Este artículo explora los conceptos de física relacionados con el movimiento de un ciclista que se desplaza a 20 m/s en una superficie horizontal. Analizaremos las fuerzas que actúan sobre el ciclista, la energía involucrada en su movimiento y resolveremos ejercicios prácticos para comprender mejor los principios físicos aplicados.
Fuerzas y Movimiento
Cuando un ciclista se mueve en una superficie horizontal, varias fuerzas entran en juego. Es conveniente usar colores para indicar las distintas fuerzas y ángulos si los hubiera. La 1era. Ley de Newton nos indica que si la fuerza neta es cero, el cuerpo está en equilibrio, ya sea en reposo o moviéndose en línea recta con velocidad constante. Una fuerza neta que actúa sobre un cuerpo hace que éste se acelere. La dirección de la aceleración es la de la fuerza neta, y la magnitud de la aceleración también lo será.
Matemáticamente, esto se expresa como: ∑ = amF .,..,. amFamFamF zzyyxx ∑∑∑ =∴=∴= .
Además, la 3era. Ley de Newton establece que si A ejerce una fuerza sobre B, entonces B ejerce una fuerza sobre A (una “reacción”).
Consideraciones Prácticas
Para analizar el movimiento, suele ser conveniente tomar la dirección de la aceleración como dirección positiva. También es útil identificar y dibujar todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, incluyendo la gravedad, la fuerza normal y la fricción. Es fundamental comprender las relaciones entre los movimientos de los cuerpos.
Ejercicios Resueltos
A continuación, se presentan algunos ejercicios resueltos que ilustran los conceptos discutidos:
Pb. 3. Un bloque se mueve con velocidad constante sobre un tablón, para subirlo a la caja de un camión.
Solución:
∑ +=∴⇒=−−= φφ senPWNsenPWNFy ..,0. .,0cos.
Pb. 3. ¿Qué fuerza es necesaria para mover un bloque hacia arriba a velocidad constante, si está sujeto con un cable?
Pb. 3. 09. Un hombre está parado en una cuerda tendida entre los riscos. La figura muestra la situación. El peso de nuestro hombre es de 81,6kg.
Pb. 3. 11.- Resnick. Dos bloques, m1 = 30 kg. y m3 = 120 kg, y se encuentran unidos por un cable, cuya masa se desprecia.
a) ∑ = amF .
Pb. 3. m.g.senφ amsengm ...
Pb. 3. 13. En una mina, un elevador (caja) de 450 kg se usa para bajar trabajadores; el elevador cargado es de 1600 kg. El elevador es acelerado hacia abajo a razón de 0,8 m/seg2, una fuerza retardadora de 3700 N.
Pb. 3. Dos trineos, uno detrás del otro, son tirados horizontalmente sobre una superficie sin fricción. La distancia que los separa d = 15 metros.
a) ¿Qué fuerza debe aplicar al bloque para frenarlo?, b) el tiempo requerido para pararse.
Energía y Trabajo
El trabajo realizado por una fuerza sobre un objeto se define como el producto de la fuerza y el desplazamiento en la dirección de la fuerza: φcos..sFW = . Si la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares entre si, el trabajo es igual a cero. El trabajo puede ser positivo o negativa.
Pb. 8. Una fuerza F = 50kgf, paralela a la superficie de un plano, se aplica a un cuerpo que se desplaza 40 metros a lo largo del plano. El trabajo realizado es: .2443. ...180.cos...
Pb. 8. Un bloque de masa m es arrastrado hacia la derecha a lo largo de una superficie horizontal una distancia S, mediante una fuerzaF que actúa formando un ángulo φ. El coeficiente de fricción cinética entre el bloque y la superficie es µk. Encuentre el trabajo realizado por:
- La fuerza aplicada.
- La fuerza de fricción.
- La fuerza normal.
- La fuerza de la gravedad.
( ) ffpk WSFSPsenSPSPPsenFWEE ==++−−=+∆+∆ ..cos......cos..
Pb. 8. Una plomada cuelga del techo de un vagón que acelera con una aceleración constante g/4. a) encuentre el trabajo realizado por la cuerda sobre el bloque.
Pb. 8. Una masa puntual m se desplaza desde la superficie de la Tierra hasta una distancia 3R del centro de la Tierra, donde R es el radio terrestre R.
Pb. 8. Un resorte se estira 3 in. mediante una fuerza de 4 libras. Determine el trabajo que debe realizarse para estirar el resorte:
- Desde su posición de equilibrio hasta 6 in.
- Desde 6 in. hasta 8 in.
Pb. 8. Un estudiante en un día de campo llevo consigo una honda. La goma de la honda tenía una longitud de 12 cm. y su masa era de 20 gr. Para tensar la goma 1 cm., hay que aplicarle 1 kgf.
Pb. 8. Un trabajador empuja hacia arriba por el plano de la ladera de esquistos una muestra de 2 kg. El empuje es paralelo al plano y le imprime una velocidad constante de 1,6 m/seg., el coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es de 0,3.
mkgNf kk 09,5cos.8,9.2.3,0.
Para complementar este artículo, te sugiero ver el siguiente video que explica de forma visual y práctica los conceptos de dinámica y energía relacionados con el movimiento de un ciclista:
6 recomendaciones para ir más cómodo en bicicleta
Gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal, establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
1era. 2da. 3era. .RkT = (1)., 3era. = ., (2), 2da. Ley de Newton. .,.
Pb. 9. este término mG.
pesoP = (3)., luego tenemos que de (2) nos queda. .. .. .10.37,6.
Pb. 9. Calcular la velocidad tangencial de la Tierra en una órbita circular que se encuentra a 200 Km. al radio de la Tierra se le debe agregar los 200 Km.
Pb. 9. Calcular la fuerza gravitacional entre dos esferas de 0,800 Kg. cuando la distancia entre sus centros es de 0,0400 m. de nuestra G´., para lo cual recurrimos a la 2da.
Pb. 9. Calcular la intensidad del campo gravitatorio a una distancia de 2 10.48,5= m del centro del Sol, cumpliéndose con la 2da.
A continuación, se presenta una tabla con las principales fórmulas utilizadas en el análisis del movimiento del ciclista:
| Fórmula | Descripción |
|---|---|
| ∑ = amF | Segunda Ley de Newton (Fuerza neta igual a masa por aceleración) |
| φcos..sFW = | Trabajo realizado por una fuerza constante |
| Energía potencial = hgm | Energía potencial gravitatoria |
Fluidos
Para comprender el movimiento en fluidos, es importante repasar conceptos importantes como ser: flujo laminar, viscosidad y fuerzas de cohesión. La viscosidad indica la presencia de capas que se resbalan suavemente una sobre otra.
Pb.10. Un bloque cúbico de madera de 10 cm. de lado flota en la interfaz entre aceite y agua con su cara inferior 1,50 cm. por debajo de la interfaz. La densidad del aceite es de 790 kg/m3.
incógnitas: a) p1 = ? b) p2 = ? c) p = ? d) pm =? e) pm = ? 1 atm = 1,013 .
Pb.10. Se llena un recipiente con mercurio y luego con aceite. Se observa que un cubo de hierro flota con exactamente su mitad sumergida en el mercurio. Densidad del hierro = 7,9 gr/cm3. Calcular la densidad del aceite.
Pb.10. Una pelota sólida y uniforme flota entre dos líquidos inmiscibles. Y el peso de la pelota es: V.δ. p1 = 1 - p2.
Pb.10. Un vaso V, contiene un líquido L, y dentro de él se encuentra sumergido un cuerpo B, sostenido por un resorte R, y se encuentra sumergido en un líquido L contenido en el vaso V. El peso del vaso es de 2 lbf, y el del líquido es de 3 lbf. La lectura en la balanza es de 15 lbf.
(3) FB = PV + PL + EL.
Pb.10. 07.- Resnick. Un río de 8,2 m de ancho, y 3,4 m de profundidad; su rapidez es de 2,3 m/s. Otro río mide 6,8 m de ancho y 3,2 m de profundidad; fluye a 2,6 m/s. Los dos se juntan antes de desembocar en un río mayor de 10,7m y la rapidez de la corriente es de 2,9 m/s, ¿cuál será su profundidad? A1.V1 + A2.V2 = AR.VR.
Pb.10. Calcular la velocidad con que sale el agua por un orificio realizado en una pared de un depósito, donde la precipitación pluvial promedio es de 48 cm/año.
Pb.10. Por un tubo horizontal AB escurre un líquido. En dos puntos A y B del tubo están insertos tubitos verticales, según la fig. 1.. La diferencia entre los niveles del líquido en los tubitos a y b es igual a 10 cm. Calcular la diferencia de presiones pA - pB.
Pb.10. Sobre una mesa hay una vasija con agua. En la pared lateral de la vasija hay un orificio muy pequeño situado a una altura h desde el fondo. El nivel del agua en la vasija es H. ¿A qué distancia (en dirección horizontal) caerá sobre la mesa el chorro de agua?. 1..
Oscilaciones
Pb. 11. 01. ¿Qué longitud debe tener un péndulo simple para que su periodo sea igual a 1 segundo?. T= 1 seg. diámetro. .88208,9.900.
Pb. 11. 03. Una masa oscila en un círculo vertical de radio de 20 cm a razón de 0,75 rev/s, en el punto más bajo del círculo. .. T= tension.
Pb. 11. ¿Qué fuerza se necesita para estirar un alambre de acero de 1 mm de diámetro y someterla a una fuerza de tracción de 3000N.
Pb. 11. ¿En qué consiste un ensayo y cuáles son las principales características?
describe la intensidad de la fuerza amortiguada. lentamente que la amortiguación crítica. ..
Pb.11. N/m.
Pb.11. Un bloque de 4 kg cuelga de un resorte, el cual se alarga 2,5 cm. cuando se le cuelga el bloque. Si ahora se tira del bloque verticalmente en un MAS.
Pb.11. Un cuerpo de 2 kg está unido a un resorte ideal que cumple la ley de Hooke, sobre una mesa horizontal sin fricción.
Pb.11. Un cuerpo realiza un movimiento armónico simple de 10 cm de amplitud y 3 cm.
Pb.11. Un cuerpo de masa 5 kg describe un MAS, con un periodo de 12,5 horas.
Pb.11. Calcula la tensión de un cable que sujeta un cuerpo de 1000 kg sobre una pendiente de 26°, sobre un riel, usando un cable paralelo a la pendiente. 8,9..100026..
Pb.11. 14. libera.
a) En elpunto (2), según la 2da. ..
Ondas
Las ondas generan una perturbación del equilibrio. La velocidad de una onda está dada por =v velocidad., =nλ longitud de onda.
Pb.12. El oído humano es sensible a las ondas sonoras cuyas frecuencias están comprendidas, aproximadamente, entre 20 y 20.000 (ciclos/s). fv =⇒= λλ .,.. La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s y en el agua de 1450 m/s.
Pb.12. Los tubos mas largos de un órgano miden 4,8 m, de longitud. ¿Cuál es la frecuencia fundamental, si el tubo está abierto en un extremo y cerrado en el otro?. f = .
Pb.12. Calcular la longitud de onda de una onda sísmica (ondas S), a una profundidad de 1000 Km. =λ .8,12128002.6400.
Pb. 12. En el aire a 20°C. a) vIPMAX ..2..
Pb. 12. La velocidad de una onda transversal en una cuerda es de 170 m/s, cuando la tensión es de 120 N. ¿Cuál debe ser la tensión para que la velocidad de la onda sea de 180 m/s. .. .10.42,110.013,14,1.
Pb. 12. En un día en que la velocidad del sonido es de 340 m/s, una sirena de un camión emite un sonido con una frecuencia de 500Hz. Determine la longitud de onda del sonido si la fuente está: a) En reposo, b) Moviéndose a 20 m/s. .251989,25197´. La frecuencia del silbato es de 300Hz.
Termodinámica
La dimensión lineal de un sólido, longitud, ancho o espesor, cambia con la temperatura según: ∆L = α.L. Si el cambio de temperatura es igual en todas las direcciones: ∆V = 3.α.V. Alternativamente, ∆V = β.V. = .. Cuando mas alta sea la temperatura de un objeto, más irradiará.
El calor específico caracteriza a una sustancia. Hay que agregar de manera que el calor Q , se agrega al material. Diferentes condiciones nos pueden llevar a distintos c . La temperatura de la muestra no se eleva necesariamente. Puede ocurrir un cambio de una fase o estado (Sólido o líquido o gaseoso) a otro.
WE =∆ .int en un caso de un gas ideal queda. En un proceso isotérmico: la temperatura permanece constante.
Los procesos espontáneamente ocurren en una dirección.
Pb. 14. La temperatura en una habitación es 40°C. Para bajar la temperatura se enfría añadiendo agua fría. A 10°C las paredes de la vasija se empañan.
Pb. 14. El aire en una botella cerrada, a una temperatura de 7°C, era igual a 1 atm. La botella se calentó y el tapón salió disparado.
Pb. 14. Un gas ideal está encerrado en un cilindro provisto de un pistón móvil, y se mantiene a una temperatura T. Si el volumen se reduce a la mitad a 3 (atm) de presión. La presión aumentó hasta 25 (atm). UQ ∆= ., por ser el proceso isocórico además es: ( )12. ...
Pb. 14. Dentro de un cilindro vertical provisto de émbolo hay 1 (g) de N. Calcular la cantidad de calor será necesaria para calentar éste gas a 10°C?. ¿A qué altura se elevará el émbolo al ocurrir esto?.
Según la 1era. ... ... resulta: ....... ( ) SAptCCn Vp ...
Pb. 14. Calcular la presión final en un proceso adiabático reversible. V1. T1= 273 + 27 = 300°K. (N/m2). V2 = 0,5.V1. P2 = ?. γ = 1,4 (gas diatómico). 11 .. 11 .. 2211 ..
Pb. 14. Considere una losa como la fig. El material es cobre. = ..