2do parcial julio 2009 ej3

2do parcial julio 2009 ej3

de Santiago Diaz Vazquez -
Número de respuestas: 3

en la parte 2. del ej 3), para demostrar que la componente vertical del momento angular en O según k se conserva, hice el momento de las fuerzas externas en O, pero no me da cero ya que tengo una fuerza de rozamiento de la esfera con la pared y otra con el piso. Intente luego hacer la primera cardinal pero tampoco anduvo.

En la parte 3. hice la suma de momentos angulares del cilindro y la esfera, ambos desde O. Sin embargo llego un resultado diferente a la solución. Adjunto foto.

Muchas gracias.


En respuesta a Santiago Diaz Vazquez

Re: 2do parcial julio 2009 ej3

de Nicolás Casaballe -
Hola, Santiago. Tus preguntas me obligaron a pensar un buen rato; vamos a ver qué te parecen estas respuestas:

- En la parte 2, efectivamente las fuerzas de rozamiento sobre la esfera ejercen un momento sobre esta con componente según k no nula. La conservación de la componente vertical del momento angular no se cumple separadamente para la esfera o el casquete, sino para el sistema combinado, formado por ambos cuerpos.
El enunciado del ejercicio no dice explícitamente cuál es "el sistema" (la esfera, el casquete, o ambos), y por lo tanto se sobreentiende que el sistema al que se alude es el formado por todos los cuerpos descritos previamente. ¿Sabrías explicar por qué, al considerar el sistema combinado, obtenemos la conservación la componente vertical del momento angular?

- El error por el cual no llegas a la solución correcta en la parte 3 es bastante sutil, si uno no está alerta. Sucede que en tu planteo, en el cálculo del tensor de inercia con respecto a O, está implícito un sistema de referencia en el cual la esfera permanece en reposo (un sistema solidario). Los vectores en los cuales se expresa la velocidad angular de la esfera NO son solidarios a la misma.

Por ejemplo, podemos ver que se cumple que la derivada temporal del vector \hat e_r (uno de los vectores del sistema de referencia de la solución) es
\dot \hat e_r = \dot \phi \, \hat e_\phi
en lugar de
\vec \omega \times \hat e_r = (2\dot \psi - \dot \phi) \, \hat e_\phi

¿Qué pasa con la derivada del vector \hat k?

Para llegar a la respuesta correcta haría falta reescribir la velocidad angular determinada en la parte 1, pero en un sistema realmente solidario a la esfera para poder usar el tensor que tú determinaste.
Dudo que valga la pena hacerlo así; el camino usado en la solución publicada evita estos pasos haciendo los cálculos primero con respecto al CM y luego usando la relación para el transporte de momento angular entre dos puntos. Pero si quieres, prueba si llegas a lo mismo (como para practicar) y nos cuentas qué tal te fue.

Espero haber ayudado a aclarar la situación -- no era muy evidente dónde estaba el problema. No dudes en consultar de nuevo si hace falta.
Saludos,
NC
En respuesta a Nicolás Casaballe

Re: 2do parcial julio 2009 ej3

de Santiago Diaz Vazquez -

Gracias por la respuesta. La primera parte me quedo clara. En la segunda parte creo haber entendido porque el sistema no es realmente solidario a la esfera, y por lo tanto no se pueden realizar los cálculos directamente desde O. Lo que no entiendo es porque desde G sí se puede usar el mismo sistema para realizar las cuentas, aunque no sea solidario a la esfera. 

En respuesta a Santiago Diaz Vazquez

Re: 2do parcial julio 2009 ej3

de Nicolás Casaballe -
Es una buena observación. Sucede que, gracias a la simetría esférica, el tensor de inercia con respecto al centro queda proporcional a la identidad. De esa manera, se obtiene que, para esa simetría, el momento angular respecto al centro queda siempre paralelo a la velocidad angular. Por eso surge la sutileza de que allí se puede usar un sistema de referencia orientado en forma arbitraria y *aparenta* ser un sistema solidario.

Esto se haría más evidente si, por ejemplo, el cuerpo no tuviese simetría esférica (una esfera no homogénea, digamos). En ese caso el tensor de inercia no sería proporcional a la identidad -- el momento angular y la velocidad angular no serían necesariamente paralelos. En una situación así, la solución es buscar los ejes principales para escribir el tensor de inercia y se escribir la velocidad angular en la base correspondiente.

En la solución publicada se esquiva un poco el problema aprovechando la simetría y haciendo los cálculos respecto a G (no se necesita, de hecho, plantear explícitamente todas las componentes del tensor de inercia).