NO ME SALEN
PROBLEMAS RESUELTOS DE FÍSICA DEL CBC
(Leyes de Newton)

 

¡no me salen!

NMS 1.16- a- Sin hacer diagramas de cuerpo libre ni escribir ecuaciones diga cuánto valen las tensiones que soportan cada una de las tres cuerdas.
b- Realizar los diagramas de cuerpo libre para cada cuerpo.
c- Escribir la 2ª ley de Newton para cada cuerpo.
d- Calcular el valor de la tensión de cada cuerda.
e- Suponga ahora que se corta la cuerda 3 y vuelva a calcular las tensiones de las cuerdas 1 y 2.
f- Suponga ahora que de la cuerda 3 se tira para arriba imprimiéndole una aceleración de 2 m/s2 hacia arriba ¿Cuánto valen las tensiones?

g- Suponga ahora que se tira del mismo modo pero los cuerpos suben frenándose con una aceleración de 2 m/s2, ¿cuánto valen las tensiones?
h- Si la soga puede soportar una tensión máxima de 1000 N antes de romperse ¿qué aceleración máxima puede imprimirse al conjunto?
i- ¿Podría el sistema mantenerse unido y entero con una fuerza tirando hacia arriba si la soga pudiese soportar una fuerza de sólo 250 N?
 
OK, vamos a resolverlo en el orden en el que nos lo piden. Para responder el ítem a) sólo se necesita sentido común. Cada cuerpo pesa 100 N (P = m . g). La cuerda 1, cuya fuerza llamaremos T1, sólo sostiene al cuerpo A, de modo que tiene que hacer una fuerza igual al peso de ese cuerpo. La cuerda 2, T2, sostiene a dos cuerpos, cada uno pesa 100 N, entonces tendrá que hacr una fuerza de 200 N. Y la soga 3...    
  T1 = 100 N         T2 = 200 N         T3 = 300 N a)
   
Vamos con los diagramas de cuerpo libre (son 3 cuerpos, así que 3 DCL en total) que la cosa se pone más interesante.    
diagrama de cuerpo libre - No me salen

Los largos de los vectores son arbitrarios. Sólo dibujé un poquito más largos los de las fuerzas que hacen las sogas 2 y 3 para hacerlo más representativo.

Fijate que puse una flechita indicando el sistema de referencia, SR, que elijo. Podría haber elegido el opuesto. pero hay que tenerlo en cuenta no sólo para los signos que le van a corresponder a las fuerzas, también le da signo a la aceleración.

  Acordate que las sogas ideales (sin masa) ejercen la misma fuerza en ambos extremos.

Mirando los DCL escribir las ecuaciones es muy sencillo:

Cuerpo A             ΣF = m a                     T1 — PA = mA . a           [1]

Cuerpo B             ΣF = m a             T2 — T1 — PB = mB . a           [2]

Cuerpo C             ΣF = m a             T3 — T2 — PC = mC . a           [3]

Como los segundos miembros de cada una de esas 3 ecuaciones valen cero, ya que la aceleración vale cero (es una suposición razonable ya que aunque el enunciado no lo aclara, pero avisa cuándo cambia en el ítem f), podemos ir despejando los valores de las tensiones empezando por la del cuerpo A.

T1 — PA = 0

T1 = PA

T1 = 100 N

Ahora metemos eso en la segunda ecuación (también igualada a cero)...

T2 — PA — PB = 0

T2 = PA + PB

T2 = 200 N

Y por último vamos a la tercera ecuación (también igualada a cero)...

 T3 — T2 — PC = 0

T3 — (PA + PB) — PC = 0

T3 = PA + PB + PC

T3 = 300 N

Ahí tenemos los 3 resultados a los que ya habíamos anticipado usando, simplemente, el sentido común.

Si se corta la cuerda 3, no hará fuerza alguna (cortada no funciona). T3e = 0 N. Además los tres cuerpos caerán libremente con una aceleración igual a g. (En nuestro sistema de referencia ae = — g). Veamos qué dicen las ecuaciones. Empiezo de nuevo con la [1].

T1e — PA = — mA . g

T1e = — mA . g + PA

T1e = — mA . g + mA . g

T1e = 0

Lo mismo ocurre si uso la [2] y la [3].

   
  T1e = 0 N         T2e = 0 N         T3e = 0 N e)
   

Ahora debemos suponer que de la cuerda 3 se tira para arriba imprimiéndole al conjunto una aceleración af = 2 m/.

T1f — PA = mA . af

T1f = mA . af + PA

T1f = 120 N

Con eso voy a la ecuación [2], y la historia se repite.

T2'' — T1f — PB = mB . af

T2f = mB . af + PB + T1f

T2f = 240 N

Con eso voy a la ecuación [3], y la historia se repite.

T3f — T2f — PC = mC . af

T3f = T2f + PC + mC . af

T3f = 360 N

   
  T1f = 120 N         T2f = 240 N         T3f = 360 N f)
   

Ahora debemos suponer que de la cuerda 3 se tira para arriba imprimiéndole al conjunto una aceleración ag = 2 m/.

T1g — PA = mA . ag

T1g = mA . ag + PA

T1g = 80 N

Con eso voy a la ecuación [2], y la hitoria se repite.

T2g — T1 — PB = mB . ag

T2g = mB . ag + PB + T1g

T2g = 160 N

Con eso voy a la ecuación [3], y la hitoria se repite.

T3g — T2g — PC = mC . ag

T3g = T2g + PC + mC . ag

T3g = 240 N

   
  T1g = 80 N         T2g = 160 N         T3g = 240 N g)
   

Para responder la pregunta que sigue tenés que utilizar el ingenio.

h- Si la soga puede soportar una tensión máxima de 1000 N antes de romperse ¿qué aceleración máxima puede imprimirse al conjunto?

En todos los resultados anteriores podés ver que es siempre la soga 3 la que realiza mayor fuerza. De modo que si estás usando una soga que soporta como máximo una tensión de 1.000 N será la soga 3 la que deba soportarlos y las otras dos harán una fuerza menor, no sabemos cuánto. Si mirás nuevamente el sistema de ecuaciones verás que tenés 3 ecuaciones y 3 incógnitas... o sea, papa. Las incógnitas son ah, T1h, y T2h. Un método sencillo para resolver el sistema es sumar miembro a miembro las 3 ecuaciones. ( T3h = 1.000 N). Te queda así:

         T1h —PA +T2h —T1h —PB +T3h —T2h —PC = mA ah + mB ah + mC ah

                                         T3h — PA — PB — PC = ah ( mA + mB + mC )

de ahí despejamos ah...

ah = T3h — PA — PB — PC / ( mA + mB + mC )

ah = 1.000 N — 100 N100 N — 100 N / 30 kg

   
  ah = 23,33 m/ h)
   

Esta pregunta es la más difícil.

i- ¿Podría el sistema mantenerse unido y entero con una fuerza tirando hacia arriba si la soga pudiese soportar una fuerza de sólo 250 N?

La respuesta es . Y lo ves reflexionando en la respuesta g). Ahí la tensión 3 -que es la que siempre soporta mayor fuerza- valía 240 N y el conjunto tenía una aceleración hacia abajo de 2 m/. Eso significa que o bien ya va bajando y cada vez más rápido, o bien está subiendo pero cada vez más lento, deteniéndose. Las otras dos cuerdas soportan tensiones menores, de modo que no corren peligro.

   
   
DESAFIO: Rehacer todo el asunto pero con masas de mA = 5 kg, mB = 10 kg y mC = 15 kg.  
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