FS 1112 Primer Parcial 2017 Ene Mar Tipo C pdf

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(1)FS-1112: PRIMER PARCIAL. Universidad Simón Bolívar Enero-Marzo 2017 Sartenejas, 08 de febrero de 2017. Nombre:. . Carnet:. . Sección:. .. Parte I: Selección simple (20 puntos). A continuación se presentan 10 planteamientos de selección simple con. un valor de 2 puntos cada uno. Marque con una X la opción que considere correcta de cada planteamiento. Justique cada una de las respuestas que haya escogido. Una opción marcada sin justicación será considerada como incorrecta. Cada planteamiento tiene una única respuesta correcta. Si marca más de una opción por planteamiento, será considerado como respuesta incorrecta. No hay factor de corrección. El sistema mostrado en la gura consta de tres discos cuyos respectivos radios a, b y c son conocidos. Los discos de radios a y b son coaxiales y están unidos entre sí. Una cadena está colocada alrededor de los discos de radio b y c, como se muestra. La cadena no desliza con las supercies de los discos. Cada disco rota libremente en torno al eje que pasa por su centro y es perpendicular al plano de la hoja. La velocidad angular ω ~ a del disco de radio a es conocida. Con base en esto, responda los siguientes dos planteamientos.. ̂ ı̂. ω ~a a. c. b p. 1. (2 pts.) La velocidad angular ω ~ c del disco de radio c es: ( ) ab ω ~a ~a (X) cb ω ( ) ab ω ~a ( ) − cb ω ~a ( ) Ninguna de las anteriores. 2. (2 pts.) La rapidez del punto p en la periferia del disco de radio c es: ( ) ωa · c ( ) ωa2 · b 2 ( ) ωa · cb (X) ωa · b ( ) Ninguna de las anteriores. 3. (2 pts.) Un muchacho de masa M se encuentra patinando sobre una pista de hielo horizontal con una velocidad ~vo = vo ı̂ constante mientras sostiene una bola de boliche de masa m = 81 M . En cierto instante, el muchacho decide arrojar la bola con velocidad ~u = 27 8 vo ı̂ respecto a sí mismo. La velocidad del muchacho luego de haber arrojado la bola es: ( ) − 27 vo 8~ 27 ( ) − 45 ~vo 5 (X) 8 ~vo ( ) 45 vo 8~ ( ) Ninguna de las anteriores. página 1 de 8.

(2) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. 4. (2 pts.) La gura adjunta consta de tres masas puntuales, dos con masa m y una con masa 4m, ubicadas en los vértices de un triángulo isósceles, de base 4cm y altura 3cm; encontrándose el vértice inferior izquierdo justo en el punto O. El centro de masa de la gura medida desde el punto O se encuentra en: ( ) 12 5 (ı̂ + ̂) [cm] ( ) 2ı̂ + ̂ [cm] m (X) 2ı̂ + 2̂ [cm] O ( ) 13 ı̂ + 16 ̂ [cm] ( ) Ninguna de las anteriores. La gura adjunta muestra la vista superior de un disco de masa M y radio R, al cual se le ha acoplado encima otro disco de masa 2M y radio 1 3 2 R, centrado sobre el eje x a 2 R a la derecha del origen. Ambos discos son uniformes y tan delgados que pueden considerarse planos y se ubican justo sobre el plano x-y. Con base en esta información, responda los dos siguientes planteamientos: 5. (2 pts.) El momento de inercia de la gura respecto al eje z que sale perpendicularmente del plano de la hoja es: 2 (X) 25 4 MR ( ) 43 M R2 ( ) 54 M R2 (). 17 2 4 MR. ( ) Ninguna de las anteriores. 6. (2 pts.) El momento de inercia de la gura con respecto al eje x es: ( ) 34 M R2 ( ) 58 M R2 () (). 47 2 8 MR 4 2 3MR. (X) Ninguna de las anteriores.. página 2 de 8. 4m ̂ ı̂. 3 cm m. 4 cm. y. M 2M R. x.

(3) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. 7. (2 pts.) La gura adjunta muestra un cilindro de masa M uniforme, radio R y longitud L ê2 que puede rotar en torno a dos ejes, ê1 (que pasa justo por su centro y es paralelo al eje de simetría axial) o ê2 , con rapidez angular ω1 o ω2 , respectivamente. Por ende, existen dos energía cinéticas, K1 y K2 asociadas. ¾Qué relación deben tener ω1 y ω2 para que K2 = 3K1 ? (X) ω2 = ω1 ( ) ω2 =. √1 ω1 3 1 3 ω1 1 2 ω1. ê1. R. L. ( ) ω2 = ( ) ω2 = ( ) Ninguna de las anteriores. Una barra de masa M uniforme y longitud L se encuentra inicialmente suspendida de forma horizontal de una bisagra sin fricción ja al techo. Esta se suelta de la condición inicial y al encontrarse vertical, el extremo inferior de la barra colisiona con una pequeña caja de masa m = 18 M , considerada puntual, que se encuentra en reposo sobre el suelo. La caja queda adherida a la barra durante la colisión. El conjunto barra y caja continúa su movimiento hasta que la primera hace un ángulo θmáx con la vertical y retorna. Vea la gura adjunta. Utilice esta información para responder los siguientes tres planteamientos.. ̂ ı̂ θmáx. m. ~g. 8. (2 pts.) q La rapidez angular de la barra justo antes de colisionar con la caja es: ( ) Lg (). q. (X) (). g 3L. q. q. 3g L. 6g L. ( ) Ninguna de las anteriores. 9. (2 pts.) Sea ωo la rapidez angular de la barra antes de la colisión. La velocidad de la caja justo tras la colisión es: √ ( ) gL (−ı̂) (). 8 19 ωo L (−ı̂) √ ( ) 23 2gL (−ı̂) 8 (X) 11 ωo L (−ı̂). ( ) Ninguna de las anteriores. 10. (2 pts.) Sea K 0 la energía cinética del sistema justo después de la colisión, el ángulo θmáx cumple: 0 ( ) sen θmáx = 1 − 85 MKgL ( ) cos θmáx =. 8 K0 9 M gL. ( ) cos θmáx = 1 −. 8 K0 9 M gL. (X) cos θmáx = 1 − 85 MKgL ( ) Ninguna de las anteriores. 0. página 3 de 8.

(4) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. Parte II: Problema de desarrollo (15 puntos). A continuación se presenta un problema que debe desarrollar. Justique cada argumento siendo coherente, claro, conciso, ordenado y escribiendo con letra legible. 11. Un yo-yo de masa M = 5m, conformado por dos discos de radio b = 3r y un cilindro de radio r alrededor del cual se enrolla una cuerda ideal, se coloca sobre un plano horizontal con fricción, siendo µs = 52 el coeciente de roce estático entre la supercie y el yo-yo. La cuerda del yo-yo pasa por una polea ideal de radio R = 87 r. Al extremo libre de la cuerda se le ata un bloque de masa m suspendido en la vertical. Vea la gura. El sistema se encuentra inicialmente en reposo y el yo-yo rueda sin deslizar sobre la supercie. El momento de inercia del yo-yo respecto a un eje perpendicular al plano de la hoja que pasa su centro de masa es conocido y vale I = 23mr2 . Calcule: (a) (b) (c) (d) (e). (3 pts.) (4 pts.) (2 pts.) (3 pts.) (3 pts.). M. ı̂. R r. b µs m. La relación entre la aceleración del bloque y la aceleración del centro de masa del yo-yo. La aceleración angular del yo-yo. La aceleración angular de la polea. El módulo de la tensión de la cuerda. La fricción que ejerce la supercie sobre el yo-yo.. Respuestas aCM. 3 = ab 4. αyo−yo =. 1 g 21 r. αpolea =. 2 f~r = mg(−ı̂) 21. 17 T = mg 21. página 4 de 8. ~g. ̂. 1g 8r.

(5) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. Explicaciones 1. Dado que el disco a y el disco b están en el mismo eje, ~v c ω~a = ω~b . Adicionalmente, como la correa no desliza, la velocidad tangencial del disco c y el disco b tiene igual magnitud. Por lo tanto: c ω ~a = ω ~ b =⇒ ω ~a =. ω ~a a. ~vb b. ~vb ω ~ cc b = =⇒ ωc = ω ~a b b c. p. 2. El punto p tiene la misma rapidez que cualquier punto en la periferia de c, y como vimos en el ejercicio anterior, dicha rapidez es la misma que tienen los puntos en el borde del disco b. Por lo tanto vp = ωb · b = ωa · b . 3. Nos dicen que la velocidad del muchacho es constante, y que además la pista es de hielo, por lo que podemos asumir que no hay fuerzas externas, al menos en ı̂. Eso quiere decir que la velocidad del centro de masa del sistema no cambia. Tomando en cuenta que m~vm |T + M~vM |T , tenemos inicialmente: M +m 1 M~vo + M v~o ~vCM |T = 8 10 = ~vo 9 M ~vCM |T =. Luego, como tenemos que la bola se lanza con una velocidad respecto al muchacho, la transformación de Galileo correspondiente sería:. ~vm |T = ~vm |M + ~vM |T. Ahora sustituimos ese valor en la expresión para la velocidad del centro de masa del sistema. Recordando que ~vm |M = 27 8 vo ı̂, entonces: ~vCM |T = vo ı̂ =. 1 vm |T + M~vM |T 8 M~ 9 8M. 4. Recordando que ~rCM = ~rCM =. 1 M. P. 8 =⇒ vo ı̂ = 9. . 1 (~vm |M + ~vM |T ) + ~vM |T 8. . 5 =⇒ ~vM |T = ~vo 8. mi r~i. 4m(2ı̂ + 3̂) + m(4ı̂) + m(~0) =⇒ ~rCM = 2ı̂ + 2̂ m + m + 4m. 5. Por teorema de Steiner (teorema de Ejes Paralelos), el momento de inercia de un sólido de masa M respecto a un eje paralelo que se encuentre a una distancia D es I = ICM + M D2 . Recordemos que el ICM de un disco 1 homogéneo respecto a un eje perpendicular a su radio es M R2 . El Itotal será la suma de los momentos de 2 inercia de los discos, es decir: Itotal. 1 1 = I1 + I2 = M R2 + M R2 + (2M ) 2 2. . 1 R 2. 2. + 2M. 3 R 2. 2 =⇒ Itotal =. 25 M R2 4. 6. Por teorema de ejes perpendiculares, Iz = Ix + Iy . Como para un disco homogéneo Ix = Iy , entonces Ix = 1 1 Iz = M R2 . Para obtener el momento de inercia total, sumamos el momento de inercia de ambos discos: 2 4 2 1 1 1 3 2 Itotal = M R + (2M ) R =⇒ Itotal = M R2 . 4 4 2 8. página 5 de 8.

(6) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. 7. Como el ICM de un cilindro es 12 M R2 , tenemos que Iê1 = 12 M R2 y Iê2 = 12 M R2 + M R2 = 23 M R2 . La energía cinética de rotación viene dada por K = 12 Iω 2 . Igualamos para hallar la relación entre los ω : 3Kê1 = Kê2. 1 =⇒ 3 2. . 1 1 3 2 2 2 M R ω1 = M R ω22 =⇒ ω2 = ω1 2 2 2. 8. Como la energía se conserva en la caída, tenemos que: 1 i + Ui = Kf + Uf =⇒ M gL = Iω 2 + M g K 2. . r 1 3g 1 1 1 L =⇒ M gL = M L2 ω 2 + M g L =⇒ ω = 2 2 3 2 L. 9. Nos jamos que ωo apunta en la dirección de −k̂. Denotamos Ic+b como el momento de inercia del sistema caja-barra. Como durante la colisión no hay torques externos, el momento angular se conserva, entonces: ~i = L ~ f =⇒ Ib ωo (−k̂) = Ib+c ωf =⇒ L. . 1 8 1 1 2 2 2 ~ f = ωo M L ωo = M L + M L ωf =⇒ ω 3 3 8 11. Ahora hallamos la velocidad: ~v = ω ~ f × ~r =. 8 8 ωo (−k̂) × L(−̂) =⇒ ~v = ωo L(−ı̂) 11 11. ~ = I~ Recordemos que el momento angular de un rígido que rota es L ω . Como la caja se adhiere a la 1 2 barra, ésta añade 8 M L al momento de inercia total de la barra.. Nota:. 10. La energía se conserva, por ende: 0 0 0 Ki + Ui = K f + Uf =⇒ K + M gH = M gH + mgh H representa la altura del centro de masa de la barra; como es homogénea, entonces H = 21 L. Por trigonometría, tenemos que H 0 = L − 12 L cos θmax y h0 = L − L cos θmax .. θmáx H. H h0. m. Por lo tanto, ya podemos sustituir para hallar el valor de cos θmax : K 0 + M gH = M gH 0 + mgh0 1 1 1 0 L = M g L − L cos θmax + M g (L − L cos θmax ) =⇒ K + M g 2 2 8 =⇒ cos θmax = 1 −. página 6 de 8. 8 K0 5 M gL. L. 0.

(7) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. 11. El diagrama de los sólidos ha sido dibujado a la derecha. Como la polea es ideal (sin masa), no necesitamos analizarla. Las ecuaciones dinámicas para el yoyo son: Fx = T1 − fr = M aCM. (1). τCM = 3rfr + rT1 = ICM α. (2). X X. Y para la caja es simplemente X. 3r. Fy = mg − T2 = mab. (3). T~1. No nos presenta mayor interés las fuerzas en y del yo-yo.. T~2. r. Vínculos: La polea es ideal, por lo tanto:. M~g f~r. ||T1 || = ||T2 || = T. Como el yo-yo rueda sin deslizar:. m~g ~ N. aCM = αR = 3αr. El punto donde la cuerda hala al cilindro debe tener la misma aceleración que el punto donde la cuerda es halada por el bloque. Como ese último punto tiene la misma aceleración que el bloque, tenemos que: ab = ||aCM ı̂ + αk̂ × r(−̂)|| = ||3αrı̂ + αrı̂|| = 4αr. (a) Para hallar la relación, usamos el vínculo: 4 3 ab = 4αr = aCM =⇒ aCM = ab 3 4. (b) Si despejamos T de (3), obtenemos: 4 T = mg − mab = mg − maCM 3. Despejando fr de (1) y sustituyendo T :. 4 19 fr = (mg − maCM ) − 5maCM = mg − maCM 3 3. Ahora solo falta sustituir los valores de fr y T en la ecuación (3). Tomando en cuenta que por el vínculo aCM = 3αr: 19 4 3r mg − maCM + r mg − maCM = (23mr2 )α =⇒ 3 3 19 4 1 g 3 g − (3αr) + g − (3αr) = 23αr =⇒ α = 3 3 21 r. página 7 de 8.

(8) 08/02/2017. FS-1112: PRIMER PARCIAL. a R. (c) Como la cuerda no desliza en la polea, podemos usar directamente que α = : αpolea. 4 aCM ab = = 38 = R 7r. 4 3. 1 g 3 21 1g rr =⇒ αpolea = 8 8r 7r. (d) Usamos el valor de T que habiamos despejado antes: 4 4 1 g 17 T = mg − maCM = mg − m 3 r =⇒ T = mg 3 3 21 r 21. (e) Usando la expresión para fr que hallamos antes: 19 19 1 g 2 fr = mg − maCM = mg − m 3 r =⇒ fr = mg 3 3 21 r 21. Como la fricción resulta en un valor positivo, apunta hacia la izquierda, como asumimos inicialmente. Por lo 2 tanto f~r = mg(−ı̂) . 21. Este parcial fue suministrado por el Prof. Kevin Ng y resuelto por Jean F. Gómez (15-10581) con asistencia del Prof. Ng para GUIAS USB. gecousb.com.ve Twitter: @gecousb Instagram: gecousb Se agradece noticar cualquier error de tipeo o en las respuestas y qué debería decir a la dirección [email protected] página 8 de 8.

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