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+Examen física primer parcial noviembre 2013

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(1)
(2)

1. Dado el vector deslizante v=i+2j+k, cuya recta soporte pasa por el punto A(1,-2,1)

calcular el momento axial respecto al eje de ecuación

=

=

Solución con explicación: tenemos los siguientes datos:

-Vector deslizante:(1,2,1): lo llamaré

-Punto del vector deslizante:(1,-2,1):lo llamaré A

-Vector recta:(0,3,3) lo llamaré

-Punto de la recta: (2,1,1) lo llamaré P

La fórmula del momento axial es la siguiente:

Para calcular : aplicamos: ^

=-3i+j+k=(-3,1,1) Aplicando la fórmula: = = =

Como podemos comprobar, el momento axial es una magnitud escalar

2. Un sólido está sometido a las rotaciones

1

y

2,

siendo A y O puntos de sus respectivas

rectas soportes; además se traslada con una velocidad de traslación:

1= 2i A(0,1,0) 1 + 2 = (2,0,2)

2= 2k 0(0,0,0)

Calcular:

a) La velocidad de los puntos 0 y A

- Una forma práctica de calcular la velocidad en cualquier punto es calcularla primero en el punto 0. En este caso nos piden la velocidad en este punto, por lo que primero lo calculamos en 0 y luego en A.

(3)

0= (2,2,2)+ + =(2,2,2)+(0,0,-2)=(2,2,0)

a= 0 + ^

a =(2,2,0)+ = (2,2,0)+ (-2,0,2)=(0,2,2)

b) Velocidad en punto genérico M(x,y,z)

Aplicamos una fórmula similar a la del apartado anterior: m= 0 + ^

m=(2,2,0)+ =(-2yi-2zj+2yk+2xj)=(2-2y,2+2x-2z,2y)

Para comprobar si el resultado es correcto, sustituyo en las coordenadas(x,y,z) el punto A(0,1,0),y si da (0,2,2),el resultado es correcto.

c) Invariantes del sistema y vector min

Invariante 1: = = =2 Invariante 2: 0=(2,0,2)(2,2,0)=4 Invariante 3: = = min= = =(1,0,1)

d) Ecuación del Eje Instantáneo de Rotación y Deslizamiento(EIRD)

Fórmula EIRD: = =(2,0,2) 0=(2,2,0)

Fórmula para calcular : =

=(

EIRD: en forma continua

como intersección de dos planos

(4)

3. Un cuerpo sigue una trayectoria cuyo vector posición es

=t

2

i+tj+k. Calcular:

a) Velocidad: módulo y vector.

Para calcular el vector velocidad ( ), derivamos en función de t. De esta forma: (m/s)

Para calcular el módulo de v ( , aplicamos:

De esta forma: (m/s)

b) Vector aceleración: Para calcular el vector aceleración ( ), derivamos en función de t. De esta forma: (m/s2)

c) Componentes intrínsecas de la aceleración: tangencial y normal.

Cuando nos piden las componentes intrínsecas de la aceleración, solo tenemos que dar el módulo de éstas.

IatI= es la derivada del módulo de la velocidad respecto al tiempo.

IatI=

(m/s

2)

IanI= es la raíz cuadrada del módulo de la aceleración al cuadrado menos el módulo de la aceleración tangencial al cuadrado: IanI2=IaI2-IatI2

De esta forma IanI= (m/s 2)

4.Un punto material realiza un movimiento circular cuyo vector posición en función del

tiempo es:

. Calcular:

a) El desplazamiento angular la velocidad angular y la aceleración angular .

Sacando factor común:

Como . Deducimos que (rad)

es la derivada de respecto al tiempo :

.Deducimos que (rad/s)

es la derivada de respecto al tiempo :

. Deducimos que (rad/s

2)

b) Vector velocidad instantánea (t) y módulo IvI

(t)=

. (t)=4(-sen2ti+cos2tj)

(5)

c) Componentes intrínsecas de la aceleración:

n=

.Por tanto, n=

Como n(t)=IanI n , y n= -cos -sen . Deducimos que IanI=8 (m/s2)

t=R t . Comoα x a l ra ó a g al. P r a : IatI=0

d) Vector aceleración instantánea t y su módulo

En este caso, como t=0, la aceleración va a ser igual que la aceleración normal y su módulo. Por tanto: =

IaI=8 (m/s2)

5. Una partícula de masa=2kg está sometida a la acción de una fuerza:

= (-3x2 +4x)i-2yj-3k (N)

a)Indicar si la fuerza es conservativa:

Una fuerza es conservativa si =0 . Para ello, hacemos el siguiente determinante:

= 0.

Esto es así porque por Sarrus, por ejemplo,

=0,

,

Una regla memorística es saber si en la fuerza, el componente de las i tiene solo x (y/o número sin variable), el componente de las j tiene solo y (y/o número sin variable), el componente de las k tiene solo z (y/o número sin variable).

En este caso, el componente i solo tiene x, el componente j solo tiene y, el componente k tiene número sin variable

Por tanto, la fuerza es conservativa

b) Obtener la energía potencial de la partícula considerando U(0,0,0)=0

En este apartado, tenemos que aplicar:

Fx= Fy= Fz= U=

(6)

U=

U=x3-2x2+y2+3z+C

Como U(0,0,0)=0 C=0

U= x3-2x2+y2+3z

c) Calcular el trabajo realizado por la fuerza cuando la partícula se desplaza desde 0(0,0,0) hasta A (1,1,1)

Existen dos caminos distintos que al final llegan al mismo resultado:

Método 1: W=- =U0-Ua=0-3=-3J. He sustituido el punto 0 y A en U

Método 2: por definición de trabajo. W=

W=

= (-3x2 +4x)i-2yj-3k (N)

W= -x3+2x2-y2-3z =(-1+2-1-3)-0=-3 J

d) Si la velocidad de la partícula en la posición 0 (0,0,0) es v0=4 m/s, calcular la velocidad en el punto A(1,1,1)

Como es un campo conservativo, no varía la energía mecánica. Por tanto:Ema=Em0

Como la energía mecánica es la suma de la Ec y U, tenemos:EcA+UA=Ec0+UB

Ec= (mv2/2)

Tenemos la masa(2kg), la velocidad en el punto 0 (4m/s) y la energía potencial en A(3J) y 0(0J), por lo que solo nos queda por despejar la energía cinética en A.

Eca=Ec0+U0-UA Despejamos: Eca=16-3=13(J)

(7)

6. El trabajo realizado por una fuerza

para trasladar una partícula de masa m desde una

posición a otra es: (indicar si es verdadero o falso y argumentarlo muy brevemente)

-Siempre igual a la variación de energía potencial

Falso. Solo es verdad si estamos hablando de un campo conservativo

-Siempre igual a la variación de energía cinética

Verdadero. El teorema de la energía cinética relaciona el trabajo con la variación de energía cinética, y es válido para todo tipo de fuerzas, ya sean conservativas o no conservativas

-Siempre independiente del camino seguido

Falso. Solo es cierto si estamos hablando de fuerzas conservativas

-Producto vectorial de la fuerza por el desplazamiento

Referencias

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