martes, 24 de mayo de 2016

RESUMEN DEL LIBRO

CINÉTICA DE PARTÍCULAS: MÉTODOS DE LA ENERGÍA Y DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO

Considérese una partícula que se mueve de un punto A  a un punto A´ cercano, el vector que une a A y A´ puede denotarse mediante la diferencial  que dx, el vector dx denomina el desplazamiento de la partícula.
Supóngase que una fuerza F actúa sobre la partícula, el trabajo de esa fuerza corresponde al desplazamiento  dx se define como la cantidad.
                                  du=F.dx

Obtenida al formar el producto escalar  la fuerza F y el desplazamiento dx.
Las magnitudes y el desplazamiento, y mediante el ángulo  α formado por F  y dx.
du=F. ds cos α

También es posible determinar el trabajo en componentes rectangulares
dU=𝐹𝑥dx+ 𝐹ydy+ 𝐹zdz

Al ser una cantidad escalar, el trabajo tiene magnitud y signo, pero no dirección. También se vio que el trabajo debe expresarse en unidades que se obtienen al multiplicar unidades de longitud por unidades de fuerza. Así, si se recurre a las unidades de uso común en Estados Unidos, el trabajo debe expresarse en ft .  lb o in.   lb. Si se emplean unidades del SI, el trabajo se expresará en N .  m. La unidad de trabajo N . m se denomina como joule (J).

1 ft . lb =(1 . ft)(1. lb) = (0.3048 m)(4.448 N) = 1.356 J

El trabajo dU es positivo si el ángulo α es agudo y negativo si  α es obtuso.                  

Si la fuerza tiene la misma dirección que dx el trabajo  dU se reduce  a Fds. Si F tiene dirección opuesta a la de dr, el trabajo es dU =Fds. Si F es perpendicular a dr, el trabajo dU es cero.

El trabajo de F mediante un desplazamiento finito se obtiene al integrar la ecuación.

U
Para el trabajo elemental dU y observar que F cos α representa la componente tangencial Ft de la fuerza, es posible expresar el trabajo U   como
U

Donde la variable de integración s  mide la distancia recorrida por la partícula a lo largo de la trayectoria.

Cuando la fuerza F se define por medio de sus componentes rectangulares, puede utilizarse para el trabajo elemental. En ese caso se escribe

U

Donde la integración se va a realizar a lo largo de la trayectoria descrita por la partícula.
Trabajo de una fuerza constante en movimiento rectilíneo.
Cuando una partícula que se mueve en una línea recta se somete a una fuerza F de magnitud constante y dirección constante  produce
U
Donde α = ángulo que forma la fuerza con la dirección de movimiento  desplazamiento de A1 a A2.

Trabajo realizado por la fuerza de la gravedad.
 El trabajo del peso W de un cuerpo, esto es, de la fuerza que la gravedad ejerce sobre ese cuerpo, se obtiene al sustituir las componentes de W, al elegir el eje y hacia arriba, se tiene , y se escribe
dU= -w
U Wy1  Wy2
U = -W (y1- y2)= W
Donde es el desplazamiento vertical de A1 a A2. En consecuencia, el trabajo del peso W es igual al producto de W y el desplazamiento vertical del centro de gravedad del cuerpo. Él trabajo es positivo cuando el cuerpo se mueve hacia abajo.

Trabajo realizado por la fuerza que ejerce un resorte o muelle.

La evidencia experimental muestra que la magnitud de la fuerza F ejercida por el resorte sobre un cuerpo A(es la media de la deformación total del resorte) es proporcional a la deformación x del resorte medida a partir de la posición A0(es la posición del resorte sin estirar). Se tiene
F=kx
Donde k es la constante del resorte, expresada en N/m o kN/m si se san unidades del SI y en lb/ft o lb/in.
dU= F =
U  

Si se utilizan unidades de uso común en Estados Unidos, k debe expresarse en lb/ft y x en pies, o k en lb/in. y x en pulgadas; en el primer caso, el trabajo se obtiene en ft . lb, en el segundo, en in.lb.
Adviértase que el trabajo de la fuerza F ejercida por el resorte sobre el cuerpo es positivo cuando x2 ˂ x1, esto es, cuando el resorte está regresando a la posición no deformada.

Trabajo realizado por una fuerza gravitacional.          
Dos partículas de masa m1 y m2 a una distancia r una de la otra se atraen entre sí con fuerzas iguales y opuestas F y F, dirigidas a lo largo de la línea que une a las partículas y de magnitud
      
 
Suponga que la partícula M ocupa una posición fija O mientras la partícula m se mueve a lo largo de la trayectoria bajo de la fuerza F ejercida sobre la partícula m durante un desplazamiento infinitesimal de la partícula de A a A‘puede obtenerse al multiplicar la magnitud F de la fuerza por la componente radial del desplazamiento.
Puesto que F está dirigida hacia O, el trabajo es negativo y se escribe

Fuerzas que se encuentran con frecuencia en problemas de cinética no realizan trabajo. Se trata de fuerzas aplicadas en puntos fijos (ds = 0) o actuando en una dirección perpendicular al desplazamiento (cos  α= 0) .
Entre las fuerzas que no realizan trabajo se encuentran las siguientes: la reacción en un pasador sin fricción cuando el cuerpo que se soporta gira alrededor del pasador, la reacción en una superficie sin fricción cuando el cuerpo en contacto se mueve a lo largo de la superficie, la reacción en un rodillo que se desplaza a lo largo de su pista y el peso de un cuerpo cuando el centro de gravedad se mueve en forma horizontal.
Principio del trabajo y la energía
La energía cinética de una partícula representa también la capacidad para realizar trabajo asociado con la velocidad de la partícula.
La energía cinética se mide en las mismas unidades que el trabajo, esto es, en joules si se usan unidades del SI y en ft. lb si se emplean unidades de uso común en Estados Unidos.
La aplicación dichos principios simplifica la solución de muchos problemas que implican fuerzas, por ejemplo: el péndulo OA compuesto por una plomada A de peso W unida a una cuerda de longitud L el péndulo se suelta sin velocidad inicial desde una posición horizontal OA1 y se deja que oscile en un plano vertical.
Se desea determinar la rapidez de la plomada cuando pasa por A2, directamente abajo de O.
Se determina el trabajo realizado durante el desplazamiento desde A1 hasta A2 por las fuerzas que actúan sobre la plomada. Se dibuja un diagrama de cuerpo libre de esta última, indicando todas las fuerzas reales que actúan sobre ella, esto es, el peso W y la fuerza P ejercida por la cuerda.
La fuerza P no realiza trabajo, ya que es normal a la trayectoria; la única fuerza que efectúa trabajo es consecuentemente el peso W. El trabajo de W se obtiene al multiplicar su magnitud W por el desplazamiento vertical l, (como el desplazamiento es hacia abajo el trabajo es positivo).
 
Potencia y eficiencia
La potencia se define como la tasa en el tiempo a la cual se efectúa el trabajo. En la selección de un motor o máquina, la potencia es un criterio mucho más importante que la cantidad real de trabajo que se lleva a cabo. Es posible utilizar un motor pequeño o una gran planta eléctrica para realizar una cantidad determinada de trabajo; sin embargo, el motor pequeño quizá requiera un mes para efectuar el trabajo que la planta eléctrica realizaría en unos cuantos minutos.
Si U es el trabajo realizado durante el intervalo t, entonces la potencia promedio durante ese intervalo es
Al dejar que t tienda a cero, se obtiene en el límite
Como du/dt representa la velocidad v del punto de aplicación de F (tenemos que)
La potencia debe expresarse en J/s; esta unidad se conoce como watt (W).
                            1 W =1 J/s  =1 N . m/s


CONCLUSIÓN

La mayor parte de los problemas relacionados con el movimiento de partículas se resolvieron mediante el uso de la ecuación fundamental del movimiento F=ma.  Dada una partícula sobre la que se ejerce una fuerza F, se podría resolver esta ecuación para la aceleración a; luego, aplicando los principios de la cinemática sería posible determinar a partir de a la velocidad y la posición de la partícula en cualquier tiempo. El uso de la ecuación F=ma  junto con los principios de la cinemática permiten obtener dos métodos de análisis adicionales, el método del trabajo y la energía y el método del impulso y la cantidad de movimiento.

El método del trabajo y la energía relaciona directamente la fuerza, la masa, la velocidad y el desplazamiento, en tanto que el método del impulso y la cantidad de movimiento relaciona la fuerza, la masa, la velocidad y el tiempo.

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