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

 

¡no me salen!

NMS 1.24- Para armar la configuración del esquema se dispone de tres carritos (1, 2 y 3) y dos cuerdas (A y B). La cuerda A es más gruesa que la B, y puede soportar una fuerza mayor sin romperse. Las masas de los carritos son diferentes, de modo que m1 > m3 > m2.
Despreciando los rozamientos, hallar de qué manera deben disponerse cuerdas y carritos, para que el sistema obtenga la máxima aceleración al aplicar la fuerza F.

             

Si tuviste que leer tres veces el problema antes de entender qué te pedía, no te preocupes, a mí me pasó lo mismo. Se me ocurre hacer lo siguiente, a ver si te cierra: A las cuerdas les voy a poner V y R (por verde y roja) ya que todavía no sabemos en qué posición colocar las cuerdas A y B. Y a los carritos los voy a llamar atrás, medio y adelante, y ya veremos cuál es cuál. Por último, y en función de los resultados le asigno a cada posición la cuerda el el carrito que corresponda. ¿Entendiste?

Si tenés que leer mi propuesta tres veces antes de entenderla no te preocupes, yo tampoco me entiendo a mí mismo de vez en cuando.

   
 
Acá van los DCL. No te olvides que las sogas del CBC (y las de No me salen también), ejercen iguales fuerzas en ambos extremos (son sogas ideales).  
diagrama de cuerpo libre - No me salen

Vas a tener que disculparme un par de cosas. La primera es que no dibujé las fuerzas que actúan en la dirección vertical, o sea, los pesos de cada carrito y los apoyos del piso. El motivo es que nada aportan a la resolución de este problema ya que no hay aceleraciones verticales ni rozamientos que dependan de ellas.

La segunda cosa que vas a tener que perdonarme es que dibujé los largos de los vectores de acuerdo al resultado del problema. No es que haya leído la respuesta sino que me resulta tan obvio que no me permito contradecir mi propia intuición. Hacé de cuenta que todas tienen el mismo largo, vas a ver que las relaciones entre sus módulos surgen del resultado analítico. De todos modos te invito a pensarlo: ¿cómo pude haberlo predicho?

 
Ahora vamos a las ecuaciones de Newton para cada carrito.
Carrito de adelante   ΣFx = mad . a         F — TV = mad . a [1]
Carrito del medio      ΣFx = mmed . a      TV — TR = mmed . a [2]
Carrito de atrás   ΣFx = matr . a                TR = matr . a [3]
 

A la aceleración de cada carrito no le puse subíndice porque es la misma para todos, eso está garantizado porque las sogas del CBC son inextensibles. Bueno, ahora combinando las tres ecuaciones buscaré expresiones que nos permitan responder los interrogantes.

despejando TV de la ecuación [2] fijate lo que encuentro

TV = TR + mmed . a

que la tensión en la soga verde siempre es mayor que la tensión en la soga roja ya que es igual a lo que valga la roja más algo igual al producto entre la masa del carrito que esté en el centro por su aceleración. Yo diría que ya tengo una respuesta: pondré la soga B que es más finita y puede romperse antes entre el carrito de la izquierda y el del centro, sean cuales sean.

Ahora miro la [3], qué veo:

TR = matr . a

que esa soga va a hacer una fuerza proporcional a la masa que esté colocada en la última posición. Me conviene poner ahí a la masa menor, o sea m2

En la ecuación [2], de nuevo, voy a reemplazar la [3], mirá lo que aparece:

TV = matr . a + mmed . a

TV = a . (matr + mmed )

eso me dice que la cuerda A, que también se puede romper va a tener que hacer una fuerza proporcional a la suma de las masas de los carritos que estén en el extremo izquierdo y en el centro. En el extremo ya puse a m2, luego me conviene poner en el centro al menos masivo de los otros dos, o sea a m3. Ya tengo todo el orden, queda así.

   
  2 B 3 A 1 de izquierda a derecha.
   

DISCUSION: Ahora que lo hicimos nos damos cuenta de que era una pavada atómica. Vamos a completarlo, entonces. Creeme que el autor del ejercicio lo que pretendía era que respondieras sin hacer ninguna cuenta. Pero pongamos datos numéricos y calculemos dos o tres aceleraciones, confirmando que la máxima la obtenemos colocando las piezas en el orden que obtuvimos. ¿Dale?

m1= 500 kg ; m3 = 400 kg ; m2 = 100 kg ; TmaxA = 2000 N ; TmaxB = 1000 N

  Ricardo Cabrera
NOTA: Mi compañero Oliverio Acosta me hizo notar que el enunciado de este ejercicio tiene un problema de consistencia. Para cada fuerza F hay una y sólo una aceleración, y es independientemente de la configuración de carritos y sogas. Para que el problema tenga sentido se debe aclarar que: encontrada la configuración óptima, habrá una fuerza máxima (tal que las cuerdas no se rompan) que imprimirá al conjunto la aceleración máxima posible.  
DESAFIO: ¿cómo predecir los resultados que obtuvimos sin hacer hacer nada de álgebra?; ¿cómo predecir que a = F / Σm ?; ¿cómo redactar correctamente este problema (ver NOTA)?  
Algunos derechos reservados. Se permite su reproducción citando la fuente. El Comité Internacional de Físicos Newtonianos y la central de Trabajadores Relativistas desaconsejan utilizar este material didáctico, por considerarlo extremadamente antipiagetiano. Última actualización nov-06. Buenos Aires, Argentina.