XIV. TRASLACIÓN Y ROTACIÓN PURAS Como en la generalidad de los capítulos, abordaremos primero la Cinemática de cada movimiento y terminaremos con la Cinética. Traslación pura. Cinemática El menhir de la figura es un cuerpo rígido que se mueve con traslación pura. A y B son dos partículas cualesquiera del menhir, y O es un punto fijo. Sea A el origen del sistema de referencia móvil, cuyos ejes mantienen fija su dirección durante el movimiento. Recurriendo a las ecuaciones del movimiento relativo, observamos que la posición absoluta de B se obtiene sumando vectorialmente la posición relativa de B respecto a A, más la posición absoluta de A. El vector de posición relativa de B respecto a A tiene una magnitud que no puede cambiar, pues une dos partículas de un cuerpo rígido, y una dirección que permanece fija, ya que el cuerpo se mueve con traslación pura: por tanto, su derivada es nula. Entonces: Traslación y rotación puras ๐ฬ ๐ต = ๐ฬ ๐ต/๐ด + ๐ฬ ๐ด ๐ฃฬ ๐ต = 0ฬ + ๐ฃฬ ๐ด ๐ฃฬ ๐ต = ๐ฃฬ ๐ด Lo cual significa que todas las partículas del menhir tienen, en un instante determinado, la misma velocidad. Si derivamos nuevamente con respecto al tiempo, obtenemos ๐ฬ ๐ต = ๐ฬ ๐ด que implica que también todas las partículas tienen la misma aceleración en un instante dado. Es decir, los movimientos de todas las partículas de un cuerpo dotado de traslación pura son idénticos y, por tanto, todo lo que hemos estudiado y afirmado del movimiento de una partícula, se aplica sin dificultad alguna a un cuerpo que se mueva con traslación pura. Asimismo, se puede predicar del cuerpo tanto la velocidad como la aceleración de una de las partículas. Traslación pura. Cinética Consideremos un menhir que se mueve con traslación pura. La aceleración de cualquiera de sus partículas está causada por una fuerza cuya magnitud es igual al producto de la masa de la partícula por su aceleración. En la figura, dibujamos un sistema de referencia cuyo eje de las equis es paralelo a la aceleración de cualquiera de las partículas, y la distancia del origen a la línea de acción de la fuerza es y. El conjunto de las fuerzas que actúan sobre todas las partículas constituye un sistema de fuerzas paralelas, cuya resultante se puede obtener 330 Traslación y rotación puras mediante dos ecuaciones. Con la suma algebraica de las fuerzas, se obtiene la magnitud de la resultante, simbólicamente, ๐ = โ๐น Puesto que ๐น = ๐ ๐๐ ๐ = โซ ๐ ๐๐ = ๐ โซ ๐๐ ๐ = ๐๐ y mediante la suma de los momentos de las fuerzas respecto a un punto arbitrario, se obtiene el momento de la resultante respecta al mismo punto. Simbólicamente, y llamando d a la distancia de la línea de acción de la resultante al origen ๐0 ๐ = โ ๐0 ๐น ๐๐๐ = โซ ๐๐ฆ ๐๐ = ๐ โซ ๐ฆ ๐๐ La última integral representa el momento estático de la masa del menhir respecto al eje de las equis. Puesto que dicho momento estático se puede obtener multiplicando la masa del menhir por la ordenada del centro de masa, tenemos ๐๐๐ = ๐๐๐ฆฬ ๐ = ๐ฆฬ Este resultado significa que la línea de acción de la resultante del sistema de fuerzas pasa por el centro de masa. En resumen: las características de la resultante del sistema de fuerzas que actúa sobre un cuerpo que se mueve con traslación pura son: โMagnitud: igual al producto de la masa del cuerpo por la aceleración de cualquier partícula. โDirección: la misma que tiene la aceleración de cualquiera de las partículas. โPosición: el centro de masa del cuerpo. 331 Traslación y rotación puras Las ecuaciones que se pueden emplear para describir el movimiento, utilizando un sistema de referencia arbitrario, serán, por tanto: โ ๐น๐ฅ = ๐๐๐ฅ โ ๐น๐ฆ = ๐๐๐ฆ โ ๐๐บ ๐น = 0 En vez de elegir el centro de masa como centro de momentos, se puede elegir el punto O, utilizando la ecuación โ ๐0 ๐น = ๐๐๐ Cuando la traslación es curvilínea, en vez de los ejes equis y ye, convendrá utilizar un sistema de referencia intrínseco, con ejes normal y tangencial, como se ilustra en el tercero de los ejemplos que siguen. Ejemplo. Un ciclista arranca desde el reposo y, acelerando uniformemente, alcanza un rapidez de 12 m/s cuando ha recorrido 20 m. Determine la fuerza de tracción que genera la llanta trasera y las reacciones normales del pavimento sobre cada una de las llantas durante el movimiento. El peso conjunto del ciclista y la bicicleta es de 90 kg. Comenzamos resolviendo el problema cinemático. Calculamos la aceleración del ciclista. ๐๐ฃ ๐ฃ22 โ ๐ฃ12 ๐=๐ฃ = ๐๐ฅ 2๐ฅ 122 ๐= = 3.6 mโs2 2(20) 332 Traslación y rotación puras Para la determinación de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, el primer paso, como siempre, es dibujar un diagrama de cuerpo libre. Ahora, además, añadiremos un dibujo que represente el sistema resultante de las fuerzas. Elegimos también un sistema de referencia. La suma de las fuerzas verticales es nula. Pero comenzar con la ecuación correspondiente obliga a resolver un sistema de ecuaciones simultáneas. Es más práctico emplear una ecuación de momentos, tomando como centro el punto de contacto de la llanta trasera con el suelo, donde concurren dos incógnitas. โ ๐๐ด = ๐๐๐ฬ Considerando positivos los momentos con sentido horario, resulta: 90 (3.6)0.8 90(0.5) โ 0.9๐๐ต = 9.81 3.6 × 0.8 0.9๐๐ต = 90 (0.5 โ ) 9.81 ๐๐ต = 20.6 kg โ โ ๐น๐ฆ = 0 ๐๐ด + 20.6 โ 90 = 0 ๐๐ด = 69.4 kg โ โ ๐น๐ฅ = ๐๐ 333 Traslación y rotación puras ๐น๐ = 90 (3.6) 9.81 ๐น๐ = 33 kg โ Ejemplo. Un tambor A de 420 lb de peso y de las dimensiones mostradas en la figura, se coloca sobre una superficie horizontal rugosa y se conecta con un cuerpo B. Diga cuál es el peso máximo admisible de B, que consiga que A se deslice sin volcarse. Diga también cuál será la aceleración de A. Los coeficientes de fricción estática y cinética entre el tambor y la superficie son 0.30 y 0.25, respectivamente. La tensión que la cuerda va a ejercer sobre el tambor debe producir un movimiento de traslación pura. La aceleración del tambor resultará de la misma magnitud que la aceleración de B. Tendremos que estudiar los dos cuerpos, pues están conectados. Comenzaremos por el tambor A. El diagrama de cuerpo libre representa la condición de que el tambor está a punto de volcarse, por lo que la componente normal de la reacción del plano queda en la posición extrema de la base de sustentación. Además del diagrama de cuerpo libre, dibujamos un esquema del sistema resultante. 334 Traslación y rotación puras โ ๐น๐ฆ = 0 ๐ โ 420 = 0; ๐ = 420 โ ๐โบ ๐น = 0 420(1.5) โ 0.25(420)2.5 โ 2.5๐ = 0 2.5๐ = 420(1.5 โ 0.25 × 2.5) ๐ = 147 โ ๐น๐ฅ = ๐๐ 420 147 โ 0.25(420) = ๐ 32.2 32.2 (147 โ 105) ๐= 420 ๐ = 3.22 ftโs2 โ Continuamos con el cuerpo B.. โ ๐น๐ฆ = ๐๐ ๐ (3.45) 32.2 3.45 ๐ (1 โ ) = 147 32.2 ๐ โ 147 = ๐ = 164.6 lb Ejemplo. El anuncio de una pescadería es la figura de un pez de 40 kg de peso, y se soporta por dos barras iguales, articuladas y de peso despreciable. El conjunto oscila por la acción del viento; en cierto instante, las barras forman un ángulo de 15° con la vertical y el anuncio tiene una rapidez de 2.4 m/s. Calcule la aceleración del anuncio y las tensiones de las barras en ese instante. 335 โบ Traslación y rotación puras Dibujamos el diagrama de cuerpo libre del anuncio. Las acciones de las barras tienen las direcciones de estas, pues se trata de cuerpos de masa despreciable (por tanto, en equilibrio) sujetos a dos fuerzas. Elegimos un sistema de referencia intrínseco, de modo que el eje normal tiene la dirección de las barras. Añadimos el esquema del sistema resultante, la cual representamos descompuesta, para facilitar al trabajo. Podemos calcular directamente la componente normal de la aceleración, pues conocemos la rapidez del anuncio y el radio de curvatura de la trayectoria de la partícula: ๐ฃ 2 2.42 ๐๐ = = = 3.84 ๐ 1.5 y para conocer la componente tangencial, planteamos la ecuación โ ๐น๐ก = ๐๐๐ก 40 40๐ ๐๐ 15° = ๐ 9.81 ๐ก ๐๐ก = 9.81๐ ๐๐ 15° = 2.539 Componentes de la aceleración: ๐ = โ3.842 + 2.5392 = 4.603 3.84 tan ๐ = ; ๐ = 17.1° 2.539 17.1 โ 15 = 2.1° ๐ = 4.6 ๐โ๐ 2 336 2.1° Traslación y rotación puras Disponemos de dos ecuaciones para calcular las tensiones de las barras. โ ๐น๐ = ๐๐๐ 40 (3.84) 9.81 ๐๐ด + ๐๐ต = 54.29 โฆ (1) ๐๐ด + ๐๐ต โ 40 cos 15° = โ ๐โบ ๐น = 0 0.4๐๐ต cos 15° โ 0.8๐๐ด cos 15° = 0 0.4๐๐ต โ 0.8๐๐ด = 0 2๐๐ด โ ๐๐ต = 0 โฆ (2) Sumando (1) y (2) 3๐๐ด = 54.29 ๐๐ด = 18.1 kg De (2) ๐๐ต = 36.2 kg Rotación pura. Cinemática En el caso de la traslación pura, como todas las partículas tienen movimientos idénticos, tanto la velocidad como la aceleración de una partícula cualquiera se puede predicar del cuerpo, e. g., โel anuncio tiene una rapidez de 2.4 m/sโ. Pero eso no ocurre con la rotación. El lector puede sujetar una regla por uno de los extremos y girarla: se dará cuenta de que mientras el punto de la regla en contacto con los dedos permanece fijo, el extremo opuesto recorrerá en una vuelta una longitud de 2ฯr, en donde r es el tamao de la regla; y de que el punto medio recorrerá la mitad de esa longitud. Cada partícula, pues, de un cuerpo rígido que rota, tiene su particular movimiento, distinto de cualquiera de otra partícula del mismo cuerpo. 337 Traslación y rotación puras Velocidades Si al segmento de recta AB, de longitud r, lo giramos alrededor de A un ángulo infinitamente pequeño, dฯด, el extremo B se desplazará una distancia ds. Puesto que un ángulo es la razón del arco al radio, entonces ๐๐ ๐ ๐๐ = ๐ ๐๐ ๐๐ ๐๐ =๐ ๐๐ก ๐๐ก ๐ฃ = ๐ฬ ๐ ๐๐ = Ahora consideremos un cuerpo que gira alrededor de un eje perpendicular al plano del papel y que pasa por O. Este punto se suele llamar centro de rotación. Un punto cualquiera, P, situado a una distancia r, describe un arco de circunferencia, Su velocidad, por ser tangente al arco, resulta perpendicular al radio r, y su magnitud es el producto de la velocidad angular del radio por la distancia r: Como todas las rectas del cuerpo tienen la misma velocidad angular, tal velocidad la predicaremos del cuerpo y la designaremos con la letra omega minúscula: ๐ = ๐ฬ Por tanto, la rapidez lineal del punto P será ๐ฃ = ๐๐ 338 Traslación y rotación puras En esta expresión resulta evidente que la magnitud de la velocidad de las partículas es directamente proporcional a su distancia del centro de rotación. Ejemplo. En la posición mostrada, el extremo B de la varilla de un metro tiene una rapidez de 3 m/s, en la dirección indicada. Determine la velocidad angular de la varilla y la velocidad lineal de su extremo A. Despejando ฯ de la expresión que acabamos de asentar, obtenemos ๐ฃ ๐= ๐ y la velocidad de A que es perpendicular a la varilla, tendrá la siguiente magnitud: 3 =5 0.6 ๐ฃ๐ด = ๐๐ ๐ฃ๐ด = 5(0.4) ๐= ๐ฃ๐ด = 2 mโs 70° Ejemplo. La figura representa dos engranes de una máquina conectados. Sabiendo que el engrane A gira con una rapidez de 90 rpm, diga cuál es la velocidad angular del engrane B y qué rapidez tiene cualquiera de los dientes. Todas las partículas de los perímetros de los dos engranes tienen la misma rapidez, puesto que están en contacto entre sí. Dicha velocidad, por tanto, se puede obtener mediante el producto de la velocidad angular de A por su radio, como por el de la velocidad de B por el suyo; es decir ๐๐ด ๐๐ด = ๐๐ต ๐๐ต 339 Traslación y rotación puras ๐๐ต = ๐๐ด ๐๐ด 90(2) = ๐๐ต 5 ๐๐ต = 36 rpm โป Como todos los dientes de ambos engranes tienen la misma rapidez, para calcularla, convertiremos la rapidez angular del engrane A de 90 rpm a rad/s. ๐ฃ = ๐๐ด ๐๐ด Como ๐๐๐ฃ 2๐ ๐๐๐ 90 = 90 ( ) = 3๐ ๐๐๐โ๐ ๐๐๐ 60 ๐ ๐ฃ = (3๐)2 ๐ฃ = 10.85 inโs Aceleraciones Retomemos el punto P del menhir que rota alrededor de O. Como se trata de un movimiento circular, su aceleración tiene componente normal y componente tangencial. La normal, como vimos en el capítulo anterior, es igual a la velocidad angular al cuadrado por el radio: ๐ = ๐ฬ 2 ๐ ๐๐ = ๐ 2 ๐ Y la tangencial, que se obtiene derivando la rapidez con respecto al tiempo, será ๐๐ฃ ๐๐ =๐ ๐๐ก ๐๐ก ๐๐ ๐๐ก = ๐ ๐๐ก La derivada de la velocidad angular respecto al tiempo es la aceleración angular de cualquiera de las rectas del cuerpo y, por tanto, se puede predicar del cuerpo; la representaremos con alfa minúscula: ๐๐ก = ๐ผ๐ 340 Traslación y rotación puras Ejemplo. El punto P del volante de la figura tiene una velocidad de 5 ft/s dirigida hacia arriba, y está disminuyendo a razón de 15 ft/s2. Calcule la velocidad y aceleración angulares del volante y la aceleración de P en ese instante. La velocidad angular se obtiene dividiendo la velocidad lineal de P entre el radio del volante. Y la aceleración angular, dividiendo la aceleración tangencial de P entre el radio. ๐ฃ 5 ๐๐ก 15 ๐= = ๐ผ= = ๐ 0.4 ๐ 0.4 ๐ผ = 37.5 ๐๐๐โ๐ 2 โป ๐ = 12.5 radโs โบ De la aceleración de P, que tiene componentes normal y tangencial, nos falta calcular la normal, y componer. ๐๐ = ๐2 ๐ = (12.52 )0.4 = 62.5 ๐ = โ62.52 + 152 15 tan ๐ = 62.5 ๐ = 64.3 ๐โ๐ 2 Ejemplo. La figura representa un mecanismo formado por una polea A, conectada con una banda a la polea B, que está rígidamente unida a un tambor. Mediante una cuerda enrollada en el tambor, se levanta un cuerpo C. Sabiendo que A tiene una velocidad angular de 6 rad/s, que aumenta a razón de 12 rad/s2, calcule la velocidad y la aceleración lineales del cuerpo C. 341 13.5° Traslación y rotación puras Para conocer la velocidad de C es necesario saber qué velocidad angular tiene el conjunto tambor-polea B; y para ello partimos del hecho de que todas las partículas de la banda que une las poleas tienen la misma rapidez. De modo que tal rapidez es tanto el producto de la velocidad angular de la polea A por su radio, como el de la polea B por el suyo: ๐๐ด ๐๐ด = ๐๐ต ๐๐ต ๐๐ด ๐๐ด 6(3) ๐๐ต = = = 3.6 ๐๐ต 5 Por tanto, la velocidad de C es ๐ฃ๐ = ๐๐ต ๐ = 3.6(8) ๐ฃ๐ = 28.8 inโs โ ๐ฃ๐ = 28.8 ๐๐โ๐ โ Para obtener la aceleración, procedemos de manera semejante: calculamos la aceleración angular de B y, con ella, la aceleración de C, que tiene la misma magnitud que la aceleración tangencial de cualquiera de los puntos del perímetro del tambor. ๐ผ๐ด ๐๐ด = ๐ผ๐ต ๐๐ต ๐ผ๐ด ๐๐ด 12(3) ๐ผ๐ต = = = 7.2 ๐๐ต 5 ๐๐ = ๐ผ๐ต ๐ = 7.2(8) ๐๐ = 57.6 inโs2 โ ๐ฃ๐ = 28.8 ๐๐โ๐ โ Rotación pura. Cinética A continuación, estableceremos la relación entre el movimiento de rotación pura con el sistema resultante de las fuerzas que actúan sobre él. Dividiremos nuestro estudio en rotación pura baricéntrica, y rotación pura no baricéntrica. En el primer caso, el centro de masa del cuerpo rígido está contenido en el eje de rotación. 342 Traslación y rotación puras Rotación pura baricéntrica El centro de rotación del menhir de la figura coincide con su centro de masa G. El menhir tiene una velocidad angular ฯ y una aceleración angular ฮฑ. La aceleración de todas las partículas, excepto G, tiene componente normal, igual al producto del cuadrado de la velocidad angúlar por su distancia al centro de masa, y componente tangencial, igual a la aceleración angular multiplicada por la misma distancia. La fuerza resultante que actúa sobre una partícula cualquiera tiene también una componente normal y otra tangencial. La fuerza resultante del sistema que actúa sobre el menhir se obtiene mediante la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre todas las partículas. Sus componentes serán, por tanto ๐ ๐ = โ ๐น๐ ๐ ๐ก = โ ๐น๐ก ๐ ๐ = โซ ๐๐น๐ = โซ ๐๐ ๐๐ ๐ ๐ก = โซ ๐๐น๐ก = โซ ๐๐ก ๐๐ ๐ ๐ = โซ ๐2 ๐ ๐๐ = ๐2 โซ ๐ ๐๐ ๐ ๐ก = โซ ๐ผ๐ ๐๐ = ๐ โซ ๐ ๐๐ ๐ ๐ = ๐2 ๐ต๐บ๐ ๐ ๐ก = ๐ผ๐ต๐บ๐ Ambas componentes están, pues, multiplicadas por el momento estático del cuerpo respecto al eje de rotación, el cual pasa por el centro de masa y, por tanto, es nulo. O sea โ ๐น๐ = 0 ; 343 โ ๐น๐ก = 0 Traslación y rotación puras Esto no significa que el cuerpo esté en equilibrio. Falta averiguar si el sistema resultante es un par. Para ello sumaremos los momentos de las fuerzas con respctao al centro de masa. Las componentes normales de las fuerzas que actúan sobre las partículas no producen ningún momento respecto al centro de masa, puesto que sus líneas de acción pasan por él. Entonces โ ๐๐บ ๐น = โซ ๐ ๐๐น๐ก = โซ ๐ (๐ผ๐ ๐๐) โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ โซ ๐ 2 ๐๐ โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ Concluimos que el sistema resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo dotado de rotación pura baricéntrica es un par de fuerzas, cuya magnitud es igual a la aceleración angular del cuerpo por el momento de inercia de su masa respecto al eje de rotación, y cuyo sentido es el de la aceleración angular del cuerpo. En un sistema de referencia arbitrario, las ecuaciones cinéticas serán: โ ๐น๐ฅ = 0 โ ๐น๐ฆ = 0 โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ Y, como se trata de una par de fuerzas que produce el mismo momento respecto a cualquier punto, se puede emplear la ecuación alterna โ ๐0 ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ 344 Traslación y rotación puras Ejemplo. A un cilindro macizo A de 40 kg se le enrolla una cuerda de la que pende un cuerpo B de 20 kg, como se muestra en la figura. Determine la aceleración angular del cilindro A, la aceleración lineal del cuerpo B, la tensión de la cuerda y la reacción del apoyo sobre el cilindro. Comenzamos estableciendo una relación cinemática entre el movimiento de B y la rotación de A. La aceleración de aquel es igual al producto de la aceleración angular del cilindro por su radio. ๐๐ต = ๐ผ๐ = 0.2๐ผ โฆ (1) Continuamos con el estudio del cuerpo B. Dibujamos el diagrama de cuerpo libre y elegimos un eje de referencia en dirección del movimiento. Decidimos emplear un sistema de unidades gravitacional, es decir, que el kg es unidad de fuerza. Y sustituimos la aceleración de B por el valor que acabamos de obtener. โ ๐น๐ฆ = ๐๐ 20 (0.2๐ผ) 20 โ ๐ = ๐ 4 ๐ = 20 โ ๐ ๐ผ โฆ (2) A continuación dibujamos el diagrama de cuerpo libre del cilindro macizo y un diagrama del sistema resultante. โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ 1 0.2๐ = ๐ผ [ ๐๐ 2 ] 2 1 40 0.2๐ = ๐ผ [ ( ) 0.22 ] 2 ๐ 4 ๐ = ๐ผ โฆ (3) ๐ 345 Traslación y rotación puras Igualando las dos últimas ecuaciones y resolviendo: 4 4 ๐ผ = 20 โ ๐ผ ๐ ๐ 8 ๐ผ = 20 ๐ 20 ๐ผ= ๐ = 2.5(9.81) 8 ๐ผ = 24.5 radโs2 โบ ๐๐ต = 4.91 mโs2 โ ๐ = 10 kg โ ๐น๐ฅ = 0 ๐ ๐บ๐ฅ โ 10 = 0 ; ๐ ๐บ๐ฅ = 10 โ ๐น๐ฆ = 0 ๐ ๐บ๐ฆ โ 40 = 0 ; ๐ ๐บ๐ฆ = 40 ๐ ๐บ = โ102 + 402 ; tan ๐ = ๐ ๐บ = 41.2 kg Ejemplo. Se desea que el cuerpo C de la figura, que pesa 32.2 lb, adquiera una aceleración lineal de 24 ft/s2 dirigida hacia arriba. Diga qué par de fuerzas M debe aplicarse al engrane A para lograrlo. El engrane A pesa 3.22 lb y tiene un radio de giro centroidal de 0.12 ft; el conjunto corona-tambor B pesa 64.4 lb y su radio de giro centroidal es de 0.75 ft. 346 76° 40 10 Traslación y rotación puras Comenzamos estableciendo la relación cinemática entre la aceleración de C y la aceleración angular del conjunto B. Y luego analizamos el cuerpo C para determinar la tensión requerida en la cuerda. ๐๐ = ๐ผ๐ต ๐๐ ; 24 = (1)๐ผ๐ต ; ๐ผ๐ต = 24 โบ ๐ผ๐ต ๐๐ต = ๐ผ๐ด ๐๐ด ๐ผ๐ต ๐๐ต 24(0.8) ๐ผ๐ด = = ๐๐ด 0.15 ๐ผ๐ด = 38.4 โป โ ๐น๐ฆ = ๐๐ ๐ โ 32.2 = (1)24 ๐ = 56.2 Ahora determinamos la fuerza que debe ejercer el engrane A sobre la corona. โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ 0.8๐น โ 56.2(1) = 24๐ 2 ๐ 0.8๐น โ 56.2 = 24(0.752 )๐ 0.8๐น = 56.2 + 48(0.752 ) ๐น = 104 Establecemos la relación cinemática entre la aceleración angular de B y la de A, y determinamos el par de fuerzas M que se requiere. 347 Traslación y rotación puras โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ โ๐ + 0.15(104) = โ38.4(0.122 )0.1 ๐ = 0.15(104) + 3.84(0.122 ) ๐ = 15.66 lb โ ft โป Rotación pura no baricéntrica Ahora consideraremos un menhir que gira alrededor de un eje, perpendicular al plano del movimiento, que no contiene el centro de masa del cuerpo. Nuevamente tomaremos una partícula arbitraria de masa diferencial, cuya aceleración tiene componentes normal y tangencial; las fuerzas que actúan sobre ella también tienen esas dos componentes. Llamaremos ๐ฬ a la distancia entre el centro de rotación y el centro de masa. El menhir tiene una velocidad angular ฯ y una aceleración angular ฮฑ. Primeramente, tomaremos nota de que las componentes de la aceleración de centro de masa son (๐๐บ )๐ = ๐2 ๐ฬ ; (๐๐บ )๐ก = ๐ผ๐ฬ Ahora trataremos de relacionar el movimiento del cuerpo con el sistema resultante del sistema de fuerzas que actúa sobre él, sabiendo que las 348 Traslación y rotación puras componentes de la fuerza resultante se obtienen con las sumas algebraicas de las componentes correspondientes de las fuerzas del sistema, y que tal fuerza produce, respecto a cualquier punto, el mismo momento que todas las fuerzas del sistema respecto al mismo punto. Emplearemos el sistema de referencia intrínseco que corresponde a la partícula arbitraria elegida, y el centro de rotación como centro de momentos. ๐ ๐ = โ ๐น๐ โ ๐น๐ = โซ ๐๐น๐ = โซ ๐๐ ๐๐ = โซ ๐2 ๐ ๐๐ = ๐ค 2 โซ ๐ ๐๐ โ ๐น๐ = ๐2 ๐ต0๐ = ๐2 ๐๐ฬ โ ๐น๐ = ๐(๐๐บ )๐ ๐ ๐ก = โ ๐น๐ก โ ๐น๐ก = โซ ๐๐น๐ก = โซ ๐๐ก ๐๐ = โซ ๐๐ ๐๐ = ๐ผ โซ ๐ ๐๐ โ ๐น๐ก = ๐ผ๐ต0๐ = ๐ผ๐๐ฬ โ ๐น๐ก = ๐(๐๐บ )๐ก ๐0 ๐ = โ ๐0 ๐น โ ๐0 ๐น = โซ ๐ ๐๐น๐ก = โซ ๐(๐ผ๐ ๐๐) = ๐ผ โซ ๐ 2 ๐๐ โ ๐0 ๐น = ๐ผ๐ผ0 Las ecuaciones anteriores se pueden escribir más ordenadamente así: โ ๐น๐ = ๐๐2 ๐ โ ๐น๐ก = ๐๐ผ๐ฬ โ ๐0 ๐น = ๐ผ๐ผ0 349 Traslación y rotación puras Con ellas tenemos un sistema fuerza-par en el centro de rotación. Y resulta más práctico que conocer la magnitud, dirección y posición de la fuerza resultante (1). Ejemplo. El péndulo compuesto de la figura puede girar libremente alrededor de un eje horizontal que pasa por O. Pesa 10 kg y su centro de masa está en G, El radio de giro de su masa respecto a O es ko = 0.9 m. En la posición mostrada, se mueve con una velocidad angular de 4 rad/s en sentido antihorario. Determine la aceleración angular del péndulo y la reacción de la articulación O. Dibujamos el diagrama de cuerpo libre y otro diagrama que represente las componentes de la resultante del sistema de fuerzas aplicadas en el centro de rotación, y el par que las acompaña. โ ๐0 ๐น = ๐ผ๐ผ0 10 ๐ ๐๐ 20(0.8) = ๐ผ๐02 ๐ 10 8 ๐ ๐๐ 20° = ๐ผ(0.92 ) 9.81 8(9.81)๐ ๐๐ 20° ๐ผ= 8.1 ๐ผ = 3.31 radโs2 โบ โ ๐น๐ = ๐๐2 ๐ฬ ๐ 0๐ = โ10 cos 20° 10 (42 )0.8 = 9.81 350 Traslación y rotación puras ๐ 0๐ = 10 (cos 20° + 16 [0.8]) = 22.4 9.81 โ ๐น๐ก = ๐๐ผ๐ฬ 10 (3.31)0.8 ๐ 0๐ก + 10 ๐ ๐๐ 20° = 9.81 3.31 [0.8] โ ๐ ๐๐ 20°) = โ0.718 ๐ 0๐ = 10 ( 9.81 ๐ 0 = โ22.42 + 0.7182 0.718 tan ๐ = ; ๐ = 0.18° 22.4 ๐ 0 = 22.4 kg 70.2° Ejemplo. La barra delgada y homogénea que se muestra en la figura está articulada en O y puede girar libremente en el plano vertical. Se suelta desde la posición en que ฯด = 0°. Sabiendo que pesa 16.1 lb y mide 8 ft, calcule la reacción de la articulación cuando el ángulo ฯด alcance los 60°. Para conocer la reacción de la articulación, necesitamos investigar previamente la velocidad y aceleración angulares de la barra. Como ambas varían conforme a la posición de la barra, dibujaremos un diagrama de cuerpo libre, y el diagrama del sistema equivalente, para una posición arbitraria. Como la barra es delgada y homogénea, el momento de inercia de la masa respecto a O es (1/3)ml2. La distancia ๐ฬ entre O y G es de 4 ft. 351 Traslación y rotación puras โ ๐0 ๐น = ๐ผ๐ผ0 16.1 cos ๐ (0.4) 1 = ๐ผ ( ) 0.5(0.82 ) 3 0.32 6.44 cos ๐ = ๐ผ 3 ๐ผ = 60.38 cos ๐ ๐๐ ๐ = 60.38 cos ๐ ๐๐ โซ ๐ ๐๐ = 60.38 โซ cos ๐ ๐๐ ๐2 = 60.38 ๐ ๐๐ ๐ + ๐ถ 2 ๐๐ ๐ = 0; ๐ = 0, ๐๐๐ ๐๐ ๐ก๐๐๐ก๐ ๐ถ = 0 ๐2 = 120.75 ๐ ๐๐ ๐ ๐๐๐๐ ๐ = 60° โ3 ๐2 = 120.75 ( ) = 104.57 2 1 ๐ผ = 60.38 ( ) = 30.188 2 โ ๐น๐ = ๐๐2 ๐ฬ โ3 ) = 0.5(104.57)4 2 = 8.05โ3 + 2(104.57)13.943 ๐ 0๐ โ 16.1 ( ๐ 0๐ โ ๐น๐ก = ๐๐ผ๐ฬ 1 ๐ 0๐ก + 16.1 ( ) = 0.5(30.188)4 2 ๐ 0๐ก = 2(30.188) โ 8.05 = 52.33 352 Traslación y rotación puras ๐ 0 = โ13.9432 + 52.332 13.943 tan ๐ฝ = ; ๐ฝ = 14.9° 52.33 30° โ 14.9° = 15.1° ๐ 0 = 54.2 ๐๐ 15.1° El centro de masa como centro de momentos Es importante poder escribir las ecuaciones del movimiento de rotación pura no baricéntrica tomando como centro de momentos, en vez del centro de rotación, el centro de masa. Ya hemos obtenido un sistema fuerza-par equivalente al sistema de fuerzas que actúa sobre el cuerpo. Ahora transportaremos la fuerza resultante al centro de masa. Para lograrlo, será necesario sumar al par que teníamos, el par de transporte con el que hay que acompañar a la fuerza para que no se alteren los efectos externos. Podemos observar en la figura que el par de transporte es igual al momento que produce la componente tangencial respecto al centro de masa, es decir, โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ0 โ ๐๐ผ๐ฬ โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ(๐ผ0 โ ๐๐ฬ ) ๐ผ0 = ๐ผ ฬ + ๐๐ฬ ๐ผ ฬ = ๐ผ0 โ ๐๐ฬ pero, del teorema de los ejes paralelos, que establece que el momento de inercia respecto a un eje cualquiera es igual al momento de inercia centroi353 Traslación y rotación puras dal más el producto de la masa por la distancia entre los ejes al cuadrado, tenemos que โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ es decir, โ ๐น๐ฅ = ๐(๐๐บ )๐ฅ โ ๐น๐ฆ = ๐(๐๐บ )๐ฆ โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ Por otro lado, si en vez de elegir un sistema de referencia intrínseco, en relación a las componentes tangencial y normal de la aceleración del centro de masa, se elige un sistema arbitrario x-y, entonces las ecuaciones โ ๐น๐ฅ = 0 โ ๐น๐ฆ = 0 โ ๐๐บ ๐น = ๐ผ๐ผ ฬ se aplican perfectamente al movimiento de rotación no baricéntrica. Tienen estas tres ecuaciones especial importancia por su generalidad. Se aplican a la traslación pura y a la rotación baricéntrica, como a casos particulares. En la traslación, la aceleración angular, lógicamente, es nula, y la resultante es una fuerza cuya línea de acción pasa por G. Y en la rotación pura baricéntrica es nula la aceleración del centro de masa y el sistema resultante es un par. Y, como se verá en el siguiente capítulo, se aplican al movimiento plano general, pues dicho movimiento puede considerarse como una rotación pura no baricéntrica, cuyo centro de rotación cambia de posición continuamente. O sea: estas ecuaciones pueden aplicarse a cualquier movimiento plano del cuerpo rígido. 354 Traslación y rotación puras NOTAS DEL CAPÍTULO XIV (1) El sistema fuerza-par se puede reducir a una sola fuerza, cambiándola de posición. El punto en que la línea de acción de esa fuerza resultante corta a la recta OG se llama centro de percusión. Conocerlo puede tener interés en algunos problemas. Serie de ejercicios de Cinemática y Dinámica TRASLACIÓN Y ROTACIÓN PURAS 1. La camioneta que se representa en la figura viaja originalmente a 90 km/h y, frenando uniformemente, emplea 60 m en detenerse. Diga qué aceleración sufre su centro de masa G durante el frenado. Calcule también la aceleración del centro de rotación de la rueda delantera en ese mismo lapso. (Sol. aG = 5.21 m/s2 ๏ฌ; aOโ = 5.21 m/s2 ๏ฌ) 2. El menhir de la figura está sujeto a la acción de las tres fuerzas que se muestran. ¿Qué fuerza adicional se le debe aplicar para que se traslade horizontalmente hacia la derecha con una aceleración de 3 m/s2? (Sol. 1812 kg 83.7º x = 0.331 m) 3. El remolque mostrado pesa 900 lb y está unido a un vehículo mediante un enganche de bola y cuenca. Si el vehículo aumenta su rapidez uniformemente de 15 a 45 mi/h en 10 s, ¿cuál es la magnitud de la componente vertical de la reacción del enganche sobre el remolque? La resistencia al rodamiento es despreciable. (Sol. 46.1 lb) 355 Traslación y rotación puras 4. Un camión que viaja a 30 mi/h transporta un refrigerador de 500 lb de 90 por 30 in como se indica en la figura. Calcule el tiempo mínimo que puede emplear en detenerse, frenando uniformemente, de modo que el refrigerador ni se deslice ni se vuelque. (Sol. 4.10 s) 5. Una placa de fierro de 2 cm de espesor está sujeta como se muestra. Sabiendo que el peso específico del material es de 7.2 kg/dm3, determine la tensión en cada uno de los cables en el instante en que se corta BC. (Sol. TA = 30 kg; TB = 20.5 kg) 6. La barra AD, que está unida a un motor, mueve a la solera homogénea AB de 32.2 lb de peso. En el instante mostrado, AD tiene una rapidez angular ๏ท๏ de 3 rad/s y una aceleración angular ๏ก๏ de 5 rad/s2. Sabiendo que la masa de la barra BC es despreciable, ¿cuáles son la magnitud de la fuerza y el tipo de esfuerzo en ella? (Sol. 4 lb [tensión]) 7. El diámetro de un volante gira conforme a la expresión ๏ฑ๏ = t2 โ 8t + 1, en donde si t se da en s, ๏ฑ resulta en rad. Calcule: a) la velocidad angular media del volante durante los dos primeros segundos; b) su aceleración media durante el tercer segundo; c) el tiempo en que la rotación del volante cambia de sentido; d) el número total de revoluciones que gira el volante durante los diez primeros segundos. (Sol. 6 rad/s โป; 2 rad/s2 โบ; 4 s; 8.28 rev) 356 Traslación y rotación puras 8. Desde el instante en que se desconecta la hélice de un avión, que se mueve a 120 rpm, hasta detenerse, gira 80 revoluciones. Suponiendo que el movimiento es uniformemente acelerado, determine el tiempo que emplea la hélice en detenerse. (Sol. 80 s) 9. El radio del rotor de una turbina hidráulica, durante su arranque, describe un ángulo proporcional al cubo del tiempo y, a los tres segundos, la turbina tiene una velocidad angular de 810 rpm. Escriba la ecuación de la rapidez de la turbina (en rad) en función del tiempo (en s). (Sol. ๏ท๏ = 3๏ฐt2) 10. La figura representa el impulsor de una bomba centrífuga que gira alrededor de su centro de figura y P es una partícula de agua que está a punto de abandonarlo. Sabiendo que el impulsor tiene un diámetro de 40 cm y que su rapidez angular es de 90 rpm, diga cuál es la magnitud de la velocidad lineal del punto del impulsor que está en contacto con la gota de agua. (Sol. 188.5 cm/s) 11. El piñón A que gira a 120 rpm comienza a detenerse, reduciendo su rapidez uniformemente, hasta pararse por completo en diez minutos. ¿Cuántas revoluciones da la corona B en ese tiempo? El piñón A tiene 3 cm de radio, la corona B, 5. (Sol. 360 rev) 12. Las partículas de la banda de una polea se desplazan con una velocidad de 50 cm/s ๏ฌ. Cierto punto A de la polea, que se encuentra a 20 cm del perímetro, tiene una rapidez lineal de 10 cm/s ๏ฌ. Determine el diámetro y la velocidad angular de la polea. (Sol. 50 cm; 2 rad/s โบ) 357 Traslación y rotación puras 13. La barra AB gira alrededor de O con rapidez angular de 30 rpm. Calcule la magnitud de la velocidad lineal relativa de A respecto a B. (Sol. 15.71 ft/s) 14. El cuerpo A de la figura desciende conforme a la ley s = 10 t2, donde s es la longitud recorrida en cm y t el tiempo en s. Si el árbol en el que está enrollada la cuerda tiene un radio de 20 cm: a) determine su aceleración y velocidad angulares en función de t; b) escriba una expresión que defina la rapidez angular del árbol en función de la longitud s recorrida por A. (Sol. a) ๏ท๏ = t; ๏ก๏ = 1; b) ๏ท๏ = (0.1 s)1/2) 15. Si el motor de la figura emplea 0.03 s en alcanzar una rapidez de 180 rpm acelerando uniformemente, diga cuál es la aceleración angilar de la polea B durante ese lapso. ¿Qué aceleración lineal tiene un punto P de la polea C, en contacto con la banda, al final de dicho movimiento? (Sol. 251 rad/s2; 50.5 m/s2) 16. Las barras que mueven el limpiador de la figura oscilan de modo que el ángulo que forman con la vertical sigue la ley ๏ฑ๏ = 0.9 sen pt, donde ๏ฑ๏ está en rad, t en s y p es una constante igual a 0.8 rad/s. Diga cuáles son la velocidad y aceleración máximas con que se mueve el limpiador. (Sol. 0.288 m/s ๏ฎ๏ ó ๏ฌ; 0.230 m/s2 51.6° ó 5I.6°) 17. La aceleración de una partícula de un impulsor, en cierto instante, forma con el radio del impulsor al que pertenece un ángulo de 60º y su magnitud es de 20 m/s2. Si dicha partícula se encuentra a 1 m del centro de rotación, ¿cuáles son la velocidad y aceleración angulares del impulsor? (Sol. 30.2 rpm; 17.32 rad/s2) 358 Traslación y rotación puras 18. La manivela BC del mecanismo de la figura gira con velocidad angular constante de 30 rpm en el sentido de las manecillas del reloj. ¿Cuál es la velocidad media de la corredera A en el lapso en que ésta recorre su trayectoria de un lado a otro? (Sol. 30 cm/s) 19. El radio de giro del menhir del problema 2, respecto a un eje que pasa por su centro de masa, es de 1 m. ¿Qué fuerza adicional se le debe aplicar para que se mueva con rotación baricéntrica y su aceleración angular sea de 3 rad/ s2 en sentido contrario de las manecillas del reloj? (Sol. 1803 kg 86.8º x = 0.497 m) 20. La doble polea que se muestra pesa 322 lb tiene un radio de giro centroidal de 1.5 ft. Despreciando el rozamiento en el eje de rotación, calcule: a) las aceleraciones lineales de los cuerpos A y B; b) la aceleración angular de la polea; c) las tensiones de las cuerdas. (Sol. a) aA = 3.96 ft/s2 โ; aB = 1.982 ft/s2 โ b) 1.982 rad/s2 โบ; c) TA = 56.5 lb; TB = 68.4 lb) 21. Los cuerpos A y B comenzaron a moverse hasta que A alcanzó una rapidez de 120 rpm. En ese instante, se apoyó la barra OC sobre A, como se muestra en la figura, logrando que los cuerpos frenaran hasta detenerse en 15 s. Diga: a) qué tiempo empleó la polea-tambor A en alcanzar las 120 rpm; b) qué distancia total que recorrió B; c) cuál es el coeficiente de fricción cinética ๏ญ๏ entre A y la barra OC. (Sol. a) 0.994 s; b) 20.1 m; c) 0.1777) 22. Determine la aceleración angular de la polea y la magnitud de la fuerza y el tipo de esfuerzo a que están sujetas las barras CE y CD 359 Traslación y rotación puras de peso despreciable. La polea es un cilindro homogéneo macizo de 16.1 lb de peso y 4 in de radio, libre de rozamiento. (Sol. 18.40 rad/s2 โป; CE = 136.5 lb [compresión]; CD = 67.6 lb [tensión]) 23. Determine las aceleraciones angulares del aro y del disco que se muestran en la figura, en el instante en que se sueltan. Determine también la magnitud de la reacción en cada articulación en dicho instante, sabiendo que tanto el aro como el disco tienen un peso P y se mueven en un plano vertical. (Sol. ฮฑ = g/2r โป; R = P/2 โ ฮฑ = 2g/3r โป ; R = P/3 โ) 24. Las barras homogéneas OA y BC pesan 8 kg cada una y están soldadas en A. Pueden girar libremente alrededor de un eje horizontal que pasa por O. Si al pasar por la posición mostrada su velocidad angular es de 4 ๐ โ1 , calcule la magnitud de las componentes horizontal y vertical de la reacción de la articulación O. (Sol. 9.79 kg โ; 3.29 kg โ) 25. Las dos barras mostradas están articuladas ven A y giran en un plano horizontal alrededor del punto O con rapidez angular constante ๏ท๏ de 10 rad/s. La barra homogénea AB pesa 50 lb. Determine la tensión de la cuerda OB. (Sol. 116.5 lb) 360
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