NO ME SALEN
EJERCICIOS RESUELTOS DE BIOFÍSICA DEL CBC
(Leyes de conservación, trabajo)
 

 

EM19) Una caja sube por un plano inclinado a velocidad constante. Entonces:
a) La energía cinética disminuye y la potencial aumenta.
b) El trabajo de las fuerzas conservativas es positivo.
c) El trabajo de las fuerzas no conservativas es positivo.
d) La energía mecánica de la caja no varía.
e) El trabajo de la fuerza peso es cero.
f) Para decir si la energía mecánica disminuye o no, es preciso saber si hay rozamiento.

Para resolver este ejercicio y poder dar respuesta cabal a cada una de las afirmaciones del enunciado tenés que tener claras varias cuestiones. Empecemos por las fuerzas que están actuando. Miralas en el DCL.

   

Las fuerzas que actúan sobre la caja son: su inevitable peso, P; la fuerza de apoyo con el plano inclinado, N; y alguna fuerza que lo tire para arriba, F, cuya existencia se infiere del hecho de que se mueve con velocidad constante.

Fijate: si no estuviera F, la resultante de las otras dos fuerzas apuntaría hacia abajo en la dirección del plano... luego, debería estar acelerando hacia abajo lo cual contradice el enunciado. Esta breve disquisición se basa en la Ley de la masa: ΣF = m a (el pilar fundamental de la dinámica).

   

Decir velocidad constante es lo mismo que decir aceleración nula... y por lo tanto, vos podés concluir: resultante nula, o, lo que es lo mismo, sumatoria de fuerzas igual a cero.

v = cte                a = 0                ΣF = 0

Esa fuerza, F, puede ser una fuerza cualquiera; por ejemplo hecha por una cuerda, un rozamiento, no interesa. Bueno, arranquemos con las proposiciones. Vamos de a una:

a) La energía cinética disminuye y la potencial aumenta. FALSO. Si la velocidad es constante, entonces ¡la energía cinética no varía!

ΔEc = 0

Si una de las proposiciones que contiene la afirmación es falsa, ya toda la afirmación es falsa. De todos modos conviene que te aclare, que la segunda proposición es verdadera. Efectivamente, la energía potencial depende de la altura... y la caja está subiendo, de modo que...

ΔEP > 0

Esa parte es cierta, y además nos permite inferir que la energía mecánica aumenta (cosa que nos va a servir más adelante) ya que la energía mecánica es siempre la suma entre la cinética y la potencial. En este caso la cinética se mantiene constante. Pero la potencial va aumentando a medida que el cuerpo va subiendo. De modo que la energía mecánica debe estar aumentando. En símbolos:

ΔEc = 0 y ΔEP > 0, luego, ΔEM > 0

b) El trabajo de las fuerzas conservativas es positivo. FALSO. Te propongo este camino... es un poquito largo, pero no es difícil. Por un lado tenemos que el trabajo de todas las fuerzas vale cero.

WRes = 0

Eso proviene del teorema te las fuerzas vivas: el trabajo de la resultante sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética.

WRes = ΔEc

Pero ya habíamos visto que la variación de energía cinética de la caja era nula porque subía con velocidad constante. Ahora podemos dividir el trabajo de la resultante como el trabajo de las conservativas más el trabajo de las no conservativas.

WRes = WCons + WNoC = 0

Ahora, como vimos antes que la energía mecánica estaba aumentando y el trabajo de las fuerzas no-conservativas es igual a la variación de energía mecánica, tenemos:

WNoC = ΔEM , y ΔEM > 0, luego, WNoC > 0

Cuando la suma de dos magnitudes es igual a cero y una es positiva... la otra debe ser negativa.

WCons < 0

Pero en el camino validamos la única proposición verdadera de este ejercicio:

   
  c) El trabajo de las fuerzas no conservativas es positivo  
   

Y también falsamos la siguiente:

d) La energía mecánica de la caja no varía. FALSO. ΔEM > 0

e) El trabajo de la fuerza peso es cero. FALSO. El signo de un trabajo está dado por el coseno del ángulo entre la fuerza que trabaja y el desplazamiento del cuerpo. En este caso se ve que el ángulo entre P y el desplazamiento es mayor a 90º, por lo tanto su coseno es negativo, y el trabajo también lo será. En términos generales: cuando un cuerpo se mueve, las fuerzas que ayudan a ese movimiento hacen trabajos positivos; las que se oponen a ese movimiento trabajos negativos; y las indiferentes, trabajo nulo.

f) Para decir si la energía mecánica disminuye o no, es preciso saber si hay rozamiento. FALSO. Ya lo habíamos dicho antes y no fue necesario interrogar a la caja y preguntarle si rozaba o no con el plano.

   

DESAFIO: ¿Cuál es la fuerza no conservativa de este ejercicio cuyo trabajo es positivo?

  Ricardo Cabrera
   
   
Algunos derechos reservados. Severísimas penas a quien orinase en un paso a nivel sobre la vía electrificada. Se permite su reproducción citando la fuente. Última actualización ago-08. Buenos Aires, Argentina.