lunes, 31 de octubre de 2011

dinámica de un sistema de partículas 2

ENERGÍA PARA UN SISTEMA DE PARTÍCULAS


 
- Energía cinética(Ek)


-Energía potencial(Ep)





si la Ep,i fuese Epg,i ,entonces,


-Energía mecánica(Em)


Momento angular:

El momento angular de un sistema de partículas se define como la suma vectorial del momento angular de cada una de ellas:
Supongamos un sistema formado por dos partículas sobre las que actúan fuerzas internas (en rojo) y fuerzas externas (en verde):


Teorema de conservación

Para saber bajo qué condiciones se conserva L, expresamos su derivada aplicando los conceptos vistos en conservación del momento angular de una partícula:


 se puede afirmar que:


Las fuerzas internas no hacen variar el momento angular de un sistema


Entonces expresamos la derivada de L como:
suma de los momentos de las fuerzas externas

con lo que el Teorema de Conservación del Momento Angular para sistemas queda finalmente:
Es importante destacar que para calcular la suma de los momentos de las fuerzas externas es necesario calcular el momento de cada una de las fuerzas y luego sumarlos todos vectorialmente, es decir, no es válido sumar primero las fuerzas externas y luego calcular el momento de la resultante.
En el ejemplo siguiente se observa que la suma de las fuerzas externas es nula, pero los momentos ejercidos por ambas fuerzas con respecto a O van en el mismo sentido, por lo que no se cancelan y por tanto el momento angular del sistema no se conserva.



Las fuerzas externas se anulan pero no la suma de los momentos. No se conserva el momento angular del sistema.

En un sistema aislado se conserva el momento angular

 Torque para un sistema de partículas,t


Torque o Momento de Fuerza

Introducción.
El torque y el centro de gravedad. ¿Qué significan?
Esta es una pregunta que muchos se hacen al iniciar la materia de estática.
La fuerza aplicada a un cuerpo con un eje rotatorio es algo complicado de explicar, pero trataremos de ser precisos y entendibles a través de ejemplos de la vida diaria.
El centro de gravedad es algo que desalienta a cualquier principiante del tema, pero una vez entendido, resulta hasta casi agradable trabajar sobre el.
Esperamos que este trabajo sea de su agrado.
Torque.
Definición: Momento de fuerza o torque es el efecto giratorio que produce una fuerza aplicada a un cuerpo provisto de un eje.
Aplicaciones

Ejemplo Nº 1: Apretar una tuerca
Cuando una persona aprieta un tornillo con una llave, está aplicando un torque al tornillo. Como en el caso de la fuerza, si todos los torques son iguales, ella no podrá apretar el tornillo. Si el torque que ella aplica es mayor que el torque en contra debido a la fricción del tornillo, el tornillo rodará (se ajusta).
El torque y la fuerza están unidos directamente. Cuando la persona empuja (aplica una fuerza) al borde de la llave, cuanto más torque ella aplica más se ajusta el tornillo. Sin embargo, no es sólo la fuerza lo que hace la diferencia. Cuanto más distante del tornillo ella sostiene la llave, más torque aplica, y más se ajusta el tornillo. Por consiguiente, los torques se deben relacionar a la fuerza aplicada y a la distancia al centro de rotación donde se aplica la fuerza. Esta distancia se llama el brazo del momento.
Torque y centro de gravedad
Para comprender lo que es TORQUE, se debe considerar:

1. CUERPO RIGIDO: es aquel en que las posiciones relativas de sus partículas no cambian. aunque éste sea sometido a la acción de fuerzas externas, mantiene invariable su forma y volumen.
El movimiento general de un cuerpo rígido es una combinación de movimiento de traslación y de rotación. Para hacer su descripción es conveniente estudiar en forma separada esos dos movimientos.

ACCIÓN DE UNA FUERZA EN UN CUERPO RÍGIDO


Una fuerza aplicada a un cuerpo rígido puede producir una

1 traslación
1 rotación

















Ahora podemos comenzar a hablar de “TORQUE”

TORQUE O MOMENTO DE FUERZA:
“Torque” ( t) es la palabra que viene del latín torquere, torcer.
Es cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. La aplicación de una fuerza perpendicular a una distancia (brazo) del eje de rotación fijo produce un torque. Se manifiesta en la rotación del objeto.
El torque de una fuerza depende de la magnitud y dirección de F y de su punto de aplicación respecto de un origen O.
Torque es el producto de la magnitud de la fuerza perpendicular a la línea que une el eje de rotación con el punto de aplicación de la fuerza por la distancia (d) entre el eje de rotación y el punto de aplicación de la fuerza. Esto es:

Si la fuerza no es perpendicular al radio, sólo produce torque en la componente perpendicular a éste.


TORQUE= FUERZA*distancia*SENO(ángulo)













El torque puede ser POSITIVO O NEGATIVO.
Si el torque es en sentido contrario a las manecillas del reloj es positivo:


Si el torque es en sentido de las manecillas del reloj el torque es negativo:


FUERZAS QUE NO PRODUCEN TORQUE:


No produce torque una fuerza si es aplicada

*Paralela al brazo.
*En el eje de rotación

















domingo, 30 de octubre de 2011

Dinámica de un sistema de partículas

CANTIDAD DE MOVIMIENTO

La cantidad de movimiento o momento lineal se refiere a objetos en movimientos y es una magnitud vectorial que desempeña un papel muy importante en la segunda ley de Newton. La cantidad de movimiento combina las ideas de inercia y movimiento. También obedece a un principio de conservación que se ha utilizado para descubrir muchos hechos relacionados con las partículas básicas del Universo. La ley de la conservación de la cantidad de movimiento y la ley de la conservación de la energía, son las herramientas más poderosas de la mecánica. La conservación de la cantidad de movimiento es la base sobre la que se construye la solución a diversos problemas que implican dos o más cuerpos que interactúan, especialmente en la comprensión del comportamiento del choque o colisión de objetos.

Fuerzas externas e internas
Al analizar el comportamiento de un sistema de varios cuerpos, es conveniente distinguir entre fuerzas internas y externas. Las fuerzas internas son aquellas por las cuales todas las partes del sistema actúan entre sí. Las fuerzas externas son aquellas que influyen fuera del sistema sobre uno o más de los cuerpos de éste o sobre el sistema completo.


Una experiencia común indica que todo objeto en movimiento posee una cualidad que lo hace ejercer una fuerza sobre todo cuando se le intenta detener. Cuanta mayor sea la rapidez con que se desplaza, más difícil será detenerlo. Además, cuanta mayor masa tenga, más difícil será pararlo.

Newton le dio el nombre de movimiento a esta cualidad de un objeto en movimiento. Hoy se le llama cantidad de movimiento o momento lineal.
Y se define del modo siguiente.
Cantidad de movimiento = masa x velocidad.

Donde P es el símbolo con que se representa la cantidad de movimiento.
P es un vector que apunta en la misma dirección que V.

 Unidades:  En el MKS: Kg.m/seg.
                  CGS: gr.cm/seg.


También puede verse que un barco de grandes dimensiones que navegue a baja velocidad tiene una gran cantidad de movimiento, como lo tiene una bala pequeña disparada a alta velocidad. Y por supuesto, un objeto enorme que se desplace a alta velocidad.

Cuando una bala o un camión chocan contra una pared, se ejerce contra ésta una gran fuerza. ¿De donde proviene tal fuerza? De un cambio de velocidad. La fuerza de impacto es proporcional a la razón de cambio de velocidad del objeto en movimiento. Y a mayor masa de ese objeto, mayor fuerza; así, la fuerza de impacto es también proporcional a la masa del objeto en movimiento.


Variación en la cantidad de movimiento
Cuando ocurre un cambio en la masa y en la velocidad, en ambas a la vez, existirá un cambio en la cantidad de movimiento del cuerpo considerado.
Si la masa permanece constante pero la velocidad del cuerpo cambia de V1 a V2 se tendrá que:
La variación de la cantidad e movimiento será:
Estas ideas son congruentes con la segunda ley de Newton,
La segunda ley de newton, en terminos de la cantidad de movimiento,establece que la fuerza sobre un objeto es igual a la rapidez de cambio de la cantidad de movimiento del objeto,es decir:
                    
Una bala se acelera cuando se ejerce una fuerza sobre ella. Cuán rápido se mueva al final, no obstante, depende de algo además de su masa y la fuerza impartida. La velocidad final depende del tiempo. Una fuerza sostenida por un tiempo largo empuja la bala a una velocidad mayor que la misma fuerza aplicada brevemente.
Se puede expresar la segunda ley de Newton de otra forma, haciendo más evidente el factor tiempo, sustituyendo el término para la aceleración por su definición (v/t).


Cantidad de movimiento de un sistema de partículas                                 La cantidad total de movimiento del sistema de partículas es la suma vectorial de las cantidades vectoriales de las partículas individuales. Es decir: = + + + ...
Para ello se representan las cantidades de movimiento en un sistema de ejes rectangulares y se descomponen en sus componentes.
ejemplo de tres partículas:



Sumatoria de las componentes según el eje x :
Px = P1x + P2x + P3xSumatoria de las componentes según el eje y:
Py = P1y + P2y + P3y
Los componentes Px y Pyse representa en un sistema ejes rectangulares y se determina el vector cantidad de movimiento cuyo módulo es:
El anterior procedimiento es válido para un número cualquiera de partículas.



IMPULSO

En mecánica, se llama impulso a la magnitud física, denotada usualmente como I, definida como la variación en el momento lineal que experimenta un objeto en un sistema cerrado. El término difiere de lo que cotidianamente conocemos como impulso y fue acuñado por Isaac Newton en su segunda ley, donde lo llamó vis motrix, refiriéndose a una especie de fuerza del movimiento.
Si consideramos una masa que no varía en el tiempo sujeta a la acción de una fuerza también constante, la cantidad de movimiento se puede tomar como el simple producto entre la velocidad y la masa . Según la segunda ley de Newton, si a una masa m se le aplica una fuerza \ F aquélla adquiere una aceleración a, de acuerdo con la expresión:
F = m a
multiplicando ambos miembros por el tiempo en que se aplica la fuerza:
FxT= m a (T)
y finalmente:
I = FxT


Relaciones entre el impulso y la cantidad de movimiento.
La segunda ley de Newton expresa que F= m.a; Como a = v/t se puede escribir: F= m.(v/t); Luego F. = m. para concluir que I= F. , es decir el cambio de la cantidad de movimiento es el producto de la fuerza F (su promedio respecto al tiempo) y el intervalo de tiempo a lo largo del cual actúa dicha fuerza).
El producto F. ; Se denomina impulso.




fisica_006_08p.gifTeorema del impulso y de cantidad de movimiento

El impulso resultante ejercido sobre una partícula durante cierto intervalo de tiempo es igual a la variación de la cantidad de movimiento de la partícula.


El impulso, para el cual no se utiliza ningún signo convencional, es una cantidad vectorial dirigida a lo largo de la fuerza media . Tiene las mismas unidades y dimensiones que la cantidad de movimiento, aunque se acostumbra, al tratar sobre impulso, usar la unidad Newton segundo (MKS) y Dina segundo (CGS).



Centro de masa de un sistema de partículas(C.M)

Sea un sistema de partículas de "n" partículas:



¿Cómo se vincula el centro de masa con el sistema de partículas?



CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO