará la masa a la mitad de su amplitud? 14.7. Cuando una masa de 200 g cuelga de un resorte, la altura de éste desciende una distancia de 1.5 cm. ¿Cuál es la constante k del resorte? Resp. 131 N/m Capítulo 14 Resumen y repaso 297
- 318. m 14.8. Una masa adicional de 400 kg se añade a la masa inicial de 200 g del problema 14.7. ¿Cuál será el incremento del desplazamiento hacia abajo? 14.9. Una masa de 1.5kg oscila en el extremo de un resorte con MAS. La amplitud de la vibración es de 0.15 m y la constante del resorte es de 80 N/m. ¿Cuáles son la magnitud y la dirección de la aceleración y de la fuerza sobre la masa se ubica en los des plazamientos siguientes: (a) 0.15 m, (b) — 0.09 m, y (c) +0.05 m? Resp. (a) —8 m/s2, — 12 N; (b) +4.8 m/s2, + 7.2 N; (c) -2.67 m/s2, - 4 N 14.10. Un resorte ligero y un bloque de 0.65 kg se hallan en una superficie horizontal sin fricción. El resorte se comprime una distancia de 6 cm y se suelta para que vibre con MAS. Si la constante del resorte es de 9 N/m, ¿cuál es la aceleración inicial del bloque y cuál es la fuerza inicial sobre el bloque? Sección 14.3. Trabajo y energía en el movimiento armónico simple 14.11. Se comprime un resorte una distancia de 4 cm. Si su constate es de 200 N/m. ¿cuánto trabajo realiza la fuerza de compresión? ¿Cuál es la energía poten cial? Resp. 0.16 J, 0.16 J 14.12. Una pistola de juguete funciona empujando una bola de plástico contra un resorte, al que se compri me una distancia de 8 cm. La constante del resorte es de 400 N/m. Si se suelta la bola, ¿cuál será la ve locidad cuando se aparta del extremo del resorte? 14.13. Una masa de 0.5 kg está unida a un resorte ligero cuya constante es de 25 N/m. La masa es despla zada una distancia de 6 cm y luego se le suelta para que oscile con MAS sobre una superficie horizontal sin fricción, (a) ¿Cuál es la energía total del siste ma? (b) ¿Cuál es la velocidad máxima? (c) ¿Cuál es la aceleración máxima? Resp. (a) 45 mJ, (b) 0.424 m/s, (c) 3 m/s2 14.14. Se tienen las mismas condiciones del problema 14.13. ¿Cuál será la velocidad de una masa de 0.5 kg cuando su posición es x = +5 cm y cuál será su velocidad cuando x = —3 cm? Sección 14.5 Velocidad en el movimiento armónico simple 14.15. Un cuerpo vibra con una frecuencia de 1.4 Hz y una amplitud de 4 cm. ¿Cuál es la velocidad máxima? ¿Cuál es su posición cuando la velocidad es cero? Resp. ±0.351 m/s, x = ± 4 cm 14.16. Un objeto oscila con una frecuencia de 5 Hz y una amplitud de 6 cm. ¿Cuál es la velocidad máxima? 14.17. Un bloque liso colocado sobre una superficie sin fric ción está unido a un resorte, del que se tira a la de- 298 Capítulo 14 Resumen y repaso recha una distancia de 4 cm y luego se suelta. Tres segundos después regresa al punto de partida. ¿Cuál es su frecuencia y cuál es su rapidez máxima? Resp. 0.333 Hz, 8.38 cm/s 14.18. En el problema 14.17, ¿cuáles son la posición y la velocidad 2.55 s después de soltar el bloque? *14.19. Una masa unida al extremo de un resorte oscila ha cia arriba y hacia abajo con una frecuencia de 0.600 Hz y una amplitud de 5 cm. ¿Cuál será su desplaza miento 2.56 s luego de soltar desde A = +5 cm? Resp. —4.87 cm *14.20. Un objeto vibra con MAS de amplitud igual a 6 cm y frecuencia de 0.490 Hz. En t = 0, el desplaza miento es x = +6 cm. ¿En qué instante posterior su desplazamiento primero será x = +2 cm? 14.21. Demuestre que la velocidad de un objeto en MAS puede escribirse como una función de su amplitud y desplazamiento v = ± 2t r/V A 2 - x2 *14.22. Use la relación derivada en el problema 14.21 para comprobar las respuestas obtenidas para la posición y la velocidad en el problema 14.18. 14.23. Una masa que vibra a una frecuencia de 0.5 Hz tiene una velocidad e 5 cm/s cuando pasa por el centro de oscilación. ¿Cuáles serán la amplitud y el periodo de oscilación? Resp. 1.59 cm, 2 s. *14.24. Un cuerpo vibra con una frecuencia de 8 Hz y una amplitud de 5 cm. ¿En qué instante después de que se le suelta de x = +5 su velocidad será igual a +2.00 m/s? Sección 14.6. La aceleración en el movimiento armónico simple 14.25. Una masa de 400 g está unida a un resorte y hace que éste se alargue hasta una distancia vertical de 2 cm. A continuación, se tira de la masa hacia aba jo hasta una distancia de 4 cm y se suelta para que vibre con MAS como se muestra en la figura 14.13. ¿Cuál es la constante del resorte? ¿Cuáles son la Figura 14.13
- 319. magnitud y la dirección de la aceleración cuando la masa se halla 2 cm por debajo de su posición de equilibrio? Resp. 196 N/m, 9.8 m/s2 hacia arriba 14.26. ¿Cuál es la aceleración máxima para el sistema descri to en el problema 14.25 y cuál es su aceleración cuan do se halla 3 cm arriba de su posición de equilibrio? 14.27. Un cuerpo describe una oscilación completa en 0.5 s. ¿Cuál es su aceleración cuando se desplaza a una dis tancia de x = +2 cm de su posición de equilibrio? Resp. —3.16 m/s2 14.28. Halle la velocidad y la aceleración máximas de un objeto que se mueve con MAS con una amplitud de 16 cm y una frecuencia de 2 Hz. *14.29. Un objeto que oscila con un periodo de 2 s es des viado hasta una distancia de x = +6 cm y luego se suelta. ¿Cuáles son su velocidad y su aceleración 3.20 s después de ser soltado? Resp. +11.1 cm/s, 0.479 m/s2 *14.30. Un cuerpo vibra con MAS y su periodo es de 1.5 s y su amplitud es de 6 in. ¿Cuáles son su velocidad y su aceleración máximas? *14.31. En el caso del cuerpo descrito en el problema 14.30, ¿cuáles son su velocidad y su aceleración después de 7 s? Resp. 1.81 ft/s, 4.39 ft/s2 Sección 14.7 El periodo y la frecuencia 14.32. Las puntas de un diapasón vibran con una frecuen cia de 330 Hz y una amplitud de 2 mm. ¿Cuál es la velocidad cuando el desplazamiento es de 1.5 mm? *14.33. Una masa de 400 g produce que un resorte se estire 20 cm. A continuación, la masa de 400 g es removi da y sustituida por una masa m desconocida. Cuan do se tira de la masa desconocida para que descien da 5 cm y luego se suelta, vibra con un periodo de 0.1 s. Calcule la masa del objeto. Resp. 4.96 g *14.34. Un largo trozo de metal delgado está sujeto por su extremo inferior y tiene una bola de 2 kg unida a su extremo superior. Cuando se tira de la bola hacia un lado y luego se suelta, ésta vibra con un periodo de 1.5 s ¿Cuál es la constante del resorte de este dispositivo? *14.35. Un automóvil y sus pasajeros tienen una masa total de 1 600 kg. El armazón del vehículo está soste nido por cuatro resortes, cada uno con una fuerza constante de 20 000 N/m. Calcule la frecuencia de vibración del automóvil cuando pasa sobre un pro montorio del camino. Resp. 1.13 Hz Sección 14.8 El péndulo simple 14.36. ¿Cuáles son el periodo y la frecuencia de un péndu lo simple de 2 m de longitud? *14.37. Un reloj de péndulo simple marca los segundos cada vez que su lenteja llega a su amplitud máxima en cualquiera de los lados. ¿Cuál es el periodo de este movimiento? ¿Cuál debe ser la longitud del péndulo en el punto en que g = 9.80 m/s2? Resp. 2.00 s, 0.993 m 14.38. Un trozo de cuerda de 10 m de longitud está unido a un peso de acero que cuelga del techo. ¿Cuál es el periodo de su oscilación natural? *14.39. En la superficie de la Luna, la aceleración debida a la gravedad es de sólo 1.67 m/s2. Un reloj de pén dulo ajustado para la Tierra es colocado en la Luna. ¿Qué fracción de su longitud en la Tierra deberá ser su nueva longitud en ese satélite? Resp. 0.17 *14.40. Un estudiante construye un péndulo de 3 m de lon gitud y determina que completa 50 vibraciones en 2 min 54 s. ¿Cuál es la aceleración de acuerdo con la gravedad en el lugar donde está este estudiante? Sección 14.9 El péndulo de torsión *14.41. Un péndulo de torsión oscila con una frecuencia de 0.55 Hz. ¿Cuál es el periodo de su vibración? ¿Cuál es la aceleración angular cuando su desplazamiento angular es de 60o? Resp. —12.5 rad/s2 *14.42. La aceleración angular máxima de un péndulo de tor sión es de 20 rad/s2cuando el desplazamiento angu lar es de 70°. ¿Cuál es la frecuencia de vibración? *14.43. Un disco de 20 cm de diámetro constituye la base de un péndulo de torsión. Una fuerza de 20 N, aplicada al borde, hace que éste gire en un ángulo de 12°. Si el periodo de la vibración angular después de soltar el borde es de 0.5 s, ¿cuál es el momento de inercia del disco? Resp. 0.0605 kg m2 *14.44. Un objeto irregular está suspendido de un cable como un péndulo de torsión. Un momento de tor sión de 40 Ib • ft hace que gire hasta un ángulo de 15°. Cuando el objeto queda libre, oscila con una frecuencia de 3 Hz. ¿Cuál es el momento de inercia de ese cuerpo irregular? Problemas adicionales 14.45. La constante de un resorte de metal es de 2000 N/m. 14.46. Una masa de 4 kg cuelga de un resorte cuya constante ¿Qué masa hará que este resorte se estire hasta una k es de 400 N/m. Se tira de la masa haciéndola des- distancia de 4 cm? Resp. 8.16 kg cender una distancia de 6 cm y luego se suelta. ¿Cuál es la aceleración en el instante en que se suelta? Capítulo 14 Resumen y repaso 299
- 320. 14.47. ¿Cuál es la frecuencia natural de vibración del siste ma descrito en el problema 14.46? ¿Cuál es la velo cidad máxima? Resp. 1.59 Hz, ±59.9 cm/s *14.48. Una masa de 50 g, colocada en el extremo de un resorte (k = 20 N/m) se mueve con una rapidez de 120 cm/s cuando se coloca a una distancia de 10 cm de la posición de equilibrio. ¿Cuál es la amplitud de la vibración? *14.49. Una masa de 40 g está unida a un resorte (k = 10 N/m) y después de desviarla de su posición de equi librio se suelta, con una amplitud de 20 cm. ¿Cuál es la velocidad de la masa cuando está a la mitad del camino hacia la posición de equilibrio? Resp. 2.74 m/s 14.50. ¿Cuál es la frecuencia del movimiento para la masa del problema 14.49? Preguntas para la reflexión crítica *14.55. Una masa m unida al extremo de un resorte oscila con una frecuencia/ = 2 Hz y una amplitud A. Si la masa m se duplica, ¿cuál será la nueva frecuencia para la misma amplitud? Si la masa no cambia y la amplitud se duplica, ¿cuál será la frecuencia? Resp. 1.41 Hz, 2.00 Hz *14.56. Considere una masa de 2 kg unida a un resorte cuya constante es de 400 N/m. ¿Cuál es la frecuencia de vibración natural? Si el sistema se estira +8 cm y luego se suelta, ¿en qué puntos se maximizarán su velocidad y su aceleración? ¿Llegará a la mitad de su velocidad máxima cuando la amplitud llegue a la mitad? Calcule la velocidad máxima y la velocidad en x = 4 cm para comprobar su respuesta. *14.57. Una masa de 200 g está suspendida de un largo re sorte en espiral. Cuando la masa se desplaza hacia abajo 10 cm, se observa que vibra con un periodo de 2 s. ¿Cuál es la constante elástica? ¿Cuáles son su 14.51. Una masa de 2 kg cuelga de un resorte ligero. La masa se mueve de su posición de equilibrio y se suelta, describe 20 oscilaciones en 25 s. Halle el pe riodo y la constante del resorte. Resp. 1.25 s, 50.5 N/m. 14.52. ¿Qué longitud debe tener el péndulo para que el periodo sea de 1.6 s en un punto donde g = 9.80 m/s2? *14.53. Un objeto se mueve con un MAS de 20 cm de am plitud y 1.5 Hz de frecuencia. ¿Cuáles son la acele ración y la velocidad máximas? Resp. ±17.8 m/s2, ±188 cm/s *14.54. En el caso del objeto presentado en el problema 14.53, ¿cuáles son la posición, la velocidad y la aceleración 1.4 s después de que el objeto llega a su desplazamiento máximo? velocidad y su aceleración cuando pasa hacia arri ba por el punto que se ubica +5 cm por arriba de su posición de equilibrio? Resp. 1.97 N/m, 27.2 cm/s, — 49.3 cm/s2 *14.58. Un reloj de péndulo marca los segundos cada vez que la lenteja pasa por su punto más bajo. ¿Cuál de berá ser la longitud del péndulo en un lugar donde g = 32.0 ft/s? Si el reloj se lleva a un sitio donde g = 31.0 ft/s2, ¿cuánto tiempo se retrasará en un día? *14.59. Una masa de 500 g está unida a un dispositivo cuya constante del resorte es de 6 N/m. La masa se des plaza a la derecha hasta una distancia = + 5 cm a partir de su posición de equilibrio y luego se suelta. ¿Cuáles son su velocidad y su aceleración cuando x = +3 cm y cuando x = — 3 cm? Resp. ±0.139 m/s, -0.360 m/s2; ±0.139 m/s, +0.360 m/s2 300 Capítulo 14 Resumen y repaso
- 321. Los globos aerostáticos usan aire caliente, que es menos denso que el aire que lo rodea, para crear una fuerza de flotación. De acuerdo con el principio de Arquímedes, la fuerza de flotación es igual al peso del aire desplazado por el globo. (Foto por Paul E. Tippens.) 301
- 322. 302 Capítulo 15 Fluidos Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo e! alumno: 1. Definirá y aplicará los conceptos de presión de fluidos y empuje vertical hacia arriba (fuerza de flotación) para resolver problemas físicos similares a los que se presentan como ejemplos en el texto. 2. Escribirá e ilustrará con dibujos los cuatro principios básicos de la presión de fluidos como se resumen en la sección 15.3 para demostrar que los ha com prendido. 3. Definirá presión absoluta, presión manométrica y presión atmosférica, y demos trará mediante ejemplos su comprensión de la relación entre estos términos. 4. Escribirá y aplicará fórmulas para calcular la ventaja mecánica de una prensa hidráulica en términos de las fuerzas o de las áreas de entrada y de salida. 5. Definirá la razón de flujo (gasto) de un fluido y resolverá problemas que rela cionen la razón de flujo con la velocidad y el área transversal. 6. Escribirá la ecuación de Bernoulli en su forma general y describirá la ecuación cuando se aplica a (a) un fluido en reposo, (b) un flujo de fluido a presión cons tante y (c) el flujo a través de un tubo horizontal. 7. Aplicará la ecuación de Bernoulli para resolver problemas que incluyan presión absoluta P, densidad p, elevación del fluido h, y velocidad de flujo v. Los líquidos y los gases se conocen como fluidos porque fluyen libremente y tienden a lle nar los recipientes que los contienen. En este capítulo aprenderemos que los fluidos ejercen fuerzas sobre las paredes de los recipientes donde están contenidos. Esas fuerzas actúan sobre áreas definidas y originan una condición de presión. En la prensa hidráulica se utiliza la pre sión del fluido para elevar cargas pesadas. La estructura de los depósitos de agua, las presas y los grandes tanques de aceite se diseñan, en gran parte, tomando en cuenta la presión. En el diseño de barcos, submarinos y globos meteorológicos se debe tomar en cuenta la presión y la densidad del fluido circundante. Estudiaremos también los aspectos fundamentales del flujo de fluidos y las leyes de Bernoulli que gobiernan dicho movimiento. Densidad Antes de estudiar la estática y la dinámica de fluidos, es importante entender la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen. Podría decirse que un bloque de plomo es más pesado que un bloque de madera. Lo que en realidad queremos expresar es que un bloque de plomo es más pesado que un bloque de madera de tamaño similar. Los términos ligero y pesado son de carácter comparativo. Como se ilustra en la figura 15.1, un bloque de plomo de 1cm3tiene una masa de 11.3 g, mientras que un bloque de roble de 1 cm3tiene una masa de sólo 0.81 g. El volumen de la madera debe ser 14 veces el volumen del plomo si éstos tienen la misma masa. La densidad o masa específica p de un cuerpo se define como la relación de su masa m con respecto a su volumen V. m P = ~ m = pV (15.1) La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico (kg/m3). Por tanto, si un objeto tiene una masa de 4 kg y un volumen de 0.002 m3, tiene una densidad de 2000 kg/m3. Cuando trabajamos con volúmenes pequeños la densidad se expresa en gramos por centíme tro cúbico (g/cm3). Aun cuando no se recomienda el uso de unidades del SUEU, las unidades más viejas se siguen usando en Estados Unidos, por lo que es conveniente mencionar cuando menos el concepto depeso específico D. El peso específico se usa con frecuencia para las unidades más viejas de peso (Ib) y longitud (ft).
- 323. 15.1 Densidad 303 m — 11.3 i m = 0.81 g Plomo Madera 1 cm3 m — 11.3 g 1 Plomo® 1cm3 fTTTTVn—í] n = 11.31 14 cm I i A j ¡ / j Madera 1 cm3 Figura 15.1 Comparación de la masa y el volumen para bloques de plomo y madera. El volumen de la madera debe ser 14 veces el del plomo si tienen la misma masa. El peso específico D de un cuerpo se define como la relación entre su peso W y su volumen V. La unidad común es la libra por pie cúbico (lb/ft3). D = W V W = DV (15.2) Por ejemplo, el peso específico del agua es 62.4 lb/ft3. La relación entre peso específico y densidad se determina recordando que W = mg. Por consiguiente, D = = pg (15.3) Las densidades para los sólidos, líquidos y gases comunes se proporcionan en la tabla 15.1. Tabla 15.1 Densidad y peso específico P Sustancia kg/m3 g/cm3 D, lb/ft3 Sólidos: Acero 7800 7.8 487 Aluminio 2700 2.7 169 Cobre 8890 8.89 555 Hielo 920 0.92 57 Hierro 7850 7.85 490 Latón 8700 8.7 540 Oro 19300 19.3 1204 Plata 10500 10.5 654 Plomo 11300 11.3 705 Roble 810 0.81 51 Vidrio 2600 2.6 162 Líquidos: Agua 1000 1.0 62.4 Alcohol 790 0.79 49 Benceno 880 0.88 54.7 Gasolina 680 0.68 42 Mercurio 13600 13.6 850 Gases (0°C): Aire 1.29 0.00129 0.0807 Helio 0.178 0.000178 0.0110 Hidrógeno 0.090 0.000090 0.0058 Nitrógeno 1.25 0.00126 0.0782 Oxígeno 1.43 0.00143 0.00892
- 324. 304 C apítulo 15 Fluidos Sr Un tanque cilindrico de gasolina tiene 3 m de altura y 1.2 m de diámetro. ¿Cuántos kilo gramos de gasolina es capaz de almacenar el tanque? Plan: Para calcular la masa, primero debemos determinar el volumen del cilindro circular derecho (V = irr2h), donde r = jD = 0.60 m. Por tanto, la masa se determina a partir de la ecuación (15.1). Solución: El volumen es V = 7 rr2h = 7t(0.6 m)2(3 m); V = 3.39 m3 Al resolver la ecuación de la densidad para m tenemos m = pV = (680 kg/m3)(3.39 m3); m = 2310 kg Otro método para indicar las densidades de las sustancias es la comparación su densidad con la densidad del agua. La relación de la densidad de la sustancia con respecto a la del agua se vuelve entonces la gravedad específica, la cual es una cantidad sin dimensiones. Si un objeto tiene el doble de densidad que el agua, su gravedad específica es 2; un objeto que tiene una tercera parte de densidad que el agua tiene una densidad relativa de 1/3. La gravedad específica de una sustancia se define como la razón de su densi dad con respecto a la densidad del agua a 4°C (1 000 kg /m 3). Un mejor nombre para esta cantidad es densidad relativa, pero el término gravedad específica se usa más ampliamente. Presión La eficiencia de una cierta fuerza a menudo depende del área sobre la que actúa. Por ejemplo, una mujer que usa tacones puntiagudos daña más los pisos que si usara tacones anchos. Aun cuando la dama ejerce la misma fuerza hacia abajo en ambos casos, con los tacones agudos su peso se reparte sobre un área mucho menor. A la fuerza normal por unidad de área se le llama presión. Simbólicamente, la presión P está dada por P = J (15.4) donde A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F. La unidad de presión resulta de la relación entre cualquier unidad de fuerza y la unidad de área. Por ejemplo, newtons por metro cuadrado y libras por pulgada cuadrada. En el sistema SI de unidades, al N/m2se le llama pascal (Pa). 1 pascal (Pa) = 1 newton por metro cuadrado (N/m2) Cuando se informa la presión, el kilopascal (kPa) es la unidad de medida más apropiada para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, sólo el Pa debe sustituirse en las fórmulas. 1 kPa - 1000 N/m2 = 0.145 lb/in2 Ejemplo 15.2 Un zapato de golf tiene 10 tacos, cada uno con un área de 6.5 X 10~6m2en contacto con el piso. Suponga que, al caminar, hay un instante en que los 10 tacos soportan el peso com pleto de una persona de 80 kg. ¿Cuál es la presión ejercida por los tacos sobre el suelo? Plan: Calcularemos la fuerza total sobre el suelo al determinar el peso de una masa de 80 kg. Luego, dividiremos esa fuerza entre el área de 10 tacos para obtener la presión total.
- 325. 15.3 Presión del fluido 305 Solución: El área total es 10 (6.5 X 10 6m2) o 65 X 10 6m2. Por tanto, la presión es F mg P = - = — A A (80 kg)(9.8 m/s2) 7 , = ----- — ----- = 1.21 X 107N/m2 65.0 X 10 m Recuerde que un N/m2es un pascal (Pa), podemos escribir la presión total como P = 1.21 X 107Pa = 12.1 MPa Cuando el área de un zapato en contacto con el suelo disminuye (como sucede con al gunos zapatos de tacón), la presión aumenta. Es fácil ver por qué deben considerarse estos factores en la construcción de suelos. Presión del fluido Es importante la diferencia entre cómo actúa la fuerza sobre un fluido y cómo lo hace sobre un sólido. Puesto que el sólido es un cuerpo rígido, puede soportar que se le aplique una fuerza sin que cambie apreciablemente su forma. Por otra parte, un líquido puede soportar una fuerza únicamente en una superficie o frontera cerrada. Si el fluido no está restringido en su movimiento, empezará a fluir bajo el efecto del esfuerzo cortante, en lugar de deformarse elásticamente. La fuerza que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes. Ésta es una característica propia de los fluidos que hace que el concepto de presión sea muy útil. Si se perforan agujeros a los lados y al fondo de un barril con agua (véase la figura 15.2), se demuestra que la fuerza ejercida por el agua es en cualquier parte perpendicular a la su perficie del barril. Al reflexionar un momento se deduce que el líquido también ejerce una presión hacia arriba. Cualquier persona que haya tratado de mantener una balsa por debajo de la superficie del agua se convence de inmediato de la existencia de una presión hacia arriba. En realidad nos damos cuenta de que Los fluidos ejercen presión en todas direcciones. La figura 15.3 muestra un líquido bajo presión. Las fuerzas actúan sobre la cara del ém bolo, sobre las paredes del recipiente y sobre las superficies del objeto suspendido, como se aprecia en la figura. Figura 15.2 Las fuerzas ejercidas por un fluido Figura 15.3 Los fluidos ejercen presión en todas sobre las paredes del recipiente que lo contiene son direcciones, perpendiculares en todos los puntos.
- 326. 306 C apítulo 15 Fluidos Figura 15.4 Relación entre presión, densidad y profundidad. De igual manera que los volúmenes más grandes de objetos sólidos ejercen fuerzas ma yores contra el lugar que los soporta, los fluidos ejercen mayor presión al aumentar la profun didad. El fluido en el fondo de un recipiente siempre está sometido a una presión mayor que la que experimenta cerca de la superficie. Esto se debe al peso del líquido que se encuentra arriba. Sin embargo, es preciso señalar una diferencia entre la presión ejercida por los sólidos y la que se produce en el caso de los líquidos. Un objeto sólido puede ejercer únicamente una fuerza hacia abajo debido a su peso. A cualquier profundidad en un fluido la presión es la misma en todas direcciones. Si esto no fuera cierto, el fluido podría fluir bajo la influencia de una presión resultante hasta que se alcanzara una nueva condición de equilibrio. Puesto que el peso del fluido que está por arriba de un punto en cuestión es proporcional a su densidad, la presión a cualquier profundidad es también proporcional a la densidad del fluido. Esto puede visualizarse considerando una columna rectangular de agua cuyas dimen siones van desde la superficie hasta la profundidad h, como se muestra en la figura 15.4. El peso de la columna completa actúa sobre el área A en el fondo de la columna. Partiendo de la ecuación (15.1), podemos escribir el peso de la columna como W = DV = DAh La pasta de dientes que sale cuando se aprieta el tubo, la maniobra de Heimlich (en la cual se ejerce una presión hacia arriba sobre el abdomen de una persona para ex traer un cuerpo extraño atorado en la tráquea) y un elevador hidráulico son todos ejemplos de la ley de Pascal. Ejemplo 15.3 donde D es el peso específico del fluido. La presión (peso por unidad de área) a la profundidad h está dada por W P = — A Dh o bien, en términos de densidad, P = Dh = pgh (15.5) La presión del fluido en cualquier punto es directamente proporcional a la den sidad del fluido y a la profundidad bajo la superficie del fluido. I La presión del agua en una casa es de 160 lb/in2¿A qué altura debe estar el nivel del agua del recipiente de almacenamiento por encima de la toma de agua de la casa? Plan: A partir de las tablas calculamos que el peso específico D del agua es 62.4 lb/ft3. La presión dada en la casa es 160 lb/in2, por tanto debemos convertir a lb/ft2para obtener las unidades correspondientes. Luego aplicamos la ecuación (15.5) para resolver la altura h. Solución: Al convertir las unidades tenemos Ib Y 144 in2' — T P = 160 nr 1 ft2 = 23040 lb/ft2 Ahora al resolver para h en la ecuación (15.5) obtenemos 23040 lb/ft2 h = — = D 62.4 lb/ft h = 369 ft En el ejemplo anterior no se mencionó la forma o el tamaño del tanque de almacena miento del agua. Tampoco se dio información acerca de la trayectoria que sigue el agua o el tamaño de las tuberías que conectan el tanque con la toma de la casa. ¿Debemos suponer que nuestra respuesta es correcta cuando se fundamenta tan sólo en la diferencia de niveles del agua? ¿No tienen algún efecto la forma o el área del depósito sobre la presión del líquido? Para responder estas preguntas, debemos recordar algunas de las características ya estudiadas acerca de los fluidos. Considere una serie de recipientes que se comunican entre sí y que tienen diferentes áreas y formas interconectadas, como muestra la figura 15.5. Parecería a primera vista que el mayor volumen contenido en el recipiente A ejercería mayor presión en el fondo que el recipiente D.
- 327. 15.3 Presión del fluido 307 Figura 15.5 El agua siempre busca su propio nivel, lo cual indica que la presión es independiente del área o de la forma del recipiente. El efecto de tal diferencia de presión forzaría al líquido a elevarse más en el recipiente D. Sin embargo, si se llenan los recipientes con líquido se demuestra que los niveles son iguales en todos los recipientes. Parte del problema de entender esta paradoja proviene de la confusión de los términos presión y fuerza total. Como la presión se mide en términos de la unidad de área, no consi deramos el área total cuando se resuelven problemas que incluyen a la presión. Por ejemplo, en el recipiente A el área del líquido en el fondo del recipiente es mucho mayor que el área del fondo del recipiente D. Esto significa que el líquido en el recipiente A ejercerá unafuerza total mayor en el fondo que el líquido del recipiente D. Pero la fuerza más grande se aplica sobre un área mayor, por lo que la presión es la misma en ambos recipientes. Si el fondo de los recipientes B, C y D tuvieran la misma área podríamos decir que las fuerzas totales también son iguales en el fondo de estos recipientes. (Por supuesto, las pre siones son iguales a cualquier profundidad.) Se puede preguntar por qué las fuerzas totales pueden ser iguales cuando los recipientes B y C contienen un mayor volumen de agua. El agua adicional en cada caso se apoya mediante componentes verticales de las fuerzas ejerci das por las paredes del recipiente sobre el fluido (véase la figura 15.6). Cuando las paredes del recipiente son verticales, las fuerzas que actúan sobre los lados no tienen componentes hacia arriba. Por tanto, la fuerza total al fondo de un recipiente es igual al peso de una columna recta de agua sobre el área de la base. Figura 15.6 La presión en el fondo de cada recipiente sólo es función de la profundidad del líquido y es la misma en todas direcciones. Puesto que el área en el fondo es la misma en ambos recipientes, la fuerza total ejercida sobre el fondo de cada uno de ellos es también igual. f Suponga que los recipientes de la figura 15.5 se llenan con gasolina hasta que el nivel del fluido es de 20 cm por arriba de la base de cada recipiente. Las áreas de las bases de los recipientes A y 8 son de 20 cm2y de 10 cm2, respectivamente. Compare la presión y la fuerza total sobre la base de cada recipiente. Ejemplo 15.4
- 328. 308 C ap ítu lo 15 Fluidos Plan: La densidad de la gasolina se proporciona en la tabla 15.1. La presión es la misma en la base para cualquier contenedor y está dada por pgh. No obstante, la fuerza total no es la misma ya que el peso del agua por encima de la base es diferente. La fuerza total se define como el producto de la presión por el área. Solución: La presión de la base de cualquier contenedor es P = pgh = (680 kg/m3)(9.8 m/s2)(0.20 m); P = 1330Pa Necesitamos convertir las áreas de cm2a m2, recuerde que 1 cm2= 1 X 10~4m2. Por tanto, la presión de determina al resolver para la fuerza en la ecuación (15.4) F = PA = (1 330 Pa)(20 X 10~4m2) = 2.66 N F = PA = (1330 Pa)(10 X 10”4m2) = 1.33 N Antes de considerar otras aplicaciones de la presión del fluido, vamos a resumir los principios estudiados en esta sección para los fluidos en reposo. 1. 2. Las fuerzas ejercidas por un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene son siempre perpendicu lares a dichas paredes. La presión del fluido es directamente proporcional a la profundidad del fluido y a su densidad. 3. A cualquier profundidad, la presión del fluido es la misma en todas direcciones. 4. La presión del fluido es independiente de la forma o del área del recipiente que lo contiene. Medición de la presión La presión que se estudió en la sección previa se debe únicamente al propio fluido y puede calcularse a partir de la ecuación (15.5). Desafortunadamente, este caso no es el más frecuen te. Cualquier líquido en un recipiente abierto, por ejemplo, está sujeto a la presión atmos férica además de la presión debida a su propio peso. Puesto que el líquido es relativamente incompresible, la presión externa de la atmósfera se trasmite por igual a todo el volumen del líquido. El primero en enunciar este hecho fue el matemático francés Blas Pascal (1623- 1662), y se conoce como ley de Pascal. En general, se enuncia como sigue: Una presión externa aplicada a un fluido confinado se transmite uniformemen te a través del volumen del líquido. La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presión directamente miden en rea lidad la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. El resultado obtenido se conoce como la presión manométrica. Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica La presión atmosférica al nivel del mar es 101.3 kPa, o 14.7 lb/in2. Debido a que la presión atmosférica participa en gran número de cálculos, con frecuencia se usa una unidad de pre sión de 1 atmósfera (atm), definida como la presión media que la atmósfera ejerce al nivel del mar, es decir, 101.3 kPa. Un aparato muy común para medir la presión manométrica es el manómetro de tubo abierto, mostrado en la figura 15.7. El manómetro consiste en un tubo en forma de U que contiene un líquido, que generalmente es mercurio. Cuando ambos extremos del tubo están abiertos, el mercurio busca su propio nivel ya que se ejerce 1 atm de presión en cada uno de
- 329. 15.4 M edición de la presión 309 1 atm X V 1 atm Figura 15.7 Manómetro de tubo abierto. La presión se mide por la altura h de la columna de mercurio. los extremos abiertos. Cuando uno de los extremos se conecta a una cámara presurizada, el mercurio se eleva en el tubo abierto hasta que las presiones se igualan. La diferencia entre los dos niveles de mercurio es una medida de la presión manométrica: la diferencia entre la presión absoluta en la cámara y la presión atmosférica en el extremo abierto. El manómetro se usa con tanta frecuencia en situaciones de laboratorio que la presión atmosférica y otras presiones se expresan a menudo en centímetros de mercurio o pulgadas de mercurio. Por lo general, la presión atmosférica se mide en el laboratorio con un barómetro de mer curio. El principio de su operación se muestra en la figura 15.8. Un tubo de vidrio, cerrado en un extremo, se llena de mercurio. El extremo abierto se tapa y el tubo se invierte en una cubeta de mercurio. Si no se tapa el extremo abierto, el mercurio fluye hacia afuera del tubo hasta que la presión ejercida por la columna de mercurio equilibra exactamente la presión atmosférica que actúa sobre el mercurio de la cubeta. Puesto que la presión en el tubo sobre la columna de mercurio es cero, la altura de la columna por arriba del nivel del mercurio en la cubeta indica la presión atmosférica. Al nivel del mar, una presión atmosférica de 14.7 lb/in2 hará que el nivel del mercurio en el tubo se estabilice a una altura de 76 cm, o 30 in. En resumen, podemos escribir las siguientes medidas equivalentes de la presión atmos férica: 1 atm = 101.3 kPa = 14.7 lb/in2 = 76 cm de mercurio = 30 in de mercurio = 2 116 Ib/ft2 El manómetro de mercurio se usa para medir la presión de un gas dentro de un tanque (consulte la figura 15.7). Si la diferencia entre los dos niveles de mercurio es de 36 cm, ¿cuál es la presión absoluta dentro del tanque? Pían: Recuerde que la presión absoluta es la suma de la presión manométrica y la presión atmosférica. El manómetro lee 36 cm, lo cual registra la diferencia entre la presión fuera del tanque (1 atm) y la presión dentro del mismo. Una atmósfera de presión es equivalente a una columna de 76 cm de mercurio. La presión absoluta en el tanque es, por tanto, la suma de 36 cm más 76 cm, o 112 cm de mercurio. La presión absoluta en el tanque es la presión debida a una columna de mercurio de 112 cm de altura. Solución: La densidad del mercurio es 1.36 X 104kg/m3y 112 cm es 1.12 m, así que la presión absoluta dentro del tanque se determina a partir de la ecuación (15.5) P = pgh = (1.36 X 104kg/m3)(9.8 m/s2)( 1.12 m) P = 1.49 X 105Pa P = 149 kPa Verifique que esta presión absoluta también se puede expresar como 1.47 atm.
- 330. 310 C apítulo 15 Fluidos m o ~ La prensa hidráulica La aplicación más frecuente de la ley de Pascal es la prensa hidráulica, que se ilustra en la fi gura 15.9. De acuerdo con el principio de Pascal, una presión aplicada al líquido en la colum na izquierda se transmitirá íntegramente al líquido de la columna de la derecha. Por lo tanto, si una fuerza de entrada F. actúa sobre un émbolo de área A., causará una fuerza de salida F l l O que actúa sobre un émbolo de área Aode modo que Presión de entrada = presión de salida Fl = Fo _ A¡ An (15.6) La ventaja mecánica ideal de tal dispositivo es igual a la relación de la fuerza de salida con respecto a la fuerza de entrada. Simbólicamente escribimos , , Fo K M, = — = — F A¡ (15.7) Una pequeña fuerza de entrada puede ser multiplicada para producir una fuerza de salida mucho mayor utilizando simplemente un émbolo de salida con una área mucho mayor que la del émbolo de entrada. La fuerza de salida está dada por F„ = Fr A¡ (15.8) De acuerdo con los métodos desarrollados en el capítulo 12 para las máquinas simples, el trabajo de entrada debe ser igual al trabajo de salida si despreciamos la fricción. Si la fuerza de entrada F. recorre una distancia si mientras la fuerza de salida Fo viaja una distancia s , podemos escribir Trabajo de entrada = trabajo de salida Fs- — F s í L000 Esta relación conduce a otra expresión útil para la ventaja mecánica ideal de una prensa hi dráulica: K s ¡ Mr = ~ = - F Sn (15.9) Figura 15.9 Prensa hidráulica.
- 331. 15.6 Principio de Arquím edes 311 Observe que la ventaja mecánica se gana a expensas de la distancia de entrada. Por esta razón, la mayoría de las aplicaciones utilizan un sistema de válvulas para permitir que el pistón de salida se eleve por una serie de impulsos cortos del pistón de entrada. Ejemplo 15.6 ■ ¿ ' Una prensa hidráulica tiene un émbolo de entrada de 5 cm de diámetro y un émbolo de salida de 60 cm de diámetro. ¿Qué fuerza de entrada se requiere para proporcionar una fuerza total de salida capaz de levantar un automóvil de 950 kg? Plan: Para calcular la fuerza de entrada, primero se usan los diámetros de los émbolos con el fin de determinar la ventaja mecánica ideal de la ecuación (15.7). Suponga que la fric ción es insignificante y recuerde que el área de cada émbolo esircP/4. La fuerza de entrada necesaria puede determinarse a partir del valor calculado de Mr Solución: La ventaja mecánica ideal es -di/4 Ao M' = j r M, = rdj/4 /60 cm 5 cm á. dV M, = d,o'2 d¡ = 144 La fuerza de salida necesaria es Fo = W = mg, por tanto al resolver la ecuación (15.7) para F. obtenemos F „ M, F mg F F = mg M, (950 kg)(9.8 m/s2) F = --------— ---------- - = 64.7 N 144 El principio de la prensa hidráulica se aprovecha en múltiples dispositivos mecánicos y de ingeniería. Entre los ejemplos más comunes están: la dirección hidráulica de vehículos (servodirección), el gato hidráulico, los amortiguadores y el sistema de frenos de los auto móviles. Principio de Arquímedes Puede probar el princi pio de Arquímedes al sumergir un objeto en un fluido como el agua. SI el objeto no es tan denso como el fluido, se sumergirá sólo hasta el punto en el cual se ha desplazado suficiente agua para igualar el peso del objeto. El volu men del agua desplaza da y el peso del objeto serán iguales. Cualquier persona familiarizada con la natación y otros deportes acuáticos ha observado que los objetos parecen perder peso cuando se sumergen en agua. En realidad, el objeto puede incluso flotar en la superficie debido a la presión hacia arriba ejercida por el agua. Un antiguo matemático griego, Arquímedes (287-212 a. C.), fue el primero que estudió el empuje vertical hacia arriba ejercido por los fluidos. El principio de Arquímedes se enuncia en la siguiente forma: Un objeto que se encuentra parcial o totalm ente sumergido en un fluido expe rimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado. El principio de Arquímedes se puede demostrar estudiando las fuerzas que ejerce el fluido sobre un cuerpo que se encuentra suspendido en él. Considere un disco de área A y de altura H que está totalmente sumergido en un fluido, como se muestra en la figura 15.10. Recuerde que la presión a cualquier profundidad h en el fluido está dada por P = pgh
- 332. 312 Capítulo 15 Fluidos El tornillo de Arquímedes Una invención de Arquímedes puede ponerse en práctica a gran escala en los parques acuáticos futuros. El tom illo de Arquímedes es un tornillo helicoidal que gira y lleva agua cuesta arriba. El Aquavator, un tubo de tornillo helicoidal de 40 ft de altura, se sumerge en un depósito de agua en el cual las personas esperan a que el agua llegue a la cima de una resbaladilla de agua. Las personas flotan en el tubo en el fondo. El tubo gira y ¡as personas suben lentamente en el agua capturada flotando hasta la parte superior donde se les suelta directamente en la resbaladilla de agua. ------------- _ lili '" F Densidad 3|; 1 © 1 Y mg hi h2 'H Figura 15.10 El empuje que se ejerce sobre el disco es igual al peso del fluido que se desplaza. donde p es la densidad de masa del fluido y g es la aceleración debida a la gravedad. Por supuesto, si deseamos representar la presión absoluta dentro del fluido, tenemos que sumar también la presión externa ejercida por la atmósfera. La presión total hacia abajo P ejercida sobre la parte superior del disco, según la figura 15.10, es. por lo tanto: P1 = Pa + pghj (hacia abajo) donde Pqes la presión atmosférica y 1il es la profundidad en la parte superior deldisco. En forma similar, la presión hacia arriba P1en la parte inferior del disco es P2 = Pü + pgh2 (hacia arriba) donde h2es la profundidad medida en la parte inferior del disco. Puesto que h2esmayor que liv la presión registrada en la parte inferior del disco es mayor que la presión en su parte su perior, lo cual da por resultado una fuerza neta hacia arriba. Si representamos la fuerza hacia abajo como F1y la fuerza hacia arriba como F,, podemos escribir F, = PX A F2 = P2A La fuerza neta hacia arriba ejercida por el fluido sobre el disco se llama empuje está dada por Fb = F2 - F 1 = A(P2 - P,) = A(Pa + pgh2 - Pa - pgh,) = Apg(h2 - hx) = ApgH donde FI = h, —h}es la altura del disco. Finalmente, si recordamos que el volumen del disco es V = AH, obtenemos este importante resultado: Fn = pgV = mg (15.10) empuje = peso delfluido desalojado que es el principio de Arquímedes. Al aplicar este resultado debemos recordar que la ecuación (15.10) nos permite calcular únicamente el empuje ocasionado por la diferencia de presiones. No representa en realidad la fuerza resultante. Un cuerpo se sumergirá si el peso del fluido que desaloja (el empuje) es menor que el peso de dicho cuerpo. Si el peso del fluido desalojado es exactamente igual al peso del cuerpo sumergido, éste ni se hunde ni se va hasta arriba. En este caso, el cuerpo estará en equilibrio. Si el peso del fluido desalojado excede al peso del cuerpo sumergido, el cuerpo se elevará hasta la superficie y flotará. Cuando el cuerpo flota y alcanza el equilibrio en la superficie, desplazará su propio peso de líquido. La figura 15.11 demuestra esto median te el uso de un recipiente cilindrico con vertedero y un vaso para recibir el fluido desalojado por un bloque de madera.
- 333. 15.6 Principio de Arquímedes 313 Figura 15.11 Un cuerpo que flota desaloja su propio peso de fluido. Ejemplo 15.7 Un corcho tiene un volumen de 4 cm3 y una densidad de 207 kg/m 3. (a) ¿Qué volumen del corcho se encuentra bajo la superficie cuando el corcho flota en agua? (b) ¿Qué fuerza hacia abajo es necesaria para sumergir el corcho por completo? Plan: El corcho desplaza un volumen de agua igual a su propio peso. Usaremos la den sidad y el volumen del corcho para calcular su peso. Luego aplicaremos el principio de Arquímedes para hallar el volumen de agua requerido para proporcionar un volumen igual al peso del corcho. Ese volumen de agua también es igual al volumen del corcho bajo la superficie. En la parte (a), el empuje debe ser igual a la suma del peso del bloque y la fuer za descendente que sumerge el bloque en la superficie. Por tanto, necesitamos determinar el empuje sobre el corcho completamente sumergido y luego restar el peso del corcho para calcular la fuerza adicional necesaria para mantenerlo sumergido. Solución (a): La densidad del corcho es 207 k g /m y su volumen es 4 cm3. Recuerde que 1 cm3 = 1 X 10“6m calcularemos el peso de 4 X 10~6m3del corcho. W m por tanto p = W m p - ~ ... g , r- W — pgV = (207 kg/m3)(9.8 m/s2)(4 X 10~6m3) = 8.11 X 10“3N Ahora bien, como el mismo peso de agua se desplaza, W = pwgV, vemos que W 8.11 X 10"3N K, = pg (1000 kg/m3)(9.8 m/s2) = 8.28 X 10~7m3 o 0.828 cm3 Por tanto, el volumen del corcho bajo el agua es también 0.828 cm3. Si el área de la superficie flotante fuera conocida, se podría calcular a qué profundidad se sumergiría el corcho en el agua. Observe que aproximadamente el 21 por ciento del cor cho se encuentra bajo el agua. Como ejercicio, demuestre usted que la fracción de volumen sumergida es igual a la gravedad específica de un objeto. Solución (b): Cuando el corcho se sumerge, el equilibrio exige que las fuerzas estén balanceadas. La suma de estas fuerzas descendentes es igual al empuje F . Por tanto F + W = Fb
- 334. 314 Capítulo 15 Fluidos La fuerza descendente necesaria F es por lo tanto igual a la diferencia entre el empuje y el peso del corcho. F = FB — W Por el principio de Arquímedes tenemos que el empuje es el peso de 4 cm3de agua. Fg = pgV = (1000 kg/m3)(9.8 m /s2)(4 X 10~6m3) = 39.2 X 10~3N La fuerza requerida F para sumergir al corcho es F = 39.2 X 10~3N - 8.11 X 10~3N = 31.1 X 10~3N Ejemplo 15.8 « g g j a g p í i m ^ ff Un globo meteorológico requiere operar a una altitud donde la densidad del aire es 0.9 kg/m 3. A esa altitud, el globo tiene un volumen de 20 m3 y está lleno de helio (p H e = 0.178 kg/m 3). Si la bolsa del globo pesa 88 N, ¿qué carga es capaz de soportar a este nivel? Plan: El globo entrará en equilibrio y se volverá estable cuando la fuerza ascendente ejer cida en el globo sea igual a las fuerzas descendentes debida a los pesos de la carga, la bolsa del globo y el helio dentro del globo. Primero calcularemos el empuje debido al desalojo de aire, luego calcularemos el peso del helio dentro del globo. La carga que puede soportarse se determina según el peso requerido para producir el equilibrio. Solución: El empuje es igual al peso del aire desalojado. Por lo tanto, Fb = Paireé = (0.9 kg/m3)(9.8 m/s2)(20 m3) = 176 N El peso del helio contenido es w ue = PHeg^He = (0.178 kg/m3)(9.8 m/s2)(20 m3) = 34.9 N Las fuerzas verticales se equilibran, por lo que FB = WL + WH e + Wglobo Al resolver para W tenemos Wl = FB — WH e — Wglobo = 176 N - 34.9 N - 88 N = 53.1 N Los globos grandes pueden conservar una condición de equilibrio a cualquier altitud me diante el ajuste de su peso o del empuje. El peso puede aligerarse al soltar lastre que sirve para ese propósito. El empuje puede disminuir, dejando salir gas del globo, o aumentar insuflando gas al globo flexible. Los globos de aire caliente usan la baja densidad del aire caliente para poder flotar.
- 335. 15.7 Flujo de fluidos 315 Fluidos en reposo 1. Dibuje una figura y márquela con las cantidades pro porcionadas y las que deben calcularse. Use unidades congruentes para el área, volumen, densidad y presión. 2. No confunda presión absoluta con presión manomé- trica o densidad con peso específico. Debe usar la pre sión absoluta a menos que el problema incluya una di ferencia de presión. Tenga cuidado con las unidades si intenta usar peso específico, que es fuerza por unidad de volumen. 3. La diferencia de presión entre dos puntos es propor cional a la densidad del fluido y a la profundidad en el fluido: 4. El principio de Arquímedes establece que un objeto to tal o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba (empuje), igual al peso del flui do desalojado: Fb = mg = pgV (empuje) Recuerde que el empuje depende tanto de la densidad del fluido desalojado como del volumen del mismo. No tiene ninguna relación con la masa o la densidad del objeto sumergido en el fluido. Si el objeto se en cuentra totalmente sumergido, el volumen del objeto y el fluido desplazados son iguales. Este hecho puede aprovecharse para determinar empuje en esos casos. 6. Para un objeto que estíiflotando en el fluido, el empuje debe ser igual al peso del objeto. Esto significa que el peso del objeto debe ser igual al peso delfluido desalo jado. Por consiguiente, podemos escribir: m/g = mfg o pxV x = pfVf El subíndice x se refiere al objeto que flota y el subíndice/se refiere al fluido desalojado. Por ejemplo, si un objeto con un volumen de 3 m3flota con dos ter cios de su volumen sumergido, entonces V = 3 m3y V j — 2 m3. Flujo de fluidos Hasta ahora, nuestro estudio de los fluidos se ha restringido a condiciones de reposo, que son considerablemente más sencillas que el estudio de fluidos en movimiento. Las dificultades mate máticas a las que hay que enfrentarse cuando se intenta describir el movimiento de un fluido son formidables. La tarea se facilitará si establecemos ciertas suposiciones. Ante todo, considerare mos que todos los fluidos en movimiento muestran una corriente laminar oflujo aerodinámico. El flujo aerodinámico es el movimiento de un fluido en el cual cada partícula en el fluido sigue la misma trayectoria (pasa por un punto particular) que siguió la partícula anterior. La figura 15.12 muestra las líneas de corriente de flujo de aire que pasan por dos obstáculos estacionarios. Observe que las líneas de corriente se rompen cuando el aire pasa sobre el segundo obstáculo, generando corriente turbulenta y remolinos. Estos pequeños remolinos representan elflujo turbulento y absorben gran parte de la energía del fluido, incrementando el arrastre por fricción a través del fluido. Vamos a considerar, además, que los fluidos son incompresibles y que no presentan una fricción interna apreciable. En estas condiciones, se pueden hacer algunas predicciones acer ca de la razón de flujo delfluido (gasto) a lo largo de una tubería o de otro recipiente. El flujo del fluido (gasto) se define como el volumen de fluido que pasa a través de cierta sección transversal en una unidad de tiempo. (a) (b) Figura 15.12 Flujos laminar y turbulento en la trayectoria de un fluido.
- 336. 316 Capítulo 15 Fluidos Figura 15.13 Cálculo de la velocidad de un fluido que circula por un tubo. ¿Bats de béisbol con hoyuelos? Tal vez haya visto o incluso probado un nuevo tipo de bat de béisbol que tiene hoyuelos a lo largo del mismo parecidos a los de una pelota de golf. Estos hoyuelos en realidad ayudan al bat a balancearse m ás rápido por el aire debido a la dinámica de fluidos. Los hoyuelos provocan una turbulencia m icroscópica que a su vez genera un flujo aerodinám ico más global. Para expresar esta razón en forma cuantitativa, consideraremos el caso de un líquido que fluye a lo largo de una tubería como la que se ilustra en la figura 15.13, con una velocidad media v. En un espacio de tiempo f, cada partícula en la corriente se mueve a través de una distancia vi. El volumen V que fluye a través de la sección transversal A está dado por V = Avt Por lo tanto, el gasto (volumen por unidad de tiempo) se puede calcular partiendo de Avt R = — M vA t Gasto = velocidad X sección transversal (15.11) Las unidades de R expresan la relación de una unidad de volumen entre una unidad de tiem po. Ejemplos frecuentes de esto son: pies cúbicos por segundo, metros cúbicos por segundo, litros por segundo y galones por minuto. Si el fluido es incompresible y no tomamos en cuenta los efectos de la fricción interna, el gasto R permanecerá constante. Esto significa que una variación en la sección transversal en la tubería, como se muestra en la figura 15.14, da por resultado un cambio en la rapidez del líquido, de tal modo que el producto vA permanece constante. Simbólicamente escribimos R = VjAj = v2A2 (15.12) Un líquido fluye con más rapidez a través de una sección estrecha de tubería y más lentamente a través de secciones más amplias. Este principio es la causa de que el agua fluya más rápido en las partes de un arroyo donde las orillas del mismo están más cercanas entre sí. Figura 15.14 En el flujo laminar, el producto de la velocidad del fluido por el área de la sección transversal del tubo es constante en cualquier punto. i? El agua fluye a través de una manguera de hule de 2 cm de diámetro a una velocidad de 4 m/s. (a) ¿Qué diámetro debe tener el chorro si el agua sale a 20 m /s? (b) ¿Cuál es el gasto en metros cúbicos por minuto? Plan: El gasto debe ser el mismo tanto en la manguera como a través del chorro, así que A [vl = A2vr A partir de esto, determinamos la velocidad a través del chorro. Después de deter minar el área de cualquier abertura, podemos multiplicar por la velocidad para hallar el gasto. Solución (a): Como el área A es proporcional al cuadrado del diámetro, podemos escribir Vid] d 1 V1 = div2 d = v2
- 337. 15.8 Presión y velocidad 317 A partir de lo cual d2 = vd] v2 (4 m/s)(2 cm)‘ (20 m/s) = V0.80 cm2 = 0.894 cm Solución (b): Para calcular el gasto, primero debemos determinar el área de la manguera de 2 cm de diámetro. A, = ird] tt(2 cm)2 = 3.14 cm2 , , 1 X 10 4m2 , , = 3.14 cm2 -----:-----;---- I = 3.14 X 10~4m2 1 _ 2 1 cm El gasto es R = A {vv así que R = (3.14 X 10~4 m2)(4 m/s) = 1.26 X 10~3m3/s = (1.26 X 10-3 m3/s)(60 s/min) = 0.0754 m3/min El mismo valor debe obtenerse considerando el producto A,v,. Problem as sobre gasto 1. Lea el problema cuidadosamente, y, después de dibu jar un esquema, elabore una lista con la información proporcionada. 2. Recuerde que el gasto R representa el volumen del flui do que pasa por una determinada sección transversal por unidad de tiempo. 3. Cuando un volumen de fluido pasa de una sección transversal A, a otra A2, el gasto no cambia. R = VjA] = v2 A2 Asegúrese de utilizar unidades congruentes para el volu men y el área. 4. Puesto que el área A de una tubería es proporcional al cuadrado de su diámetro d, una forma más útil de expresar la ecuación anterior puede ser: v ¡ ¿ / j — v 2 d 2 5. Las unidades elegidas para la velocidad o el diámetro en una sección de la tubería deben ser las mismas que se usen en la segunda sección de la tubería. Presión y velocidad Hemos observado que la velocidad de un fluido aumenta cuando fluye a través de un angosta- miento. Un incremento en la velocidad únicamente se puede deber a la presencia de una fuer za de aceleración. Para acelerar un líquido que entra al angostamiento, la fuerza de empuje proveniente de la sección transversal amplia debe ser mayor que la fuerza de resistencia del angostamiento. En otras palabras, la presión en los puntos A y C, en la figura 15.15 debe ser mayor que la presión en B. Los tubos insertados en la tubería sobre dichos puntos indican cla ramente la diferencia de presión. El nivel del fluido en el tubo situado sobre la parte angosta es más bajo que el nivel en las áreas adyacentes. Si h es la diferencia de altura, la diferencia de presión está dada por Pa ~ Pb = P§h (15.13) Esto es cierto si se supone que la tubería está en posición horizontal y que no se producen cambios de presión debido al cambio de energía potencial. El ejemplo anterior, como se muestra en la figura 15.15, muestra el principio del medidor venturi. Partiendo de la determinación de la diferencia de la presión, este dispositivo hace posible el cálculo de la velocidad del agua en una tubería horizontal.
- 338. 318 Capítulo 15 Fluidos Las válvulas de corazón son una de las maravillo sas proezas de la inge niería. En la actualidad, las válvulas dañadas o mal form adas pueden ser reem plazadas por una válvula de corazón artifi cial. Los distintos diseños reflejan los problemas que enfrenta flujo de fluidos en el cuerpo. La válvula de pivote abierto utiliza dos ejes de medio círculo hechos de carbón pirolítico dentro un recu brimiento de teflón con un disco endurecedor de titanio. El objetivo es reducir la turbulencia al abrir más la válvula que si se tuviera una sola puerta circular. La tur bulencia en el flujo san guíneo significa energía desperdiciada y también provoca la ruptura de las células sanguíneas y puede debilitar a la válvula en forma prem a tura al m over partículas com o resultado de los latidos. Otro diseño es el disco individual, que el cirujano puede rotar para reducir la turbulencia al mínimo. Con solo un punto de pivote y una parte en movimiento (caso contrario al pivote abierto), esta válvula de corazón podría ser más duradera. Una cosa es cierta: ¡nadie quiere una válvula que falle bajo la carga de presión de un corazón que palpita! El efecto venturi tiene muchas otras aplicaciones tanto para líquidos como para gases. El carburador de un automóvil utiliza el principio venturi para mezclar vapor de gasolina y aire. El aire que pasa a través de un angostamiento en su camino hacia los cilindros, origina un área de baja presión a medida que aumenta su velocidad. La disminución en la presión se usa para enviar combustible a la columna de aire, donde se vaporiza rápidamente. La figura 15.16 muestra dos métodos que se pueden usar para demostrar la disminución de la presión debida al aumento de velocidad. Un ejemplo más sencillo consiste en soplar aire por encima de la superficie de una hoja de papel, como se puede ver en la figura 15.16a. La presión en la corriente de aire por encima del papel se reducirá. Esto permite que el exceso de presión en la parte inferior empuje al papel hacia arriba. Una segunda demostración requiere de un carrete, un disco de cartulina y un alfiler (figu ra 15.16b). El alfiler se elava a través del disco de cartulina y se coloca en uno de los extremos del carrete, como muestra la figura. Si se sopla a través del extremo abierto, descubrirá que el disco se adhiere más al otro extremo. Uno esperaría que el disco de cartulina se despegara de inmediato. La explicación es que el aire que fue soplado en el carrete debe escapar a través del estrecho espacio entre el disco y el extremo del carrete. Esta acción crea un área de baja presión, lo que permite que la presión atmosférica externa empuje al disco contra el carrete. Figura 15.16 Demostraciones de la disminución de presión que resulta de un incremento en las rapideces del aire. Ecuación de Bernoulli En nuestro estudio sobre fluidos, hemos destacado cuatro parámetros: la presión P, la densi dad p, la velocidad v, y la altura h sobre algún nivel de referencia. El primero en establecer la relación entre estas cantidades y su capacidad para describir fluidos en movimiento fue el matemático suizo Daniel Bernoulli (1700-1782). Los pasos que condujeron al desarrollo de esta relación fundamental se pueden comprender considerando la figura 15.17. Puesto que un fluido tiene masa, debe obedecer a las mismas leyes de la conservación es tablecidas para los sólidos. En consecuencia, el trabajo necesario para mover cierto volumen de fluido a lo largo de la tubería debe ser igual al cambio total en energía potencial y cinética. Consideremos el trabajo requerido para mover el fluido del punto a al punto b en la figura 15.17a. El trabajo neto debe ser la suma del trabajo realizado por la fuerza de entrada F y el trabajo negativo efectuado por la fuerza de resistencia Fr Figura 15.15 El incremento de la velocidad de un fluido que se desplaza a través de una sección más es trecha de un tubo provoca una caída en la presión. Trabajo neto = F1 ^1 —F2s2
- 339. 15.9 Ecuación de Bernoulli 319 Un bum erang vuela en círculo debido a ¡a form a y curvatura de sus brazos. El borde exterior del brazo superior y el borde interior del brazo inferior crean un piano aerodinám ico. Cuando se lanza el bum erang, la presión del aire empuja hacia la izquierda, form ando un mom ento de torsión. Com o la presión del aire está dirigida hasta un lado, la aceleración centrípeta im pulsa al bum erang en su trayectoria circular. v 2 F o - P 7A 9 hi (a) Figura 15.17 Deducción de la ecuación de Bernoulli. (b) Pero Fl = P¡A l y F2 = Pn Av de modo que Trabajo neto = PjAjj] —P2A2s2 El producto del área y la distancia representa el volumen V del fluido que se mueve a través de la tubería. Puesto que este volumen es el mismo en la parte inferior que en la parte superior de la tubería, podemos sustituir V —A]Sj —A2s2 y obtener Trabajo neto = P X V —P2V = (Pl — P2)V La energía cinética E de un fluido se define como j/nv2, donde m es la masa del fluido y v es su velocidad. Puesto que la masa permanece constante, únicamente hay un cambio en la energía cinética AEk debido a la diferencia de velocidad del fluido. En nuestro ejemplo, el cambio en la energía cinética es 1 , 1 , = ~m v2 - ~m vl La energía potencial de un fluido a una altura h sobre algún punto de referencia se define como mgh, donde mg representa el peso del fluido. El volumen del fluido que se mueve a lo largo de la tubería es constante. Por consiguiente, el cambio en la energía potencial AE es el resultado del incremento de altura del fluido de h a h2: AEp = mgh2 — mghl Ahora estamos preparados para aplicar el principio de la conservación de la energía. El trabajo neto realizado sobre el sistema debe ser igual a la suma de los incrementos en energía cinética y energía potencial. Por tanto, Trabajo neto = AK + A.U (Pi ~ P jV = {^m v - + (mgh2 - mghx) Si la densidad del fluido es p, podemos sustituir V = mlp, lo que nos da m 1 9 1 i (Pl — Pi)~p = ^)mvi ~ 2 mví mS^i ~ m§h 1 Si se multiplica por p/m y se reordenan los términos se obtiene la ecuación de Bernoulli: Pi + Pgh 1 + p v] = P2 + pgh2 + ^pv¡ (15.14) En vista de que los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos cualesquiera, la ecuación de Bernoulli se puede enunciar en una forma más simple como 1 , P + pgh + —pv~ = constante Ecuación de Bernoulli (15.15)
- 340. 320 Capítulo 15 Fluidos Delfines eléctricos Los delfines logran una eficiencia de propulsión sorprendente m ientras nadan. Los científicos estudiosos de la dinám ica de fluidos han creído durante mucho tiem po que ¡os delfines controlan la turbulencia al m over su piel. Al aplicar esta teoría a los aviones, la fuerza aérea de Estados Unidos usa m icrom áquinas para circuitos integrados y m icrosensores que convierten las alas de los aviones en una sensible piel electrónica que podría reducir el arrastre de la turbulencia. La ecuación de Bernoulli se aplica en casi todos los aspectos del flujo de fluidos. La pre sión P debe reconocerse como la presión absoluta y no la presión manométrica. Recuerde que p es la densidad y no el peso específico del fluido. Observe que las unidades de cada término de la ecuación de Bernoulli son unidades de presión. Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli En gran número de situaciones físicas, la velocidad, la altura o la presión de un fluido son constantes. En tales casos, la ecuación de Bernoulli adquiere una forma más simple. Por ejemplo, cuando un líquido es estacionario, tanto v como v2valen cero. La ecuación de Ber noulli nos mostrará que la diferencia de presiones es P2 - P i = pgUh - h2) (15.16) Esta ecuación es idéntica a la relación estudiada para fluidos en reposo. Otro resultado importante se presenta cuando no hay cambio en la presión (P = Pj . En la figura 15.18 un líquido sale de un orificio situado cerca del fondo de un tanque abierto. Su velocidad cuando sale del orificio puede determinarse a partir de la ecuación de Bernoulli. Debemos suponer que el nivel del líquido en el tanque desciende lentamente en comparación con la velocidad de salida, de tal modo que la velocidad v, en la parte superior puede con siderarse cero. Además, debe tomarse en cuenta que la presión del líquido tanto en la parte superior como en el orificio es igual a la presión atmosférica. Entonces, P = P2y v0 = 0, lo que reduce la ecuación de Bernoulli a 1 , Pgh i + 2 ^ 1 = PSJh o bien v? = 2g(h2 - h{) = 2gh Esta relación se conoce como teorema de Torricelli: v = V 2gh (15.17) Note que la velocidad de salida de un líquido a la profundidad h es la misma que la de un objeto que se dejara caer del reposo desde una altura h. El gasto al cual un líquidofluye desde un orificio estádada por vAsegún la ecuación (15.11).La relación deTorricelli nospermite expresar el gastoen términosde la altura del líquido sobre el orificio. Por tanto. R = vA = A V lgh. (15.18)
- 341. 15.10 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 321 Ejemplo 15.10 Una fisura en un tanque de agua tiene un área de sección transversal de 1 cm2. ¿A qué rapi dez sale el agua del tanque si el nivel del agua en éste es de 4 m sobre la abertura? Solución: El área A = 1 cm2 = 10 4 m2y la altura h = 4 m. Sustituyendo estos valores directamente en la ecuación (15.18) se tiene R = A Í 2 g h = (10“4m2)V(2)(9.8m/s2)(4m) = (10-4 m2)(8.85 m/s) = 8.85 X 10“4m3 /s Figura 15.19 La velocidad de descarga aumenta con la profundidad por debajo de la superficie, pero el alcance es máximo en el punto medio. Un ejemplo interesante para demostrar el principio de Torricelli se muestra en la figura 15.19. La velocidad de descarga aumenta con la profundidad. Observe que el alcance máximo se logra cuando la abertura se encuentra a la mitad de la columna de agua. Aunque la veloci dad de descarga aumenta por debajo del punto medio, el agua golpea el piso más cerca. Esto ocurre porque llega al piso más pronto. Las perforaciones equidistantes por encima y por abajo del punto medio tendrán el mismo alcance horizontal. Como una aplicación final, considere el efecto venturi que describe el movimiento de un fluido a lo largo de un angostamiento. Si la tubería de la figura 15.20 es horizontal, podemos establecer que h { = h2 en la ecuación de Bernoulli, lo que nos da P + p v í = P2 + ^ p v í (15.19) Puesto que v es mayor que v7, se deduce que la presión P y debe ser menor que la presión P , para que se satisfaga la ecuación (15.19). Esta relación entre la velocidad y la presión ya se ha estudiado. Figura 15.20 Flujo de un fluido a lo largo de un estrechamiento en una tubería horizontal. Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 1. Lea el problema detalladamente y dibuje después un esquema indicando en él la información proporcionada como datos. Asegúrese de que las unidades sean con gruentes en el caso de la presión, la altura y la densidad. 2. La altura h de un fluido se mide partiendo de un punto de referencia común al centro de masa del fluido. Por ejemplo, un angostamiento en una tubería horizontal como en la figura (15.20) no representa un cambio en altura (hl = h2).
- 342. 322 C apítulo 15 Fluidos 3. En la ecuación de Bernoulli, la densidad p es densi dad de masa y las unidades apropiadas son kg/m 3 y slug/ft3. 4. Escriba la ecuación de Bernoulli para el problema y simplifique eliminando aquellos factores que no cam bian: 1 , 1 , P + Pgh i + ~ p v l = P2 + pgh2 + ~pv. 5. Para un fluido estacionario v = v0 y el tercer térmi no de cada lado se elimina; los términos de en medio desaparecen para una tubería horizontal (h = h ) , y, si no hay cambio en la presión (P ¡ = P 2), los primeros términos no aparecen y el resultado es el teorema de Torricelli (ecuación 15.17). Consulte las ecuaciones que aparecen en el resumen. 6. Sustituya las cantidades proporcionadas como datos y despeje la que no se conoce. Ejemplo 15.11 ' Por un tubo venturi como el de la figura 15.20 fluye agua a una velocidad de v = 4 m /s. Si h = 8 cm, ¿cuál será la velocidad de salida v2 cuando fluye hacia el tubo más grande? Pía n: Primero calcularemos la diferencia de presión entre las regiones más estrecha y más amplia con base en la diferencia de alturas h del líquido. Luego, aplicaremos la ecuación de Bernoulli para el flujo de fluido horizontal con el fin de hallar otra expresión para la diferencia en la presión. Al usar las otras ecuaciones, podemos eliminar la necesidad de conocer la presión y resolver para la velocidad de salida. Solución: La diferencia de presión, a partir de la ecuación (15.13), es P i ~ P = Pgh Usando la ecuación de Bernoulli donde el centro del flujo de fluido no cambia, tenemos 1 , 1 , P2 ~ P = ~PVÍ ~ 2 ^ V 2 Al combinar estas dos ecuaciones, obtenemos 1 , 1 , pgh = ~ p v l - -pv-2 Multiplicando por 2 y dividiendo entre la densidad p, se puede simplificar ésta expresión: 2gh = vj - v? Note que esta relación es similar a la de la caída libre de un cuerpo. Ahora se puede resol ver ésta ecuación para la velocidad de salida v . v = V ] — 2gh o v, = V v 2 — 2gh v, = V (4 m /s)2 - 2(9.8 m /s2)(0.08 m) = V 14.4 m2/s2 v2 = 3.80 m /s La velocidad es menor en la tubería que tiene una sección transversal más grande. En el ejemplo anterior, la densidad p del fluido no participó en nuestros cálculos debido a que la densidad del fluido en el angostamiento fue la misma que en la sección transversal más grande. En éste tipo de aplicaciones se debe recordar que la densidad p en la ecuación de Bernoulli es la densidad de m asa y no el peso específico.
- 343. Resumen Hemos presentado aquí los conceptos de fluidos en reposo y en movimiento. Se definieron y aplicaron la densidad, los empujes y otras cantidades a muchos ejemplos físicos. Se es tableció la relación entre el gasto de fluidos y la velocidad de los mismos, así como las áreas de sección transversal de los tubos, y se presentó la ecuación de Bernoulli para abordar una descripción más completa de la dinámica de fluidos. Los conceptos esenciales se resumen a continuación: • Una propiedad física importante de la materia es la densi dad. El peso específico D y la densidad p se definen en la siguiente forma: Peso específico = Densidad = peso volumen D = V N/nr o bien lb/ft P m V volumen kg/m3o bien slug/ft3 Dado que W = mg, la relación entre D y p es: D = pg Peso específico = densidad X gravedad Puntos importantes que conviene recordar acerca de la presión de fluidos: a. Las fuerzas ejercidas por un fluido sobre las paredes de su recipiente que lo contiene siempre son perpendi culares a dichas paredes. b. La presión de un fluido es directamente proporcional a la profundidad del fluido y a su densidad. F P = A P = Dh P = pgh c. A cualquier profundidad particular, la presión del flui do es la misma en todas las direcciones. d. La presión de un fluido es independiente de la forma o el área del recipiente que lo contiene. La ley de Pascal establece que una presión externa apli cada a un fluido confinado se transmite uniformemente a través del volumen del líquido. Cuando mida presiones de fluidos, asegúrese de distin guir entre la presión absoluta y la presión manométrica: Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica Presión atmosférica = 1 atm = 1.013 X 105N/m2 = 1.013 X 105Pa = 14.7 lb/in2 = 76 cm de mercurio Al aplicar la ley de Pascal a la prensa hidráulica se obtie ne la siguiente expresión para la ventaja mecánica ideal: F0 M, = — = — F: S„ Ventaja mecánica ideal de la prensa hidráulica Principio de Arquímedes: Un objeto que está sumergido total o parcialmente en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso delfluido desalojado. Fb = mg Fb = Vpg Empuje El gasto se define como el volumen de fluido que pasa a través de cierta sección transversal A por unidad de tiem po t. En función de la velocidad del fluido v, escribimos R — = vA t Gasto = velocidad X área de la sección transversal Para un fluido incompresible que fluye a través de tubos cu yas secciones transversales varían, el gasto es constante: v,Aj = v2A 2 dV —dñV2 donde v es la velocidad del fluido, A es el área de la sec ción transversal del tubo y d es el diámetro del tubo. El trabajo neto realizado sobre un fluido es igual a los cambios de la energía cinética y potencial de dicho fluido. La ecuación de Bernoulli expresa este hecho en términos de la presión P, la densidad p, la altura del fluido h y su velocidad v. 1 , P + pgh -— p v = constante Ecuación de Bernoulli Si un volumen de fluido cambia de un estado 1 a un esta do 2, como muestra la figura 15.17, podemos escribir:
- 344. Conceptos clave atmósfera 308 densidad 302 ecuación de Bernoulli 319 efecto venturi 317 empuje (fuerza de flotación) 312 flujo o comente laminar 315 flujo turbulento 315 fuerza total 307 gasto 316 gravedad específica 304 ley de Pascal 308 manómetro 308 peso específico 302 presión 304 presión absoluta 308 presión atmosférica 308 presión manométrica 308 principio de Arquímedes 311 teorema de Torricelli 320 Preguntas de repaso 15.1. Elabore una lista de las unidades que corresponden al peso específico y las unidades similares para la densidad. 15.2. ¿Qué es numéricamente mayor: al peso específico de un objeto o su densidad? 15.3. En la tabla 15.1 se indica que la densidad del agua es 62.4 lb/ft3. Al realizar un experimento con agua en la superficie de la Luna, ¿tendría usted confian za en este valor? Explique por qué. 15.4. ¿Qué pesa más, 870 kilogramos de latón o 3.5 pies cúbicos de cobre? 15.5. ¿Por qué las represas son mucho más anchas en la parte inferior que en la parte alta? ¿Acaso la presión que se ejerce sobre la represa depende de la longitud del embalse perpendicular a la represa? 15.6. Un trozo de hielo grande flota en una cubeta de agua, de modo que el nivel de ésta queda hasta el borde de la cubeta. ¿Se derramará el agua cuando el hielo se derrita? Explique su respuesta. 15.7. Una tina llena de agua está colocada sobre una ba lanza que indica 40 Ib de peso total. ¿Se incremen tará el peso total cuando un pez de 5 Ib flote sobre la superficie del agua? Comente. 15.8. Suponga que un bloque de hierro, sostenido por una cuerda, se sumerge totalmente en la tina de la pregun ta 15.7. ¿Cómo se afectará la lectura en la balanza? 15.9. Un muchacho que está aprendiendo a nadar des cubre que puede flotar con más facilidad sobre la superficie cuando inhala aire. Observa también que 15.10. 15.11. puede acelerar su descenso al fondo de la piscina si exhala el aire durante el descenso. Explique sus observaciones. Un velero dejuguete lleno de monedas de un centavo flo ta en una pequeña tina de agua. Si las monedas se arrojan al agua, ¿qué pasa con el nivel del agua en la tina? ¿Es más difícil sostener un corcho cuando apenas flota bajo la superficie, que cuando se encuentra a una profundidad de 5 ft? Explique su respuesta. 15.12. ¿Es posible construir un barómetro usando agua en lugar de mercurio? ¿A qué altura llegará la columna de agua si la presión externa es de 1 atm? 15.13. Comente el funcionamiento de un submarino y el de un globo meteorológico. ¿Por qué se eleva el globo hasta una altura definida y allí se detiene? ¿Un sub marino se hundirá hasta una profundidad determi nada y allí se detendrá si no se realizan cambios en él después de sumergirlo? 15.14. ¿Qué suposiciones y generalizaciones se hacen en relación con el estudio de la dinámica de fluidos? 15.15. ¿Por qué disminuye el flujo de agua de una llave cuando alguien abre otra llave en el mismo edificio? 15.16. Dos botes de remos que avanzan paralelamente en tre sí, en la misma dirección, se atraen mutuamente. Explique la causa. 15.17. Explique qué pasaría en un jet moderno que volara a gran rapidez si un secuestrador disparara una bala a través de la ventana o si abriera por la fuerza una escotilla de escape. 324 Capítulo 15 Resumen y repaso
- 345. 15.18. Durante los ventarrones de alta velocidad o los hura canes, los techos de las casas se desprenden en algunas ocasiones; sin embargo, éstas no sufren ningún otro daño. Explique la causa por medio de diagramas. 15.19. Un niño pequeño golpea con un globo sobre el duc- to de calefacción de su casa y se soiprende al ver que el globo se mantiene suspendido arriba del con ducto, balanceándose de un lado a otro. Explique la causa. 15.20. ¿Qué condiciones determinarán la capacidad máxi ma de sustentación del ala de un avión aerodinámi co? Justifique su respuesta con dibujos. Problemas Sección 15.1 Densidad 15.1. ¿Qué volumen ocupan 0.4 kg de alcohol? ¿Cuál es el peso de este volumen? Resp. 5.06 X 10-4 m3, 3.92 N 15.2. Una sustancia desconocida tiene un volumen de 20 ft3y pesa 3 370 Ib. ¿Cuáles son el peso específico y la densidad? 15.3. ¿Qué volumen de agua tiene la misma masa que 100 cm3de plomo? ¿Cuál es el peso específico del plomo? Resp. 1130 cm 3, 1.11 X 105 N /m 3 *15.4. Un matraz de 200 mL (1 L = 1 000 cm3) está lleno de un líquido desconocido. Una balanza electrónica indica que el líquido en cuestión tiene una masa de 176 g. ¿Cuál es la gravedad específica del líquido? ¿Puede usted adivinar qué es ese líquido? Sección 15.3 Presión de fluidos 15.5. Halle la presión en kilopascales producida por una columna de mercurio de 60 cm de alto. ¿Cuál es esa presión en lb/in2y en atmósferas? Resp. 80.0 kPa, 11.6 Ib /in 2, 0.79 atm 15.6. Un tubo contiene agua bajo una presión manomé- trica de 400 kPa. Si se cubre un orificio de 4 mm de diámetro en el tubo, con un trozo de cinta adhesiva, ¿qué fuerza tendrá que ser capaz de resistir la cinta? *15.7. Un submarino se sumerge a una profundidad de 120 ft y se nivela. El interior del submarino se mantiene a la presión atmosférica. ¿Cuáles son la presión y la fuerza total aplicadas a una escotilla de 2 ft de ancho y 3 ft de largo? El peso específico del agua del mar es de 64 lb/ft3aproximadamente. Resp. 53.3 Ib /in 2, 46 080 Ib 15.8. Si usted construye un barómetro usando agua en lu gar de mercurio, ¿qué altura del agua indicará una presión de una atmósfera? 15.9. Un pistón de 20 kg descansa sobre una muestra de gas en un cilindro de 8 cm de diámetro. ¿Cuál es la 15.21. Explique por medio de diagramas cómo logra un lanzador de béisbol arrojar una bola rápida ascen dente, una curva hacia fuera y una rápida descen dente. ¿Cree que él preferiría lanzar en favor o en contra del viento para producir los tres efectos des critos con anterioridad? 15.22. Dos recipientes idénticos están colocados sobre el piso uno junto a otro. Uno está lleno de mercurio y el otro está lleno de agua. Se hace un orificio en cada recipiente, a la misma profundidad por debajo de la superficie. Compare el alcance de los dos flui dos al salir. presión manométrica sobre el gas? ¿Cuál es la pre sión absoluta? Resp. 39.0 kPa, 140.3 kPa *15.10. Un tubo abierto en forma de U como el que mues tra la figura 15.21 tiene 1 cm2de sección transversal. ¿Qué volumen de agua deberá verterse en el tubo de la derecha para que el mercurio del tubo de la izquier da se eleve 1 cm por encima de su posición original? 15.11. La presión manométrica en un neumático de auto móvil es de 28 lb/in2. Si la rueda soporta 1000 Ib, ¿cuál es el área del neumático que está en contacto con el suelo? Resp. 35.7 ¡n2 *15.12. Dos líquidos que no reaccionen químicamente se encuentran en un tubo doblado como el que aparece en la figura 15.21. Demuestre que las alturas de los líquidos por encima de su superficie de separación son inversamente proporcionales a sus densidades: h = £ l h2 Pi *15.13. Suponga que los dos líquidos contenidos en el tubo en forma de U de la figura 15.21 son agua y aceite. Calcule la densidad del aceite si el agua se mantiene 19 cm por encima de la interfaz y el aceite perma Capítulo 15 Resumen y repaso 325
- 346. nece a 24 cm por encima de la interfaz. Use como referencia el problema 15.12. Resp. 792 kg/m 3 *15.14. Un manómetro de presión de agua indica una presión de 50 lb/in2al pie de un edificio. ¿Cuál es la máxima altura a la cual subirá el agua en el edificio? Sección 15.5 La prensa hidráulica 15.15. Las áreas de los pistones grande y pequeño de una prensa hidráulica son 0.5 y 25 in2 respectivamen te. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de la prensa? ¿Qué fuerza se tendrá que ejercer para levantar una carga de 1 tonelada (2000 Ib)? ¿A través de qué dis tancia deberá actuar la fuerza de entrada para levan tar esta carga hasta una distancia de 1 in? Resp. 50, 40 Ib, 50 ¡n 15.16. Una fuerza de 400 N se aplica al pistón pequeño de una prensa hidráulica cuyo diámetro es 4 cm. ¿Cuál deberá ser el diámetro del pistón grande para que pueda levantar una carga de 200 kg? 15.17. El tubo de entrada que suministra presión de aire para operar un gato hidráulico tiene 2 cm de diámetro. El pistón de salida es de 32 cm de diámetro. ¿Qué presión de aire (presión manométrica) se tendrá que usar para levantar un automóvil de 1800 kg? Resp. 219 kPa 15.18. El área de un pistón en una bomba de fuerza es de 10 in2. ¿Qué fuerza se requiere para elevar el agua con el pistón hasta una altura de 100 ft? Sección 15.6 Principio de Arquímedes 15.19. Un cubo de 100 g que mide 2 cm por lado se ata al extremo de una cuerda y se sumerge totalmente en agua. ¿Cuál es el empuje y cuál es la tensión en la cuerda? Resp. 0.0784 N, 0.902 N *15.20. Un objeto sólido pesa 8 N en el aire. Cuando este objeto se cuelga de una balanza de resorte y se su merge en agua, su peso aparente es de sólo 6.5 N. ¿Cuál es la densidad del objeto? *15.21. Un cubo de madera cuyas aristas miden 5.0 cm cada una, flota en agua con tres cuartas partes de su volu men sumergidas, (a) ¿Cuál es el peso del cubo? (b) ¿Cuál es la masa del cubo? (c) ¿Cuál es la gravedad específica del cubo? Resp. (a) 0.919 N, (b) 93.8 g, c) 0.75 *15.22. Un trozo de metal de 20 g tiene una densidad de 4000 kg/m 3. Está atada a un hilo delgado y se sumerge en un recipiente de aceite (1500 kg/m 3) hasta que se su merge por completo. ¿Cuál es la tensión en el hilo? *15.23. Se ha observado que la masa de un fragmento de cierta roca es de 9.17 g en el aire. Cuando el trozo se sumerge en un fluido de 873 kg/m 3de densidad, su masa aparente es de sólo 7.26 g. ¿Cuál es la den sidad de esa roca? Resp. 4191 kg /m 3 *15.24. Un globo de 40 m de diámetro está lleno de helio. La masa del globo, y la canastilla que lleva adjunta, es de 18 kg. ¿Qué masa adicional puede levantar consigo este globo? Sección 15.7 Flujo de fluidos 15.25. A través de una manguera de 1 in de diámetro fluye gasolina con una velocidad media de 5 ft/s. ¿Cuál es el gasto en galones por minuto (1 ft3= 7.48 gal)? ¿Cuán to tiempo tardaría en llenar un tanque de 20 gal? Resp. 12.2 gal/m in, 1.63 min 15.26. A partir de un depósito terminal de 3 cm de diá metro, fluye agua con una velocidad promedio de 2 m/s. ¿Cuál es el gasto en litros por minuto (1 L = 0.001 m3)? ¿Cuánto tardará en llenarse un recipien te de 40 L? 15.27. ¿Cuál tendrá que ser el diámetro de una manguera para que pueda conducir 8 L de petróleo en 1min con una velocidad de salida de 3 m /s? Resp. 7.52 mm *15.28. El agua que fluye de un tubo de 2 in sale horizontal mente a razón de 8 gal/min. ¿Cuál es la velocidad de salida? ¿Cuál es el alcance horizontal del chorro de agua si el tubo está a 4 ft del suelo? 15.29. El agua que fluye a 6 m /s por un tubo de 6 cm pasa a otro tubo de 3 cm conectado al primero. ¿Cuál es su velocidad en el tubo pequeño? ¿Es mayor el gasto en el tubo más pequeño? Resp. 24 m /s, no Sección 15.10 Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli 15.30. Considere la situación descrita en el problema 15.29. Si los centros de ambos tubos están sobre la misma recta horizontal, ¿cuál es la diferencia de presión entre los dos tubos conectados? 15.31. ¿Cuál es la velocidad de salida del agua a través de una grieta del recipiente localizada 6 m por debajo de la superficie del agua? Si el área de la grieta es 1.3 cm2, ¿con qué gasto sale el agua del recipiente? Resp. 10.8 m /s, 1.41 X 10~3 m3/s 15.32. En el costado de un depósito de agua hay un orifi cio de 2 cm de diámetro, localizado 5 m por debajo del nivel del agua que contiene el depósito. ¿Cuál es la velocidad de salida del agua por el orificio? ¿Qué volumen de agua escapará por ese orificio en 1 min? *15.33. A través de un tubo horizontal fluye agua a razón de 82 f t3 /min. Un manómetro de presión, colocado en una sección transversal de 6 in de diámetro de este tubo, presenta la lectura 16 lb/in2. ¿Cuál es la presión manométrica en una sección del tubo donde el diámetro es de 3 in? Resp. 11.1 lb /in 2 *15.34. El agua fluye a razón de 6 gal/min a través de una abertura que se localiza en el fondo de un depósito cilindrico. El agua del depósito tiene 16 ft de pro 326 Capítulo 15 Resumen y repaso
- 347. fundidad. ¿Cuál sería el gasto de salida si se aplica ra una presión adicional de 9 lb/in2 a la fuente de suministro del agua? *15.35. El agua circula a través de un tubo a 4 m /s bajo una presión absoluta de 200 kPa. El tubo se estre cha después hasta la mitad de su diámetro original. ¿Cuál es la presión absoluta en la parte angosta del tubo? Resp. 80.0 kPa *15.36. El agua fluye continuamente por un tubo horizontal. En un punto donde la presión absoluta es de 300 kPa, la velocidad es de 2 m/s. Más adelante, el tubo se estrecha bruscamente, haciendo que la presión absoluta descienda a 100 kPa. ¿Cuál será la veloci dad del agua en esta zona angosta? Problemas adicionales *15.37. A una persona se le administra sangre con una den sidad de 1050 kg/m 3, desde un recipiente colocado a una distancia de 60 cm por encima de su brazo. ¿Cuánto más alta es la presión en esta posición que si el recipiente se mantuviera al mismo nivel del brazo? Resp. 6.17 kPa *15.38. Un depósito cilindrico de 50 ft de altura y 20 ft de diámetro está lleno de agua, (a) ¿Cuál es la presión del agua en el fondo del depósito? (b) ¿Cuál es la fuerza total en el fondo? (c) ¿Cuál es la presión en un tubo para agua colocado 90 ft por debajo del ni vel del agua del depósito? *15.39. Un bloque de madera pesa 16 Ib en el aire. Un lastre de plomo, que tiene un peso aparente de 28 Ib en el agua, se ata a la madera y ambos se sumergen en agua. Si su peso aparente combinado en el agua es de 18 Ib, calcule la densidad del bloque de madera. Resp. 38.4 lb/ft3 *15.40. Un bloque de madera de 100 g tiene un volumen de 120 cm3. ¿Podrá flotar en el agua? ¿Y en gasolina? *15.41. Un tubo de ensayo vertical contiene 3 cm de aceite (0.8 g/cm 3) que flotan sobre 9 cm de agua. ¿Cuál es la presión en el fondo del tubo? Resp. 1.12 kPa 15.42. ¿Qué porcentaje de un iceberg suele permanecer por debajo de la superficie del agua del mar (1 030 kg/m 3)? *15.43. ¿Cuál es el área más pequeña de una capa de hie lo de 30 cm de espesor que es capaz de sostener a un hombre de 90 kg? El hielo está flotando en agua dulce. Resp. 3.75 m2 15.44. Una balanza de resorte marca un peso de 40 N cuando un objeto se cuelga de ella en el aire. Cuando el mis mo objeto se sumerge en agua, el peso registrado se reduce a sólo 30 N. ¿Cuál es la densidad del objeto? 15.45. Una taza de metal con paredes delgadas tiene una masa de 100 g y un volumen total de 250 cm3. ¿Cuál es el número máximo de monedas de un centavo que se puede colocar dentro de la taza sin que ésta se hunda en agua? La masa de cada moneda es de 3.11 g. Resp. 48 15.46. ¿Cuál es la presión absoluta en el fondo de un lago de 30 m de profundidad? 15.47. Un fluido se extrae a presión de un tubo de 6 mm de diámetro, de manera que 200 mL brotan de él en 32 s. ¿Cuál es la velocidad promedio del fluido dentro del tubo? Resp. 0.221 m /s *15.48. Una bomba cuya potencia de salida es de 2 kW ex trae agua de un sótano hasta la calle situada 6 m más arriba. ¿Cuánto es mayor la presión en esta posición de lo que sería si el brazo estuviera al mismo nivel? ¿A razón de cuántos litros por segundo se vaciará el sótano? 15.49. Un tubo horizontal de 120 mm de diámetro tiene un angostamiento de 40 mm de diámetro. La velocidad del agua en el tubo es de 60 cm /s y la presión es de 150 kPa. (a) ¿Cuál es la velocidad en la zona más angosta? (b) ¿Cuál es la presión en dicha zona? Resp. (a) 540 cm /s, (b) 135.6 kPa *15.50. La columna de agua dentro del recipiente que ilustra la figura 15.20 se sostiene a una altura H por encima de la base del recipiente. Demuestre que la profun didad h necesaria para lograr un alcance horizontal de x está dado por V h2 - x 2 , 2 2 ¿En qué forma muestra esta ecuación que los ori ficios equidistantes arriba y abajo del punto medio tendrán el mismo alcance horizontal? *15.51. Una columna de agua se eleva 16 ft por encima de la base de su recipiente. ¿Cuáles son las dos profundida des a las cuales el agua saldrá por un orificio con un alcance horizontal de 8 ft? Resp. 1.07 ft, 14.9 ft *15.52. Tome como referencia la figura 15.20 y el proble ma 15.50. Demuestre que el alcance horizontal está dado por x = 2 V/z(ff —h) Use esta relación para mostrar que el alcance máxi mo es igual a la altura H de la columna de agua. *15.53. El agua fluye por un tubo horizontal con una rapi dez de 60 gal/min (1 ft3 = 7.48 gal). ¿Cuál es la Capítulo 15 Resumen y repaso 327
- 348. velocidad en una sección estrecha del tubo, donde el diámetro de éste se reduce de 6 a 1 in? Resp. 24.5 ft/s 15.54. ¿Cuál tendrá que ser la presión manométrica en una manguera contra incendios si la boquilla expulsa el agua hasta una altura de 20 m? *15.55. El agua fluye a través del tubo que muestra la figura 15.22 a razón de 30 libras por segundo. La presión absoluta en el punto A es de 200 kPa y el punto B está 8 m más arriba que el punto A. La sección inferior del tubo tiene un diámetro de 16 cm y la sección superior se estrecha hasta un diámetro de 10 cm. (a) Calcule las velocidades de la corriente en los puntos A y B. (b) ¿Cuál es la presión absoluta en el punto B1 Resp. (a) 1.49 m /s, 3.82 m /s; (b) 115 kPa v 2 Problemas para Sa reflexión crítica 15.56. Una sala tiene las siguientes dimensiones: el piso 4.50 m X 3.20 m, y su altura es de 2.40 m. La den sidad del aire es de 1.29 kg/m 3. ¿Cuánto pesa el aire contenido en el salón? ¿Qué fuerza ejerce la atmós fera sobre el piso del salón? Resp. 437 N, 1.46 x 106 N 15.57. Una lata de estaño para café que está flotando en agua (1.00 g/cm3 ) tiene un volumen interno de 180 cm3y una masa de 112 g. ¿Cuántos gramos de metal se pue den agregar a la lata sin que ésta se hunda en el agua? *15.58. Un bloque de madera flota en agua con dos tercios de su volumen sumergidos. El mismo bloque flota en aceite con nueve décimos de su volumen sumer gidos. ¿Cuál es la razón de la densidad del aceite a la densidad del agua (la gravedad específica)? Resp. 0.741 *15.59. El ala de un avión mide 25 ft de largo y 5 ft de ancho y experimenta una fuerza de sustentación de 800 Ib. ¿Cuál es la diferencia entre las presiones en la su perficie superior e inferior del ala? *15.60. Suponga que el aire (p = 1.29 kg/m 3) fluye hacia atrás por la superficie superior del ala de un avión a 36 m /s. El aire en movimiento que pasa por la superficie inferior del ala tiene una velocidad de 27 m /s. Si el ala tiene un peso de 2700 N y un área de 3.5 m2, ¿cuál es la fuerza de empuje sobre el ala? Resp. 1280 N *15.61. El agua de mar tiene un peso específico de 64 lb/ft3. Dicha agua se bombea a través de un sistema de tu bos (véase la figura 15.23) a razón de 4 ft3/min. Los diámetros de los tubos en los extremos superior e inferior son de 4 in y 2 in, respectivamente. El agua se descarga en la atmósfera en el extremo superior a una distancia de 6 in por arriba de la sección in ferior. ¿Cuáles son las velocidades de flujo en los tubos superior e inferior? ¿Cuáles son las presiones en las secciones superior e inferior? 328 Capítulo 15 Resumen y repaso
- 349. Temperatura y dilatación La temperatura es la medida de la energía cinética media por molécula. Un termómetro infrarrojo capta la energía infrarroja invisible que emiten naturalmente todos los objetos. La radiación infrarroja que proviene del canal de aire del oído pasa por el sistema óptico del termómetro y es convertida en una señal eléctrica proporcional a la energía radiada por esa área. Al calibrar esa señal con temperaturas conocidas puede mostrarse en una pantalla una cantidad digital. (Fotografía de Blake Tippens.) Objetivos C uando term ine de estudiar este capítulo el alum no: 1. Dem ostrará que ha com prendido las escalas de tem peratura Celsius, Fahren- heit, Kelvin y Rankine, convirtiendo tem peraturas específicas de una escala a sus tem peraturas correspondientes en otra. 2. D istinguirá entre tem peraturas específicas e intervalos de tem peratura, y p o drá convertir un intervalo en una escala en su equivalente en otra. 3. Escribirá las fórm ulas para la dilatación lineal, la dilatación de área y la dilata ción de volum en, y será capaz de aplicarlas para la resolución de problem as de tip o sim ilar a los que se ofrecen en este capítulo. Hemos estudiado el comportamiento de sistemas en reposo y en movimiento. Se expusieron las cantidades fundamentales de masa, longitud y tiempo para describir el estado de un siste ma mecánico determinado. Considere, por ejemplo, un bloque de 10 kg que se mueve con una velocidad constante de 20 m/s. Los parámetros masa, longitud y tiempo están presentes y son suficientes para describir el movimiento. Podemos hablar del peso del bloque, de su energía cinética o de su momento o cantidad de movimiento, pero una descripción completa de un sistema requiere algo más que una simple enunciación de esas cantidades. 329
- 350. 330 Capítulo 16 Temperatura y dilatación Esto se toma patente cuando nuestro bloque de 10 kg encuentra fuerzas de fricción. Mientras el bloque se desliza hasta frenarse, su energía parece desaparecer, pero el bloque y la superficie que lo soporta están ligeramente más calientes. Si la energía se conserva, debe mos suponer que la que se ha perdido reaparece en alguna forma que no hemos considerado aún. Cuando la energía desaparece a partir del movimiento visible de los objetos y no vuelve a presentarse en forma de energía potencial visible, con frecuencia notamos que la temperatura se eleva. En este capítulo expondremos el concepto de temperatura como la cuarta cantidad fundamental. Los dispositivos electró nicos de su computa dora generan grandes cantidades de energía térmica. Esa energía térmica — calor— puede dañar las partes electró nicas. Los disipadores de calor son piezas de metal con aletas que pueden ayudar a ex traer la energía térmica residual antes que ésta dañe las partes electró nicas. Sin embargo, los disipadores térmicos están hechos de metal, el cual — por supuesto— conduce tanto la electri cidad como la energía térmica. Generalmente, las aletas disipadoras térmicas no están uni das directamente a las partes electrónicas que producen calor, porque estas partes son muy sensibles a las corrientes y a las descargas eléc tricas. Ahora empiezan a estar disponibles nue vos productos que son eléctricamente aislantes, pero que conducen muy bien el calor. Uno de esos productos se conoce como Gap Pad y se usa para rellenar las ranuras de aire entre las tarjetas de circuitos de las computadoras per sonales (PC) y los disipa dores térmicos o la caja metálica. El Gap Pad está fabricado a base de un polímero de silicio impregnado internamen te con alúmina y es lo bastante flexible para Continúa Temperatura y energía térmica Hasta ahora nos han interesado únicamente las causas y los efectos del movimiento externo. Un bloque en reposo sobre una mesa se encuentra en equilibrio traslacional y rotacional res pecto a sus alrededores. Un estudio más a fondo del bloque revela, sin embargo, que tiene actividad interna. En la figura 16.1 se muestra un modelo sencillo de un sólido. Las moléculas individuales se encuentran unidas por medio de fuerza elásticas análogas a los resortes de la figura. Estas moléculas oscilan respecto a sus posiciones de equilibrio, con una frecuen cia específica y una amplitud A. Por ende, tanto la energía potencial como la cinética están asociadas con el movimiento molecular. Puesto que esta energía interna se relaciona con lo caliente o lo frío que está un cuerpo recibe el nombre de energía térmica. La energía térmica representa la energía interna total de un objeto: la suma de sus energías moleculares potencial y cinética. Cuando dos objetos con diferentes temperaturas se ponen en contacto, se transfiere ener gía de uno a otro. Suponga que se dejan caer carbones calientes en un recipiente con agua, como se indica en la figura 16.2. La energía térmica se transferirá de los carbones al agua has- Cmuuu-O MOmvOuuOv (ymmo Figura 16.1 Modelo simplificado de un sólido en el que las moléculas se mantienen unidas entre sí mediante fuerzas elásticas. Carbones calientes Contenedor aislado Figura 16.2 Equilibrio térmico.
- 351. 16.2 La medición de la temperatura 331 Continuación ser instalado en el fondo de superficies irregula res, razón por la cual es tan prometedor para el enfriamiento de tarjetas de circuitos de computa dora. Otro producto, el Thermal Ciad Bond Ply, es una capa dieléctrica laminada directamente en la tarjeta madre de la PC para lograr una me jor disipación térmica. ta que el sistema alcance una condición estable llamada equilibrio térmico. Si los tocamos, tanto el carbón como el agua nos producen sensaciones similares y ya no hay más transferen cia de energía térmica. Tales cambios en los estados de energía térmica no pueden explicarse satisfactoriamente en simples términos de la mecánica clásica. Por tanto, todos los objetos deben tener una nue va propiedad fundamental que determina si estarán en equilibrio térmico con otros objetos. Esa propiedad se llama temperatura. En nuestro ejemplo, se dice que los carbones y el agua tienen la misma temperatura cuando la transferencia de energía entre ellos es igual a cero. Se dice que dos objetos se encuentran en equilibrio térmico si y sólo si tienen la misma temperatura. Una vez que se establece un medio para medir la temperatura, tenemos una condición necesaria y suficiente para el equilibrio térmico. La transferencia de energía térmica que se debe tan sólo a una diferencia de temperatura se define como calor. El calor se define como la transferencia de energía térmica debida a una dife rencia de temperatura. Antes de estudiar cómo se mide la temperatura debemos distinguir claramente tempe ratura de energía térmica. Es posible que dos objetos se hallen en equilibrio térmico (igual temperatura) y que tengan diferente energía térmica. Considere una jarra de agua y una pe queña taza de agua, cada una a 90°C de temperatura. Si se mezclan, no habrá transferencia de energía, pero la energía térmica es mucho mayor en la jarra debido a que contiene mucho mayor número de moléculas. Recuerde que la energía térmica representa la suma de las ener gías potencial y cinética de todas las moléculas. Si vaciamos el agua de cada recipiente sobre dos bloques de hielo por separado, como se muestra en la figura 16.3, se fundirá más hielo donde se vació el volumen más grande, lo que indica que tenía más energía térmica. 90°C 90°C Misma temperatura inicial El volumen más grande tiene mayor energía térmica Agua Figura 16.3 Distinción entre energía térmica y temperatura. 16.2 La medición de Sa temperatura En general, la temperatura se determina midiendo cierta cantidad mecánica, óptica o eléc trica que varía con la temperatura. Por ejemplo, la mayor parte de las sustancias se dilatan cuando aumenta su temperatura. Si hay un cambio en cualquier dimensión que demuestre tener correspondencia unívoca con los cambios de temperatura, la variación puede emplearse como calibración para medir la temperatura. Un dispositivo calibrado de esta forma se llama termómetro. La temperatura de otro objeto puede entonces medirse colocando el termómetro
- 352. 332 Capítulo 16 Temperatura y dilatación en estrecho contacto con el objeto y permitiendo que los dos alcancen el equilibrio térmico. La temperatura indicada por un número en el termómetro graduado corresponde también a la temperatura de los objetos circundantes. Un termómetro es un dispositivo que, mediante una escala graduada, indica su propia temperatura. Son necesarios dos requisitos para construir un termómetro. El primero es que debe haber una certeza de que alguna propiedad termométrica X varía con la temperatura t. Si la varia ción es lineal, podemos escribir t = kX donde k es la constante de proporcionalidad. La propiedad termométrica debe ser tal que se pueda medir fácilmente, por ejemplo, la dilatación de un líquido, la presión de un gas o la resistencia de un circuito eléctrico. Otras cantidades que varían con la temperatura son la energía de radiación, el color de la luz emitida, la presión de vapor y la susceptibilidad mag nética. Se han construido termómetros para cada una de estas propiedades termométricas. La selección depende de los límites de temperatura en las que el termómetro es lineal y además de la mecánica de su uso. El segundo requisito para construir un termómetro es establecer una escala de temperaturas. Las primeras escalas de temperatura se basaron en la selección de puntosfijos superiores e infe riores correspondientes a temperaturas adecuadas para medidas de laboratorio. Dos temperatu ras convenientes y fácilmente reproducibles se eligen como el punto fijo inferior y superior. Ei punto fijo inferior (punto de congelación) es la temperatura a la cual el agua y el hielo coexisten en equilibrio térmico bajo una presión de 1 atm. El punto fijo superior (punto de ebullición) es la temperatura a la cual el agua y el vapor coexisten en equilibrio bajo una presión de 1 atm. Una forma de medir la temperatura, que se usa muy a menudo en el trabajo científico, se originó a partir de una escala desarrollada por el astrónomo sueco Anders Celsius (1701- 1744). En la escala Celsius se asignó de forma arbitraria el número 0 al punto de congelación y el número 100 al de ebullición. Así, a la presión atmosférica, hay 100 divisiones entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Cada división o unidad de la escala recibe el nombre de grado (°); por ejemplo, con frecuencia se considera que la temperatura ambiente es de 20°C, lo cual se lee como veinte grados Celsius. Otra escala para medir la temperatura fue creada en 1714 por Gabriel Daniel Fahrenheit. El desarrollo de esta escala se basó en la elección de otros puntos fijos: Fahrenheit escogió la temperatura de congelación de una solución de agua salada como su punto fijo inferior y le asignó el número y unidad de 0°F. Para el punto fijo superior eligió la temperatura del cuerpo humano. Por alguna razón inexplicable, él designó el número y la unidad 96°F para la temperatura del cuerpo. El hecho de que la temperatura del cuerpo humano sea en realidad de 98.6°F indica que se cometió un error experimental al establecer la escala. Si relacionamos la escala Fahrenheit con los puntos fijos que fueron aceptados universalmente para la escala Celsius, observamos que 0 y 100°C corresponden a 32 y 212°F respectivamente. Es posible comparar las dos escalas calibrando termómetros comunes de mercurio conte nido en vidrio. En este tipo de termómetro se aprovecha el hecho de que el mercurio líquido se dilata al aumentar la temperatura. El instrumento consta de un tubo capilar de vidrio al vacío, con un depósito de mercurio en su base y cerrado en su extremo superior. Puesto que el mercurio se dilata más que el tubo de vidrio, la columna de mercurio se eleva en el tubo hasta que el mercurio, el vidrio y sus alrededores están en equilibrio. Suponga que fabricamos dos termómetros sin graduar y los colocamos en una mezcla de hielo y agua, como se indica en la figura 16.4. Después de permitir que las columnas de mercurio se estabilicen, marcamos 0°C en uno de los termómetros y 32°F en el otro. A con tinuación, colocamos los dos termómetros directamente sobre agua hirviendo, permitiendo que las columnas de mercurio se estabilicen en el punto de vapor. Nuevamente marcamos los
- 353. 16.2 La medición de la temperatura 333 Figura 16.4 Calibración de dos termómetros, uno Celsius y otro Fahrenheit. dos termómetros, inscribiendo 100°C y 212°F junto al nivel del mercurio por arriba de las marcas correspondientes al punto de congelación. El nivel del mercurio es igual en ambos termómetros. Por tanto, la única diferencia entre los dos termómetros es la forma en que es tán graduados. Hay 100 divisiones, o grados Celsius (°C), entre el punto de congelación y el punto de vapor en el termómetro Celsius, y hay 180 divisiones, o grados Fahrenheit (°F), en el termómetro Fahrenheit. Por consiguiente, 100 grados Celsius representan el mismo intervalo de temperatura que 180 grados Fahrenheit. Simbólicamente, 100°C = 180°F o 5°C = 9°F (16.1) El símbolo de grado (°) se coloca después de la C o la F para hacer énfasis en que los núme ros corresponden a intervalos de temperatura y no a temperaturas específicas. En otras palabras, 20°F se lee “veinte grados Fahrenheit” y corresponde a una diferencia entre dos temperaturas en la escala Fahrenheit. El símbolo 20°F, por otra parte, se refiere a una marca específica del ter mómetro Fahrenheit. Suponga que una sartén con comida caliente se enfría de 98 a 76°F. Estos números corresponden a temperaturas específicas, como lo indica la altura de una columna de mercurio. Sin embargo, representan un intervalo de temperatura de Ai = 98°F - 76°F = 22°F At se usa para denotar un cambio en la temperatura. La física que se ocupa de la transferencia de energía térmica casi siempre se interesa en los cambios de temperatura. Por consiguiente, con frecuencia es necesario convertir un intervalo de temperatura de una escala en un intervalo correspondiente en otra escala, lo que se logra más eficazmente recordando, a partir de la ecuación (16.1), que un intervalo de 5°C equivale a un intervalo de 9°F. Los factores de conversión apropiados pueden escribirse como 5°C 9°F - — = 1 = ------ (16.2) 9°F 5°C Cuando se convierten °F en °C hay que usar el factor de la izquierda; y cuando se convierten °C en °F, hay que usar el de la derecha. Cabe recordar que la ecuación (16.2) se emplea para intervalos de temperatura, así que sólo puede usarse cuando se trabaja con diferencias en ella. Es, por tanto, una cuestión muy diferente hallar la temperatura en la escala Fahrenheit que corresponda a la misma tempera tura en la escala Celsius. A partir de razones y proporciones es posible llegar a una ecuación para convertir temperaturas específicas. Suponga que colocamos dos termómetros en un vaso
- 354. 334 Capítulo 16 Temperatura y dilatación °C °F Figura 16.5 Comparación de las escalas Fahrenheit y Celsius. de precipitado como se muestra en la figura 16.5. Uno de los termómetros está graduado en grados Fahrenheit y el otro en grados Celsius. Los símbolos t y t denotan la misma tem peratura (la del agua), pero están en escalas distintas. Con base en la figura es patente que la diferencia entre tcy 0°Ccorresponde al mismo intervalo que ladiferencia entre t y 32°F. La razón de la primeraa las100 divisiones debe ser la misma que la razón de lasegunda a las 180 divisiones; por consiguiente tc - 0 _ tF - 32 100 ~ 180 Al simplificar y resolver para t se obtiene tc = |( r F - 32) (16.3) o bien, al despejar tf, 9 tF = ~ tc + 32 (16.4) Las dos ecuaciones anteriores no son verdaderas igualdades, ya que resultan en un cam bio de unidades. En vez de decir que 20°C es igual a 68°F debemos decir que una tempera tura de 20°C corresponde a una de 68°F. a 70°F al mediodía. Exprese estos límites de temperatura en grados Celsius. Plan: Primero se reconoce que tales límites constituyen un intervalo de temperatura, no una temperatura específica. Luego se determinan esos límites en °F y luego se convierte en °C tras reconocer que un intervalo de 5°C es el mismo intervalo que 9°F. Solución: El intervalo de temperatura en °F es At = 70°F - 20°F = 50°F
- 355. 16.3 El termómetro de gas 335 Para convertir el intervalo a grados Celsius, elegimos el factor de conversión que permite cancelar las unidades Fahrenheit. O sea, / 5°C At = 50°F ----- ;At = 27.8°C 9°F / Ejemplo 16.2 El punto de fusión del plomo es de 330°C. ¿Cuál es la temperatura correspondiente en grados Fahrenheit? Plan: En este caso se tiene una temperatura específica en la escala Celsius, y debemos convertirla en la temperatura correspondiente en la escala Fahrenheit. Primero hallaremos la diferencia de intervalos y luego sumaremos 32°F para compensar la diferencia entre los puntos cero. Solución: Al sustituir los valores en la ecuación (16.4) se obtiene 9 9 tF = - t c + 32 = -(330) + 32 = 594 + 32 = 626°F Es importante reconocer que tFy tc en las ecuaciones (16.3) y (16.4) representan las tempera turas correspondientes. Los números son diferentes ya que el origen de cada escala era un punto diferente y los grados eran de diferente tamaño. Lo que estas ecuaciones nos dicen es la relación entre los números que están asignados a temperaturas específicas en dos escalas diferentes. El termómetro de gas Aunque el termómetro de mercurio en vidrio es el más conocido y usado, no es tan preciso como otros. Además, el mercurio se congela a aproximadamente —40°C, lo que restringe el intervalo en que puede ser usado. Un termómetro muy exacto con un extenso rango de medi ción se puede construir utilizando las propiedades de un gas. Todos los gases sujetos a calen tamiento se dilatan casi de la misma forma. Si la dilatación se evita manteniendo constante el volumen, la presión aumentará proporcionalmente con la temperatura. En general, hay dos tipos de termómetros de gas. Uno de ellos mantiene la presión cons tante y utiliza el incremento de volumen como indicador. Este tipo se denomina termómetro a presión constante. El otro tipo, llamado termómetro a volumen constante, mide el incre mento de presión en función de la temperatura. El termómetro a volumen constante se ilustra en la figura 16.6. El bulbo B contiene gas, y la presión que éste ejerce se mide por medio de un manómetro de mercurio. A medida que aumenta la temperatura del gas, éste se dilata, forzan do al mercurio a desplazarse hacia abajo en el extremo cerrado del tubo y a subir en el extre mo abierto. Para mantener constante el volumen de gas, el mercurio en el extremo abierto del tubo debe elevarse hasta que el nivel de mercurio en la parte cerrada del tubo coincida con la marca de referencia R. La diferencia entre los dos niveles de mercurio es entonces una indica ción de la presión del gas a volumen constante. El instrumento puede calibrarse para realizar mediciones de temperatura con puntos fijos, como ya se explicó en la sección anterior. El mismo aparato puede usarse como un termómetro a presión constante (véase figu ra 16.7). En este caso, se permite que el volumen del gas en el bulbo B aumenta a presión constante. La presión ejercida sobre el gas se mantiene constante a 1 atm, ya sea bajando o subiendo el mercurio del tubo abierto hasta que los niveles del metal coincidan en ambos tubos. El cambio de volumen a causa de la temperatura puede indicarse por medio del nivel
- 356. 336 Capítulo 16 Temperatura y dilatación r h R t¡ Figura 16.6 Termómetro a volumen constante. Bulbo Bulbo B Figura 16.7 Termómetro a presión constante. de mercurio en el tubo cerrado. La calibración consiste en marcar el nivel del mercurio en el punto de congelación y hacer otra marca de su nivel en el punto de vapor. Los termómetros de gas son útiles gracias a que sus límites prácticamente no existen. Por ello, aunado a su precisión, se usan de manera generalizada en laboratorios y en oficinas de normas. Sin embargo, son grandes y estorbosos, lo que los hace inadecuados para gran número de mediciones técnicas delicadas. Tal vez se le ha ocurrido que las escalas Celsius y Fahrenheit tienen una seria limitación. Ni 0°C ni 0°F representan realmente una temperatura de 0. En consecuencia, para temperaturas mucho más bajas que el punto de congelación resulta una temperatura negativa. Más grave aún es el hecho de que una fórmula que incluya la temperatura como variable no funcione con las escalas existentes. Por ejemplo, ya hemos estudiado la dilatación de un gas al aumentar su temperatura. Podemos establecer esta proporcionalidad como donde k es la constante de proporcionalidad y t es la temperatura. Ciertamente, el volumen de un gas no es cero a 0°C o negativo a temperaturas negativas, conclusiones que pueden dedu cirse de las relaciones anteriores. Este ejemplo proporciona una clave para establecer una escala absoluta. Si podemos de terminar la temperatura a la que el volumen de un gas bajo presión constante se vuelve cero, podemos determinar el verdadero cero de temperatura. Suponga que usamos un termómetro de gas a presión constante, como el de la figura 16.7. El volumen del gas en el bulbo se puede medir cuidadosamente, primero en el punto de congelación y luego en el punto de ebullición. Estos dos puntos pueden marcarse en una gráfica, como en la figura 16.8, con el volumen en la ordenada y la temperatura en la abscisa. Los puntos A y B corresponden al volumen del gas a las temperaturas de 0 y 100°C, respectivamente. Una línea recta que una estos dos puntos y se extienda a izquierda y derecha proporciona una descripción matemática del cambio de vo lumen en función de la temperatura. Observe que la recta puede prolongarse indefinidamente a la derecha, lo que indica que no hay límite superior para la temperatura. Sin embargo, no podemos extender la recta indefinidamente a la izquierda, porque finalmente intersecará el eje de la temperatura. En este punto teórico, el gas tendría un volumen de cero. Extender la recta aún más indicaría un volumen negativo, lo cual no tiene sentido. Por tanto, el punto en el que la recta corta el eje de la temperatura se llama el cero absoluto de temperatura. (En realidad, cualquier gas real se licúa antes de alcanzar ese punto.) Si el experimento anterior se realiza con diferentes gases, la pendiente de las curvas variará ligeramente, pero la intersección en el eje de la temperatura siempre será el mismo, próximo a —273°C. Por medio de procedimientos teóricos y experimentales muy ingeniosos se ha establecido que el cero absoluto de temperatura es —273.15°C. En este texto supondré- La escala de temperatura absoluta V = k t
- 357. 16.4 La escala de temperatura absoluta 337 -273°C -200°C -100°C 100°C 200°C 300°C Punto de Punto de congelación ebullición Figura 16.8 La variación del volumen de un gas en función de la temperatura. El cero absoluto se define con una extrapolación del volumen igual a cero. mos que es —273°C sin temer algún error significativo. La conversión en grados Fahrenheit demuestra que el cero absoluto es igual a — 460°F en esa escala. Una escala de temperatura absoluta tiene el cero absoluto de temperatura como su punto cero. Una escala de ese tipo fue propuesta por lord Kelvin (1824-1907). El intervalo en esta escala, el kelvin, ha sido adoptado por el sistema métrico internacional (SI) como la unidad básica para medir la temperatura. El intervalo sobre la escala Kelvin representa el mismo cambio de temperatura que el grado Celsius. Por tanto, un intervalo de 5 K (se lee “cinco kelvins”) es exactamente igual que 5°C. La escala Kelvin se relaciona con la escala Celsius mediante la fórmula Por ejemplo 0°C corresponderán a 273 K. y 100°C corresponderán a 373 K (véase en la figura 16.9). De ahora en adelante, se reservará el símbolo T para la temperatura absoluta y el símbolo t para otras temperaturas. TK= t c + 273 (16.5) 100 div. Fahrenheit Rankine 180 div. Hielo 0°C — 273 K 3 2 ° F -i- — 492°R —273°C — | — 0 K —460°F — — 0°R y > O Figura 16.9 Comparación de las cuatro escalas de temperatura más comunes.
- 358. Debido a problemas de reproducibilidad para medir exactamente los puntos de conge lación y de ebullición del agua, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas estableció una nueva norma en 1954, la cual se basa en el punto triple del agua, que es la única temperatura y presión en la que el agua, el vapor de agua y el hielo coexisten en equilibrio térmico. Este hecho tan útil ocurre a una temperatura de aproximadamente 0.01°C y a una presión de 4.58 mm de mercurio. Para conservar la congruencia con las medidas anteriores, la temperatura del punto triple del agua quedó establecida exactamente en 273.16 K. Por tanto, el kelvin se define actualmente como la fracción 1/273.16 de la temperatura del punto triple del agua. La temperatura en el SI ahora se fija por esta definición, y todas las demás escalas deben redefi- nirse tomando como base únicamente esta temperatura como patrón. Una segunda escala absoluta, denominada la escala Rankine, sigue empleándose muy limitadamente pese a los esfuerzos de varias organizaciones para eliminarla totalmente. El grado Rankine se incluye en este texto sólo para tener el panorama de este tema. Tiene su punto de cero absoluto a —460°F, y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. La relación entre la temperatura en grados Rankine (°R) y la temperatura correspondiente en grados Fahrenheit es TR= tF+ 460 (16.6) Recuerde que las ecuaciones (16.5) y (16.6) se aplican para temperaturas específicas. Si nos interesa un cambio de temperatura o una diferencia en temperatura, el cambio absoluto o la diferencia es la misma en kelvins que en grados Celsius. Es útil recordar que 1 K = 1°C 1°R = 1°F (16.7) r Un termómetro de mercurio y vidrio no puede usarse a temperaturas por debajo de —40°C, ya que ese metal se congela a tal temperatura, (a) ¿Cuál es el punto de congelación del mercurio en la escala Kelvin? (b) ¿Cuál es la diferencia entre esta temperatura y el punto de congelación del agua? Exprese su respuesta en kelvins. Solución (a): Sustituyendo directamente —40°C en la ecuación (16.5) nos queda Tk = —40°C + 273 = 233 K Solución (b): La diferencia en los puntos de congelación es Dt = 0°C - (—40°C) = 40°C Puesto que la magnitud del kelvin es idéntica a la del grado Celsius, la diferencia es tam bién de 40 kelvins. En este punto se preguntará por qué se siguen conservando las escalas Celsius y Fahren heit. Cuando se trabaja con calor, casi siempre lo que interesa son diferencias de temperatura. En realidad, una diferencia en temperatura es necesaria para que haya transferencia de calor. Si no fuera así, el sistema estaría en equilibrio térmico. Puesto que las escalas Kelvin y Rankine se basan en los mismos intervalos que las escalas Celsius y Fahrenheit, no hay diferencia en la escala que se use para intervalos de temperatura. Por otra parte, si una fórmula requiere una temperatura específica más que una diferencia de temperatura, se debe usar la escala absoluta. 338 Capítulo 16 Temperatura y dilatación Dilatación lineal El efecto más frecuente producido por cambios de temperatura es un cambio en el tamaño. Con pocas excepciones, todas las sustancias incrementan su tamaño cuando se eleva la temperatura. Los átomos en un sólido se mantienen juntos en un arreglo regular debido a la acción de fuer zas eléctricas. A cualquier temperatura los átomos vibran con cierta frecuencia y amplitud. A Ejemplo 16.3
- 359. 16.5 Dilatación lineal 339 Figura 16.10 Dilatación lineal. medida que la temperatura aumenta, se incrementa la amplitud (desplazamiento máximo) de las vibraciones atómicas, lo que da por resultado un cambio total en las dimensiones del sólido. Un cambio de un sólido en una dimensión se llama dilatación lineal. Experimentalmente se ha encontrado que un incremento en una sola dimensión, por ejemplo, la longitud de una barra, depende de la dimensión original y del cambio de temperatura. Por ejemplo, considere la barra de la figura 16.10. La longitud original es L0 y la temperatura inicial es íQ . Cuando se calienta a una temperatura t, la nueva longitud de la barra se indica como L. Por tanto, un cambio en la temperatura, At = t — t produce un cambio de longitud, AL = L —LQ . El cam bio de longitud proporcional está dado por AL = aL0At (16.8) donde a es la constante de proporcionalidad llamada el coeficiente de dilatación lineal. Como un incremento en la temperatura no produce el mismo aumento en la longitud en todos los materiales, el coeficiente a es una propiedad del material. Tras despejar a de la ecuación (16.8) se obtiene a = AL Lr, At (16.9) El coeficiente de dilatación lineal de una sustancia puede definirse como el cambio de longitud por unidad de longitud por cada grado que cambia la temperatura. Como la razón AL/Lgno tiene dimensiones, las unidades de a se dan como el inverso de grados o sea, 1/°C o 1/°F. En la tabla 16.1 se presentan los coeficientes de dilatación de muchos materiales. Tabla 16.1 Coeficientes de dilatación lineal a Sustancia i<r5 /°c 10-5/°F Acero 1.2 0.66 Aluminio 2.4 1.3 Cinc 2.6 1.44 Cobre 1.7 0.94 Concreto 0.7-1.2 0.4-0.7 Hierro 1.2 0.66 Latón 1.8 1.0 Plata 2.0 1.1 Plomo 3.0 1.7 Vidrio, Pirex 0.3 0.17
- 360. 340 Capítulo 16 Temperatura y dilatación " Una tubería de hierro tiene 60 m de longitud a temperatura ambiente (20°C). Si se la va a utilizar para conducir vapor, ¿cuál será la tolerancia a la dilatación y qué nueva longitud tendrá la tubería luego de que el vapor haya fluido por ella cierto tiempo? Plan: La temperatura del vapor es de 100°C, de modo que la temperatura de la tubería cambiará de 20 a 100°C, un intervalo de 80°C. El aumento de longitud se determina con la ecuación (16.7). Al sumar la cantidad obtenida a la longitud inicial determinaremos la nueva longitud de la tubería después de que el vapor haya pasado por ella. Solución: A partir de la tabla 16.1, sustituimos a hierr0 = 1.2 X 10~5 /°C para determinar el incremento en longitud AL = ahimL0At = (1.2 X 10-5/°C)(60 m)(80°C); AL = 0.0576 m La nueva longitud de la tubería será LQ+ AL, o bien L = 60 m + 0.0576 m = 60.0576 m Se necesita una tolerancia de 5.76 cm para dar cabida a la dilatación. Ejemplo 16.4 Por el ejemplo 16.4 se advierte que la nueva longitud puede calcularse mediante la rela ción siguiente: L = L0 + aL0At (16.10) Recuerde, cuando calcula AL, que las unidades de a deben ser congruentes con las de At. La dilatación lineal tiene propiedades tanto útiles como destructivas cuando se aplica a situaciones físicas. Los efectos destructivos hacen que los ingenieros empleen juntas de dilatación o rodamientos para brindar tolerancia a la dilatación y a la contracción. Por otra parte, la dilatación predecible de algunos materiales se utiliza para abrir o cerrar interruptores a ciertas temperaturas. Tales dispositivos se llaman termostatos. Quizá la aplicación más frecuente del principio de dilatación lineal es la banda bime tálica. Este dispositivo, mostrado en la figura 16.11, consiste en dos tiras planas de metales diferentes soldadas o remachadas entre sí. Las tiras se funden juntas de tal modo que tengan la misma longitud a una temperatura elegida tf). Si calentamos la banda se origina una eleva ción en la temperatura, y el material con mayor coeficiente de dilatación se alargará más. Por ejemplo, una tira de latón-hierro formará un arco hacia el lado del hierro. Cuando se retira la fuente de calor, la banda gradualmente retomará a su posición original. Si se enfría la tira por debajo de su temperatura inicial se provocará que la tira se haga arco en la otra dirección. El material con el más alto coeficiente de dilatación también disminuye su longitud más rápido. La tira bimetálica tiene muchas aplicaciones útiles, desde sistemas de control termostático Hierro Latón Figura 16.11 La banda bimetálica.
- 361. 16.6 Dilatación superficial 341 hasta luces intermitentes. Puesto que la dilatación está en proporción directa al aumento de temperatura, la banda bimetálica se puede usar también como termómetro. Dilatación superficial La dilatación lineal no se restringe a la longitud de un sólido. Cualquier recta trazada a través de éste aumenta su longitud por unidad de longitud con una razón dada por su coeficiente de dilatación a. Por ejemplo, en un cilindro sólido, la longitud, el diámetro y la diagonal trazada a través del sólido aumentarán sus dimensiones en la misma proporción. En realidad, la dilata ción de una superficie es exactamente análoga a una ampliación fotográfica, como se ilustra en la figura 16.12. Observe también que si el material tiene un agujero, el área de éste se dilata en la misma razón que si estuviera relleno de material. Consideremos el área de dilatación de la superficie rectangular de la figura 16.13. Tanto la longitud como el ancho del material se dilatarán en una proporción dada por la ecuación. (16.10). Por tanto, la nueva longitud y el ancho están dados, en forma de factores por L = L0(1 + a At) W = W0(l + a At) Ahora podemos deducir una expresión para la dilatación del área determinando el pro ducto de esas dos ecuaciones. LW = L 0W0(1 + a At f = L 0W0(l + 2a A t + a2At2) Puesto que la magnitud de a es del orden de 10~5, con toda certeza podemos despreciar el término que contiene a a 2. Luego, podemos escribir LW = L 0W0(1 + 2a Ai) o bien A = A0(l + 2a At) donde A = LW representa la nueva área y AQ= LQ W0el área original. Al reordenar los térmi nos se obtiene A — A0 — 2aA0 At o bien AA = 2aA0 A t (16.11) El coeficiente de dilatación superficial y (gama) es aproximadamente el doble del coefi ciente de dilatación lineal. Simbólicamente, 7 = 2a (16.12) Figura 16.12 La dilatación térmica es análoga a una ampliación fotográfica. Observe que el agujero se agranda en la misma proporción que el material. W Wr A W A L Figura 16.13 Dilatación superficial.
- 362. 342 Capítulo 16 Temperatura y dilatación donde y es el cambio en área por unidad inicial de área por cada grado que cambia la temperatu ra. Con esta definición podemos escribir las fórmulas siguientes para la dilatación superficial. AA = yA0 At (16.13) A = A0 + yA0 At (16.14) Ejemplo 16.5 Un disco de latón tiene un agujero de 80 mm de diámetro en su centro. Luego, el disco, que tiene 23°C, se coloca en agua hirviente durante algunos minutos. ¿Cuál será el área nueva del agujero? Plan: Primero se calcula el área del agujero a 23°C. Luego se determina el aumento del área debido al cambio de temperatura. Recuerde que el coeficiente de dilatación superficial es el doble del valor lineal dado en la tabla 16.1. Expresaremos el área nueva también en mm2, así que será necesario cambiar las unidades del área. Solución: El área a 23°C está dada por tD~ 77(80 m m )' An = 5027 mm- 4 4 El coeficiente de dilatación del latón es 7 = 2a = 2(1.8 X 10“5/°C) = 3.6 X 10“5 °C El aumento del área se determina con la ecuación (16.13) AA = y A0 At = (3.6 X 10~5/°C)(5027 mnf)(100°C - 23°C) AA = 13.9 mm2 El área nueva se establece sumando el cambio al área original A = A0 + AA = 5027 mm2 + 13.9 mm2; A = 5040.9 mm2 Otro método para resolver el ejemplo 16.5 sería emplear la fórmula de la dilatación lineal para determinar el aumento del diámetro y luego calcular el área nueva a partir del diámetro nuevo. Este método, en realidad, será más exacto, ya que y = 2a es una aproximación en la fórmula de la dilatación superficial. Dilatación volumétrica La dilatación del material calentado es la misma en todas direcciones; por tanto, el volumen de un líquido, gas o sólido tendrá un incremento en volumen predecible al aumentar la tempe ratura. Razonando de forma semejante a como se hizo en las secciones previas, obtendremos las fórmulas siguientes para la dilatación volumétrica. AV = /3V0 At (16.15) V = V 0 + /3Vo At (16.16) El símbolo j8 (beta) esel coeficiente de dilataciónvolumétrica.Representa el cambio en volumen por unidad de volumen por cada grado quecambialatemperatura.Para materiales sólidos es aproximadamente el triple del coeficiente de dilatación lineal. > 8 = 3a (16.17) Cuando se trabaja con sólidos, podemos obtener /3 a partir de la tabla de coeficientes de di latación lineal (tabla 16.1). Los coeficientes de dilatación correspondientes a diferentes líquidos
- 363. 16.7 Dilatación volumétrica 343 Tabla 16.2 Coeficientes de dilatación volumétrica a Líquido i<r4 /°c 10“4 /°F Agua 2.1 1.2 Alcohol etílico 11 6.1 Benceno 12.4 6.9 Glicerina 5.1 2.8 Mercurio 1.8 1.0 aparecen en la tabla 16.2. La separación molecular en el caso de los gases es tan grande que todos ellos se dilatan más o menos en la misma proporción. La expansión volumétrica de los gases se estudiará en el capítulo 19. Un matraz de vidrio Pyrex se llena con 50 cm3 de mercurio a 20°C. ¿Qué volumen se de rramará si el sistema se calienta de forma uniforme a una temperatura de 60°C? Consulte la figura 16.14. Plan: El volumen interior del matraz es el mismo que el volumen del fluido que contiene (50 cm3). El mercurio tiene un coeficiente de dilatación volumétrica más grande, lo que significa que el derrame equivaldrá a la diferencia entre la dilatación del mercurio AVmy la del vidrio AV. Recuerde que f3v= 3a,. Solución: primero se calcula el cambio de volumen del mercurio AVm = p mV0m At = ( 1 .8 X 10_4/°C)(50 cm3)(60°C - 20°C) AVm = 0.360 cm3 (Aumento del volumen del mercurio) Ahora, el cambio de volumen del interior del matraz de vidrio AVv = 3a vV0v At = 3(0.3 X 1 0 '5/°C)(50 cm3)(40°C) AVv = 0.0180 cm3 (Aumento del volumen del vidrio) El volumen que se derrama resulta de la diferencia entre las dos dilataciones ^derramado = A V m - AVv = 0 . 3 6 0 cm3 — 0 .0 1 8 cm3 Vr derramado 0.342 cm3 Figura 16.14 El volumen que se derrama se determina restando el cambio de volumen del vidrio del cam bio de volumen del mercurio.
- 364. 344 Capítulo 16 Temperatura y dilatación Estrategia para resolver problemas J Tem peratura y dilatación 1. Lea el problema detenidamente y después trace un bos quejo, marcando la información proporcionada. Use subíndices cero para distinguir entre los valores inicia les y finales de longitud, área, volumen y temperatura. 2. No confunda temperaturas específicas t con interva los de temperatura At. La práctica de usar la marca de grado antes y después del símbolo es útil, por ejemplo, 55°C - 22°C = 33°C. 3. Para problemas de dilatación asegúrese de incluir la unidad de temperatura con la constante para evitar mul tiplicar por el intervalo de temperatura incorrecto. Si el coeficiente es 1/°C, entonces el intervalo At debe estar en grados Celsius. 4. Los coeficientes de dilatación de área y volumen para sólidos pueden determinarse multiplicando por dos o por tres, respectivamente, los valores lineales dados en la tabla 16.1. 5. Cuando se le pida determinar un valor inicial ofinal de longitud, área, volumen o temperatura, generalmente es más fácil calcular primero el cambio en ese paráme tro y luego resolver el valor inicial o final. Por ejem plo, puede determinar la temperatura final íy.calculando primero Ai y luego sumando o restando para encontrar tf . 6. La dilatación simultánea de diferentes materiales debe ajustarse teniendo en cuenta los diferentes grados de dilatación de cada uno de ellos. Para un líquido que se encuentra dentro de un recipiente sólido, el incremento o decremento neto en volumen es igual a la diferen cia en los cambios experimentados por cada material. Véase el ejemplo 16.6. La dilatación anómala del agua Suponga que se llena el bulbo del tubo de la figura 16.15 con agua a 0°C de modo que el estrecho cuello se llene parcialmente. La dilatación o contracción del agua se puede medir fácilmente observando el nivel del agua en el tubo. A medida que se incrementa la tempera tura del agua, el agua contenida en el tubo baja gradualmente indicando una contracción. La contracción continúa hasta que la temperatura del bulbo y la del agua son de 4°C. Cuando la temperatura aumenta por arriba de 4°C, el agua cambia de dirección y se eleva en forma continua, indicando la dilatación normal con un incremento de temperatura. Esto significa que el agua tiene su volumen mínimo y su densidad máxima a 4°C. La variación en la densidad del agua con la temperatura se muestra gráficamente en la figura 16.16. Si estudiamos la gráfica en la zona de las altas temperaturas, notamos que la densidad aumenta gradualmente hasta un máximo de 1.0 g/cm3 a 4°C. Luego, la densidad decrece de forma gradual hasta que el agua alcanza el punto de congelación. El hielo ocupa un volumen mayor que el agua y a veces, cuando se forma, puede causar que se rompan las tuberías de agua si no se toman las debidas precauciones. o°c 4°C 8°C Figura 16.15 La dilatación irregular del agua. A medida que se aumenta la temperatura del vital líquido de 0 a 8°C, primero se contrae y después se dilata.
- 365. 16.8 La dilatación anómala del agua 345 Temperatura °C Figura 16.16 Variación de la densidad del agua cerca de los 4°C. El mayor volumen del hielo se debe a la forma en que se unen los grupos de moléculas en una estructura cristalina. A medida que se funde el hielo, el agua formada aún contiene grupos de moléculas enlazadas en esa estructura cristalina abierta. Cuando estas estructuras empiezan a romperse, las moléculas se mueven muy juntas, aumentando la densidad. Este es el proceso dominante hasta que el agua alcanza una temperatura de 4°C. Desde ese punto hasta altas temperaturas, se produce un aumento en la amplitud de las vibraciones molecula res y el agua se dilata. Una vez más, el alumno principiante puede maravillarse ante el hecho de que la ciencia pueda ser tan exacta. El hecho de que la densidad del agua a 4°C “resulte ser exactamente de 1.00 g/cm3” debe ser en verdad una coincidencia sorprendente. Sin embargo, al igual que las temperaturas del punto de congelación y del punto de ebullición, este resultado es también la consecuencia de una definición. Los científicos que establecieron el sistema métrico definie ron el kilogramo como la masa de 1000 cm3de agua a 4°C. Posteriormente el kilogramo fue redefinido en términos de un cilindro de platino iridiado, que sirve como patrón.
- 366. mi Resumen y repaso Hemos visto que, debido a la existencia de cuatro escalas de temperatura de uso común, las conversiones de temperatura son importantes. También ha estudiado usted un efecto im portante de los cambios de temperatura de los materiales: un cambio en sus dimensiones físicas. Los principales conceptos se resumen a continuación. 0 Existen cuatro escalas de temperatura con las que usted debe estar muy familiarizado. Una comparación de ellas aparece en la figura 16.9, donde se presentan sus valores para el punto de ebullición, el punto de congelación y el cero absoluto en cada escala. Es importante que distinga entre un intervalo de temperatura At y una temperatura es pecífica t. Ésta es una guía para intervalos de temperatura: 5°C 9°F 5°C 1 K = 1°C 1°R = 1°F Intervalos de temperatura Para temperaturas específicas, es necesario corregir la di ferencia del intervalo, pero también hay que hacer una corrección por el hecho de que se asignan números dis tintos a las mismas temperaturas: TK = tc ■273 TR = tF + 460 Temperaturas absolutas Las relaciones siguientes se aplican a la dilatación térmi ca de sólidos: AL = aL0 Ai L = L0 + aL0 At Dilatación lineal AA = yA0 At A —A0 + yA0 At 7 = 2a Dilatación superficial AV = [3V0 Ai V = V g + /3Vq At (3 = 3a Dilatación volumétrica En la dilatación volumétrica de un líquido se usa la mis ma relación que para un sólido salvo, desde luego, que para el líquido no hay coeficiente de dilatación lineal a. Sólo se necesita /3. Conceptos clave calor 331 cero absoluto 336 coeficiente de dilatación volumétrica 342 coeficiente de dilatación lineal 339 coeficiente de dilatación superficial 341 dilatación lineal 339 energía térmica 330 equilibrio térmico 331 escala Celsius 332 escala Fahrenheit 332 escala Kelvin 337 grado 332 kelvin 338 kilogramo 345 punto fijo inferior (punto de congelación) 332 punto fijo superior (punto de ebullición) 332 punto triple del agua 338 temperatura 331 termómetro a presión constante 335 termómetro a volumen constante 335 termómetro 331 Preguntas de repaso 16.1. Dos trozos de mineral de hierro caliente se dejan caer en un recipiente de agua. El sistema queda ais lado y se deja que alcance el equilibrio térmico. ¿Es realmente cierto que el mineral de hierro y el agua tienen la misma energía térmica? ¿Es necesariamen te cierto que ambos tienen la misma temperatura? Explique la repuesta. 3 4 6 16.2. Señale con claridad la diferencia entre energía tér mica y temperatura. 16.3. Si se coloca una flama debajo de un termómetro de mercurio en cristal, la columna de mercurio primero cae y luego se eleva. Explique ese hecho. 16.4. ¿Qué factores es necesario tomar en cuenta en el diseño de un termómetro sensible?
- 367. 16.5. ¿Hasta qué punto es eficaz nuestro sentido del tacto como un medio para juzgar la temperatura? ¿El ob jeto “más caliente” siempre es el que tiene la tempe ratura más alta? 16.6. Si tuviera usted un termómetro sin graduaciones, ¿cómo haría para marcarlo en grados Celsius? 16.7. Una regla de 6 in se dilata 0.0014 in cuando la tem peratura se eleva 1°C. ¿Cuánto se dilataría una regla de 6 cm hecha del mismo material, a causa del mis mo intervalo de cambio de temperatura? 16.8. Una varilla de bronce une los lados opuestos de un aro del mismo material. Si el sistema se calienta uniformemente, ¿conservará el aro su forma circu lar? 16.9. Una tuerca de bronce se usa con un perno de ace ro. ¿Cómo resultará afectado el ajuste entre ambos cuando solamente se caliente el perno, si sólo se ca lienta la tuerca o si los dos se calientan por igual? 16.10. Una tapa de aluminio se enrosca firmemente en la boca de un frasco de pepinillos a la temperatura am biente. Después de dejar el frasco de pepinillos uno o dos días dentro de un refrigerador, la tapa no pue de quitarse con facilidad. Explique la situación. Su giera la forma de quitar la tapa con facilidad. ¿Cómo podría haber resuelto el fabricante ese problema? 16.11. Describa la dilatación del agua cuando se acerca a 4°C. ¿Por qué la superficie es lo primero que se con gela en un lago? ¿Cuál es la temperatura probable en el fondo del lago cuando la superficie está con gelada? 16.12. Aplique un razonamiento similar al de la dilata ción superficial y obtenga las ecuaciones (16.15) y (16.17). En el texto se dijo que y es sólo aproxima damente igual al doble de a. ¿Por qué su valor no es exactamente el doble de a? ¿Es mayor el error en la ecuación (16.13) o en la ecuación (16.15)? Problemas Sección 16.2 La medición de la temperatura 16.1. La temperatura normal del cuerpo humano es de 98.6°F ¿Cuál es la temperatura correspondiente en la escala Celsius? Resp. 37.0°C 16. 2. El punto de ebullición del azufre es de 444.5°C. ¿Cuál es la temperatura correspondiente en la escala Fahrenheit? 16. 3. Un riel de acero se enfría de 70 a 30°C en 1h. ¿Cuál es la variación de temperatura en grados Fahren heit en ese mismo lapso? Resp. 72°F * 16.4. ¿A qué temperatura la escala Celsius y la escala Fahrenheit coinciden en una misma lectura numérica? 16.5. Un trozo de carbón vegetal que estaba inicialmente a 180°F experimenta una disminución de tempera tura de 120°F. Exprese este cambio de temperatura en grados Celsius. ¿Cuál es la temperatura final en la escala Celsius? Resp. 66.7°C, 15.6°C 16.6. La acetona hierve a 56.5°C y el nitrógeno líquido hierve a —196°C. Exprese estas temperaturas espe cíficas en la escala Kelvin. ¿Cuál es la diferencia entre esas temperaturas en la escala Celsius? 16.7. El punto de ebullición del oxígeno es — 297.35°F Exprese esta temperatura en kelvins y en grados Celsius. Resp. 90.0 K, —183°C 16.8. Si el oxígeno se enfría de 120 a 70°F, ¿cuál es la variación de temperatura en kelvins? 16.9. Una pared de ladrillo refractario tiene una tempe ratura interna de 313°F y una temperatura exterior de 73°F. Exprese la diferencia de temperaturas en kelvins. Resp. 133 K 16.10. El oro se funde a 1336 K. ¿Cuál es la temperatu ra correspondiente en grados Celsius y en grados Fahrenheit? 16.11. Una muestra de gas se enfría de —120 a —180°C. Exprese la variación de temperatura en kelvins y en grados Fahrenheit. Resp. — 60 K, —108°F Sección 16.5 Dilatación lineal, Sección 16.6 Dilatación superficial y Sección 16.7 Dilatación volumétrica 16.12. Una losa de concreto tiene 20 m de largo. ¿Cuál será el incremento en su longitud si la temperatura cam bia de 12 a 30°C? Suponga que a = 9 X 10_6/°C. 16.13. Un trozo de tubo de cobre tiene 6 m de longitud a 20°C. ¿Qué incremento de longitud tendrá cuando se caliente a 80°C? Resp. 6.12 mm 16.14. Una barra de plata tiene 1 ft de longitud a 70°F. ¿Cuánto se incrementará su longitud cuando se in troduzca en agua hirviendo (212°F)? 16.15. El diámetro de un orificio en una placa de acero es de 9 cm cuando la temperatura es de 20°C. ¿Cuál será el diámetro del orificio a 200°C? Resp. 9.02 cm *16.16. Una varilla de bronce tiene 2.00 m de longitud a 15°C. ¿A qué temperatura se tendrá que calentar la varilla para que su nueva longitud sea de 2.01 m? 16.17. Una placa cuadrada de cobre que mide 4 cm por lado a 20°C se calienta hasta 120°C. ¿Cuál es el in cremento del área de la placa de cobre? Resp. 0.0544 cm2 Capítulo 16 Resumen y repaso 347 iL
- 368. *16.18. Un orificio circular en una placa de acero tiene un diámetro de 20.0 cm a 27°C. ¿A qué temperatura se tendrá que calentar la placa para que el área del orificio sea de 314 cm2? 16.19. ¿Cuál es el incremento de volumen en 16.0 litros de alcohol etñico cuando la temperatura se incrementa en 30°C? Resp. 0.528 L 16.20. Un matraz Pyrex tiene un volumen interior de 600 mi a 20°C. ¿A qué temperatura el volumen interior será de 603 mi? 16.21. Si 200 cm3de benceno llenan exactamente una taza de aluminio a 40°C y el sistema se enfría a 18°C, ¿cuánto benceno (a 18°C) puede agregarse a la taza sin que se derrame? Resp. 5.14 cm3 16.22. Un vaso de laboratorio Pyrex se llena hasta el borde con 200 cm3de mercurio a 20°C. ¿Cuánto mercurio se derramará si la temperatura del sistema se eleva a 68°C? *16.23. El diámetro de un orificio en una placa de cobre a 20°C es de 3.00 mm. ¿A qué temperatura se deberá enfriar el cobre para que ese diámetro sea de 2.99 mm? R esp .-176°C 16.24. Una hoja rectangular de aluminio mide 6 X 9 cm a 28°C. ¿Cuál es su área a 0°C? *16.25. La longitud de una varilla de aluminio, medida con una cinta de acero, fue de 60 cm cuando ambas es taban a 8°C. ¿Cuál será la lectura de la longitud de la varilla en la cinta si ambas están a 38°C? Resp. 60.022 cm 16.26. Un cubo de cobre mide 40 cm por lado a 20°C. ¿Cuál es el volumen del cubo cuando la temperatura llega a 150°C? 16.27. Un matraz Pyrex (a = 0.3 X 10-5/°C) está lleno hasta el borde con 200 mi de glicerina (/3 = 5.1 X 10_4/°C). ¿Cuánta glicerina se derramará por el bor de si el sistema se calienta de 20 a 100°C? Resp. 8.02 mi 16.28. Un horno se ajusta a 450°F. Si la temperatura des ciende 50 kelvins, ¿cuál es la nueva temperatura en grados Celsius? *16.29. Una cinta de acero de 100 ft mide correctamente la distancia cuando la temperatura es de 20°C. ¿Cuál 16.30. *16.31. 16.32. 16.33. *16.34. es la medición verdadera si esta cinta indica una dis tancia de 94.62 ft un día en el que la temperatura es de 36°C? Resp. 94.64 ft El diámetro de una varilla de acero es de 3.000 mm cuando la temperatura es de 20°C. El diámetro de una argolla de bronce es 2.995 mm, también a 20°C. ¿A qué temperatura en común la argolla de bronce se ensartará deslizándose suavemente sobre la vari lla de acero? El volumen de un cubo de metal se incrementa en 0.50% cuando la temperatura del cubo se eleva en 100°C. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación li neal de este metal? Resp. 1.67 X 10~5/°C ¿En qué porcentaje se incrementa el volumen de un cubo de bronce cuando se calienta de 20 a 100°C? Un tapón de bronce redondo tiene un diámetro de 8.001 cm a 28°C. ¿A qué temperatura deberá en friarse el tapón para que ajuste correctamente en un orificio de 8.000 cm? Resp. 21.1 °C Un matraz Pyrex se llena por completo con 500 cm3 de alcohol etílico. Si la temperatura del sis tema se eleva 70°C, ¿qué volumen de alcohol se derramará? Preguntas para la reflexión crítica 16.35. Un aparato de laboratorio que permite medir el coe ficiente de dilatación lineal se ilustra en la figura 16.17. La temperatura de una varilla de metal se eleva haciendo pasar vapor a través de una cubierta metálica cerrada. El incremento de longitud resul tante se mide con un tornillo micrométrico en uno de sus extremos. En virtud de que la longitud origi nal y la temperatura son conocidas, el coeficiente de dilatación se puede calcular a partir de la ecuación (16.8). Los datos siguientes fueron obtenidos en el curso de un experimento realizado con una varilla de metal desconocido: ¿o = 600 mm t0 = 23°C AL = 1.04 mm tf = 98°C ¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal de este metal? ¿Sabe usted de qué metal se trata? Resp. 2.3 X 10~5 /°C, Al 348 Capítulo 16 Resumen y repaso
- 369. Termómetro Figura 16.17 Aparato para medir el coeficiente de dilatación lineal. *16.36. Suponga que los extremos de una varilla están fir memente sujetos entre dos paredes para impedir la dilatación cuando la temperatura se eleva. A partir de las definiciones del módulo de Young (capítulo 13) y sus conocimientos de la dilatación lineal, de muestre que la fuerza de compresión F que ejercen las paredes está dada por F = otAY At donde A = área de la sección transversal de la varilla Y = módulo de Young At = aumento de la temperatura de la varilla *16.37. Demuestre que la densidad de un material cambia junto con la temperatura, de manera que la nueva 16.38. La densidad del mercurio a 0°C es 13.6 g/cm3.Apli que la relación del ejemplo anterior para hallar la densidad del mercurio a 60°C. 16.39. Un anillo de acero tiene un diámetro interior de 4.000 cm a 20°C. El anillo tiene que encajar en un eje de cobre cuyo diámetro es de 4.003 cm a 20°C. ¿A qué temperatura deberá ser calentado el anillo? Si el anillo y el eje se enfrían uniformemente, ¿a qué temperatura se empezará a deslizar el anillo sobre el eje/ Resp. 82.5°C, -150°C densidad se calcula mediante Po 1 + ¡3At donde p0 = densidad original /3 = coeficiente de dilatación del volumen Ai = cambio de temperatura Capítulo 16 Resumen y repaso 349
- 370. 17 Fundición: Los trabajadores observan el procesamiento del acero fundido en una fundición. Se requiere alrededor de 286 joules de calor para fundir 1 gramo de acero. En este capítulo definiremos la cantidad de calor para aumentar la temperatura de una sustancia y cambiar la fase de sólido a líquido o líquido a gas. (Foto © vol. 5 PhotoDisc!Getty.) Cantidad de calor Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Definirá cuantitativamente el calor en términos de la caloría, la kitocaloría, el joule y la unidad térmica británica (Btu). 2. Escribirá una fórmula para expresar la capacidad de calor específico de un ma terial y la aplicará para resolver problemas en los que intervengan la pérdida y ganancia de calor. 3. Escribirá fórmulas para calcular los calores latentes de fusión y de vaporización y las aplicará a la resolución de problemas en los cuales el calor produce un cambio de fase de una sustancia. 4. Definirá el calor de combustión y lo aplicará a problemas que impliquen la producción de calor. La energía térmica es la energía asociada con el movimiento molecular al azar, pero no es posible medir la posición y la velocidad de cada molécula de una sustancia para determinar su energía térmica. Sin embargo, podemos medir cambios de energía térmica relacionándolos con cambios de temperatura. Por ejemplo, cuando dos sistemas a diferentes temperaturas se colocan juntos, finalmente alcanzarán una temperatura intermedia. A partir de esta observación, se puede decir con se guridad que el sistema de mayor temperatura ha cedido energía térmica al sistema de menor 350
- 371. 17.2 La cantidad de calor 351 temperatura. La energía térmica perdida o ganada por los objetos se llama calor. Este capítulo se ocupa de la medición cuantitativa del calor. El significado de! calor En el pasado se creía que dos sistemas alcanzaban su equilibrio térmico por medio de la transfe rencia de una sustancia llamada calórico. Se había postulado que todos los cuerpos contenían una cantidad de calórico proporcional a su temperatura. De este modo, cuando dos objetos estaban en contacto, el objeto de mayor temperatura transfería calórico al objeto de menor temperatura hasta que sus temperaturas se igualaban. La idea de que una sustancia se transfiere conlleva la implicación de que hay un límite para la cantidad de energía calorífica que es posible obtener de un cuerpo. Esta última idea fue la que, a la postre, condujo a la caída de la teoría del calórico. El conde Rumford de Baviera fue el primero que puso en duda la teoría del calórico. El rea lizó su descubrimiento en 1798 cuando supervisaba la perforación de un cañón. Toda la super ficie de éste se mantenía llena de agua, durante la operación, para evitar el sobrecalentamiento. A medida que el agua hervía y se evaporaba, los operarios la reponían. De acuerdo con la teoría existente, se tenía que suministrar calórico para que el agua hirviera. La aparente producción de calórico se explicaba con la suposición de que cuando la materia se dividía extremadamente, perdía parte de su capacidad para retener el calórico. Rumford diseñó un experimento con el fin de demostrar que aun cuando una herramienta para taladrar no cortaba totalmente el metal del cañón, se producía el suficiente calórico para que el agua hirviera. En realidad, parecía que mientras se suministrara trabajo mecánico, la herramienta era una inagotable fuente de calórico. Rumford acabó con la teoría del calórico basándose en sus experimentos y sugirió que la expli cación tenía que estar relacionada con el movimiento. Por consiguiente, surgió la idea de que el trabajo mecánico era responsable de la generación de calor. Posteriormente, sir James Prescott Joule estableció la equivalencia de calor y trabajo como dos formas de energía. La cantidad de calor La idea del calor como una sustancia se debe descartar. No se trata de algo que el objeto posea, sino de algo que él mismo cede o absorbe. El calor es simplemente otra forma de energía que pue de medirse únicamente en términos del efecto que produce. La unidad de energía del SI, eljoule, es también la unidad preferida para medir el calor, puesto que éste es una forma de energía. Sin embargo, hay tres antiguas unidades que aún se conservan, y de ellas se hablará también en este texto. Estas primeras unidades se basaron en la energía térmica requerida para producir un cambio patrón. Son la caloría, la kilocaloría y la unidad térmica británica (.British thermal unit) o Btu. Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la tem peratura de un gram o de agua en un grado Celsius. Una kilocaloría (kcal) es la cantidad de calor necesario para elevar la te m p era tura de un kilogram o de agua en un grado Celsius (1 kcal = 1 000 cal). Una unidad térm ica británica (Btu) es la cantidad de calor necesaria para elevar la tem peratura de una libra patrón (Ib) de agua en un grado Fahrenheit. Además del hecho de que estas viejas unidades implican que la energía térmica no se puede relacionar con otras formas de energía, existen otros problemas con su uso. El calor requerido para cambiar la temperatura del agua de 92 a 93°C no es exactamente el mismo que el que se necesita para elevar la temperatura de ese líquido de 8 a 9°C. Por tanto, es necesario especificar el intervalo de temperatura para la caloría y para la unidad térmica bri tánica en aplicaciones de precisión. Los intervalos elegidos fueron 14.5 a 15.5°C y 63 a 64°F. Además, la unidad libra que aparece en la definición del Btu debe ser reconocida como la masa de la libra patrón. Esto representa el abandono de las unidades del SUEU, ya que en ese sistema la libra quedó reservada para expresar el peso. Por tanto, en este capítulo, cuando
- 372. 352 Capítulo 17 Cantidad de calor El calor produce electricidad La técnica llamada generación termoeléctrica utiliza la misma tecnología que las naves espaciales que no pueden generar electricidad a partir del Sol. El sistema funciona usando un arreglo de pares termoeléctricos semiconductores de una aleación de telurio de bismuto. Una tira bimetálica se dobla cuando se expone al calor, esta flexión completa un circuito que contiene un transistor tipo n y un transistor tipo p, que generan electricidad. Este proceso no es muy eficiente: sólo 5 por ciento de la energía calorífica se convierte en electricidad. Pero si el calor es un calor que se va a desperdiciar, ese 5 por ciento está dispuesto a obtener energía libre. Una compañía que estudia esta tecnología espera usarla para producir toda la electricidad necesaria para manejar las porciones eléctricas de un sistema de calefacción para el hogar, el cual manejaría, por tanto, sólo gas. se mencione 1 Ib de agua, nos estaremos refiriendo a la masa de agua equivalente a 1/32 slug. Esta distinción es necesaria debido a que la libra de agua debe representar una cantidad constante de materia, independientemente del lugar geográfico. Por definición, la libra masa se relaciona con el gramo y el kilogramo en la siguiente forma: 1 Ib = 454 g = 0.454 kg La diferencia entre estas antiguas unidades para el calor resulta de la diferencia que existe entre las masas y de la diferencia entre las escalas de temperatura. Como ejercicio demuestre que: 1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal (17.1) La primera relación cuantitativa entre estas unidades antiguas y las unidades tradiciona les para la energía mecánica fue establecida por Joule en 1843. Aunque Joule diseñó gran nú mero de experimentos para demostrar la equivalencia de las unidades del calor y las unidades de energía, el aparato que se recuerda con más frecuencia es el que aparece en la figura 17.1. La energía mecánica se obtenía al hacer descender pesas, las cuales hacían girar un juego de aspas dentro de un recipiente con agua. La cantidad de calor absorbido por el agua se medía partiendo de la masa conocida y de la medición del incremento de temperatura del agua. En la actualidad, el equivalente mecánico del calor ya se ha establecido con un alto gra do de precisión mediante varias técnicas. Los resultados aceptados son 1 cal = 4.186 J 1 kcal = 4186 J 1 Btu = 778 ft • Ib Por tanto, son necesarios 4.186 J de calor para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 a 15.5°C. Por el hecho de que cada una de las unidades anteriores se sigue usando, con frecuencia es necesario comparar unidades o hacer conversiones de una unidad a otra. Ahora que se han definido las unidades para la medición cuantitativa del calor, la dife rencia entre cantidad de calor y temperatura debe ser muy clara. Por ejemplo, suponga que vaciamos 200 g de agua en un vaso de precipitado y 800 g de agua en otro vaso, como muestra la figura 17.2. La temperatura inicial del agua en cada vaso es de 20°C. Se coloca una flama w Z3 w i> F MF J Figura 17.1 Experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Al descender las pesas realizan trabajo al agitar el agua y elevar su temperatura.
- 373. 17.3 Capacidad de calor específico 353 20°C 20°C I ' ? | 1 § Figura 17.2 La misma cantidad de calor se aplica a diferentes masas de agua. La masa mayor experimenta una menor elevación de temperatura. bajo cada vaso durante el mismo periodo, suministrando 8000 J de energía calorífica al agua de cada vaso. La temperatura de los 800 g de agua se incrementa un poco más de 2°C, pero la temperatura de los 200 g aumenta casi 10°C. Sin embargo, se suministró la misma cantidad de calor en cada vaso. a i Capacidad de calor específico Hemos definido la cantidad de calor como la energía térmica necesaria para elevar la tempe ratura de una masa dada. Sin embargo, la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de una sustancia, varía para diferentes materiales. Por ejemplo, suponga que aplicamos calor a cinco esferas, todas del mismo tamaño pero de material diferente, como muestra la figura 17.3a. Si deseamos elevar la temperatura de cada esfera a 100°C, descubri remos que algunas de las esferas deben calentarse más tiempo que otras. Para ilustrar esto, supongamos que cada esfera tiene un volumen de 1 cm3 y una temperatura inicial de 0°C. Cada una se calienta con un mechero capaz de suministrar energía térmica a razón de 1 cal/s. El tiempo necesario para que cada esfera alcance los 100°C aparece en la figura 17.3. Observe que la esfera de plomo alcanza la temperatura final en sólo 37 s, mientras que la esfera de hie rro requiere 90 s de calentamiento continuo. Las esferas de vidrio, aluminio y cobre necesitan tiempos intermedios entre esos valores. Puesto que las esferas de hierro y de cobre absorben más calor, se esperaría que liberaran más calor al enfriarse. Esto puede demostrarse colocando las cinco esferas (a 100°C) simul táneamente sobre una barra delgada de parafina, como se ve en la figura 17.3b. Las esferas de hierro y de cobre llegarán a fundir la parafina y a caer en el recipiente. Las esferas de plomo y de vidrio jamás la atravesarán. Es obvio que cada material debe tener alguna propiedad que se (b) Figura 17.3 Comparación entre las capacidades caloríficas de cinco esferas de materiales diferentes.
- 374. 354 Capítulo 17 Cantidad de calor relacione con la cantidad de calor absorbido o liberado durante un cambio en la temperatura. Como un paso para establecer esta propiedad, vamos a definir primero la capacidad calorífica. La capacidad calorífica de un cuerpo es la relación del calor sum inistrado res pecto al correspondiente increm ento de tem peratura del cuerpo. Q Capacidad calorífica = — (17.2) Las unidades del SI para la capacidad calorífica son joules por kelvin (J/K), pero puesto que el intervalo Celsius es el mismo que el kelvin y se usa con más frecuencia, en este texto se usará el joule por grado Celsius (J/°C). Otras unidades son las calorías por grado Celsius (cal/°C), kilocalorías por grado Celsius (kcal/°C), y los Btu por grado Fahrenheit (Btu/°F). En los ejemplos anteriores se requirieron 89.4 cal de calor para elevar la temperatura de la esfera de hierro en 100°C. Por consiguiente, la capacidad calorífica de esta esfera de hierro específica es de 0.894 cal/°C. La masa de un objeto no se incluye en la definición de capacidad calorífica. Por tanto, la capacidad calorífica es una propiedad del objeto. Para que sea una propiedad del material, se define la capacidad calorífica por unidad de masa. A esta propiedad se le llama calor espe cífico (o capacidad calorífica específica) y se simboliza por c. El calor específico de un m aterial es la cantidad de calor necesario para elevar un grado la tem peratura de una unidad de masa. Q c = Q = me A t (17.3) m At La unidad del SI para el calor específico designa al joule para el calor, al kilogramo para la masa, y al kelvin para la temperatura. Si nuevamente reemplazamos el kelvin con el grado Celsius, las unidades de c son J/(kg • °C). En la industria, la mayor parte de las mediciones de temperatura se hacen en °C o °F, y la caloría y el Btu se siguen usando aún con más fre cuencia que las unidades del SI. Por tanto, continuaremos mencionando el calor específico en unidades cal/(g • °C) y Btu/(lb ■°F), pero también usaremos las unidades del SI en algunos casos. En el ejemplo de la esfera de hierro, se determinó que su masa era de 7.85 g. El calor específico del hierro es, por tanto, Q 89.4 cal c = = -----------------------= 0.114 cal/(g- °C) m At (7.85 g)(100°C) ' Observe que nos referimos a capacidad calorífica de la esfera y al calor específico del hie rro. La primera se refiere al objeto en sí mismo, mientras que el último se refiere al material del que está hecho el objeto. En nuestro experimento de las esferas, observamos tan sólo la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura 100°C. No se tomó en cuenta la densi dad de los materiales. Si el tamaño de las esferas se ajustara de tal manera que todas tuvieran la misma masa, observaríamos diferentes resultados. En vista de que el calor específico del aluminio es el mayor, se requerirá más calor para la esfera de aluminio que para las demás. En forma similar, la esfera de aluminio podrá liberar más calor al enfriarse. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, el calor específico del agua puede consi derarse como 4186 J/(kg- °C) 4.186 J/(g- °C) 1 cal/(g • °C) o 1 Btu/(lb- °F) Observe que los valores numéricos son los mismos para el calor específico expresado en cal/g • °Cy en Btu/lb • °F. Esta es una consecuencia de sus definiciones y puede demostrarse mediante la conversión de unidades: Btu 9°F 1 Ib 252 cal 1-------- X ------- X ---------X -----------= 1 cal/(g • °C) Ib • °F 5°C 454 g 1 Btu S Los calores específicos para la mayoría de las sustancias de uso común aparecen en la tabla 17.1.
- 375. 17.4 La medición del calor 355 Tabla 17.1 Calores específicos Sustancia J/(kg •°C) cal/(g •°C) o Btu/(lb • °F) Acero 480 0.114 Agua 4186 1.00 Alcohol etílico 2500 0.60 Aluminio 920 0.22 Cobre 390 0.093 Hielo 2090 0.5 Hierro 470 0.113 Latón 390 0.094 Mercurio 140 0.033 Oro 130 0.03 Plata 230 0.056 Plomo 130 0.031 Trementina 1800 0.42 Vapor 2000 0.48 Vidrio 840 0.20 Zinc 390 0.092 Una vez que se han establecido los calores específicos de gran número de materiales, la energía térmica liberada o absorbida se puede determinar debido a múltiples experimentos. Por ejemplo, la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m en un intervalo t, partiendo de la ecuación (17.3), es Q = me At (17.4) donde c es el calor específico de la masa. m ¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 200 g de mercurio de 20 a 100°C? Solución: La sustitución en la ecuación (17.4), da Q = me At = (0.2 kg)[140 J/(kg • °C)](80°C) = 2200J La medición del calor Con frecuencia hemos destacado la importancia de distinguir entre energía térmica y tempe ratura. El término calor se ha presentado como la energía térmica absorbida o liberada du rante un cambio de temperatura. La relación cuantitativa entre calor y temperatura se describe mejor por medio del concepto de calor específico tal como aparece en la ecuación (17.4). Las relaciones físicas entre todos estos términos ahora están tomando su lugar. El principio del equilibrio térmico nos dice que siempre que los objetos se coloquen jun tos en un ambiente aislado, finalmente alcanzarán la misma temperatura. Esto es el resultado de una transferencia de energía térmica de los cuerpos más calientes a los cuerpos más fríos.
- 376. 356 Capítulo 17 Cantidad de calor Ejemplo 17.2 Si la energía debe conservarse, decimos que el calor perdido por los cuerpos calientes debe ser igual al calor ganado por los cuerposfiios. O sea, Calor perdido = calor ganado (17.5) Esta ecuación expresa el resultado neto de la transferencia de calor dentro de un sistema. El calor perdido o ganado por un objeto no se relaciona de manera sencilla con las ener gías moleculares de los objetos. Siempre que se suministra energía térmica a un objeto, éste puede absorber la energía de muy diversas maneras. El concepto de calor específico es ne cesario para medir las capacidades de diferentes materiales y utilizar la energía térmica para aumentar sus temperaturas. La misma cantidad de energía térmica suministrada no produce el mismo aumento de temperatura en todos los materiales. Por esta razón, decimos que la tem peratura es una cantidad fundamental. Su medición es necesaria para determinar la cantidad de calor perdido o ganado durante un proceso específico. Al aplicar la ecuación general para la conservación de la energía térmica, ecuación (17.5), la cantidad de calor ganado o perdido por cada objeto se calcula a partir de la ecuación Q = me Ai El término At representa el cambio absoluto en la temperatura cuando se aplica a las ganancias y pérdidas. Esto significa que debemos pensar en temperatura alta menos tempe ratura baja en vez de temperatura final menos temperatura inicial. Por ejemplo, suponga que un perno calentado, inicialmente a 80°C se deja caer en un recipiente de agua cuya tempera tura inicial es 20°. Suponga que la temperatura de equilibrio final es 30°C. Para determinar la pérdida de calor que sufrió el perno, At es +50°C y para el cálculo del calor ganado por el agua, At es + 10°C. y Se calientan balas de cobre a 90°C y luego se dejan caer en 160 g de agua a 20°C. La temperatura final de la mezcla es 25°C. ¿Cuál era la masa de las balas? Plan: Para calcular la masa de las balas de cobre, consideramos que la pérdida de calor de las balas debe ser igual al calor ganado por el agua. Como no se menciona al contene dor suponemos que no hay un intercambio de calor considerable en ninguna otra parte. Establecemos la pérdida del calor igual al calor obtenido y resolvemos para hallar la masa desconocida. Solución: Recuerde que Q = me A/ para las balas y para el agua, escribimos Calor perdido = calor ganado ^C u ^C u A^Cu ^agua^agua^^agua ^ C [/'C l|(^ C u tg) ^agua^agua(^e ^agua) A partir de la tabla 17.1 determinamos que para el cobre, c = 0.093 cal/g • °C, y para el agua, c = 1 cal/g • °C. Al sustituir las otras cantidades conocidas tenemos mFe[0.093 cal/(g • °C)](98° - 25°C) = (160 g)[l cal/(g • °C)](25°C - 20°C) mFe(6.79 cal/g) = 800 cal m-pe = 118 g En este sencillo ejemplo no hemos tomado en cuenta dos hechos importantes: (1) el agua se encuentra en un recipiente, el cual también absorbe calor del cobre; (2) el sistema completo debe aislarse de las temperaturas externas. De otro modo, el equilibrio de temperatura siem pre se alcanzaría a temperatura ambiente. Un dispositivo de laboratorio llamado calorímetro (véase la figura 17.4)se usa para tener bajo control este tipo de dificultades. Elcalorímetro consiste en un recipiente metálico delgado K, generalmente de aluminio, sostenido en su parte central y colocado dentro de una camisa externa A por medio de un soporte de hule no conduc tor H. La pérdida de calor se minimiza de tres maneras: (1) el empaque de hule evita pérdidas
- 377. 17.4 La medición del calor 357 Figura 17.4 El calorímetro de laboratorio. (Central Scientific Co.) por conducción, (2) el espacio cerrado entre las paredes del recipiente impide la pérdida de calor por corrientes de aire, y (3) un recipiente de metal muy bien pulido reduce la pérdida de calor por radiación. Estos tres métodos de transferencia de calor se estudiarán en el si guiente capítulo. La tapa de madera L tiene orificios en su parte superior para poder introdu cir un termómetro y un agitador de aluminio. Ejemplo 17.3 En un experimento de laboratorio, se utiliza un calorímetro para determinar el calor espe cífico del hierro. Se colocan 80 g de balines de hierro seco en la taza y se calienta a 95°C. La masa de la taza interior de aluminio con un agitador del mismo material es de 60 g. El calorímetro se llena parcialmente con 150 g de agua a 18°C. Los balines calientes se va cían rápidamente en la taza y se sella el calorímetro, como muestra la figura 17.5. Después que el sistema ha alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura final es 22°C. Calcule el calor específico del hierro. Plan: La pérdida de calor del hierro debe ser igual al calor ganado por el agua más el calor ganado por la taza y el agitador de aluminio. Supondremos que la temperatura inicial de la taza es la misma que la del agua y del agitador (18°C). Cuando escribimos la ecuación de la conservación, el calor específico del hierro queda como el único valor desconocido. Solución: Al organizar los datos conocidos tenemos Dados: mFe = 80 g, mM = 60 g, ma = 150 g, ías,ua = ?A, = °C, íFe = 95°C, te = 22°C Figura 17.5 Un calorímetro puede utilizarse para determinar el calor específico de una sustancia.
- 378. 358 Capítulo 17 Cantidad de calor Calcularemos el calor ganado por el agua y el aluminio por separado. 0 ilgua = me At =(150 g)(l cal/g ■°C)(22°C - 18°C) = (150 g)[l cal/(g- °C)](4 C°)= 600 cal QA] = me t = (60 g)[0.22 cal/(g • °C)](22°C - 18°C) = (60 g)(0.22 cal/g • °C)(4°C) = 52.8 cal Ahora, el calor total ganado es la suma de estos valores. Calor ganado = 600 cal + 52.8 cal = 652.8 cal Esta cantidad debe ser igual que el calor perdido por el hierro: Calor perdido = QFe = mcFe At = (80 g)cFe(95°C — 22°C) Al establecer que el calor perdido es igual que el calor ganado nos queda (80 g)cFe(73°C) = 652.8 cal Despejando cFe, obtenemos 652.8 cal cFe = ------------------= 0.11 ca /(g • °C) Fe (80 g)(73 C) ' En este experimento el calor ganado por el termómetro no se considera por ser insigni ficante. En un experimento real, la porción del termómetro que queda dentro del calorímetro absorbería aproximadamente la misma cantidad de calor que 0.5 g de agua. Esta cantidad, llamada el equivalente del agua del termómetro, debe sumarse a la masa de agua en un ex perimento de precisión. Cambio de fase Cuando una sustancia absorbe una cierta cantidad de calor, la rapidez de sus moléculas au menta y su temperatura se eleva. Dependiendo del calor específico de la sustancia, la ele vación de temperatura es directamente proporcional a la cantidad de calor suministrado e inversamente proporcional a la masa de la sustancia. Sin embargo, cuando un sólido se funde o cuando un líquido hierve ocurre algo curioso. En estos casos, la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se funde o hasta que todo el líquido hierve. Para comprender lo que le sucede a la energía aplicada, consideremos un modelo simple, como el que se ilustra en la Fig. 17.6. En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, todas las sustancias pueden existir en tresfases, sólida, líquida o gaseosa. En la fase sólida, las moléculas se mantienen unidas en una estructura cristalina rígida, de tal modo que la sustan cia tiene una forma y volumen definidos. A medida que se suministra calor, las energías de las Sólido Q = mLf Líquido - QQq Q®Q>Qq ° Q ®0 o Q = mLv Q- G a s o r * . Q O -*- í ^y Figura 17.6 Un modelo simplificado muestra las separaciones moleculares relativas en las fases sólida, líquida y gaseosa. Durante un cambio de fase, la temperatura permanece constante.
- 379. 17.5 Cambio de fase 359 partículas del sólido aumentan gradualmente y su temperatura se eleva. Al cabo del tiempo, la energía cinética se vuelve tan grande que algunas de las partículas rebasan las fuerzas elás ticas que las mantenían en posiciones fijas. La mayor separación entre ellas les da la libertad de movimiento que asociamos con la fase líquida. En este punto, la energía absorbida por la sustancia se usa para separar más las moléculas que en la fase sólida. La temperatura no au menta durante tal cambio de fase. El cambio de fase de sólido a líquido se llamafusión, y la temperatura a la cual se produce ese cambio se conoce como el punto de fusión. La cantidad de calor requerido para fundir una unidad de masa de una sustancia en su punto de fusión se llama el calor latente de fusión de esa sustancia. El calor latente de fusión Lf de una sustancia es el calor p or unidad de masa necesario para cam biar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su tem pera tura de fusión. Q Lf = ~ Q = mLf (17.6) El calor latente de fusión L se expresa en joules por kilogramo (J/kg), calorías por gramo (cal/g), o Btu por libra (Btu/lb). A 0°C, 1 kg de hielo absorberá aproximadamente 334 000 J de calor en la formación de 1 kg de agua a 0°C. Por tanto, el calor latente de fusión para el agua es de 334 000 J/kg. El término latente surge del hecho de que la temperatura permanece constante durante el proceso de fusión. El calor de fusión en el caso del agua es cualquiera de los siguientes: 3.34 X 105J/kg 334 J/g 80 cal/g o 144 Btu/lb Después de que todo el sólido se funde, la energía cinética de las partículas del líquido resultante aumenta de acuerdo a su calor específico, y la temperatura se incrementa de nuevo. Finalmente, la temperatura llegará a un nivel en el que la energía térmica se usa para cambiar la estructura molecular, formándose un gas o vapor. El cambio de fase de un líquido a vapor se llama vaporización, y la temperatura asociada con este cambio se llama el punto de ebu llición de la sustancia. La cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa se llama calor latente de vaporización. El calor latente de vaporización Lv de una sustancia es el calor p or unidad de masa necesario para cam biar la sustancia de líquido a vapor a su tem peratura de ebullición. L, = £ Q = mLv (17.7) El calor latente de vaporización Lvse expresa en unidades dejoule por kilogramo, calorías por gramo, o Btu por libra. Se ha encontrado que 1 kg de agua a 100°C absorbe 2 260 000 J de calor en la formación de 1kg de vapor a la misma temperatura. El calor de vaporización para el agua es 2.26 XI O6J/kg 2260 J/g 540 cal/g o bien 970 Btu/lb Los valores correspondientes al calor de fusión y al calor de vaporización de muchas sus tancias se muestran en la tabla 17.2. Están dados en unidades del SI y en calorías por gramo. Debe observarse que los equivalentes de Btu por libra (Btu/lb) se pueden obtener multipli cando el valor en cal/g por (9/5). Estos valores difieren únicamente debido a la diferencia en las escalas de temperatura. Se ha dado un gran apoyo al uso industrial de las unidades del SI de J/kg tanto para el L como el L ; sin embargo, pocas empresas de los Estados Unidos han hecho estas conversiones.
- 380. 360 Capítulo 17 Cantidad de calor Tabla 17.2 Calores de fusión y calores de vaporización de diversas sustancias Calor de Calor de Punto de fusión Punto de vaporización fusión --------------------------- ebullición ---------------------- Sustancia °C J/kg cal/g °C J/kg cal/g Alcohol etílico -1 1 7 .3 104 X 103 24.9 78.5 854 X 103 204 Amoniaco -7 5 452 X 103 108.1 -3 3 .3 1370 X 103 327 Cobre 1080 134 X 103 32 2870 4730 X 103 1130 Helio -2 6 9 .6 5.23 X 103 1.25 -2 6 8 .9 20.9 X 103 5 Plomo 327.3 24.5 X 103 5.86 1620 871 X 103 208 Mercurio - 3 9 11.5 X 103 2.8 358 296 X 103 71 Oxígeno -2 1 8 .8 13.9 X 103 3.3 -1 8 3 213 X 103 51 Plata 960.8 88.3 X 103 21 2193 2340 X 103 558 Agua 0 334 X 103 80 100 2256 X 103 540 Cinc 420 100 X 103 24 918 1990 X 103 475 Cuando se estudian los cambios de fase de una sustancia, con frecuencia es útil trazar un gráfico que muestre cómo varía la temperatura de la sustancia a medida que se le aplica energía térmica. Tal tipo de gráfica se muestra en la figura 17.7 para el caso del agua. Si se toma del congelador a —20°C una cierta cantidad de hielo y se calienta, su temperatura se incrementa rá gradualmente hasta que el hielo empiece a fundirse a 0°C. Por cada grado que se eleva la temperatura, cada gramo de hielo absorberá 0.5 cal de energía calorífica. Durante el proceso de fusión, la temperatura permanecerá constante, y cada gramo de hielo absorberá 80 cal de energía calorífica en la formación de 1 g de agua. Una vez que se ha fundido todo el hielo, la temperatura empieza a elevarse de nuevo con una rapidez uniforme hasta que el agua empieza a hervir a 100°C. Por cada grado de incre mento en la temperatura, cada gramo absorberá 1 cal de energía térmica. Durante el proceso de vaporización, la temperatura permanece constante. Cada gramo de agua absorbe 540 cal de energía térmica en la formación de 1 g de vapor de agua a 100°C. Si el vapor de agua que re sulta se almacena y continúa el calentamiento hasta que toda el agua se evapore, la temperatura de nuevo comenzará a elevarse. El calor específico del vapor es 0.48 cal/g • °C. Temperatura (°C) Figura 17.7 Variación de temperatura debida a un cambio de la energía térmica del agua.
- 381. 17.5 Cambio de fase 361 f ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 20 g de hielo a —25°C en vapor a 120°C? Use unidades del SI y tome las constantes de las tablas. Plan: Necesitaremos separar en cinco partes este problema: (1) el calor requerido para llevar el hielo de —25°C a la temperatura de fusión (0°C), (2) el calor requerido para fundir todo este hielo, (3) el calor para llevar el agua resultante de 0°C al punto de evaporación (100°C), (4) el calor para evaporar toda el agua y (5) el calor para aumentar la temperatura del vapor resultante a 120°C. A lo largo de todo el proceso, la masa (20 g) no cambia. El calor total requerido será la suma de estas cantidades. Con excepción de la temperatura, en este ejemplo usaremos las unidades del SI para todas las cantidades. Solución: La masa se convierte en kilogramos, m = 0.020 kg, y las constantes necesarias se toman de las tablas: cagua = 4186 J/(kg • °C), chielo = 2090 J/(kg • °C), cvapor = 2000 J/(kg • °C), Lf = 3.34 X 105J/kg; Lv = 2.26 X 106J/kg El calor necesario para elevar la temperatura del hielo de —25°C a 0°C es Qj = mch,el0Ai = (0.020 kg)[2090 J/(kg • °C)](25°C) = 1045J El calor requerido para fundir los 20 g de hielo es Q2 = mLf = (0.020 kg)(3.34 X 105J/kg) =6680 J El calor para elevar la temperatura de 20 g de agua a 100°C es 03 = mcagaa At = (0.020 kg)(4186 J/kg • °C)(100°C - 0°C) = 8372 J El calor para evaporar los 20 g de agua es Q4 = mLv = (0.020 kg)(2.26 X 106J/kg) = 45,200 J Finalmente, debemos aumentar la temperatura del vapor a 120°C. Supondremos que el vapor está contenido de alguna manera ya que está en forma de vapor y debe ser posible sobrecalentarlo. Qs = mcmpoiA t = (0.020 kg)[2000 J/(kg • °C)](120°C - 100°C) = (0.020 kg)[2000 J/(kg • °C)](20°C) = 800 J El calor total requerido es la suma de estos cinco procesos: Qt = S Q = 1045 J + 6680 J + 8372 J + 45,200 J + 800 J Qt = 62,097 J o Qt = 62.1 kJ Cuando se extrae calor de un gas, su temperatura cae hasta que alcanza la temperatura a la cual hirvió. Si se sigue extrayendo calor, el vapor retorna a la fase líquida. Este proceso se co noce como condensación. Al condensarse, un vapor libera una cantidad de calor equivalente al calor requerido para evaporarlo. Por tanto, el calor de condensación es equivalente al calor de vaporización. La diferencia radica únicamente en la dirección del calor transferido. En forma similar, cuando se extrae calor de un líquido, su temperatura disminuirá hasta que alcance la temperatura a la cual se funde. Si se sigue extrayendo calor, el líquido retor na a su fase sólida. Este proceso se conoce como congelación o solidificación. El calor de solidificación es exactamente igual al calor de fusión. Por tanto, la única diferencia entre la congelación y la fusión consiste en que el calor se libera o se absorbe. En las condiciones apropiadas de temperatura y presión, es posible que una sustancia cambie directamente de la fase sólida a la fase gaseosa sin pasar por la fase líquida. Este proceso se conoce como sublimación. El dióxido de carbono sólido (hielo seco), el yodo y el Ejemplo 17.4
- 382. alcanfor (bolas de naftalina) son ejemplos de sustancias que se sabe que se subliman a tem peraturas normales. La cantidad de calor absorbido por unidad de masa al cambiar de sólido a vapor se llama calor de sublimación. Antes de abandonar el tema de fusión y vaporización, resulta instructivo ofrecer ejemplos de cómo se miden. En cualquier mezcla, la cantidad de calor absorbido debe ser igual a la cantidad de calor liberado. Este principio se sostiene incluso si ocurre un cambio de fase. El procedimiento se demuestra en los ejemplos 17.5 y 17.6 que se exponen a continuación. 362 Capítulo 17 Cantidad de calor ñ ■ Después de agregar 12 g de hielo triturado a —10°C en el vaso de un calorímetro de aluminio que contiene 100 g de agua a 50°C, el sistema se sella y se deja que alcance el equilibrio térmico. ¿Cuál es la temperatura resultante? Plan: El calor perdido por el calorímetro y el agua debe ser igual al calor ganado por el hielo, incluyendo cualquier cambio de fase que haya ocurrido. Hay tres posibilidades para el equilibrio de temperatura: (1) 0°C con restos de agua y hielo, (2) arriba de 0°C, caso en el cual todo el hielo se funde, y (3) debajo de 0°C, si ninguno de los hielos se funde. Si se conocen la temperatura inicial y la cantidad de agua parece más probable que todo el hielo se funda y que la temperatura de equilibrio teesté por encima de 0°C. Daremos por cierta esta suposición y el resultado nos indicará si estamos en lo correcto. Solución: Calculamos la pérdida de calor total y la ganancia de calor total en forma separada con base en nuestras suposiciones. Para simplificar los cálculos, algunas veces se omitirán las unidades. Calor perdido = calor perdido por el calorímetro + calor perdido por el agua = mccc(50°C - te) + wiaguacagua(50°C - te) = (50 g)[0.22 cal/(g • °C)](50°C - te) + (100 g)[l cal/(g • °C)](50°C - te) = 550 - 11te + 5000 - 100re = 5550 - l i l i . Calor ganado = Q por el hielo + Q por lafusión + Q para alcanzar te ^ h ie lo ^ hielo ( 1 0 C ) + 1 1 1h¡e]0Zy "1“ ^^hielo^agua (fe ^ = (12 g)[0.48 cal/(g • °C)](10°C) + (12 g)(80 cal/g) + (12 g)[l cal/(g • °C)] te - 0 = 1018 — 12r, Ahora bien, establecemos la pérdida de calor total igual a la ganancia de calor total y re solvemos para hallar la temperatura final. 5550 - 11 Ir, = 1018 + 12f, 123rc = 4532 r, = 36.8°C : Si 10 g de vapor a 100°C se introducen en una mezcla de 200 g de agua y 120 g de hielo, determine la temperatura final del sistema y la composición de la mezcla. Plan: El hecho de que la cantidad de vapor sea tan pequeña, en comparación con el hielo y el agua, nos lleva a preguntarnos si será suficiente el calor que desprende el vapor para fundir todo el hielo. Para resolver esta duda, calcularemos el calor necesario para fundir Ejemplo 17.6 Ejemplo 17.5
- 383. 17.5 Cambio de fase 363 todo el hielo. Y luego lo compararemos con el calor máximo que podría desprender el va por (tomando el agua condensada a menos de 0°C). Después podremos aplicar las leyes de la conservación para calcular la temperatura final y la composición de la mezcla. Cualquier mezcla de agua y hielo en equilibrio debe tener una temperatura de 0°C. Solución: La cantidad de calor requerida para fundir todo el hielo es Q = mhieioLj = (120 g)(80 cal/g) = 9600 cal El calor máximo que esperamos que desprenda el vapor es Ql = «vaporar + ™vaporCagua000°C - 0°C) = (10)(540) + (10)(1)(100) = 6400 cal Puesto que se necesitaban 9600 cal para fundir todo el hielo y sólo 6400 cal pueden ser proporcionadas por el vapor, la mezcla final debe consistir en hielo y agua a 0°C. Para determinar la composición final de la mezcla, observe que serían necesarias 3200 calorías adicionales para fundir el hielo restante. Por consiguiente, mM ei0Lj = 3200 cal 3200 cal _ ^hielo q/~ , i, 40 g 80 cal/g Por tanto, debe haber 40 g de hielo en la mezcla final. La cantidad de agua restante es Agua restante = agua inicial + hielofundido + vapor condensado = 200 g + 80 g + 10 g = 290 g La composición final consiste en una mezcla de 40 g de hielo en 290 g de agua a 0°C. Suponga en el ejemplo 17.6 que todo el hielo se hubiera fundido y trate de calcular te como en el ejemplo 17.5. En este caso, hubiéramos obtenido un valor para la temperatura de equilibrio por debajo del punto de congelación (0°C). Resulta evidente que este tipo de respuesta sólo se puede obtener si se parte de una suposición falsa. Otro procedimiento para resolver el ejemplo 17.6 sería calcular directamente el núme ro de gramos de hielo que deben fundirse para equilibrar las 6400 cal de energía calorífica liberadas por el vapor. Queda como ejercicio para usted demostrar que en ambos casos se obtienen los mismos resultados. Estrategia para resolver problemas Cantidad de calor y calorim etría 1. Lea el problema cuidadosamente, luego trace un es quema, marcando en él la información proporcionada y establezca qué es lo que va a calcular. Tenga cuidado de incluir las unidades para todas las cantidades físi cas. 2. Si resulta una pérdida o ganancia de calor en un cambio de temperatura, necesitará decidir qué unidades son las apropiadas para el calor específico. La necesidad de usar unidades congruentes se demuestra aquí: Q = me At J = (kg) J kg • °C (°C) Es conveniente escribir las unidades del calor especí fico al hacer sustituciones, de modo que la selección de las unidades correctas para otras cantidades resulte obvia. 3. Si hay un cambio de fase, puede necesitar el calor la tente de fusión o de vaporización. Nuevamente en este caso debemos ser cuidadosos y usar aquellas unida des que sean consistentes con joules por kilogramo, calorías por gramo, o Btu por libra. La temperatura permanece constante durante un cambio de fase. 4. La conservación de la energía exige que la pérdida total de calor sea igual a la ganancia total de calor. Observe que una disminución de temperatura, la condensación o la congelación del líquido indican una pérdida de
- 384. 364 Capítulo 17 Cantidad de calor calor. Una elevación en la temperatura, fusión o va porización ocurre cuando hay una ganancia de calor. Podemos sumar los valores absolutos de las pérdidas del lado izquierdo y establecer la igualdad con las ga nancias totales del lado derecho. Como ejemplo, con sidere la masa m del vapor a 100°C mezclado con vapor r una masa m.., del hielo a 0°C. El resultado es asua a hielo 0 la temperatura de equilibrio t . Calor de combustión Siempre que una sustancia se quema, libera una cantidad definida de calor. La cantidad de ca lor por unidad de masa, o por unidad de volumen, cuando la sustancia se quema por completo se llama el calor de combustión. La unidades de uso común son el Btu por libra masa, el Btu por pie cúbico, las calorías por gramo, y las kilocalorías por metro cúbico. Por ejemplo, el calor de combustión del carbón, es aproximadamente de 13 000 Btu/lbm . Esto significa que cada libra de carbón cuando se quema por completo, libera 13 000 Btu de energía calorífica. ^ v a p o r ^ v ^ v a p o r ^ a g u a O O O / e ) ^h ielo Lf ^hielo^agua(/t? 0 ) Observe que las diferencias de temperatura se indican como alta menos baja en cada caso para obtener los valo res absolutos ganados o perdidos.
- 385. En este capítulo hemos estudiado la cantidad de calor como una cantidad medible que se basa en un cambio patrón. La unidad térmica británica y la caloría son medidas del calor requerido para elevar la temperatura de una unidad de masa de agua en un grado. Al aplicar esas unidades comunes a ex perimentos con gran variedad de materiales, hemos aprendido a predecir las pérdidas o las ganancias de calor en forma cons tructiva. Los conceptos esenciales presentados en este capítu lo son los siguientes: 9 La unidad térmica británica (Btu) es el calor necesario para cambiar la temperatura de una libra-masa de agua en un grado Fahrenheit. • La caloría es el calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado Celsius. 0 Varios factores de conversión pueden ser útiles para re solver problemas relacionados con la energía térmica: 1 Btu = 252 cal = 0.252 kcal 1 cal = 4.186 J 1 Btu = 778 ft • Ib 1 kcal = 4186 J • La capacidad calorífica específica c se usa para determi nar la cantidad de calor Q absorbida o liberada por unidad de masa m cuando la temperatura cambia en un intervalo At. e Para la conservación de la energía térmica es necesario que, en cualquier intercambio de energía térmica, el calor perdido sea igual al calor ganado. Calor perdido = calor ganado Por ejemplo, suponga que el cuerpo 1 transfiere calor a los cuerpos 2 y 3 mientras el sistema alcanza una tempe ratura de equilibrio te: nitC^t, - te) = m2 c2(te - t2) + mic3(te - t3) • El calor latente de fusión L y el calor latente de vapori zación L_son las pérdidas o ganancias de calor por unidad de masa m durante un cambio de fase. No hay cambio alguno de temperatura. Q _ r Calor latente Lf = — Q = mLf , M ■ ' m defusión Q _ Calor latente — Q = mLv . m de vaporización Si se presenta un cambio de fase, las relaciones anteriores de ben sumarse a la ecuación calorimétrica apropiada. Q . Calor c = — — Q = mc At ,~ m At especifico Conceptos clave calor 351 calor de combustión 364 calor de sublimación 362 calor específico 354 calor latente de fusión 359 calor latente de vaporización 359 caloría 351 calorímetro 356 capacidad calorífica 354 condensación 361 congelación 361 equivalente de agua 358 equivalente mecánico del calor 352 fusión 359 kilocaloría 351 punto de ebullición 359 punto de fusión 359 solidificación 361 sublimación 361 unidad térmica británica 351 vaporización 359 Preguntas de repaso 17.1. Comente la teoría del calor basada en el calórico. ¿En qué formas permite esa idea explicar con éxito los fenómenos térmicos? ¿En qué aspectos falla? 17.2. Tenemos bloques de cinco metales diferentes —aluminio, cobre, cinc, hierro y plomo— construi dos con la misma masa y la misma área en corte transversal. Cada bloque se calienta hasta una tem peratura de 100°C y se coloca sobre un bloque de hielo. ¿Cuál de ellos derretirá el hielo a la mayor profundidad? Haga una lista de los cuatro metales restantes en orden descendente, según su profundi dad de penetración. 17.3. En un día de invierno se ha observado que la nieve acumulada sobre la acera de concreto se funde antes que la de la carretera. ¿Cuál de esas áreas tiene ca pacidad calorífica más alta? 365
- 386. 17.4. Si dos objetos tienen la misma capacidad calorífica, ¿deben estar hechos forzosamente del mismo mate rial? ¿Qué podemos decir de ellos si ambos tienen el mismo calor específico? 17.5. ¿Por qué se considera que la temperatura es una cantidadfundamental? 17.6. En la figura 17.8 se presenta una analogía mecánica del concepto de equilibrio térmico. Cuando se abra la válvula, el agua fluirá hasta que tenga el mismo nivel en cada tubo. ¿Cuáles son las analogías con la temperatura y la energía térmica? 17.7. En una mezcla de hielo y agua, la temperatura tanto del hielo como del agua es de 0°C. ¿Por qué enton ces el hielo parece más frío al tacto? 17.8. ¿Por qué el vapor a 100°C produce una quemadura mucho más intensa que el agua a 100°C? Problemas Nota: Tome como referencia las tablas 17.1 y 17.2 para los valores aceptados del calor específico, el calor de vaporiza ción y el calor de fusión de las sustancias mencionadas en los siguientes problemas. Secciones 17.2 y 17.3 Cantidad de calor y capacidad calorífica específica 17.1. ¿Qué cantidad de calor se requiere para cambiar la temperatura de 200 g de plomo, de 20 a 100°C? Resp. 496 cal 17.2. Cierto proceso requiere 500 J de calor. Exprese esta energía en calorías y en Btu. 17.3. Un horno aplica 400 kJ de calor a 4 kg de una sus tancia, causando que su temperatura se eleve en 80°C. ¿Cuál es el calor específico? Resp. 1250 J/(kg°C) 17.4. ¿Qué cantidad de calor se liberará cuando 40 Ib de cobre se enfrían de 78 a 32°F? 17.5. Un automóvil de 900 kg que viaja con una veloci dad inicial de 20 m/s se detiene. El trabajo requerido para que se detenga el carro es igual a su cambio en la energía cinética. Si todo este trabajo se convirtie ra en calor, ¿qué cantidad equivalente se pierde en kilocalorías? Resp. 43 kcal 17.6. Un aparato de aire acondicionado tiene un régimen nominal de 15 000 Btu/h. Exprese esta potencia en kilowatts y en calorías por segundo. 17.7. En una taza de cerámica de 0.5 kg se sirve café caliente con un calor específico de 4186 J/(kg°C). ¿Cuánto calor absorbe la taza si la temperatura se eleva de 20 a 80°C? Resp. 125.6 kJ 17.8. Un motor eléctrico de 2 kW tiene 80% de eficiencia. ¿Cuánto calor se pierde en 1 h? F igura 17.8 Analogía m ecánica de cómo se igualan las temperaturas. 17.9. La temperatura de 1 g de hierro se eleva en 1°C. ¿Cuánto calor más se requeriría para elevar la tem peratura de 1 Ib de hierro en 1°F? 17.9. Un casquillo de cobre de 8 kg tiene que calentarse de 25 a 140°C con el fin de expandirlo para que se ajuste sobre un eje. ¿Cuánto calor se requirió? Resp. 358.8 kJ 17.10. ¿Cuántos gramos de hierro a 20°C será necesario ca lentar a 100°C para que liberen 1800 cal de calor du rante el proceso de volver a su temperatura original? 17.11. Un trozo de 4 kg de metal (c = 320 J/(kg°C)) se encuentra inicialmente a 300°C. ¿Cuál será su tem peratura final si pierde 50 kJ de energía calorífica? "Resp. 261 °C 17.12. En un tratamiento a base de calor, una parte de co bre caliente se enfría con agua, por lo cual pasa de 400 a 30°C. ¿Cuál era la masa de dicha parte si per dió 80 kcal de calor? Sección 17.4 La medición del calor 17.13. Un tubo de cobre de 400 g que se encuentra inicial mente a 200°C se sumerge en un recipiente que con tiene 3 kg de agua a 20°C. Pasando por alto otros intercambios de calor, ¿cuál será la temperatura de equilibrio de la mezcla? Resp. 22.2°C 17.14. ¿Qué cantidad de aluminio (c = 0.22 cal/(g°C)) a 20°C tendrá que añadirse a 400 g de agua caliente a 80°C para que la temperatura de equilibrio sea de 30°C? 17.15. Un trozo de metal de 450 g se calienta a 100°C y luego se deja caer en la taza de un calorímetro de aluminio de 50 g que contiene 100 g de agua. La temperatura inicial de la taza y del agua es de 10°C y la temperatura de equilibrio es de 21.1°C. Calcule el calor específico del metal. Resp. 0.0347 cal/g°C 366 Capítulo 17 Resumen y repaso
- 387. 17.16. ¿Qué masa de agua que inicialmente estaba a 20°C se debió mezclar con 2 kg de hierro para hacer que la temperatura del hierro bajara de 250°C a una tem peratura de equilibrio de 25°C? 17.17. Un trabajador saca un trozo de hierro de 2 kg de un horno y lo coloca en un recipiente de aluminio de 1 kg, que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua. Si la temperatura del agua sube de 21 a 50°C, ¿cuál era la temperatura inicial del hierro? Resp. 336.67°C 17.18. ¿Cuánto hieiTo a 212°F se deberá mezclar con 10 Ib de agua a 68°F con el fin de tener una temperatura de equilibrio de 100°F? 17.19. Un bloque de cobre de 1.3 kg se calienta a 200°C y luego se introduce en un recipiente aislado que se ha llenado parcialmente con 2 kg de agua a 20°C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio? Resp. 30.3°C 17.20. Cincuenta gramos de perdigones de cobre se calien tan a 200°C y luego se introducen en una taza de aluminio de 50 g que contiene 160 g de agua. La temperatura inicial de la taza y el agua es de 20°C. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio? Sección 17.5 Cambio de fase 17.21. En una fundición hay un horno eléctrico con capa cidad para fundir totalmente 540 kg de cobre. Si la temperatura inicial del cobre era de 20°C, ¿cuánto calor en total se necesita para fundir el cobre? Resp. 2.96 X 108J 17.22. ¿Cuánto calor se requiere para fundir totalmente 20 g de plata a su temperatura de fusión? 17.23. ¿Qué cantidad de calor se necesita para convertir 2 kg de hielo a — 25°C en vapor a 100°C? Resp. 6.13 X 106J 17.24. Si 7.57 X 106J de calor se absorben en el proceso de fundir por completo un trozo de 1.60 kg de un metal desconocido, ¿cuál es el calor latente de fu sión y de qué metal se trata? 17.25. ¿Cuántos gramos de vapor a 100°C es necesario mezclar con 200 g de agua a 20°C con el fin de que la temperatura de equilibrio sea de 50°C? Resp. 10.17 g 17.26. ¿Cuánto calor se libera en total cuando 0.500 Ib de vapor a 212°F se convierte en hielo a 10°F? 17.27. Cien gramos de hielo a 0°C se mezclan con 600 g de agua a 25°C. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio para la mezcla? Resp. 10.0°C 17.28. Cierta calidad de gasolina tiene un calor de combus tión de 4.6 X 10' J/kg. Suponiendo una eficiencia de 100%, ¿cuánta gasolina habrá que quemar para fundir totalmente 2 kg de cobre a su temperatura de fusión? Problemas adicionales 17.29. Si se aplican 1600 J de calor a una esfera de bronce, su temperatura sube de 20 a 70°C. ¿Cuál es la masa de esa esfera? Resp. 82.1 g 17.30. ¿Cuánto calor absorbe un congelador eléctrico cuando hace que la temperatura de 2 kg de agua descienda de 80 a 20°C? 17.31. Un elemento calefactor proporciona una potencia de salida de 12 kW. ¿Cuánto tiempo se necesita para fundir por completo un bloque de plata de 2 kg? Supongamos que no hay ningún desperdicio de potencia. Resp. 14.7 s 17.32. ¿Cuánto hielo a —10°C se debe agregar a 200 g de agua a 50°C para que se produzca la temperatura de equilibrio a 40°C? 17.33. Suponga que 5 g de vapor a 100°C se mezclan con 20 g de hielo a 0°C. ¿Cuál será la temperatura de equilibrio? Resp. 64.0°C 17.34. ¿Cuánto calor desarrollan los frenos de un camión de 4000 Ib para frenar al vehículo a partir de una rapidez de 60 mi/h? 17.35. Doscientos gramos de cobre a 300°C se introducen en una taza de calorímetro de cobre de 310 g par cialmente lleno con 300 g de agua. Si la temperatura inicial de la taza y el agua era de 15°C, ¿cuál será la temperatura de equilibrio? Resp. 30.3°C 17.36. ¿Cuántas libras de carbón será necesario quemar para derretir totalmente 50 Ib de hielo en un cale factor cuya eficiencia es del 60%? 17.37. Si 80 g de plomo derretido a 327.3°C se vierten en un molde de hierro de 260 g cuya temperatura ini cial es de 20°C, ¿cuál será la temperatura de equi librio si las demás pérdidas son insignificantes? Resp. 58.9°C 17.38. ¿Qué temperatura de equilibrio se alcanza cuando 2 Ib de hielo a 0°F se colocan en una taza de aluminio de 3 Ib que contiene 7.5 Ib de agua? La temperatura de la taza y la del agua son inicialmente de 200°F. 17.39. Un colector solar tiene 5 m2de área y la potencia de la energía solar llega hasta él a razón de 550 W/m2. Esta potencia se usa para elevar la temperatura de 200 g de agua de 20 a 50°C. ¿Cuánto tiempo reque rirá este proceso? Resp. 9.13 s 17.40. Si 10 g de leche a 12°C se agregan a 180 g de café a 95°C, ¿cuál será la temperatura de equilibrio? Su- Capítulo 17 Resumen y repaso 367
- 388. ponga que la leche y el café consisten esencialmente energía inicial es absorbida por la bala. ¿Cuál es el en agua. incremento registrado en la temperatura de la bala? *17.41. ¿Cuántos gramos de vapor a 100°C es necesario *17.43. Si 4 g de vapor a 100°C se mezclan con 20 g de hielo añadir a 30 g de hielo a 0°C para obtener una tem- a — 5°C, calcule la temperatura final de la mezcla, peratura de equilibrio de 40°C? Resp. 6.00 g Resp. 37.9°C *17.42. Una bala de plomo de 5 g que se mueve a 200 m/s se incrusta en un trozo de madera. La mitad de su Preguntas para la reflexión crítica 17.44. Un recipiente aislado de gran tamaño contiene 120 g de café a 85°C. ¿Cuánto hielo a 0°C habrá que añadir para que el café se enfríe hasta 50°C? Ahora bien, ¿cuánto café a 100°C habrá que agregar para que el contenido vuelva a estar a 85°C? ¿Cuántos gramos habrá al final en el recipiente? Resp. 32.3 g, 355 g, 508 g 17.45. Se han fabricado cuatro bloques de 200 g de cobre, aluminio, plata y plomo respectivamente, de modo que todos tengan la misma masa y la misma área en su base (aunque sus alturas sean diferentes). La temperatura de cada bloque se eleva de 20 a 100°C aplicando calor a razón de 200 J/s. Calcule cuánto tiempo necesita cada bloque para llegar a 100°C. 17.46. Cada uno de los bloques de la pregunta 17.45 se coloca sobre un gran trozo de hielo. Calcule cuánto hielo se derrite a causa de cada bloque, sabiendo que todos los bloques llegan al equilibrio a 0°C. ¿Cuál de los bloques se hunde más profundamente y cuál se hunde menos? Resp. Pb = 7.78 g, Ag = 13.8 g, Cu = 23.4 g, Al = 55.1 g, Al, Pb 17.47. En un experimento para determinar el calor latente de vaporización en el caso del agua, un estudiante ha comprobado que la masa de la taza de un calorí metro de aluminio es de 50 g. Después de agregar cierta cantidad de agua, la masa combinada de la taza y el agua es de 120 g. La temperatura inicial de la taza y el agua es de 18°C. Cierta cantidad de vapor a 100°C se introduce en el calorímetro y se observa que el sistema alcanza el equilibrio a 47.4°C. La masa total de la mezcla final es de 124 g. ¿Qué valor obtendrá el estudiante para el calor de vaporización? *17.48. Masas iguales de hielo a 0°C, agua a 50°C y va por a 100°C se mezclan y se deja que alcancen el equilibrio. ¿Se condensará el vapor? ¿Cuál será la temperatura de la mezcla final? ¿Qué porcentaje de la mezcla final será de agua y qué porcentaje será de vapor? Resp. no, 100°C, 19.1% de vapor y 80.9% de agua *17.49. Si 100 g de agua a 20°C se mezclan con 100 g de hielo a 0°C y 4 g de vapor a 100°C, halle la tempe ratura de equilibrio y la composición de la mezcla. *17.50. Diez gramos de hielo a —5°C se mezclan con 6 g de vapor a 100°C. Calcule la temperatura final y la composición de la mezcla. Resp. 100°C, 13.4 g de agua, 2.62 g de vapor 368 Capítulo 17 Resumen y repaso
- 389. Transferencia de calor La transferencia de calor se demuestra con un fuelle de vidrio. Vidrio fundido se mantiene dentro de un hom o sujeto de un extremo de una barra larga. El calor que se siente en las manos que sujetan el otro extremo se debe a la conducción por la barra; el calor que se siente en el rostro se debe a la radiación. Si fuera posible poner una mano sobre el vidrio fundido, el calor sentido se debería a las corrientes de radiación y de convección. En el presente capítulo se explica cada una de estas formas de transferencia de calor. (.Fotografía de Paul E. Tippens.) Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Demostrará mediante definiciones y ejemplos su comprensión acerca de la conductividad térmica, la convección y la radiación. 2. Resolverá problemas sobre conductividad térmica que incluyan parámetros tales como cantidad de calor (Q), área superficial (A), temperatura de la super ficie (t), tiempo (t ) y espesor de material (L). 3. Resolverá problemas que supongan la transferencia de calor por convección y comentará el significado del coeficiente de convección. 4. Definirá la razón de radiación y la em isividad y aplicará estos conceptos para resolver problemas que comporten la radiación térmica. Nos hemos referido al calor como una forma de energía en tránsito. Siempre que hay una diferencia de temperatura entre dos cuerpos o entre dos partes de un mismo cuerpo se dice que el calorfluye en la dirección de mayor a menor temperatura. Hay tres métodos principales por los que ocurre tal intercambio de calor: conducción, convección y radiación. En la figura 18.1 se muestran ejemplos de los tres. 369
- 390. 370 Capítulo 18 Transferencia de calor Las aletas disipadoras de calor son barras de metal con forma ondulada que van incorporadas a determinados componentes, como las fuentes de energía que son propensas al sobrecalentamiento. La forma de estas aletas aumenta el área superficial por volumen del meta!, lo cual incrementa la posibilidad de que el calor sea transferido del metal al aire circundante. (a) Conducción (b) Convección (c) Radiación Figura 1 8.1 Los tres métodos de transferencia de calor: (a) conducción, (b) convección y (d) radiación. Métodos de transferencia de calor La mayor parte de nuestra explicación ha supuesto la transferencia de calor por conducción: mediante colisiones moleculares entre moléculas vecinas. Por ejemplo, si sostenemos con una mano un extremo de una barra de hierro y metemos el otro en el fuego, al cabo de cierto tiempo el calor llegará hasta nuestra mano a causa de un proceso de conducción. El incremen to de la actividad molecular en el extremo calentado va pasando de una a otra molécula hasta que llega a nuestra mano. El proceso continúa mientras haya una diferencia de temperatura a lo largo de la barra. La conducción es el proceso por el que se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a lo largo de un medio material. El medio en sí no se mueve. La aplicación más frecuente del principio de conducción probablemente es la de cocinar. Por otra parte, si colocamos la mano por encima del fuego, como se muestra en la figura 18.1b, podemos sentir la transferencia de calor al elevarse el aire caliente. Este proceso, llamado convección, difiere del de conducción porque el medio material sí se mueve. El calor se transfie re mediante el movimiento de masas, en vez de ir pasando a través de las moléculas vecinas. La convección es el proceso por el que se transfiere calor por medio del movi miento real de la masa de un fluido. Las corrientes de convección constituyen la base de los sistemas para calentar y enfriar la mayoría de las casas. Cuando colocamos nuestra mano en la proximidad del fuego, la principal fuente de calor es la radiación térmica. La radiación implica la emisión o absorción de ondas electromagné ticas que se originan en el nivel atómico. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz (3 X 10s m/s) y no requieren la presencia de ningún medio material para propagarse. La radiación es el proceso por el que el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas.
- 391. 18.2 Conducción 371 H ¿ h Figura 18.2 Medición de la conductividad térmica. Como el aire es mucho mejor aislador que el metal, algunas bombas caloríficas de alta tecnología conducen el calor a través de metal para extraerlo de la parte sobrecalentada hacia un área más fría. La fuente más evidente de energía radiante es nuestro propio Sol. Ni la conducción ni la con vección pueden intervenir en el proceso de transferencia que hace llegar su energía térmica, a través del espacio, hasta la Tierra. La enorme cantidad de energía térmica que recibe nuestro planeta se transfiere por radiación electromagnética. Sin embargo, cuando entra en juego un medio material, la transferencia de calor que se puede atribuir a la radiación generalmente es pequeña, en comparación con la cantidad que se transfiere por conducción y convección. Por desgracia, hay gran número de factores que afectan la transferencia de energía térmica por los tres métodos. La tarea de calcular la cantidad de energía térmica transferida en cierto proceso es complicada. Las relaciones que se analizarán en las secciones ulteriores se basan en observaciones empíricas y se consideran condiciones ideales. El grado en que sea posible encontrar esas condiciones determina, en general, la exactitud de nuestras predicciones. Conducción Cuando dos partes de un material se mantienen a temperaturas diferentes, la energía se trans fiere por colisiones moleculares de la más alta a la más baja temperatura. Este proceso de conducción es favorecido también por el movimiento de electrones libres en el interior de la sustancia, los cuales se han disociado de sus átomos de origen y tienen la libertad de moverse de uno a otro átomo cuando son estimulados ya sea térmica o eléctricamente. La mayoría de los metales son eficientes conductores del calor porque tienen cierto número de electrones libres que pueden distribuir calor, además del que se propaga por la agitación molecular. En general, un buen conductor de la electricidad también lo es del calor. La ley fundamental de la conducción térmica es una generalización de resultados ex perimentales relacionados con el flujo de calor a través de un material en forma de placa. Consideremos la placa de espesor L y área A de la figura 18.2. Una cara se mantiene a una temperatura t y la otra a una temperatura t'. Se mide la cantidad de calor Q que fluye en di rección perpendicular a la cara durante un tiempo r. Si se repite el experimento para diversos materiales de diferentes espesores y áreas de la cara, estaremos en condiciones de hacer algu nas observaciones generales relacionadas con la conducción de calor: 1. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional a la diferencia de temperatura (Ai = t'— i) entre las dos caras. 2. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional al área A de la placa. 3. La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al espesor L de la placa. Estos resultados se pueden expresar en forma de ecuación introduciendo la constante de proporcionalidad k. Así pues, escribimos Q At H — — = kA— (18.1) t L donde H representa la razón con la que se transfiere el calor. Aun cuando la ecuación se estableció para un material en forma de placa, también se cumple para una barra de sección transversal A y longitud L. La constante de proporcionalidad k es una propiedad de cada material que se conoce como conductividad térmica. A partir de la ecuación anterior, se puede observar que las sustancias con alta conductividad térmica son buenas conductoras del calor, mientras que las sustancias con baja conductividad son conductoras pobres o aislantes. Laconductividad térmica de una sustancia es una medida de su capacidad para conducir elcalor y se define por medio de larelación: k = (18.2) rA Ai
- 392. 372 Capítulo 18 Transferencia de calor El valor numérico de la conductividad térmica depende de las unidades elegidas para calor, espesor, área, tiempo y temperatura. Sustituyendo con las unidades del SI para cada una de estas cantidades obtenemos las unidades aceptadas siguientes: Unidades del SI: J/(s •m •°C) o bien W/(m •K) Como recordará, el joule por segundo (J/s) es la potencia en watts (W), y los intervalos de temperatura kelvin y Celsius son iguales. Por desgracia, hoy en día las unidades SI de la conductividad se usan poco enla indus tria; la elección de las unidades empleadas se basa más en el criterio de lacomodidad de la medición. Por ejemplo, en el SUEU, el calor se mide en Btu, el espesor en pulgadas, el área en pies cuadrados, el tiempo en horas y el intervalo de temperatura en grados Fahrenheit. En consecuencia, las unidades de la conductividad térmica a partir de la ecuación (18.2) son SUEU: k = Btu • in/(ft2•h • °F) En el sistema métrico, en el caso de la transferencia de calor se emplean con más frecuencia las calorías que el joule; por tanto, las unidades siguientes se usan a menudo: Unidades métricas: k = kcal/m • s • °C Los factores de conversión siguientes le serán útiles: 1kcal/(s • m • °C) = 4186 W/(m • K 1 Btu • in/(ft2•h • °F) = 3.445 X 10“5kcal/(m • s • °C) Las conductividades térmicas de diversos materiales se muestran en la tabla 18.1. Tabla 18.1 Conductividad térmica y valores R Conductividades térmicas, k Valores R Sustancia W/(m • K) kcal/(m • s • °C) Btu • in/(ft2 • h • °F) 3 P Q fe 0 Aluminio 205 5.0 X 10“- 1451 0.00069 Latón 109 2.6 X 10~2 750 0.0013 Cobre 385 9.2 X 10"2 2660 0.00038 Plata 406 9.7 X 10“2 2870 0.00035 Acero 50.2 1.2 X 10~2 320 0.0031 Ladrillo 0.7 1.7 X io -4 5.0 0.20 Concreto 0.8 1.9 X 10“4 5.6 0.18 Corcho 0.04 1.0 X 10~? 0.3 3.3 Cartón de yeso 0.16 3.8 X 10~5 1.1 0.9 Fibra de vidrio 0.04 1.0 X 10“5 0.3 3.3 Vidrio 0.8 1.9 X 10~4 5.6 0.18 Poliuretano 0.024 5.7 X 10~6 0.17 5.9 Forro de madera 0.55 1.3 X 10“5 0.38 2.64 Aire 0.024 5.7 X 10“6 0.17 5.9 Agua 0.6 1.4 X 10~4 4.2 0.24 *Los valores R se basan en un espesor de 1 in. La pared exterior de un homo de ladrillos tiene un espesor de 6 cm. La superficie interior se encuentra a 150°C y la exterior a 30°C. ¿Cuánto calor se pierde a través de un área de 1 m2durante 1 h? Pía n: La razón de flujo de calor está dada por la ecuación 18.1. La elección de las unida des para esa cantidad queda determinada por la elección que se haga de la conductividad con base en la tabla 18.1. Usaremos unidades del SI, de modo que para el ladrillo, k = 0.7
- 393. 18.2 Conducción 373 W/m ■K. Luego, la longitud ha de estar en m, el área en m2, el tiempo en s y la temperatura en K, así que el calor se expresará en joules (J). Dados: A = 1 m2, L = 0.060 m, r = 1 h = 3600 s, At = (150°C - 30°C) = 120°C = 120 K Solución: despejando O de la ecuación (18.1) obtenemos At Q = kAr — ^ L [0.7 W/(mK)](l m2)(3600 s)(120 K) , Q = 1---------------—----- ---------- ---------- =5.04 X 106J ^ 0.060 m Por tanto, 5.04 MJ de calor fluye cada hora del interior de la pared de ladrillos al exterior. Siempre es conveniente indicar cuáles son las unidades que corresponden a cada cantidad durante toda la resolución de un problema. Esta práctica le evitará muchos errores innecesarios. Por ejemplo, a veces es fácil olvidar que, en las unidades del SUEU, el espesor debe expresarse en pulgadas y el área enpies cuadrados. Si durante la sustitución las unidades de la conductividad térmica se indican junto con su respectivo valor numérico, no se cometerá ese tipo de errores. Cuando se conectan dos materiales de diferente conductividad, la razón a la que se con duce el calor a través de cada uno de ellos debe ser constante. Si no hay fuentes o sumideros de energía térmica dentro de los materiales y los extremos se mantienen a temperatura cons tante, se logrará finalmente un flujo estacionario, ya que el calor no puede “acumularse” ni “acelerarse” en un punto determinado. La conductividad de los materiales no cambia y el espesor es fijo, lo que significa que los intervalos de temperatura de cada material deben ajus tarse para producir el flujo estacionario de calor a lo largo de la estructura compuesta. 1#-' f S * I . 'v % 11 La pared compuesta de una planta congeladora está formada por una capa de corcho de 10 cm de espesor en el interior y una pared de concreto sólido de 14 cm de espesor en el exterior (figura 18.3). La temperatura de la superficie interior de corcho es de — 20°C, y la superficie exterior de concreto se encuentra a 24°C. (a) Determine la temperatura de la interfaz o zona de contacto entre el corcho y el concreto, (b) Calcule la razón de flujo de calor perdido de calor en watts por metro cuadrado. Plan: En el caso de un flujo estacionario, la razón de flujo de calor a través de la cubierta de corcho es igual a la razón de flujo de calor a través del concreto. Como las áreas son las mismas, podemos igualar las razones de flujo de calor por unidad de área (.HIA) para la pa red de corcho y para la pared de concreto. Con base en esta ecuación podemos determinar Figura 18.3 Conducción de calor por una pared compuesta.
- 394. 374 Capítulo 18 Transferencia de calor la temperatura de la zona de contacto y luego usar el resultado para encontrar la razón de flujo de calor por cualquiera de las paredes, ya que las razones son iguales. Solución (a): Se consulta en la tabla 18.1 la conductividad del corcho y la del concreto. Usaremos el subíndice 1para denotar el corcho y el 2 para el concreto. Con t. se represen tará la temperatura en la zona de contacto de ambos materiales. Como H/A es igual en los dos, podemos escribir H, H, — (corcho) = — (concreto) A[ A2 kdtj ~ (~20°C)] k2(24°C - t¡) 0.10 m 0.14 m [0.04 W/(m •K)](ff + 20°C) _ [0.8 W/(m • K)](24°C - t,) 0.10 m ~ ~ 0.14 m Ahora, para simplificar multiplicamos cada término por 14 para obtener 5.6(t¡ + 20 °C) = 80(24 °C - t¡) t¡ = 21.1 °C Solución (b): El flujo de calor por unidad de área por unidad de tiempo puede encon trarse ahora partiendo de la ecuación (18.1), ya sea que se aplique al corcho o al concreto. Para el concreto tenemos H2 _ k2(24°C - t¡) A2 0.14 m _ [0.8 W/(m ■K)](24°C - 21.1°C) 0.14 m = 16.4 W/m2 Observe que el intervalo kelvin y el Celsius se cancelan mutuamente, ya que ambos son iguales. La misma razón se calcularía para el corcho. La diferencia de temperatura entre los puntos extremos del corcho es 41.1°C, mientras que la diferencia de temperatura del concreto es de sólo 2.9°C. Los intervalos de temperatura diferentes resultan principalmente de la diferencia en la conductividad térmica de las paredes. Aislamiento: el valor R La convección forzada es un proceso de convección en el que el movimiento del fluido (o el aire) se mantiene por algo diferente del contenido calorífico del fluido. Las pérdidas de calor en los hogares e industrias con frecuencia se deben a las propiedades aislantes de sus diversos muros compuestos. A veces se desea saber, por ejemplo, cuáles serían los efectos de remplazar con material aislante de fibra de vidrio los espacios cerrados (sin ventilación) que se encuentran entre los muros. Para resolver esos casos en varias aplica ciones de ingeniería se ha introducido el concepto de resistencia térmica R. El valor R de un material de espesor L y de conductividad térmica k se define de este modo: L R = - k Si reconocemos que el flujo de calor de estado estacionario por un muro compuesto es cons tante (véase el ejemplo 18.2) y aplicamos la ecuación de conductividad térmica a cierto nú mero de espesores de diferentes materiales, se puede demostrar que Q A A t A A t 2 .(L A ) (18.3) La cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (Q/t) a través de cierto número de espe sores de diferentes materiales es igual al producto del área A y la diferencia de temperatura At
- 395. 18.4 Convección 375 I t Figura 18.4 Ejemplo de la convección natural. dividido entre la suma de los valores R de esos materiales. Los valores R de los materiales de cons trucción de uso más frecuente se expresan casi siempre en unidades del SUEU, como se muestra en la tabla 18.1. Por ejemplo, el aislante de fibra de vidrio para techos, que tiene 6 in de espesor, tiene un valor R de 18.8 ft2•°F ■h/Btu. Un ladrillo de 4 in tiene un valor R de 4.00 ft2•°F •h/Btu. Estos materiales, colocados uno al lado del otro, tendrían un valor R total de 22.8 ft2•°F •h/Btu. Convección La convección se ha definido como el proceso por el que el calor es transferido por medio del movimiento real de la masa de un medio material. Una corriente de líquido o de gas que absorbe energía de un lugar y lo lleva a otro, donde lo libera a una porción más fría del fluido recibe el nombre de comente de convección. En la figura 18.4 se presenta una demostración de laborato rio acerca de una corriente de convección. Una sección rectangular de tubería de vidrio se llena de agua y se calienta en una de las esquinas inferiores. El agua que está cerca de la flama se ca lienta y se dilata, volviéndose menos densa que el agua más fría que está sobre ella. A medida que el agua caliente se eleva, es remplazada por agua más fría del tubo inferior. Este proceso continúa hasta que una corriente de convección contraria al movimiento de las agujas del reloj circula por la tubería. La existencia de dicha corriente se demuestra en forma ostensible dejando caer gotas de tinta por la parte superior abierta. La tinta es transportada por la corriente de convección hasta que finalmente regresa a la parte de arriba, proveniente de la sección derecha de la tubería. Si el movimiento de un fluido es causado por una diferencia de densidad originada por un cambio de temperatura, la corriente producida se conoce como convección natural. El agua que fluye por la tubería de vidrio del ejemplo anterior representa una corriente de convección natural. Cuando un fluido es obligado a moverse por la acción de una bomba o unas aspas, la corriente producida se conoce como convección forzada. Corrientes de convección de ambos tipos, natural y forzada, se presentan en el proceso de ca lentar una casa con un calentador de gas convencional, como el que se muestra en la figura 18.5. Un intercambiador de calor lo transfiere de las flamas del gas al contenedor de metal. El calefactor obliga al aire a pasar por el contenedor caliente y luego por los conductos de la casa. El aire re- Figura 18.5 Comentes de convección forzada originadas por un homo de calefacción central. El intercam biador de calor lo transfiere de la caldera por el conducto de ventilación. Los productos de la combustión se ventilan hacia el exterior y jamás se mezclan con el aire empleado para calentar la casa.
- 396. 376 Capítulo 18 Transferencia de calor gresa por otro conjunto de tubos y vuelve a entrar en el homo a través de un filtro. Un termostato mide la temperatura de la casa y regula el calefactor y la fuente de combustible para suministrar la cantidad de calor deseada. Los primeros calefactores de gas desperdiciaban cerca de 40% de la energía que se les suministraba; hoy, los más modernos llegan a alcanzar eficiencias de 90% gracias a que utilizan mecanismos como vapor condensado o cámaras de combustión selladas. Calcular el calor transferido por convección es una tarea sumamente difícil. Muchas de las propiedades físicas de un fluido dependen de la temperatura y de la presión; por eso en la mayor parte de los casos sólo se puede hacer un cálculo aproximado del proceso. Por ejemplo, considere una placa conductora de material cuya área es A y su temperatura t que se sumerge por completo en un fluido más frío, cuya temperatura es ¡r como se ilustra en la figura 18.6. El fluido que entra en contacto con la placa se eleva y desplaza al fluido más frío. La observa ción experimental muestra que la razón H con la que el calor se transfiere por convección es proporcional al área A y a la diferencia de temperatura At entre la placa y el fluido. A diferencia de la conductividad térmica, la convección no es una propiedad del sólido o del fluido, sino que depende de muchos parámetros del sistema. Se sabe que varía según la geometría del sólido y el acabado de su superficie, la velocidad y la densidad del fluido y la conductividad térmica. Las diferencias de presión influyen también en la transferencia de calor por convección. Para entender cómo la convección es afectada por la geometría, sólo hay que considerar las diferencias evidentes que se presentan por un piso cuya cara está hacia arriba o por un cielorraso cuya cara está hacia abajo. Se han desarrollado varios modelos para realizar estimaciones matemáticas de la transferencia de calor por convección, pero ninguno es lo suficientemente confiable para incluirlo en esta exposición. Radiación El término radiación se refiere a la emisión continua de energía en forma de ondas electromagné ticas originadas en el nivel atómico. Ejemplos de ondas electromagnéticas son los rayos gama, los rayos X, las ondas de luz, los rayos infrarrojos, las ondas de radio y las de radar; la única diferencia que hay entre ellas es la longitud de onda. En esta sección estudiaremos la radiación térmica. La radiación térmica se debe a ondas electromagnéticas emitidas o absorbidas por un sólido, un líquido o un gas debido a su temperatura. Todos los objetos con una temperatura superior al cero absoluto emiten energía radiante. A bajas temperaturas, la razón de emisión es pequeña y la radiación es predominantemente de longitudes de onda grandes. A medida que la temperatura se eleva, esa razón aumenta rápidamente y la radiación predominante corresponde a longitudes de onda más cortas. Si se calienta sin parar una barra de hierro, finalmente emitirá radiación en la región visible; de ese hecho han surgido las expresiones caliente al rojo vivo y caliente cil blanco. Las mediciones experimentales han demostrado que la razón a la que es radiada la ener gía térmica desde una superficie varía directamente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo radiante. Dicho de otro modo, si la temperatura de un objeto se duplica, la razón con la que emite energía térmica se incrementa dieciséis veces. Un factor adicional que ha de considerarse al calcular la razón de transferencia de calor por radiación es la naturaleza de las superficies expuestas. Los objetos que son emisores eficientes de la radiación térmica son también eficientes para absorberla. Un objeto que ab sorbe toda la radiación que incide sobre su superficie se llama absorbedor ideal. Un objeto de este tipo será también un radiador ideal. No existe un absorbedor realmente ideal; pero, en general, cuanto más negra sea una superficie, tanto mejor absorberá la energía térmica. Por ejemplo, una camisa negra absorbe más energía radiante solar que una camisa más clara. Puesto que la camisa negra es también buena emisora, su temperatura externa será más alta que la temperatura de nuestro cuerpo, lo cual hace que nos sintamos incómodos. A veces un absorbedor ideal o un radiador ideal se conoce como cuerpo negro por las razones mencionadas. La radiación emitida por un cuerpo negro se denomina radiación ele cuerpo negro. Aunque tales cuerpos no existen en realidad, el concepto es útil como un pa trón para comparar la emisividad de diversas superficies. Y ,4 Arca tic la cara j Figura 18.6 Cuando se coloca una placa caliente en un fluido frío, las corrientes de convección transfieren el calor lejos de la placa con una razón proporcional a la diferencia de temperaturas y al área de la misma placa.
- 397. 18.5 Radiación 377 Una masa de tierra cubierta de hielo La Antártica es un continente cubierto de hielo. En invierno la extensión del hielo aumenta, ya que un área de océano de aproximadamente 15 millones de kilómetros cuadrados se vuelve hielo marítimo. El hielo del mar es un aislador muy eficaz. La pérdida de calor ocasionada por los bolsones de mar abierto puede superar hasta en dos órdenes de magnitud a ia pérdida de calor del hielo. Cuando el agua de mar se congela, la sal contenida en el océano no se congela junto con el hielo. Así, el agua de mar que está debajo del hielo se vuelve más salada. Esta diferencia en salinidad o concentración de sal genera una importante corriente oceánica. El hielo que está cubierto de nieve refleja mucho más la luz que el océano abierto. Esto reduce en gran medida la cantidad de luz disponible para la fotosíntesis bajo el hielo. En lo que se refiere a la transferencia de calor, el efecto de aislamiento y la producción de corrientes oceánicas, el hielo marítimo que está alrededor de la Antártica es determinante para el clima de nuestro planeta. La emisividad e es una medida de la capacidad de un cuerpo para absorber o emitir radiación térmica. La emisividad es una cantidad adimensional que tiene un valor numérico entre 0 y 1, según la naturaleza de la superficie. En el caso de un cuerpo negro, es igual a la unidad. Para una superficie de plata perfectamente pulida el valor de la emisividad se aproxima a cero. La razón de radiación R de un cuerpo se define formalmente como la energía radiante emitida por unidad de área por unidad de tiempo; dicho de otro modo, la potencia por unidad de área. En forma simbólica esto se expresa E P R = - = - (18.4) tA A Si la potencia radiante P se expresa en watts y la superficie A en metros cuadrados, la razón de radiación estará expresada en watts por metro cuadrado. Como ya lo hemos dicho, esta razón depende de dos factores: la temperatura absoluta T y la emisividad e del cuerpo radiante. El enunciado formal de esta dependencia, conocida como la ley Stefan-Boitzmann, se puede escribir como R = - = eaT4 (18.5) A La constante de proporcionalidad cr es una constante universal completamente indepen diente de la naturaleza de la radiación. Si la potencia radiante se expresa en watts y la super ficie en metroscuadrados, a tiene el valor de 5.67 X 10~8 W/m2• K4. La emisividad e tiene valores de 0a 1, segúnla naturaleza de la superficie radiante. Un resumen delos símbolos y su definición aparece en la tabla 18.2. Tabla 18.2 Definiciones de los símbolos de la ley Stefan-Boitzmann (R = ecrT4) Símbolo Definición Comentario E P R Energía radiada por unidad de tiempo por unidad de área TA a e Emisividad de la superficie 0-1 <j Constante de Stefan 5.67 X 10“8W/(m2 • K) j,4 La temperatura absoluta elevada K4 a la cuarta potencia W y* « a i i * w » / / > ••• mm a W ¿Qué potencia será radiada por una superficie esférica de plata de 10 cm de diámetro si su temperatura es de 527°C? La emisividad de la superficie es 0.04. Pía n: Las unidades son muy importantes. Debemos convertir 527°C en kelvins y deter minar el área de la superficie esférica en metros cuadrados (m2). La potencia radiada de la superficie puede hallarse entonces resolviendo la ecuación (18.5) para P. Solución: El radio es la mitad del diámetro, así que R = 0.05 m. Luego, el área es A = AitR2 = 47r(0.05 m)2; A = 0.0314 m2 La temperatura absoluta es T = 527°C + 273 = 800 K
- 398. 378 Capítulo 18 Transferencia de calor Despejando P de la ecuación (18.5) se obtiene P = eaAT4 = (0.04)[5.67 X l(T 8W/(m2 • K4)](0.0314 m2)(800 K)4 = 29.2 W Hemos dicho que todos los objetos emiten radiación sin cesar, independientemente de su temperatura. Si esto es cierto, ¿cómo es que no se les agota su “combustible”? La respuesta es que se les agotaría si no se les proporcionara más. El filamento de un foco de luz eléctrica se enfría más rápidamente a la temperatura ambiente cuando se interrumpe el suministro de energía eléctrica. No se sigue enfriando, puesto que al llegar a este punto, el filamento está absorbiendo energía radiante a la misma razón que la está emitiendo. La ley que sirve de fun damento a este fenómeno se conoce como ley de Prevost del intercambio de calor: Un cuerpo que se halla a la misma temperatura que sus alrededores irradia y absorbe calor con la misma razón. En la figura 18.7 se muestra un objeto aislado en equilibrio térmico con las paredes del reci piente donde se encuentra. La razón con la que un cuerpo absorbe energía está dada también por la ley Stefan-Boltz- mann [ecuación (18.5)]. Por tanto, podemos calcular la transferencia neta de energía radiante emitida por un objeto rodeado por paredes a diferentes temperaturas. Considere un delgado filamento de alambre de una lámpara que está cubierto con una envoltura, como aparece en la figura 18.8. Denotemos la temperatura del filamento con T y la del recubrimiento con Tr La emisividad del filamento es e y sólo consideraremos los procesos radiantes positivos. En este ejemplo se advierte que Razón de radiación neta = razón de emisión de energía — razón de absorción de energía R = eaT —eaT R = ea(T - T$) (18.6) La ecuación (18.6) puede aplicarse a cualquier sistema para calcular la energía neta emitida por un radiador a temperatura Txy emisividad e en presencia de los alrededores a temperatura Tr Figura 18.7 Cuando un obje to y lo que lo circunda tienen la misma temperatura, la energía ra diante emitida es la misma que la absorbida. Figura 18.8 La energía neta emitida por un radiador en un entorno que tiene diferente tem peratura.
- 399. Resumen y repaso -V El calor es la transferencia de energía térmica de un lugar a otro. Hemos visto que la razón de transferencia por conduc ción, convección y radiación se puede predecir a partir de fór mulas experimentales. Deben entenderse los efectos produci dos por las diferencias de materiales, el área superficial y las temperaturas para manejar muchas aplicaciones industriales de la transferencia de calor. Los principales conceptos presen tados en este capítulo aparecen a continuación. • En la transferencia de calor por conducción, la cantidad de calor Q transferida por unidad de tiempo t a través de una pared o una varilla de longitud L está dada por Q At H = — = M — t L Conducción donde A es el área y Ai la diferencia de temperatura de su superficie. La unidad del SI para H es el watt (W). Otras unidades que se usan comúnmente son kcal/s y Btu/h. A partir de esta relación, la conductividad térmica es QL k = Conductividad térmica tA At Las unidades del SI para k son W/m •K. Pueden obtenerse conversiones útiles a partir de las definiciones siguientes: 1 kcal/m • s • °C = 4186 W/(m • K) 1 W/m • K = 6.94 Btu • in/(ft2 • h • °F) 1 Btu • in/(ft2 •h • °F) = 3.445 X 1CT5kcal/(m • s • °C) • El valor R es un término de ingeniería cuyo propósito es medir la resistencia térmica que se opone a la conducción del calor. Se define como sigue: L R ~~k Valor R Al aplicar este concepto a diferentes materiales de distin to espesor se obtiene la ecuación siguiente: Q _ A At _ A At ^ ~ 2 (V * f) ~ 2 R , i i La cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo (Q/t ) a través de diferentes materiales con distinto espesor es igual al producto del áreaAy la diferencia de temperatura At dividido entre la suma de los valores R de esos mate riales. De acuerdo con la práctica actual de la ingeniería, las unidades del valor R son ft2•°F •h/Btu. En la transferencia de calor por radiación, definimos la razón de radiación como la energía emitida por unidad de área y por unidad de tiempo (o simplemente la potencia por unidad de área): E P . R = — = — Razón de radiación, W/m rA A Según la ley de Stefan-Boltzmann, esta razón está dada por R = - = ecrT4 A cr = 5.67 X 1(T8W/(m2 • K4) La ley de Prevost del intercambio de calor establece que un cuerpo que está a la misma temperatura que su entor no irradia y absorbe calor a la misma razón. Conceptos clave absorbedor ideal 376 conducción 370 conductividad térmica 371 convección forzada 375 convección natural 375 convección 370 corriente de convección 375 cuerpo negro 376 emisividad 376 ley de Prevost del intercambio de calor 378 ley de Stefan-Boltzmann 377 radiación térmica 370 radiador ideal 376 razón de radiación 377 resistencia térmica (valor R) 374 Preguntas de repaso 18.1. Analice la botella de vacío y explique cómo mini- 18.3. El calor fluye tanto por conducción como por radia- miza la transferencia de calor por conducción, con- ción. ¿Cuál es la diferencia entre ambas? ¿En qué vección y radiación. aspectos son similares? 18.2. ¿Qué factor determina la dirección de la transferen cia de calor? 379
- 400. 18.4. Un trozo de hierro caliente está suspendido por el centro dentro de un calorímetro evacuado. ¿Pode mos determinar el calor específico del hierro con las técnicas presentadas en este capítulo? Comente su respuesta. 18.5. Comente las analogías que existen entre el flujo de calor en estado estacionario y el flujo de un fluido incompresible. 18.6. Una olla llena de agua se coloca sobre el quemador de gas de una estufa de cocina hasta que el agua hierve vigorosamente. Comente las transferencias de calor que se producen allí. ¿Cómo explicaría el hecho de que las burbujas que se forman en el agua son llevadas a la superficie formando una pi rámide, en lugar de subir directamente? 18.7. Al colocar una llama debajo de un vaso de papel lleno de agua, es posible hacer que el agua hierva sin que se queme del fondo del vaso. Explique esta situación. 18.8. Si un trozo de madera se envuelve en un pedazo de papel y el sistema se calienta con una llama, el papel se quema. Pero si el papel se enrolla apreta damente en una varilla de cobre y se calienta en la misma forma, no se quema. ¿Por qué? 18.9. En un díafrío, un trozo de hierro se siente más frío al tacto que un pedazo de madera. Explique por qué. 18.10. El cobre tiene más o menos dos veces más con ductividad térmica que el aluminio, pero su calor específico es un poco menor que la mitad del que corresponde al aluminio. Se ha fabricado un blo que rectangular de cada uno de esos materiales, de modo que tengan masas idénticas y la misma área superficial en sus bases. Cada bloque se calienta a 300°C y se coloca encima de un gran cubo de hielo. ¿Cuál de los bloques dejará de hundirse pri mero? ¿Cuál se hundirá más profundamente? 18.11. Señale la diferencia entre conductividad térmica y calor específico, a partir de la relación de cada uno con la transferencia de calor. 18.12. El término absortividad se usa a veces en lugar del término emisividad. ¿Puede justificar tal uso? 18.13. ¿Por qué se requiere más acondicionamiento de aire para enfriar el interior de un automóvil color azul ma rino, que un automóvil blanco del mismo tamaño? 18.14. Si se intenta diseñar una casa que ofrezca la máxi ma comodidad tanto en verano como en invierno, ¿preferiría usted que tuviera el techo claro u oscuro? Explique su respuesta. 18.15. Si le interesa saber el número de kilocalorías trans feridas por radiación en una unidad de tiempo, pue de escribir la ley de Stefan-Boitzmann como sigue — = eaAT4 T En esta formulación de la ley, demuestre que la constante de Stefan a es igual a 1.35 X 10“1 1kcal/(m2 • s • K4) 18.16. Cuando se calienta un líquido en un matraz de vi drio, se suele colocar una malla de alambre entre la flama y el fondo del matraz. ¿Por qué es convenien te esta práctica? 18.17. ¿El aire caliente que se encuentra sobre el fuego se eleva o es empujado hacia arriba por las llamas? 18.18. ¿Es conveniente pintar un radiador de agua caliente o vapor con un emisor eficiente o con uno deficien te? Si se pinta de negro, ¿será más eficiente? ¿Por qué? 18.19. ¿Qué proceso es más rápido, la conducción o la con vección? Dé un ejemplo para justificar su conclu- Probiemas Nota: Remítase las tablas 18.1 y 18.2 donde hallará las con ductividades térmicas y otras constantes necesarias para la re solución de los problemas de esta sección. Sección 18.2 Conductividad 18.1. Un bloque de cobre tiene una sección transversal de 20 cm2y una longitud de 50 cm. El extremo izquier do se mantiene a 0°C y el derecho a 100°C. ¿Cuál es la razón de flujo de calor en watts? Resp. 154W 18.2. En el problema 18.1, ¿cuál es el flujo de calor si el bloque de cobre se sustituye por un bloque de vidrio de las mismas dimensiones? 18.3. Una varilla de bronce de 50 cm de longitud tiene un diámetro de 3mm. Latemperatura de uno de sus extre mos es 76°C más alta que la del otro extremo. ¿Cuánto calor será conducido en 1min? Resp. 7.03 J 18.4. Un panel de vidrio de una ventana mide 10 in de ancho, 16 in de largo y f in de espesor. La superficie interior está a 60°F y la exterior a 20°E ¿Cuántos Btu se transfieren al exterior en 2 h? 18.5. Un extremo de una varilla de hierro de 30 cm de lar go y 4 cm2de sección transversal se coloca dentro de un baño de hielo y agua. El otro extremo se coloca en un baño de vapor. ¿Cuántos minutos tendrán que pasar para transferir 1.0 kcal de calor? ¿En qué direc ción fluye éste? Resp. 10.4 min, hacia el hielo 380 Capítulo 18 Resumen y repaso
- 401. 18.6. Una placa de acero de 20 mm de espesor tiene una sección transversal de 600 cm2. Una de sus caras está a 170°C y la otra a 120°C. ¿Cuál es la razón de la transferencia de calor? 18.7. ¿Cuánto calor se pierde en 12 h a través de una pa red de ladrillo refractario de 3 in y un área de 10 ft2 si uno de los lados está a 330°F y el otro a 78°F? Resp. 50 400 Btu *18.8. Una pared de 6 m de longitud y 3 m de altura está formada por 12 cm de concreto unidos a 10 cm de tabla de corcho. La temperatura interior es de 10°C y la exterior de 40°C. Halle la temperatura en la su perficie de unión de los dos materiales. *18.9. ¿Cuál es la razón de flujo de calor en estado estacio nario a través de la pared compuesta del problema 18.8? Resp. 4.82 kcal/s o 20 172 J/s Sección 18.5 Radiación 18.10. ¿Cuál es la potencia radiada por un cuerpo negro esférico con un área superficial de 20 cm2si su tem peratura es de 250°C? 18.11. ¿Cuál es la razón de radiación de un cuerpo negro esférico a una temperatura de 327°C? ¿Cambiará esta razón si el radio se duplica y se mantiene la temperatura? Resp. 7.35 kW/m2, no. 18.12. La emisividad de una esfera metálica es 0.3, y a una temperatura de 500 K irradia una potencia de 800 W. ¿Cuál es el radio de la esfera? *18.13. Si cierto cuerpo absorbe 20% de la radiación térmi ca incidente, ¿cuál es su emisividad? ¿Qué energía emitirá este cuerpo en 1min si su superficie es de 1 m2y su temperatura de 727°C? Resp. 680.4 kJ *18.14. La temperatura de operación del filamento de una lámpara de 25 W es de 2727°C. Si la emisividad es 0.3, ¿cuál es el área superficial del filamento? Problemas adicionales 18.15. Un panel de vidrio de una ventana mide 60 cm de ancho, 1.8 m de alto y 3 mm de espesor. La tempe ratura interior es de 20°C y la exterior de —10°C. ¿Cuánto calor escapa de la casa a través de esta ven tana en 1h? Resp. 31.1 MJ 18.16. Un aislamiento de fibra de vidrio con 20 cm de es pesor cubre el piso de un desván de 20 X 15 m. ¿Cuántas calorías de calor se pierden hacia el des ván si las temperaturas en uno y otro lado del aisla miento son de —10°C y 24°C? 18.17. El fondo de una olla de aluminio tiene 3 mm de es pesor y un área superficial de 120 cm2. ¿Cuántas ca lorías por minuto son conducidas a través del fondo de la olla si la temperatura de la superficie exterior es de 114°C y la temperatura de la superficie inte riores de 117°C? Resp. 0.600 cal 18.18. Un muro de concreto macizo mide 80 ft de alto, 100 ft de ancho y 6 in de espesor. Las temperaturas su perficiales en uno y otro lado de la pared son 30 y 100°F. ¿Cuánto tiempo tendrá que transcurrir para que sean transferidas 400 000 Btu de calor? 18.19. El fondo de una olla de metal caliente tiene 86 cm2 de área y 98°C de temperatura. La olla se coloca encima de una base de corcho de 5 mm de espesor. La cubierta de Fórmica que está debajo de la capa de corcho semantiene aunatemperaturaconstante de 20°C. ¿Cuánto calor es conducido a través del cor cho en 2 min? Resp. 644 J *18.20. ¿Qué espesor de cobre se requiere para llegar a te ner el mismo valor de aislamiento que una tabla de corcho de 2 in? *18.21. ¿Qué espesor de concreto se requiere para alcanzar el mismo valor de aislamiento que 6 cm de fibra de vidrio? Resp. 1.20 m 18.22. La hoja de vidrio de una ventana de un edificio de oficinas mide 2 por 6 m y tiene 1.2 cm de espesor. Su superficie externa está a 23°C y la interna a 25°C. ¿Cuántos joules de calor pasan a través del vidrio en una hora? 18.23. ¿Cuál debe ser la temperatura de un cuerpo negro si su razón de radiación es de 860 W/m2? Resp. 351 K 18.24. Una bola de acero gris tiene una emisividad de 0.75 y, cuando la temperatura es de 570°C, la potencia radiada es de 800 W. ¿Cuál es el área total superfi cial de la bola? 18.25. Una lámpara de 25 W tiene un filamento cuya área es de 0.212 cm2. Si la emisividad es 0.35, ¿cuál es la temperatura de operación del filamento? Resp. 2776 K Capítulo 18 Resumen y repaso 381
- 402. Preguntas para la reflexión crítica *18.26. La pared de una planta frigorífica consiste en 6 in de concreto y 4 in de tabla de corcho. La temperatura de la superficie interna del corcho es de —15°F y la de la superficie externa de 70°F. ¿Cuál es la tem peratura de la superficie de contacto entre el corcho y el concreto? ¿Cuánto calor es conducido a través de cada pie cuadrado de esa pared en una hora? Resp. 63.68°F, 5.9 Btu/(ft2 h) *18.27. Una hielera de madera tiene paredes de 4 cm de espe sor y un área efectiva total de 2 m2. ¿Cuántos gramos de hielo se derretirán en 1min si la temperatura inter na de las paredes es de 4°C y la externa de 20°C? *18.28. El filamento de una lámpara funciona a una tempe ratura de 727°C y está rodeado por una cubierta a 227°C. Si el filamento tiene una emisividad de 0.25 y un área superficial de 0.30 cm2, ¿cuál es la poten cia de operación de la lámpara? Resp. 0.399 W. *18.29. La conductividad térmica del material A es el do ble de la del material B. ¿Cuál tiene un valor R más alto? Cuando 6 cm del material A están entre dos paredes, la razón de conducción es 400 W/m2. ¿Qué espesor de material B se requiere para proporcionar la misma razón de transferencia de calor si los de más factores permanecen constantes? 382 Capítulo 18 Resumen y repaso
- 403. Propiedades térmicas de la materia El astronauta Mark Lee realiza pruebas durante una caminata espacial. El estado térmico dentro de su traje y en el espacio se describe según las condiciones de presión, temperatura y volumen. Los cambios de cualquiera de estos parámetros dentro del traje pueden ser desastrosos. {Foto de la NASA.) Objetivos Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno: 1. Escribirá y aplicará la relación entre el volumen y la presión de un gas a tem peratura constante (ley de Boyle). 2. Escribirá y aplicará la relación entre el volumen y la temperatura de un gas en condiciones de presión constante (ley de Charles). 3. Escribirá y aplicará la relación entre la temperatura y la presión de un gas en condiciones de volumen constante (ley de Gay-Lussac). 383
- 404. 384 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia 4. Aplicará la ley general de los gases para resolver problemas que incluyan cam bios de masa, volumen, presión y temperatura de los gases. 5. Definirá los conceptos presión de vapor, punto de rocío y humedad relativa, y aplicará cada uno de ellos en la resolución de problemas. Ahora que hemos comprendido los conceptos de calor y temperatura, procederemos a estudiar el comportamiento térmico de la materia. Para esto, nos interesan cuatro cantidades medibles: la presión, el volumen, la temperatura y la masa de una muestra. Todas estas variables, en conjun to, determinan el estado de una determinada muestra de materia. Dependiendo de su estado, la materia puede existir en fase líquida, sólida o gaseosa. Por lo tanto, es importante distinguir entre los términos estado yfase. Empezaremos por estudiar el comportamiento térmico de los gases. (a) Figura 19.1 Cuando se comprime un gas a tem peratura constante, el pro ducto de su presión por su volumen siempre es cons tante; o sea, P ¡Vl = P,V2. Gases Ideales, ley de Boyle y ley de Charles En un gas las moléculas individuales están tan distantes entre sí, que las fuerzas de cohesión que existen entre ellas por lo general son pequeñas. Si bien es cierto que la estructura molecu lar de diferentes gases puede variar en forma considerable, su comportamiento casi no se ve afectado por el tamaño de las moléculas individuales. Se puede decir con bastante seguridad que cuando una cantidad grande de gas está confinada en un volumen reducido, el volumen ocupado por las moléculas todavía resulta ser una fracción minúscula del volumen total. Una de las generalizaciones más útiles respecto de los gases es el concepto del gas ideal, cuyo comportamiento no se ve afectado en lo absoluto por fuerzas de cohesión o volúmenes moleculares. Por supuesto, ningún gas real es ideal, pero en condiciones normales de tem peratura y presión, el comportamiento de cualquier gas es muy parecido al comportamiento de un gas ideal. Por consiguiente, las observaciones experimentales de gran número de gases reales puede conducir a la deducción de leyes físicas generales que rigen su comportamiento térmico. El grado en el que cualquier gas real obedece estas relaciones está determinado por el grado en que se aproxima al gas ideal. Las primeras mediciones experimentales del comportamiento térmico de los gases fueron realizadas por Robert Boyle (1627-1691). Él llevó a cabo un estudio exhaustivo de los cambios en el volumen de los gases como resultado de cambios en la presión. Todas las demás variables, como la masa y la tempe ratura, se mantuvieron constantes. En 1660. Boyle demostró que el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión. En otras palabras, cuando se duplica el volumen, la presión disminuye a la mitad de su valor original. En la actualidad, este hallazgo recibe el nombre de ley de Boyle. p 2 Ley de Boyle: Siempre que la masa y la temperatura de una mues tra de gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es inversamente proporcional a su presión absoluta. Otra forma de enunciar la ley de Boyle consiste en decir que el producto de la presión P de un gas por su volumen V será constante, en tanto no cambie la temperatura. Consideremos, por ejemplo, el caso de un cilindro cerrado pro visto de un émbolo móvil, como se muestra en la figura 19.1. En la figura 19.1a, el estado inicial del gas se describe por medio de su presión Pl y de su volumen V . Si el émbolo se presiona hacia abajo hasta que llegue a la nueva posición que aparece en la figura 19.1b, su presión se in crementará a P2mientras su volumen disminuye a Este proceso se muestra gráficamente en la figura 19.2. Si el proceso ocurre sin que cambie la temperatura, la ley de Boyle revela que (b) PiV, = PoV, 2 V 2 m y T constantes (19.1) Dicho de otro modo, el producto de la presión por el volumen en el estado inicial es igual al pro ducto de la presión por el volumen en el estado final. La ecuación (19.1) es un enunciado matemá tico de la ley de Boyle. La presión P debe ser la presión absoluta y no la presión manométrica.
- 405. 19.1 Gases ideales, ley de Boyle y ley de Charles 385 Volumen Figura 19.2 Un diagrama P-V muestra que la presión de un gas ideal varía inversamente respecto a su volumen. fe . < ¿Qué volumen de gas hidrógeno a presión atmosférica se requiere para llenar un tanque de 5000 cm3bajo una presión manométrica de 530 kPa? Pía n: Una atmósfera de presión es de 101.3 kPa. La presión absoluta final es 530 kPa (presión manométrica) más 101.3 kPa. Aplicaremos la ley de Boyle para calcular el volu men del hidrógeno a 1 atm que se requiere para producir una presión interna de 631 kPa. No es necesario convertir el volumen a unidades del SI si se aceptan las mismas unidades de volumen para la respuesta. Solución: Las presiones inicial y final son Pl = 101.3 kPa p2 = 530 kPa + 101.3 kPa = 631 kPa El volumen final y, es 5000 cm3. Al aplicar la ecuación (19.1), tenemos P x V i = P2V2 (101.3 kPa)^ = (631 kPa)(5000 cm3) V, = 31 145 cm3 Observe que no fue necesario para las unidades de presión ser congruentes con las unida des de volumen. Puesto que P y V aparecen en ambos lados de la ecuación, únicamente es nece sario elegir las mismas unidades para la presión. Las unidades para el volumen serán entonces las unidades sustituidas para V2. En el capítulo 16 aprovechamos el hecho de que el volumen de gas se incrementaba di rectamente con su temperatura para poder definir el cero absoluto. Encontramos el resultado (— 273°C) extrapolando la línea en la gráfica de la figura 19.3. Por supuesto, cualquier gas real se volverá líquido antes de que su volumen llegue a cero. Pero la relación directa es una aproximación válida para la mayoría de los gases que no están sujetos a condiciones extremas de temperatura y de presión. El primero que comprobó experimentalmente esta proporcionalidad directa entre el vo lumen y la temperatura fue Jacques Charles en 1787. La ley de Charles se enuncia de la siguiente manera: Ley de Charles: Mientras la masa y la presión de un gas se mantengan cons tantes, el volumen de dicho gas es directamente proporcional a su tem pera tura absoluta. Si se usa el subíndice 1para referirnos al estado inicial de un gas y el subíndice 2 para referir nos a su estado final, se obtiene el enunciado matemático de la ley de Charles. Yí — Yl m yP constantes (19.2) Ti T2 Ejemplo 19.1
- 406. 386 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia OK 73 K 173 K 273 K 373 K 473 K 573 K Temperatura ----------»- Figura 19.3 Variación del volumen como función de la temperatura. Cuando el volumen se extrapola a cero, la temperatura de un gas es la del cero absoluto (0 K). En esta ecuación se refiere al volumen de un gas a la temperatura absoluta T , y V, es el volumen final de la misma muestra de gas cuando su temperatura absoluta es T . La unidad del SI para el volumen es el metro cúbico (m3 ) y, desde luego, es la unidad preferi da. Sin embargo es muy común encontrar el litro (L) usado como unidad de volumen, en especial cuando se trabaja con gas. El litro es el volumen contenido en un cubo que mide 10 cm por lado. 1 L = 1000 cm3 = 1 X 10~6m3 Usaremos el litro en algunos ejemplos porque es una unidad de uso muy común. Como siem pre, tenga cuidado cuando use cualquier unidad distinta a las unidades del SI en las fórmulas. Ejemplo 19.2 Un cilindro sin fricción se llena con 2 L de un gas ideal a 23°C. Un extremo del cilindro está fijo a un pistón movible y el gas puede expandirse a una presión constante hasta que su volumen llega a 2.5 L. ¿Cuál es la nueva temperatura del gas? Plan: La masa y la presión del gas permanecen constantes, así que el cambio en la tempe ratura debe ser proporcional al cambio en el volumen, y la ley de Charles se puede aplicar para determinar la nueva temperatura. Recuerde usar las temperaturas absolutas. Solución: La información conocida se organiza como sigue: Dados: T{ = 23C + 273 = 296 K, V¡ = 2 L, V2 = 2.5 L; Encuentre:T2=? Ahora, resolvemos la ley de Charles para T,: Yi - Yi " , T -Y£ _ L r, t2 y 2 Vi (2.5 L)(296 K) T2 = ------ j j ------- = 370 K La temperatura final del gas es 370 K o 97°C. Ley de Gay-Lussac Las tres cantidades que determinan el estado de una masa dada de gas son su presión, vo lumen y temperatura. La ley de Boyle se ocupa de los cambios de presión y de volumen a temperatura constante, y la ley de Charles se refiere al volumen y temperatura bajo presión constante. La variación de presión como función de la temperatura se describe en una ley atribuida a Gay-Lussac.
- 407. 19.3 Leyes generales de los gases 387 Ley de Gay-Lussac: Si el volumen de una muestra de gas permanece constan te, la presión absoluta de dicho gas es directamente proporcional a su tem pe ratura absoluta. Esto significa que si se duplica la presión aplicada al gas, su temperatura absoluta se duplicará también. La ley de Gay-Lussac en forma de ecuación puede escribirse como ^> 1 _ m y Vconstantes (19.3) Tx T2 Ejemplo 19.3 xmmmm ' wtmm '' El neumático de un automóvil se infla a una presión manométrica de 207 kPa (30 lb/in2) en un momento en que la presión de los alrededores es de 1 atm (101.3 kPa) y la temperatura es de 25°C. Después de manejarlo, la temperatura del aire del neumático aumenta a 40°C. Suponga que el volumen de gas cambia sólo ligeramente, ¿cuál es la nueva presión mano- métrica en el neumático? Plan: Como el volumen y la masa son constantes, la presión debe aumentar en la misma proporción que la temperatura; aplicaremos la ley de Gay Lussac para determinar la pre sión absoluta final. La presión manométrica, por tanto, se obtiene al restar la presión del ambiente (101.3 kPa). Solución: Primero determinaremos las temperaturas absolutas y la presión absoluta. Px = 207 kPa + 101.3 kPa = 308 kPa Tx = 25 + 273 = 298 K; T2 = 40 + 273 = 313 K La nueva presión se calcula a partir de la ley de Gay Lussac — —— o P ~ ^ Tx ~ T2 ° 2 _ Ti (308 kPa)(313 K) P, = 1------------------- L, P, = 324 kPa 2 298 K 2 La presión manométrica se calcula al restar la presión del aire que hay en el ambiente (101.3 kPa). Presión manométrica = 324 kPa - 101 kPa = 223 kPa Un manómetro leería esta presión como 223 kPa o aproximadamente 32.27 lb/in2. Leyes generales de los gases Hasta ahora hemos estudiado tres leyes que pueden usarse para describir el comportamiento térmico de los gases. La ley de Boyle, como se enuncia en la ecuación (19.1), se aplica a una muestra de gas cuya temperatura no cambia. La ley de Charles, como se indica en la ecua ción (19.2), se aplica a una muestra de gas a presión constante. La ley de Gay-Lussac, en la ecuación (19.3), corresponde a una muestra de gas a volumen constante. Por desgracia, ge neralmente ninguna de estas condiciones se satisface. Lo más común es que un sistema sufra cambios de volumen, de temperatura y de presión como resultado de un proceso térmico. Una relación más general que combina las tres leyes es la siguiente: P¡Vi _ P2V2 Tx T2 m constante (19.4)
- 408. 388 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia donde ( . Vv Tt) pueden considerarse como las coordenadas del estado inicial y (P7, V-, 7,) las coordenadas del estado final. En otras palabras, para una masa dada, la razón PVIT es constante para cualquier gas ideal. La ecuación (19.4) puede recordarse con la frase “una (PVIT) privada siempre es privada”. Ejemplo 19.4 w Un tanque para oxígeno con un volumen interior de 20 litros se llena con ese gas bajo una presión absoluta de 6 MPa a 20°C. El oxígeno se va a usar en un avión para grandes altu ras, donde la presión absoluta es sólo 70 kPa y la temperatura es — 20°C. ¿Qué volumen de oxígeno será capaz de suministrar el tanque en esas condiciones? Plan: Las presiones conocidas son presiones absolutas, así que convertimos a temperatu ras absolutas y aplicamos la ecuación (19.4). Solución: Después de sumar 273 a las dos temperaturas Celsius, resolvemos para V,. PX VX P,V, 2 V2 V, = y, = (6 X 106Pa)(20 L)(253 K) (70 X 103Pa)(293 K) PiVi t2 p 2t x = 1480L Ahora vamos a considerar el efecto de un cambio de masa en el comportamiento de los gases. Si la temperatura y el volumen de un gas confinado se mantienen constantes, al añadir más gas habrá un incremento proporcional en la presión. En forma similar, si la presión y la temperatura se mantienen fijos, al aumentar la masa habrá un aumento proporcional en el vo lumen del recipiente. Podemos combinar estas observaciones experimentales con la ecuación (19.4) para obtener la relación general: PxVx _ P2V2 m{Tx m2T2 (19.5) donde mxes la masa inicial y m, la masa final. Un estudio de esta relación revelará que la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de Gay-Lussac junto con la ecuación (19.4) representan casos especiales de la ecuación más general (19.5). La lectura de la presión manométrica en un tanque para el almacenamiento de helio in dica 2000 lb/in2cuando la temperatura es de 27°C. Durante la noche, hay una fuga en el recipiente y a la mañana siguiente se tienen 1500 lb/in2a una temperatura de 17°C. ¿Qué porcentaje de la masa original de helio permanece dentro del recipiente? Pían: El volumen puede quedar fuera de nuestra consideración ya que no cambia (V = V2), así que podemos simplificar la ecuación (19.5) y resolver para la razón m2/ml del gas restante al gas contenido inicialmente en el recipiente. Por tanto, esta razón se expresa como un porcentaje. Dado que las presiones inicial y final están dadas en las mismas unidades, no hay necesidad de convertir las presiones a unidades del SI. No obstante, necesitamos sumar 1 atm de presión (14.7 lb/in2) a cada uno de los valores de la presión manométrica, y las temperaturas deben expresarse en kelvin.
- 409. 19.4 Masa molecular y mol 389 Solución: Puesto que V = V,, simplificamos la ecuación (19.5) para obtener P]Xl = M l 0 p i _ mlTl m2T2 mxTl m2T2 La razón mJm representa la fracción de la masa de helio que permanece ahí, así que m2 _ P2Tx ml Px T2 Las presiones y las temperaturas se ajustan a sus valores absolutos en la siguiente forma: P, = 2000 lb/in2 + 14.7 lb/in2= 2014.7lb/in2 Pl = 1500 lb/in2 + 14.7 lb/in2= 1514.7lb/in2 Tj = 27 + 273 = 300 K T2 = 17 + 273 = 290 K Al sustituir estos valores se obtiene m2 (1514.7 lb/in2)(300 K) —1 ^ --------- = 0.778 ni (2014.7 lb/in2)(290 K) Por tanto, el 77.8 por ciento del helio aún permanece dentro del recipiente. La ecuación (19.5) es de carácter general, pues en ella se toman en cuenta las variacio nes en la presión, volumen, temperatura y masa de un gas. Sin embargo, lo que en realidad influye en la presión y el volumen no es la masa de un gas, sino el número de moléculas del mismo. De acuerdo con la teoría cinética de los gases, la presión se debe a las colisiones moleculares que se producen contra las paredes del recipiente. Al aumentar el número de mo léculas aumentará el número de partículas que chocan por segundo, y, por lo tanto, la presión del gas será mayor. Si estamos considerando un proceso térmico que implique cantidades del mismo gas, podemos aplicar con la mayor seguridad la ecuación (19.5), puesto que la masa es proporcional al número de moléculas. Cuando se trabaja con diferentes tipos de gas, como el hidrógeno comparado con el oxí geno, es necesario considerar la igualdad en el número de moléculas, en vez de masas iguales. Cuando se colocan en recipientes similares, 6 g de hidrógeno pueden originar una presión mucho mayor que 6 g de oxígeno. Hay muchas más moléculas de hidrógeno en 6 g de H, que moléculas de oxígeno en 6 g de 0 2. Para lograr una expresión más general, debemos revisar la ecuación (19.5) con el fin de tomar en cuenta las diferencias en el número de moléculas de gas en lugar de la diferencia en masa. Primero, debemos desarrollar métodos para relacionar la cantidad de gas con el número de moléculas presentes. Masa molecular y mol Aun cuando es difícil determinar la masa de los átomos individuales debido a su tamaño, por medio de métodos experimentales se ha logrado medir la masa atómica. Por ejemplo, ahora sabemos que un átomo de helio tiene una masa de 6.65 X 10-24 g. Cuando se trabaja con can tidades macroscópicas como el volumen, la presión y la temperatura, es mucho más adecuado comparar las masas relativas de los átomos individuales. Las masas atómicas relativas se basan en la masa de un átomo de referencia que se conoce como carbono 12. Al asignar arbitrariamente un valor exacto de 12 unidades de masa atómica (u) a este átomo, se cuenta con un patrón con el cual se pueden comparar otras masas atómicas. La masa atómica de un elemento es la masa de un átomo de dicho elemento comparada con la masa de un átomo de carbono tomado como 12 unidades de masa atómica.
- 410. 390 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia Sobre esta base, la masa atómica del hidrógeno es de aproximadamente 1u, y la masa atómica del oxígeno es aproximadamente de 16 u. Una molécula consiste en una combinación química de dos o más átomos. La definición de masa molecular surge de la definición de masa atómica. La masa molecular M es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que componen la molécula. Por ejemplo, una molécula de oxígeno (02) contiene dos átomos de oxígeno. Su masa mole cular es de 16 u X 2 = 32 u. Una molécula de dióxido de carbono (C02) contiene un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno. Por lo tanto, la masa molecular del CO, es de 44 u: 1 C = 1 X 12 = 12 u 2 O = 2 X 16 = 32 u C 02 = 44 u Al trabajar con gases, notamos que tiene más sentido considerar la cantidad de sustancia en términos del número de moléculas presentes. Esto lleva implícita la creación de una nueva unidad de medida llamada mol. Una mol es la cantidad de una sustancia que contiene el mismo número de partículas que el númerode átomos que hay en 12 g decarbono 12. Tomando como base estadefinición, 1 mol de carbono debe ser igual a 12 g. Puesto que la masa molecular de cualquier sustancia se basa en el carbono 12 como patrón, entonces: Una mol es la masa en gramos numéricamente igual a la masa molecular de una sustancia. Por ejemplo, 1 mol de hidrógeno (H,) es 2 g, 1 mol de oxígeno (02) es 32 g, y 1 mol de dióxido de carbono (C02) es 44 g. Dicho en otras palabras, 2 g de H,, 32 g de O,, y 44 g de COi; tienen el mismo número de moléculas. A este número N se le conoce como número de Avogadro. La razón del número de moléculas N al número de moles n debe ser igual al número de Avogadro NA. Simbólicamente, N Na = — Moléculas por mol (19.6) Hay varios métodos experimentales para determinar el número de Avogadro. El valor acep tado para NAes Na = 6.023 X 102" moléculas por mol Número de Avogadro (19.7) La forma más sencilla de determinar el número de moles n contenidas en un gas es divi diendo su masa m en gramos entre su masa molecular M por mol. Por tanto, m n = — Número de moles (19.8) (a) ¿Cuántas moles de gas hay en 200 g de C 02? (b) ¿Cuántas moléculas hay? Plan: Primero debemos determinar la masa molecular del CO„ que se calculó como 44 g/mol anteriormente en esta sección. Al dividir la masa del gas entre su masa molecular
- 411. 19.5 La ley del gas ideal 391 se obtiene el número de moles presentes. Por tanto, el número de moléculas se calcula a partir del número de Avogadro. Solución (a): Para 200 g de un gas que contiene 44 g/mol, determinamos a partir de la ecuación (19.8) que m 2 0 0 g n = 4.55 mol M 44 g/mol’ Solución (b): Como el número de Avogadro NAes el número de moléculas por mol, cal culamos que el número de moléculas de gas en 4.55 moles de gas es N n = — o N = nNA Na N = (4.55 mol)(6.023 X 1023 moléculas/mol); N = 2.74 X 1024 moléculas La ley del gas ideal Sigamos adelante con la búsqueda de una ley más general de los gases. Si se sustituye el nú mero de moles n para la masa m en la ecuación (19.5), podemos escribir P^Vi ^ P2V2 nlTl n2T2 (19.9) Esta ecuación representa la forma más útil de una ley general de los gases cuando se conocen todos los parámetros de los estados inicial y final, excepto una sola cantidad. Una expresión alternativa de la ecuación (19.9) es — = R (19-10) nT donde R se conoce como constante universal de los gases. Si es posible evaluar R bajo ciertos valores conocidos de P , V , n y T, la ecuación (19.10) se puede usar directamente sin contar con ninguna información acerca de los estados inicial y final. El valor numérico para R, por supuesto, depende de las unidades elegidas para P, V, n y T. En unidades del SI, el valor es R = 8.314 J/(mol • K) La elección de otras unidades conduce a los siguientes valores equivalentes: R = 0.0821 L • atm/(mol ■K) = 1.99 cal/(mol • K) Si la presión se mide en pascales y el volumen en metros cúbicos, se puede usar para la cons tante R = 8.314 J/(mol •K). Sin embargo, con frecuencia la presión se expresa en atmósferas y el volumen en litros. En lugar de efectuar las conversiones apropiadas, probablemente sea más sencillo usar la expresión R = 0.0821 L • atm/(mol ■K). La ecuación (19.10) se conoce como ley de los gases ideales, y generalmente se escribe en la siguiente forma PV = nRT (19.11) Otra forma útil de la ley de los gases ideales se basa en el hecho de que n = m/M, por lo que m PV = — RT M (19.12)
- 412. 392 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia Siempre que la densidad de un gas real es razonablemente baja, la ley del gas ideal es vá lida para cualquier gas o incluso una mezcla de varios gases en tanto que sus moléculas estén separadas lo suficiente, se puede aplicar la ecuación (19.11), siendo n el número de moles. Determine el volumen de 1 mol de cualquier gas ideal en condiciones estándares de tem peratura (273 K) y de presión (101.3 kPa). Plan: Recuerde que 1 mol de cualquier gas contiene el mismo número de moléculas, así que mientras se trata al gas como un gas ideal, se puede usar la ecuación (19.11) para calcular su volumen. Como 1 mol está a una presión de 1 atm, usaremos 0.0821 L • atm/mol • K para R. Solución: Al resolver para V en la ecuación (19.11), obtenemos nRT PV = nRT V = V (1 mol)[0.0821 L • atm/(mol • K)](273 K) 1 atm = 22.4 L o 0.0224 m3 Por consiguiente, 1 mol de cualquier gas ideal a temperatura y presión estándares tiene un volumen de 22.4 L. Ejemplo 19.8 T 4' jjjf ¿Cuántos gramos de oxígeno ocuparán un volumen de 1.6 m3 a una presión de 200 kPa y a una temperatura de 27°C? Plan: Se necesitará determinar la masa molecular del oxígeno que es diatómico; es decir, cada molécula contiene dos átomos de oxígeno. Por tanto, hay 32 g/mol (M = 16 u + 16 u = 32 u). Usando la ley del gas ideal, podemos determinar la masa directamente a partir de la ecuación (19.12). Solución: La temperatura absoluta es (27 + 273) o 300 K. Al sustituir se obtiene m PV = — RT M (32 g/mol)(200 X 103 Pa)(1.6 m3) m = ----------------------------------------------= 4105.5 g [8.314 J/(mol • K)](300K) m = 4 105.5 g Licuefacción de un gas Hemos definido un gas ideal como aquel cuyo comportamiento térmico no se ve afectado en lo absoluto por fuerzas de cohesión o por el volumen molecular. Si ese gas se comprime a temperatura constante, permanecerá como gas sin importar la presión a la cual se le someta. En otras palabras, obedecerá la ley de Boyle a cualquier temperatura. Las fuerzas de enlace necesarias para la licuefacción nunca están presentes. Todos los gases reales están sometidos a fuerzas intermoleculares. Sin embargo, a bajas presiones y altas temperaturas, los gases reales se comportan en forma muy similar a un gas ideal. Se les aplica entonces la ley de Boyle porque las fuerzas intermoleculares en estas con diciones son prácticamente despreciables. Un gas real a altas temperaturas se puede compri mir dentro de un cilindro, como lo muestra la figura 19.4, aplicando presiones relativamente altas, sin que se produzca la licuefacción. Si se traza una gráfica del incremento de presión expresado como una función del volumen, se obtiene la curva A S . Observe la similitud entre esta curva y la que corresponde a un gas ideal, como se muestra en la figura 19.2.
- 413. 19.7 Vaporización 393 (a) A2 b2 (b) Figura 19.4 (a) Compresión de un gas ideal a cualquier temperatura o de un gas real a alta temperatura, (b) Licuefacción de un gas real cuando se comprime a bajas temperaturas. Si el mismo gas se comprime a una temperatura mucho más baja, empezará a conden sarse a una presión y un volumen determinados. Si se le comprime aún más, continuará la licuefacción del gas a una presión esencialmente constante, hasta el momento en que todo el gas se haya condensado. Al llegar a ese punto, una brusca elevación de la presión da como resultado una disminución ligera del volumen. El proceso completo se muestra gráficamente como la curva A,5 , que aparece en la figura 19.4. Empecemos ahora a realizar la compresión a alta temperatura y diseñemos el experimen to para temperaturas cada vez más bajas. Al final se alcanzará una temperatura en la cual el gas se empezará a licuar bajo compresión. A la temperatura más alta a la que se puede produ cir la licuefacción se le ha dado el nombre de temperatura crítica. La temperatura crítica de un gas es la temperatura por arriba de la cual el gas no se licuará, independientem ente de la presión que se le aplique. Si se desea licuar un gas cualquiera, primero debe enfriarse por debajo de su temperatura crítica. Antes de que se llegara a comprender este concepto, los científicos intentaban licuar oxígeno sometiéndolo a presiones extremas. Sus intentos fallaban debido a que la temperatu ra crítica del oxígeno es —119°C. Después de enfriar el gas por debajo de esta temperatura, se puede licuar fácilmente por medio de compresión. Vaporización En el capítulo 17 se estudió en detalle el proceso de vaporización en el cual se requiere una cantidad definida de calor para pasar de la fase líquida a la fase de vapor. Hay tres formas por las que puede ocurrir este cambio: (1) evaporación, (2) ebullición y (3) sublimación. Durante la evaporación, se presenta la vaporización en la superficie de un líquido mientras las moléculas con más energía abandonan la superficie. En el proceso de ebullición, el proceso de vaporiza ción se presenta en el seno del líquido. La sublimación tiene lugar cuando un sólido se evapora sin pasar por la fase líquida. En cada uno de esos casos, el líquido o el sólido deben perder una cantidad de energía igual al calor latente de evaporación o sublimación.
- 414. 394 Capítulo 19 Propiedades térmicas de la materia Por qué las máquinas Zamboni dejan un rastro de vapor Las m áquinas Zam boni, esas m áquinas que quitan el desecho de hielo en las pistas de patinaje, dejan la superficie de hielo lim pia y fresca. ¿Alguna vez se ha pregun tad o p o r qué el agua que extienden deja un rastro de vapor fresco? Esa agua tien e una tem peratura de 180°F (82°C). Se preguntará p o r qué las m áquinas extienden agua que está casi en su p u nto de ebullición. ¿Por qué no vierten agua m uy fría? La respuesta es que la evaporación enfria la capa de agua caliente al pu nto de congelación m uy rápido. Intente este experim ento con bandejas de hielo: llene una con agua hirviendo y otra con agua fría de la llave. C oloque am bas en su congelador. Revíselas cada 15 m inutos. ¿Cuál se congela más rápido? ¡El agua caliente! Ésta es la razón p o r la cual las m áquinas Zam boni dejan rastros de vapor. Figura 19.5 Una molécula cercana a la superficie de un líquido experimenta una fuerza neta hacia abajo. Unicamente las moléculas con más energía son capaces de superar esta fuerza y abandonar el líquido. La teoría molecular de la materia supone que un líquido está formado por moléculas agrupadas muy cerca unas de otras. Estas moléculas tienen una energía cinética media que está relacionada con la temperatura del líquido. Sin embargo, debido a las colisiones que se producen al azar o al movimiento vibratorio, no todas las moléculas se mueven con la misma rapidez; algunas se mueven más rápidamente que otras. Por el hecho de que las moléculas están muy cercanas entre sí, las fuerzas entre ellas son relativamente grandes. A medida que una molécula se aproxima a la superficie del líquido, como se muestra en la figura 19.5, experimenta una fuerza resultante que la empuja hacia abajo. La fuerza neta surge del hecho de que no existen moléculas del líquido encima de la superficie, que equilibren la atracción hacia abajo de las moléculas que se encuentran debajo de la superficie. Unicamente las partículas que se mueven con mayor rapidez pueden llegar a la superficie con la energía suficiente para sobrepasar las fuerzas de oposición. Se dice que estas moléculas se evaporan debido a que, al abandonar el líquido, se convierten en partícu las de gas típicas. No han cambiado químicamente; la única diferencia entre un líquido y su propio vapor es la distancia que separa las moléculas. En vista de que sólo las moléculas con mayor energía son capaces de separarse de la superficie, la energía cinética media de las partículas que permanecen en el líquido se reduce. Por lo tanto, la evaporación es un proceso de enfriamiento. (Si deja usted caer unas gotas de alcohol en el dorso de su mano, sentirá una sensación de enfriamiento.) La rapidez de eva poración es afectada por la temperatura del líquido, el número de moléculas por encima del líquido (la presión), el área de la superficie expuesta y el grado de ventilación presente. Presión de vapor Se llena parcialmente un recipiente de agua, como se aprecia en la figura 19.6. La presión que ejercen las moléculas por arriba de la superficie del agua se mide por medio de un manómetro de mercurio de tubo abierto. En la figura 19.6a hay tantas moléculas de aire en el interior del recipien Figura 19.6 Medición de la presión de vapor de un líquido: (a) sólo la presión del aire, (b) presión de vapor parcial y (c) presión de vapor saturado.
- 415. 19.8 Presión de vapor 395 te como las que existen en un volumen de aire igual fuera del recipiente. Es decir, la presión dentro del recipiente es igual a 1 atm, como lo indican los niveles iguales de mercurio en el manómetro. Cuando una molécula del líquido con alta energía se desprende de la superficie, se trans forma en una molécula de vapor y se mezcla con las moléculas de aire que se encuentran encima del líquido. Estas moléculas de vapor chocan con las moléculas de aire, con otras moléculas de vapor y contra las paredes del recipiente. Las moléculas adicionales de vapor son la causa de que se eleve la presión dentro del recipiente, como se ilustra en la figura 19.6b. Las moléculas de vapor también pueden rebotar contra el líquido, y allí son retenidas con mo léculas en estado líquido. Este proceso recibe el nombre de condensación. Al cabo de cierto tiempo, la rapidez de evaporación llega a ser igual a la rapidez de condensación y se produce una condición de equilibrio, como se aprecia en la figura 19.6c. En estas condiciones, se dice que el espacio situado arriba del líquido está saturado. A la presión ejercida por el vapor saturado contra las paredes del recipiente, además de la que ejercen las moléculas de aire, se le conoce como presión de vapor saturado. Esta presión es característica de cada sustancia y depende de la temperatura, pero es independiente del volumen del vapor. La presión de vapor saturado de una sustancia es la presión adicional ejercida por las moléculas de vapor sobre la sustancia y sus alrededores en condiciones de saturación. Una vez obtenida la condición de saturación para una sustancia y su vapor a una tempe ratura determinada, la presión de vapor permanece esencialmente constante. Si la temperatura se incrementa, las moléculas del líquido adquieren más energía y la evaporación se produce con mayor rapidez. La condición de equilibrio persist