Examen julio 2024 - ejercicio 10

Examen julio 2024 - ejercicio 10

de Fabiana Gonzalez Remualdi -
Número de respuestas: 4

Buenas tardes, estoy intentando resolver este ejercicio pero no logro llegar al valor de velocidad angular correcto, adjunto lo que hice para que puedan decirme donde me estoy equivocando

Espero ser clara y que puedan ayudarme, saludos!

En respuesta a Fabiana Gonzalez Remualdi

Re: Examen julio 2024 - ejercicio 10

de Nicolás Casaballe -
Hola, Fabiana. Tu planteo tiene algunas cosas para revisar:
  • Falta considerar las fuerzas que actúan sobre el disco en el punto O como resultado de la interacción de la superficie. Es decir, no estás tomando en cuenta la fuerza normal ni la fuerza de rozamiento estática. La normal cancela al peso, garantizando que no haya aceleración en la dirección vertical. La fuerza de rozamiento va a estar oscilando mientras el cuerpo se mueve, y afecta la aceleración de su centro de masa.
  • No olvides indicar el punto con respecto al cual estás calculando los torques. En tu ecuación parece ser que elegiste el punto O. Sin embargo, estás usando el momento de inercia del disco con respecto a un eje que pasa por su centro de masa. Recuerda usar el momento de inercia con respecto a un eje por el mismo punto del cálculo de los torques.
  • Aprovecho para recordar que el punto elegido para la ecuación de torque conviene que sea el centro de masa o un punto con velocidad cero (como el punto O, ya que rueda sin deslizar). De otro modo, aparecen términos adicionales en la ecuación para el torque neto que tienen que ver con cambios del sistema de referencia.
  • Cuando calculaste los torques debidos a las fuerzas de los resortes olvidaste considerar su estiramiento o compresión. Las cantidades k_1 y k_2 designan constantes que dependen de la constitución material del resorte, y no pueden depender de x. La forma en que introduces la posición al final no es correcta.
  • El desplazamiento de los extremos de cada resorte no es el mismo. Recuerda que el disco rueda mientras su centro se traslada. El estiramiento o compresión del resorte de arriba es mayor que el del resorte unido al centro, y debes determinar qué relación hay entre estos.

Fijate si puedes tomar en cuenta estás observaciones y plantear una versión revisada del ejercicio y contanos tus avances.

Suerte,
NC

En respuesta a Nicolás Casaballe

Re: Examen julio 2024 - ejercicio 10

de Fabiana Gonzalez Remualdi -

Nicolás muchas gracias por tu respuesta, intenté aplicar lo que me dijiste y si bien llego a un resultado más cercano no es el que debería. Adjunto lo que hice para que puedan corregirme, saludos!

Adjunto SmartSelect_20241211_191954_Samsung Notes.jpg
En respuesta a Fabiana Gonzalez Remualdi

Re: Examen julio 2024 - ejercicio 10

de Nicolás Casaballe -

Mucho mejor, pero... la fuerza de rozamiento estática no tiene un valor fijo! En lugar de valer \mu m g, su magnitud varía a medida que el cuerpo oscila. Plantea un valor variable f_s para la fuerza de rozamiento. Recuerda que lo que sabemos solamente es que su módulo cumple la desigualdad |\vec f_s| \leq \mu |\vec N|.

Hay un par mas de detalles para atender. Convengamos que el dibujo que hiciste, el cilindro acelera en el sentido positivo del eje horizontal, y que su aceleración angular tiene signo positivo. De este modo, como rueda sin deslizar, se cumple a_{cm} = R\alpha. Pero al hacer esto ímplicitamente estamos estableciendo cual es el sentido positivo para un eje perpendicular al dibujo. En particular, cuando calculamos los torques, debemos respetar este sentido. Por ejemplo, el torque debido a la fuerza de rozamiento queda saliente al dibujo, en sentido contrario a la aceleración angular y, por lo tanto, negativo.

Los estiramientos de los resortes son \Delta l_1 y \Delta l_2. Como los resortes tienen longitud natural nula, debemos dar algunos pasos adicionales para encontrar el vínculo correcto. Llamemos x_{eq} a la posición de equilibrio del centro del disco, medida desde la pared izquierda, y d a la distancia entre las paredes. Cuando el centro del disco se mueve una pequeña cantidad \Delta x desde la posición de equilibrio, los estiramientos de los resortes quedan \Delta l_2 = d - x_{eq} - \Delta x y \Delta l_1 \simeq x_{eq} + \Delta x + R\Delta \theta = x_{eq} + 2\Delta x (como rueda sin deslizar, R\Delta \theta = \Delta x).


Luego de plantear las ecuaciones de movimiento, deberías llegar a un sistema de ecuaciones similar a 

1) -k_1 \Delta l_1 + k_2 \Delta l_2 + f_s = m \ddot x

2) -k_1 \Delta l_1 R - R f_s = I_{cm} \alpha = \frac 1 2 m R^2 \alpha = \frac 1 2 m R \ddot x.

Combinando las ecuaciones, se obtiene la ecuación del oscilador armónico simple. Aunque para la solución completa del movimiento hay que determinar el valor de la posición de equilibrio, afortunadamente el período de las oscilaciones no depende de este valor, de manera que si consigues una ecuación de la forma

\ddot x + \omega^2 x = \text{const.}

se puede determinar el período a partir de T=2\pi/\omega (la constante de la ecuación se puede absorber en un cambio de variables, midiendo el desplazamiento dese la posición de equilibrio).

Saludos,
NC