CUADERNO DE EJERCICIOS RESUELTOS *


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1 CUADERNO DE EJERCICIOS RESUELTOS * Física y Química Curso 1 o Bachillerato COLEGIO VIRGEN DE ATOCHA - PP. DOMINICOS Rosa María López Menaya María Trillo Alcalá Curso Primera Evaluación * El texto de este documento se preparó con L A TEX, las gráficas con GNUPlot y diagramas con DIA. Se da permiso para copiar, distribuir y/o modificar este documento bajo los términos de la Creative Commons License ( 1

2 Índice I Enunciados de problemas 4 1. Cinemática: Elementos del movimiento 6 2. Cinemática: Movimientos en una dimensión 8 3. Cinemática: Composición de movimientos Naturaleza de la materia Mol. Ecuación general de los gases 16 II Soluciones Cinemática: Elementos del movimiento Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Cinemática: Movimientos en una dimensión Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Cinemática: Composición de movimientos Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución:

3 3.9. Solución: Solución: Naturaleza de la materia Solución: Solución: Solución: Solución: Solución : Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Mol. Ecuación general de los gases Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución: Solución:

4 Parte I Enunciados de problemas 4

5 PROBLEMAS DE FÍSICA 5

6 1. Cinemática: Elementos del movimiento 1. Una partícula con velocidad cero, puede tener aceleración distinta de cero? Y si su aceleración es cero, puede cambiar el módulo de la velocidad? 2. La ecuación de un movimiento es r = (4t 2 + 6t + 5) i Indica si la aceleración es: a) Nula. b) Variable. c) 8 i d) 4 j 3. En la figura se representa el movimiento de una partícula. En el instante t 1 dicha partícula se encuentra en P 1, mientras que en t 2 ya está en P 2. Cuáles de las siguientes expresiones representan la velocidad media? a) d(p 1,P 2 t 2 t 1 b) r 2 r1 t 2 t 1 P c) 1 P 2 t 2 t 1 4. Si la trayectoria de un movimiento es una recta, la aceleración es a = dv dt u t, donde u t es el vector unitario según la tangente a la trayectoria. Por qué? 5. El vector de posición de un móvil en función del tiempo t es r(t) = 5t i+2t 2 j (m). Calcula: a) La velocidad media entre los instantes t 1 = 0 y t 2 = 3s. b) La velocidad instantánea en función de t. c) El módulo de la velocidad instantánea. d) El vector unitario tangencial a la trayectoria. 6. Un movimiento en el plano xy queda descrito por las siguientes ecuaciones paramétricas: x = t y = t 2 1 Determina: a) la ecuación de la trayectoria; b) la velocidad instantánea; c) la aceleración del móvil. 6

7 7. La posición de una partícula en el plano viene dada por la ecuación vectorial: r(t) = (t 2 4) i + (t + 2) j En unidades del S.I. calcula: a) La posición del móvil para t = 2s y t = 4s. b) La velocidad instantánea para t = 1s. c) La aceleración instantánea e indica qué tipo de movimiento es. 8. La velocidad de un móvil que circula en línea recta es v(t) = (t 2 3) i (m/s). Determina: a) El vector aceleración instantánea en t = 1s y su módulo. b) Las componentes intrínsecas de la aceleración. 9. El vector de posición de una partícula móvil es r = (3t 2 + 1) i + (4t 2 + 2) j en donde r se mide en metros y t en segundos. Calcula: a) La velocidad media en el intervalo 2 y 4s. b) La velocidad en cualquier instante. c) La velocidad para t = 0. d) La aceleración en cualquier instante. e) La aceleración tangencial en cualquier instante. f) La aceleración normal en cualquier instante. g) Ecuación de la trayectoria y tipo de movimiento. 10. El vector de posición de una partícula viene dado por r = R sen ωt i + R cos ωt j donde R está en metros y t en segundos; ω es la velocidad angular de la partícula. Calcula: a) el vector velocidad de la partícula, en cualquier instante y su módulo; b) la aceleración en cualquier instante y su módulo; c) las componentes instrínsecas de la aceleración; d) Qué trayectoria describe esta partícula? 11. Un asteroide entra en el campo gravitatorio terrestre con una velocidad cuyo módulo cambia con el tiempo según la ley v(t) = 3 + 7t, en unidades S.I. a) Calcula su aceleración tangencial. b) Si la curva que describe tiene un radio de curvatura de 275 m., halla la aceleración normal del asteroide y el módulo de su aceleración instantánea en t= 3s. 7

8 2. Cinemática: Movimientos en una dimensión 1. La gráfica representa las posiciones de un automóvil en función del tiempo. Representa una situación real? Por qué? Figura 1: 2. Las siguientes gráficas corresponden a dos paseantes que parten del mismo origen. a) Dónde está cada uno a los 3 s? b) Qué espacio recorren en 1 s? c) Cuál se desplaza más rápidamente? 8

9 Figura 2: 3. Un móvil realiza un movimiento cuya gráfica v-t es la que se muestra en la figura. Si parte del origen, calcula: a) Su posición inicial. b) El espacio total recorrido por el móvil. Figura 3: 9

10 4. Una motocicleta está parada en un semáforo que da acceso a una carretera. En el instante en el que el semáforo cambia a luz verde, le sobrepasa un automóvil que circula a una velocidad de 54 km/h. El motorista se entretiene en arrancar y lo hace con una aceleración constante de 3, 6 m/s 2. a) Cuánto tarda la motocicleta en alcanzar al coche? b) Qué distancia han recorrido? c) Comete alguna infracción la moto? d) Construye los diagramas v-t y s-t para los dos vehículos? 5. Un conductor circula por una carretera con una velocidad de 90 km/h y ve que se enciende la luz ámbar de un semáforo situado a una distancia de 150. Si el semáforo tarda 3 s en cambiar a rojo y el coche frena con una aceleración de 2 m/s 2, cometerá una infracción ese conductor? 6. Una persona está a punto de perder un tren. En un desesperado intento, corre a una velocidad constante de 6 m/s. Cuando está a 32 m de la última puerta del vagón de cola, el tren arranca con una aceleración constante de 0, 5 m/s 2. Logrará nuestro viajero aprovechar su billete o habrá perdido su billete, tiempo y aliento en un infructuoso intento? 7. Desde que se deja caer una piedra en un pozo hasta que se oye el sonido del choque con el agua trancurren 2 s. Calcula la profundidad del pozo sabiendo que la velocidad del sonido es de 340 m/s. 8. Desde un puente se tira hacia arriba una piedra con una velocidad inicial verical de 6 m/s. Calcula: a) Hasta qué altura se eleva la piedra. b) Cuánto tiempo tarda en volver a pasar al nivel del puente desde el que fue lanzada y cuál será entonces su velocidad. c) Si la piedra cae en el río 1.94 s después de haber sido lanzada, qué altura hay desde el puente hasta el nivel del agua? Con qué velocidad llega la piedra a la superficie del agua? 9. Desde una ventana situada a 15 m del suelo, una niña deja caer una pelota. Su amiga que se encuentra en la calle, debajo de la ventana, lanza hacia arriba, 1 segundo más tarde y con una velocidad de 12 m/s otra pelota. a) A qué altura se cruzan? b) Qué velocidad tiene cada pelota en ese instante? c) Dónde se encuentra la segunda pelota cuando la primera llega al suelo? 10. Un hombre que está frente a una ventana de 2 m de altura ve pasar un objeto que cae desde arriba, siendo 0,3 s el tiempo que tarda el objeto en recorrer la altura de la ventana. a) Desde quá altura dejó caer el objeto? b) Qué velocidad tendrá el objeto al caer al suelo? 10

11 3. Cinemática: Composición de movimientos 1. Se quiere cruzar un río y la velocidad de la corriente es de 10 m/s y nuestra lancha que desarrolla una velocidad de 15 m/s la colocamos en dirección perpendicular a las orillas, a la corriente. Calcula: a) Cómo se moverá la lancha con respecto a un observador que se encuentra en la orilla? b) Tiempo que tarda en atravesar el río si tiene una anchura de 200 m. c) Distancia recorrida por la lancha. 2. Un río tiene una anchura de 100 m y un nadador quiere cruzarlo perpendicularmente a la corriente, pero va a pasar 20 m. aguas abajo. Si la velocidad del nadador es de 2 m/s, qué velocidad lleva el río? 3. Un jugador de golf lanza una pelota desde el suelo con un ángulo de 60 o respecto al horizonte y una velocidad de 80 m/s. Calcula: a) Tiempo que tarda en caer. b) Velocidad de la pelota en el punto más alto de la trayectoria. c) Alcance máximo. d) Altura máxima alcanzada por la pelota. e) Ecuación de la trayectoria seguida por la pelota. 4. En un salto, una rana salta la distancia horizontal de 40 cm. Si suponemos que la rana ha efectuado el salto con una inclinación de 30 o, con qué velocidad se impulsa? 5. Un cañón antiaéreo dispara proyectiles con velocidad de 400 m/s. Si el ángulo de tiro es de 60 o, calcula: a) La altura máxima alcanzada. b) Si podrá abatir (impactar) un avión que vuela hacia el antiaéreo a 4000 m. de altura y a 720 km/h. c) La distancia recorrida por el avión desde que el proyectil es lanzado hasta que impacta. 6. Juanito lanza una pelota desde su terraza situada a 30 m de altura. La lanza con una velocidad horizontal, con la intención de evitar la terraza de su vecino, que se encuentra 15 m por debajo de la suya y sobresale 28 m. a) Con qué velocidad mínima debe lanzar la pelota para que salve la terraza de su vecino? b) A qué distancia horizontal, respecto del punto de partida, caerá la pelota? 7. En el último partido de baloncesto que enfrentó al Real Madrid y al Barcelona, los dos equipos se encontraban empatados cuando el partido estaba apunto de finalizar. Un jugador del Barcelona lanza el balón a canasta con una velocidad de 8 m/s y una inclinación de 30 o. La canasta se encuentra a 3.05 m de altura y el jugador efectúa el lanzamiento a una distancia de 5 m. Quién gana el partido? (Supón que el jugador, con los brazos extendidos, ha lanzado el balón desde una altura de 2.72 m) 11

12 8. En un instante dado, una de las ruedas posteriores de un camión proyecta una piedrecita hacia atrás. La piedra sale disparada a 72 km/h, con un ángulo de 37 o sobre la horizontal. Detrás del camión, en la misma dirección y sentido, va una fugoneta a 14 m/s (velocidad constante). Calcula: a) La altura máxima que alcanza la piedrecita. b) A qué altura sobre el suelo y con qué velocidad choca la piedra con el cristal de la furgoneta si, en el momento en el que la piedra sale lanzada, el cristal estaba a 4.5 m de la piedra (suponer que el parabrisas de la furgoneta es perpendicular al suelo). 9. Un jugador de béisbol lanza con una velocidad de 50 m/s y un ángulo de elevación de 30 o. En el mismo instante, otro jugador situado a 150 m en la dirección que sigue la pelota corre para recogerla, cuando se encuentra a 1 m por encima del suelo con una velocidad constante de 10 m/s. Llegará a recoger la pelota? En caso negativo, tiene dos soluciones: correr más deprisa o salir antes. Calcula: a) En el primer caso, con qué velocidad debería correr. b) En el segundo caso, cuánto tiempo antes de lanzar la pelota debe salir. 10. Un día de viento jugamos a lanzar verticalmente una pelota tratando de observar cómo afecta al movimiento de ésta el viento que sobre ella actúa. Si lanzamos hacia arriba una pelota a 25 m/s cuando la fuerza del viento le comunica una aceleración horizontal de 2 m/s 2. Deduce: a) Las ecuaciones de la posición, la velocidad y la trayectoria seguidas por la pelota. b) A qué distancia del punto de lanzamiento cae la pelota. c) Cuál es la altura máxima alcanzada por la pelota? 12

13 PROBLEMAS DE QUÍMICA 13

14 4. Naturaleza de la materia Problemas de repaso y/o recuperación 1. Al descomponer 100 g de óxido de calcio se obtienen gramos de oxígeno y gramos de calcio. Si hacemos otra descomposición y obtenemos al final g de calcio, con cuántos gramos de oxígeno estaba combinado? De cuánto óxido de calcio habíamos partido? 2. El metano está formado por carbono e hidrógeno; por cada 32 gramos de metano, 24 son de carbono y el resto de hidrógeno. Calcula: la composición centesimal del metano. la masa de metano que se puede producir con 6 7 gramos de carbono y 12 4 gramos de hidrógeno. 3. El oxígeno (O) y el hierro (Fe), forman dos compuestos diferentes. Uno de ellos tiene un 30 % de O y un 70 % de Fe, y el otro un % de O y % de Fe. Comprueba que se cumple la Ley de las Proporciones Múltiples. 4. El dióxido de azufre se forma al quemar sulfuro de hidrógeno según la ecuación química: 2H 2 S (g) + 3O 2 (g) 2H 2 O (g) + 2SO 2 (g) Se parte de una mezcla generosa formada por 4 litros de sulfuro de hidrógeno y 17 litros de oxígeno, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura. Calcula cuál será la composición de la mezcla gaseosa después de la reacción suponiendo las mismas condiciones de presión y temperatura. 5. La composición centesimal del cloruro de plata es % de cloro y % de plata. Hacemos reaccionar la plata de una moneda de gramos de masa y obtenemos gramos de cloruro de plata. Calcula el porcentaje de plata de la moneda. 6. El magnesio reacciona con el oxígeno para formar óxido de magnesio en la proporción de 2 gramos de oxígeno por cada 3 gramos de mgnesio. Calcula la masa de oxígeno y magnesio necesaria para preparar 180 gramos de óxido de magnesio. 7. Se hacen reaccionar azufre y hierro obteniéndose los siguientes resultados: Masas iniciales Masas finales Hierro (g) Azufre (g) Hierro (g) Azufre (g) Calcula la cantidad de compuesto obtenida en cada caso. Justifica si se trata del mismo compuesto en ambas experiencias. 14

15 8. Siempre que se forma vapor de agua, por cada dos volúmenes de hidrógeno reacciona un volumen de oxígeno y se forman dos volúmenes de agua, medidos todos los gases en las mismas condiciones de presión y temperatura. Calcula los litros de oxígeno y de hidrógeno que tenemos que utilizar para obtener 50 L de agua. 9. Completa la tabla que sigue, que corresponde a la reacción química entre el aluminio y el cloro para dar cloruro de aluminio: Al (g) Cl (g) Cloruro de alumnio (g) Aluminio sobrante (g) 0 Cloro sobrante (g) 10. Si hacemos reaccionar 1 gramo de oxígeno con cobre vemos que se consumen gramos de cobre; pero si cambiamos las condiciones de la reacción, 1 gramo de oxígeno reacciona con gramos de cobre. Se cumple la Ley de las Proporciones Múltiples? 15

16 5. Mol. Ecuación general de los gases Problemas de repaso y/o recuperación 1. Se introducen masas iguales de sulfuro de hidrógeno y de nitrógeno en sendos recipientes, ambos del mismo volumen y a la misma temperatura. a) Cuál de los dos recipientes contiene mayor número de moléculas? b) Si la presión en el recipiente del sulfuro de hidrógeno es 1 atm., cuál será la presión en el otro recipiente? Datos: Ar(H) = 1; Ar(S) = 32; Ar(N) = Responde razonadamente cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera o falsa: a) Un mol de moléculas de SO 3 pesa más que un mol de moléculas de C 4 H 10. b) Si calentamos un gas, necesariamente ha de aumentar su presión. c) Hay la misma cantidad de átomos en 56 gramos de hierro que en 98 gramos de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ). d) En condiciones normales, 1 mol de oro ocupa 22 4 L. 3. Calcula la masa molecular y la masa molar de las siguientes sustancias: a) Sulfato de cinc heptahidratado (ZnSO 4 7H 2 O). b) Dicromato de amonio ( (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 ). c) Ácido clorhídrico (HCl). d) Dióxido de carbono (CO 2 ) 4. En un recipiente A ponemos ácido nítrico puro (HNO 3 ), en otro B, benceno (C 6 H 6 ) y en otro C, glucosa (C 6 H 12 O 6 ). Qué pesos de estas sustancias habría que poner para que en los tres recipientes hubiera el mismo número de moléculas? 5. Un determinado vidrio pyrex contiene un 15 % en masa de B 2 O 3. Calcula cuántos gramos de boro contiene un recipiente de 475 gramos fabricado con dicho vidrio. 6. Calcula la masa de sodio que contienen 5 toneladas de sal común (NaCl). Indicar qué masa de sal necesitaremos para extraer 275 gramos de cloro molecular (Cl 2 ) en el laboratorio. 7. Un laboratorio analiza 17 gramos de un compuesto y obtiene los siguientes resultados: 7 15 gramos de sodio (Na), 5 gramos de fósforo (P) y 6 6 gramos de oxígeno (O). El jefe del laboratorio recibe los resultados y ordena repetir los análisis. Justifica por qué. Si el resultado incorrecto es la masa de fósforo, calcula la composición centesimal del compuesto y su fórmula empírica. 16

17 8. El ácido cítrico está presente en limones y naranjas, así como en otras frutas. Se analiza 1 gramo de esta sustancia y se obtienen los siguientes resultados: gramos de oxígeno, moles de carbono y átomos de hidrógeno. Sabiendo que moléculas tienen una masa de 19 2 gramos, calcula la fórmula molecular. Datos: Ar(C) = 12; Ar(O) = 16; Ar(H) = 1 9. Se dispone de tres sustancias para su uso como fertilizante por su aporte de nitrógeno a la tierra. Las sustancias de las que disponemos son nitrato de sodio (NaNO 3 ), urea ((NH 2 ) 2 CO) y nitrato de amonio (NH 4 NO 3 ). Calcula cuál será el mejor. 10. Responde razonadamente: a) Dónde hay más átomos de aluminio (calcula su número): En 350 gramos del sulfato de aluminio, Al 2 (SO 4 ) 3, o en 0 75 moles de nitrato de aluminio, Al(NO 3 ) 3. b) Si disponemos de 5 g de aspirina (C 8 H 9 O 4 ) y quitamos moléculas, cúantos moles de aspirina nos quedan. 17

18 Parte II Soluciones 18

19 PROBLEMAS DE FÍSICA 19

20 1. Cinemática: Elementos del movimiento 1.1. Solución: a) En el primer caso la respuesta correcta es afirmativa, ya que puede tratarse de un movimiento acelerado, pero en el que cambia el sentido del movimiento. Éste sería el caso de un cuerpo que se lanza verticalmente y hacia arriba, en el punto más alto de su trayectoria su velocidad es nula, pero tiene aceleración (a = -g). b) Sin embargo, en este caso, la respuesta es negativa, porque si la aceleración es cero, no existen cambios con respecto al tiempo en el módulo y en la dirección de la velocidad Solución: Para poder responder debemos calcular la expresión del vector aceleración, y sólo podremos hacerlo derivando dos veces el vector de posición, ya que la velocidad es la derivada del vector de posición, y la aceleración, la derivada del vector velocidad, en ambos casos respecto al tiempo. a = d v dt = d2 r dt 2 v = d r dt = (8t + 6) i a = d v dt = d2 r dt = 8 i 2 Por lo tanto, la respuesta correcta es la c) Solución: La velocidad media es un vector que tiene la misma dirección que el desplazamiento, su módulo nos da idea de la rapidez con que se ha producido el cambio de posición. Se calcula como el cociente entre el vector desplazamiento y el tiempo en el que se produce ese cambio de posición v M = r t = r 2 r 1 t 2 t 1 por lo tanto será correcta la respuesta b). Pero también es correcta la respuesta c), ya que P 1 P 2 no es más que el vector desplazamiento 1.4. Solución: v M = P 1 P 2 t 2 t 1 En un movimiento rectilíneo, el vector velocidad no cambia de dirección por ello la componente del vector aceleración que nos indica esos cambios (la componente normal) no existe, es nula. Vamos a demostrarlo: v = v u t a = d v dt = d dt (v u t 20

21 Si derivamos ese producto nos queda a = dv dt u t + v d u t dt y d ut = 0, ya que sería la derivada de una constante al mantener el vector unitario dt continuamente la misma dirección. Por ello a = dv u dt t Solución: a) La velocidad media se define como el cociente entre el vector desplazamiento y el tiempo en que éste sucede. Por lo tanto, tendrá siempre la dirección del desplazamiento V M = r t y su módulo nos indica la rapidez con que se ha producido el cambio de posición. r = r 2 r 1 r 2 (t = 3s) = 5 3 i j = 15 i + 18 j (m) r 1 (t = 0s) = 5 0 i j = 0 V M = 15 i + 18 j (0 i + 0 j) 3 0 = 5 i + 6 j (m/s 2 ) b) La velocidad instantánea se define como el límite de la velocidad media cuando t tiende a cero, es decir, es la derivada del vector posición con respecto al tiempo: r v = lím t 0 t = d r dt v = 5 i + 4t j (m/s) c) El módulo de la velocidad se calcula como el de cualquier vector, la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada una de las componentes v = vx 2 + vy 2 = (4t) 2 = t 2 (m/s) d) Como el vector velocidad siempre es tangente a la trayectoria y recordando cómo se calcula el vector unitario (o lo que es lo mismo, cómo se normaliza un vector) u t = u t = v v = 5 i + 6 j t t 2 i t 2 j 21

22 1.6. Solución: a) La ecuación de la trayectoria es una relación entre las coordenadas del móvil en la que ya no figura el tiempo. Es decir, de las ecuaciones paramétricas eliminamos el tiempo y buscamos y = y(x), (y en función de x). x = t y = t 2 1 = t 2 = y + 1 = x = (y + 1) + 2 x = y + 3 = y = x 3 De esta ecuación podemos deducir que la trayectoria es rectilínea. b) La velocidad instantánea es la derivada del vector de posición respecto al tiempo y el vector de posición en este caso es v = d r dt r = x i + y j = (t 2 + 2) i + (t 2 1) j v = 2t i + 2t j (m/s) c) La aceleración nos informa de los cambios que seq producen en el vector velocidad a lo largo del tiempo y se obtiene como el límite de la aceleración media cuando t tiende a cero, es decir, la derivada del vector velocidad con respecto al tiempo: v a = lím t 0 t = d v dt a = 2 i + 2 j (m/s 2 ) De los apartados a) y c) podemos deducir que el movimiento es rectilíneo y uniformemente acelerado, ya que la aceleración es constante, no varía con el tiempo Solución: a) De la ecuación vectorial hallamos la posición en el instante requerido con tal de sustituir t por el valos que nos indican. r(t = 2s) = (2 2 4) i + (2 + 2) j = r(t = 2s) = 4 j(m) r(t = 4s) = (4 2 4) i + (4 + 2) j = r(t = 4s) = 12 i + 8 j(m) b) La velocidad instantánea se halla derivando el vector de posición con respecto al tiempo, ya que la velocidad no es más que la variación de la posición a lo largo del tiempo v = d r dt = 2t i + j(m/s) y ahora bastará con sustituir por el instante indicado v(t = 1s) = 2 i + j(m/s) 22

23 c) La aceleración se halla derivando el vector velocidad a lo largo del tiempo (o bien derivando dos veces el vector posición con respecto al tiempo) a = d v dt = 2 i(m/s 2 ) y para calcularla en el instante requerido sería necesario, como siempre, sustituir por el valor indicado, aunque en este caso, al no depender del tiempo, será constante, será por tanto un movimiento uniformemente acelerado Solución: a) Para calcular el vector aceleración debemos derivar el vector velocidad respecto del tiempo, y después en la expresión que hallamos, sustituir el tiempo por el valor que nos facilitan. La aceleración se define como la variación del vector velocidad a lo largo del tiempo, por ello, siempre que exista una variación de la velocidad, ya sea en módulo o en dirección, existe una aceleración. a = d v dt = a(t) = 2t i (m/s 2 ) a(t = 1s) = 2 i (m/s 2 ) Para conocer su módulo, basta con observar la expresión a = 2t m/s 2 a(t = 1s) = 2 m/s 2 b) El vector velocidad podemos reescribirlo en función del vector unitario v = v u t y si hallamos ahora el vector aceleración (aplicamos la derivada de un producto) a = d v dt = d dt (v u t) = dv dt u t + v d u t dt y así hemos obtenido las componentes intrínsecas del vector aceleración: a t = dv u dt t: llamada componente tangencial de la aceleración, cuya dirección es tangente a la trayectoria (como indica el vector unitario). El módulo de esta componente de la aceleración es dv, y por lo tanto nos informa de los cambios, de dt la variación del módulo de la velocidad. a N = v d ut = v2 u dt R N: llamada componente normal de la aceleración, ya que su dirección es perpendicular (normal) a la tangente en ese punto a la trayectoria. El módulo de esta componente nos indica la variación en la dirección de la velocidad. En nuestro caso particular a N = 0, ya que la trayectoria es una recta, no hay cambios en la dirección del vector velocidad. Para calcular la componente tangencial debemos conocer primero el módulo de la velocidad, que en nuestro caso es muy sencilla: v = t 2 3 a t = dv dt = 2t que evidentemente coincide con el módulo de la aceleración instantánea. 23

24 1.9. Solución: a) La velocidad media nos proporciona información a propósito de la rapidez con que se produce un cambio de posición. Se calcula v M = r t = r 2 r 1 t y tendrá, por lo tanto, siempre la dirección del vector desplazamiento. r 1 (t = 2s) = ( ) i + ( ) j = 13 i + 18 j r 2 (t = 4s) = ( ) i + ( ) j = 49 i + 66 j v M = 49 i + 66 j (13 i + 18 j) 4 2 = 18 i + 24 j(m/s) b) La velocidad instantánea nos da una medida de la rapidez con que se produce el movimiento en cada momento, en cada instante. Se calcula hallando la derivada del vector de posición con respecto al tiempo. v = d r dt = 6t i + 8t j (m/s) c) Sólo debemos sustituir t por el valor indicado, v(t = 0) = 0m/s, por lo tanto parte del reposo. d) La aceleración instantánea es la derivada del vector velocidad con respecto al tiempo y nos permite conocer la rapidez con que se producen los cambios en la velocidad, ya sea en el móduloo en la dirección de este vector. a = d v dt = 6 i + 8 j (m/s 2 ) e) La aceleración tangencial nos proporciona el cambio en el módulo de la velocidad y posee siempre la misma dirección que la velocidad. a t = dv dt Debemos conocer el valor del módulo de la velocidad para poder hallar así a t. v = v x2 + v y2 = (6t) 2 + (8t) 2 = 36t t 2 = 100t 2 y ahora ya podemos derivar v = 10t a t = d (10t) = 10m/s2 dt f) La aceleración normal es un vector cuyo módulo es igual a cociente entre el cuadrado de la velocidad instantánea y el radio de curvatura, su dirección es normal a la trayectoria y sentido hacia el centro de curvatura. Esta componente nos informa de los cambios en la dirección de la velocidad. a N = v2 R 24

25 pero en este caso no conocemos el radio de curvatura. No obstante, sabemos que y de apartados anteriores deducimos que a = a t + a N a 2 = a t 2 + a N 2 = a N 2 = a 2 a t 2 a N = a 2 a t 2 a = = = 100 = 10m/s 2 a t = 10m/s 2 a N = (10) 2 (10) 2 = 0 como podemos observar, al ser a N = 0, la trayectoria ha de ser rectilínea. g) En este apartado vamos a comprobar esta afirmación, tratando de encontrar esta relación y = y(x) es decir, eliminando el tiempo entre las 2 ecuaciones paramétricas: x = 3t y = 4t = t 2 = x 1 3 y = 4( x 1) + 2 = 4x + 2, que es la ecuación de una recta, y ya que a = m/s2 = cte podemos concluir que se trata de un movimiento rectilíneo y uniformemente acelerado Solución: a) La velocidad será la derivada del vector de posición respecto al tiempo, ya que nos indicará cómo cambia la posición del móvil a lo largo del tiempo: v = r dt = d dt (Rsenωt i + Rcosωt j) v = d dt (Rsenωt) i + (Rcosωt) j Para poder realizar la operación hay que recordar cómo se deriva un producto y cómo se derivan las funciones trigonométricas v = Rω cosωt i + Rω( senωt) j v = Rω cosωt i Rω senωt) j (m/s) y el módulo del vector velocidad será la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada una de las componentes v = R 2 ω 2 cos 2 ωt + R 2 ω 2 sen 2 ωt v = R 2 ω 2 (cos 2 ωt + sen 2 ωt) = R 2 ω 2 v = Rω (m/s) 25

26 b) Para calcular el vector aceleración volvemos a derivar el vector velocidad con respecto al tiempo, pues estudia los cambios que el vector velocidad sufre a lo largo del tiempo y el módulo de la aceleración a = d v dt = d dt (Rω cosωt) i d dt (Rω senωt) j a = Rω 2 ( senωt) i Rω 2 cosωt j a = Rω 2 senωt i Rω 2 cosωt j (m/s 2 ) a = R 2 ω 4 sen 2 ωt + R 2 ω 4 cos 2 ωt a = R 2 ω 4 (sen 2 ωt + cos 2 ωt) = R 2 ω 4 a = Rω 2 m/s 2 c) La trayectoria que describe la partícula la estudiamos eliminando el tiempo en las ecuaciones paramétricas, para así obtener una expresión que relaciona una coordenada con las otras (y = y(x)). x = Rsenωt y = Rcosωt Para poder hacerlo, elevamos al cuadrado las dos ecuaciones y luego sumamos miembro a miembro. x = Rsenωt y = Rcosωt = x 2 + y 2 = R 2 sen 2 ωt + R 2 cos 2 ωt x 2 + y 2 = R 2 (sen 2 ωt + cos 2 ωt) = x 2 + y 2 = R 2 La ecuación que hemos obtenido es la ecuación de una circunferencia, por lo tanto, ésta será su trayectoria Solución: a) La expresión dada en el enunciado se refiere al módulo de la velocidad. Como la aceleración tangencial nos informa de los cambios del módulo de la velocidad y su valor se calcula derivando precisamente el módulo de esa magnitud, sólo tenemos que hacer a t = dv dt = d (3 + 7t) = 7m/s2 dv a t = 7 u t (m/s 2 ) b) La aceleración normal nos indica los cambios en la dirección del vector velocidad y ya que la trayectoria es curva, como nos indica en enunciado, no ha de ser nula. El módulo de esta componente de la aceleración se calcula a N = v2 (3 + 7t)2 = R R como se puede observar, la componente normal de la aceleración será variable, y depende del instante que consideremos ( )2 a N (t = 3s) = 2,1m/s 2 = a N = 2,1u N (m/s 2 ) 275 Esta componente de la aceleración tiene siempre como dirección la normal a la trayectoria y sentido hacia el interior de la curvatura. 26

27 a = a t + a N : ésta seía la relación entre las componentes intrínsecas de la aceleración y la propia aceleración instantánea. Para llegar a conocer el valor de la aceleración instantánea recordamos que el módulo será siempre la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada una de estas componentes a = a t2 + a N 2 = 7,3m/s 2 27

28 2. Cinemática: Movimientos en una dimensión 2.1. Solución: No representa una situación real, al menos en su último tramo. Como podemos observar en la gráfica, al cabo de una hora se encuentra a 200 km y al cabo de dos horas se encuentra simultáneamente en dos posiciones: por un lado a 200 km y por otro, ha vuelto al origen, al lugar de partida. Evidentemente esta duplicidad de datos no puede corresponder a ninguna situación real Solución: a) Desde la gráfica podemos deducir, primero el tipo de movimiento, que ambos casos es rectilíneo y uniforme y cuya ley del movimiento es x = x 0 + vt y también desde la gráfica y tan sólo observándola podemos llegar a la respuesta. El móvil A, al cabo de 3 s se encuentra a 3 m del origen, del punto de partida; el móvil B, sin embargo, al cabo de 3 s se encuentra a 1,5 m del punto de partida. b) Volvemos de nuevo a observar la gráfica. El móvil A al cabo de 1 s ha recorrido 1 m, mientras que el móvil B ha recorrido tan sólo 0,5 m. c) Para responder en este caso bastaría con analizar las respuestas anteriores, evidentemente es el móvil A quien va más deprisa. No obstante, daremos de nuevo una respuesta desde la gráfica. Irá más deprisa aquel que tenga una mayor velocidad y esta magnitud se corresponde con la pendiente de cada gráfica: tg α A = x A t = v A = 4 4 = 1 m/s tg α B = x B = v B = 2 = 0, 5 m/s t 4 por lo tanto, se desplaza más rápidamente el móvil A Solución: a) El movimiento es rectilíneo y uniforme como se puede observar desde la gráfica, donde la velocidad v en cada tramo es constante a lo largo del recorrido. x = x 0 + vt x 0 = 0, porque nos dicen que parte del origen. Ahora vamos a estudiar que pasa en los dos primeros segundos: x 1 = 0 + ( 1) 2 = 2m por lo tanto el móvil se mueve hacia la izquierda en los dos primeros segundos, moviéndose por tanto, desde el origen hasta el punto -2 m. Ahora estudiamos qué sucede a continuación: x 2 = x + v t donde: 28

29 x es la nueva posición del móvil (x = -2 m). v es la velocidad que va a llevar en este nuevo punto del recorrido. x 2 = = 0 Podemos entonces afirmar que el móvil se mueve hacia la derecha, llegando al origen que será su posición final. b) El espacio total está representado por la suma de las áreas (en valor absoluto, sin signo) definidas por el eje de abcisas, la gráfica de la velocidad y las ordenadas inicial y final. Debemos estudiarlo tramo a tramo: En el primer tramo, la gráfica de la velocidad v = 1m/s y las ordenadas las define el tiempo, t 0 = 0s y t 1 = 2s, por lo que el área será: A 1 = 1 2 = 2m. En el segundo tramo, la gráfica de la velocidad v = 2m/s y las ordenadas las vuelve a definir el tiempo t 1 = 2s y t 2 = 3s, luego A 2 = 2 1 = 2m. Por tanto, el espacio total recorrido será 2.4. Solución: a) Pimero hagamos un pequeño diagrama A = A 1 + A 2 = 4m Figura 4: Diagrama del problema escogemos el semáforo como origen del sistema de referencia, ya que es el punto donde los dos móviles coinciden y empezamos a contar tiempos en el instante en que el semáforo cambia a verde. Los movimientos que cada uno lleva son: Moto: M.R.U.A y la ley que le corresponde x M = 1 2 a Mt M 2 Coche: M.R.U y la ley que le corresponde x C = v C t C La moto sale 2 s después de cambiar el semáforo a verde, es decir, de pasar el coche. Por lo tanto, la relación entre los tiempos del coche y la moto será: t M = t C 2 29

30 y las leyes nos quedarán: x M = 1 2 a M(t C 2) x C = v C t y la moto alcanzará al coche cuando las posiciones coincidan: x M = x C = 1 2 a M(t C 2) a M(t C t C ) = v C t es una ecuación de segundo grado en el tiempo, que operando quedaría y al resolver nos da dos soluciones: 0, 9t C 2 11, 1t C + 3, 6 = 0 t C = 12s = t M = 10s t C = 0,3s = t M imposible El último valos obtenido para t M es imposible, ya que todavía estaba parada la moto, no tiene significado físico. b) Para conocer la distancia recorrida necesitamos sustituir en las leyes del movimiento de cada uno: x M = 1 2 a M(t C 2) 2 = 1 2 3, = 180m = x C c) La velocidad de la moto es: v M = a m t = 36m/s = 129, 6km/h con lo que evidentemente comete una infracción al sobrepasar el límite de velocidad permitida. d) Primero vamos a construir una tabla de valores que después nos permita realizar la gráfica. t M.R.U = V C M.R.U.A = V M 0 0 7,2 14,4 21,6 30

31 Figura 5: y con las leyes del movimiento construimos la tabla para las posiciones: t M.R.U = x C M.R.U.A = x M 0 0 7,2 28,8 64,8 180 Figura 6: 31

32 2.5. Solución: Hagamos un esquema de la situación planteada: Figura 7: Diagrama del problema El movimiento que lleva el coche es rectilineo y uniformemente acelerado. Si consideramos positivo el sentido del movimiento y puesto que frena, la aceleración será negativa, por lo que la ley del movimiento que le corresponde es: x 0 = v 0 t 1 2 at2 Podemos calcular cuál será la velocidad que el conductor tiene al cabo de 150 m: v f 2 = v 0 2 2as = = 25 v f = 5 m/s = 18 km/h evidentemente sí comete una infracción porque no logra pararse al llegar al semáforo. Podemos averiguar cuánto tiempo tarda en llegar al semáforo y cuánto en detenerse. Ésta sería otra forma de razonar y responder: x = 150 = 25t t 2 así conoceríamos el tiempo que tarda en llegar al semáforo. Obtenemos dos resultados: t 1 = 15s y t 2 = 10s. El resultado que aceptamos es t 2 y la otra solución se corresponde al movimiento de regreso que el conductor podría emprender una vez se haya detenido. Y el tiempo que tarda en detenerse: v f = v 0 at 0 = 25 2t = t = 12, 5s con lo que volvemos a concluir que se pasa el semáforo en rojo y comete, por tanto, una infracción que será penalizada Solución: Hagamos un esquema que resuma el movimiento de los dos móviles: la persona y el tren: Figura 8: Diagrama del problema 32

33 Vamos a situar el origen del sistema de referencia en la persona que trata de coger el tren en el instante en que arranca el tren; por eso, las posiciones iniciales serán: x 0p = 0 x 0 t = 32 m y los movimientos de cada uno de ellos serán: persona = M.R.U = x p = v p t tren = M.R.U.A = x t = x 0t at2 Si C es el punto donde el viajero logra alcanzar el tren, debe cumplirse que: x p = x t ya que las posiciones de ambos móviles coinciden v p t = x 0 t at2 = 6t = , 5t2 2 resolvemos la ecuación de 2 o grado y encontramos dos soluciones: t 1 = 8s t 2 = 16s y aceptamos como válida la primera de las soluciones: al cabo de 8 s, el viajero alcanza al tren, y no habrá perdido ni el tiempo ni el billete, y por supuesto, su carrera ha sido fructífera. (La otra solución corresponde al alcance del tren al peatón) Solución: Vamos a situar el origen del sistema de referencia en el brocal del pozo (lugar desde el que dejamos caer la piedra) y empezamos a contar tiempo desde el mismo instante que la dejamos caer. Debemos considerar que existen 2 movimientos distintos: La piedra cae y choca con el agua M.R.U.A. Sonido del choque que sube hasta que llega a nuestro oido M.R.U El movimiento de la piedra es rectilíneo (vertical) y uniformemente acelerado, con a = g. Sin embargo, el sonido también realiza un movimiento rectilíneo (vertical) pero uniforme (sin aceleración). Si tenemos en cuenta el criterio de signos con el que trabajamos, las leyes del movimiento para cada uno de ellos será: piedra = y P = 1 2 gt p 2 sonido = y S = v s t s = y p = y s ya que el recorrido que realizan la piedra y el sonido es el mismo, la altura del pozo. Del enunciado deducimos que: t p + t s = 2 por lo que las ecuaciones con las que contamos para resolver el ejercicio son: 1 2 gt p 2 = v s t s t p + t s = 2 33

34 Tenemos dos ecuaciones y dos incógnitas, por lo que podemos resolver. 5t P 2 = v s (2 t p ) = 5t P 2 + v s t P 2v s = 0 t P = v s ± v s2 4 5( 2v s ) = v s ± v s2 + 40v s Resolviendo esta ecuación tenemos tan sólo una solución físicamente posible, la otra nos da un valor negativo para el tiempo, lo que es físicamente imposible. t p = 1,94 s t s = 0,06 s y desde estos valores y sustituyendo en cualquiera de las leyes del movimiento la profundidad del pozo: 2.8. Solución: y p = 1 2 gt p 2 = v s t s = y s h = 18 m Tomamos como sistema de referencia para medir alturas el nivel del agua del río; y como origen de tiempos, el instante en que la piedra es lanzada. a) La piedra realiza un movimiento vertical y uniformemente acelerado y cuando alcanza la máxima altura se detiene instantáneamente. Si consideramos la expresión: v f = v 0 + at = 0 = 6 10t 1 (consideramos el mismo criterio de signos que en otros ejercicios). t 1 = 0, 6 s, tiempo que tarda la piedra en alcanzar la máxima altura. Para conocer la altura de alcanzada desde el puente: v f 2 = v as = 0 = g y 1 y 1 = 1, 8 m b) El tiempo que tarda en regresar al puente es el mismo que tardó en alcanzar la máxima altura, donde se detuvo instantáneamente, y allí invirtió el sentido de su movimiento. Hasta llegar al puente debe caer 1.8 m por ello tarda 0.6 s. Si aplicamos la ley del movimiento: y = y 0 + v 0t 1 2 gt2 y = h p + y 1, donde h p es la altura del puente medida desde el río. y 0 = h p, es el punto donde debe encontrarse para medir tiempos. v 0 = 0, porque acaba de iniciar el movimiento de caida. h p + y 1 = h p 1 2 gt2 y 1 = 1 2 gt2 t = 0, 6s Por lo tanto, el tiempo total transcurrido será t T = 1, 2s 34

35 c) La velocidad también será la misma, aunque ahora el signo será distinto v p = v 0 gt T = , 2 = 6 m/s y el signo nos indica que la piedra está cayendo. d) El tiempo que tarda en ir desde el puente hasta la superficie del agua será: t p = t t T = 1, 96 1, 2 = 0, 74s y ahora apliquemos la ley del movimiento: y = y p v p t p 1 2 gt p 2 (y = 0 porque la piedra llega al río donde hemos escogido el origen del sistema de referencia). 0 = y p 6 1, (1, 2)2 2 y p = 7, 2 m (Ahora podemos regresar al primer apartado y afirmar que la altura total alcanzada por la piedra es N = 7, 2 + 1, 8 = 9 m. La ley de la aceleración nos va a permitir conocer la velocidad con que llega al río. v f = v 0 + at v f = v p gt p = , 74 v f = 13, 4 m/s o bien v f = v 0 gt T = , 94 = 13, 4 m/s (v 0 : velocidad con la que hemos empezado el problema, inicia el movimiento vertical y hacia arriba) Solución: Hagamos primero un pequeño esquema que nos permita visualizar el problema: Figura 9: Diagrama del problema Situamos el sistema de referencia en el suelo y adoptamos el criterio de signos establecido. En función de ello los datos que el problema nos proporciona son: 35

36 posición inicial velocidad inicial aceleración Primera pelota y 10 = 15 m v 10 = 0 a 1 = g Segunda pelota y 20 = 0 v 20 = 2 m/s a 2 = g y designamos por t 1 y t 2 el tiempo que llevan moviéndose la pelota 1 y 2 respectivamente. De los datos que acabamos de poner y del propio enunciado, deducimos que el movimiento que llevan las dos pelotas es vertical y uniformemente acelerado y las leyes del movimiento para cada una de ellas: y 1 = y gt 1 2 = 15 5t 1 2 y 2 = v 20 t gt 2 2 = 12t 2 5t 2 2 La relación entre los dos tiempos nos la proporciona el enunciado: la segunda pelota lleva menos tiempo moviéndose que la primera: t 2 = t 1 1 a) Si las dos pelotas se cruzan significa que la posición de ambas pelotas en ese instante es la misma: y 1 = y t 1 2 = 12(t 1 1) 5(t 1 1) t 1 2 = 12t (t t 1 ) 32 = 22t 1 t 1 = 1, 45 s t 2 = 0, 45 s y la posición la hallamos sustituyendo en cualquiera de las dos leyes del movimiento: y 1 = 15 5(1, 45) 2 = 4, 48 m = 4, 5 m b) La expresión de la velocidad para cada una de ellas sería: v 1 = gt 1 = 14, 5 m/s v 2 = v 20 gt 2 = 7, 5 m/s el signo negativo nos indica que está cayendo (se mueve hacia abajo) y sin embargo, el signo positivo de v 2 nos indica que todavía está subiendo, esto es, que no alcanzó la máxima altura. c) Para poder responder a este apartado, primero debemos averiguar cuanto tiempo tarda la primera pelota en llegar al suelo: y 1 = 15 5t 1 2 y 1 = 0 = 15 5t 1 2 t 1 = 1, 7 s y ahora sustituimos en la ley del movimiento para la segunda pelota: y 2 = 12t 2 5t 2 2 y 2 = 12(1, 7 1) 5(1, 7 1) 2 = 5, 95 = 6 m y dado el signo positivo de este resultado, aún continúa subiendo. 36

37 2.10. Solución: Como siempre, iniciemos el problema con un pequeño esquema: Figura 10: Diagrama del problema El movimiento que realiza el objeto es vertical y uniformemente acelerado. Si tomamos el origen del sistema de referencia en el borde inferior de la ventana: a) y = y 0 + v 0 t at2, ésta será la ley de movimiento que corresponda a su movimiento. Consideremos como punto de partida para estudiar el problema la posición A; la ley nos queda: y = 0y A + v A t 1 2 g( t)2 = 2 + v A 0, 3 5(0, 3) 2 Pretendemos conocer la velocidad con que llega a la ventana desde que se lanza (v A ), y consideramos el movimiento que el objeto realiza al pasar desde A a B. Resolviendo la ecuación antes planteada, nos queda v A = 5, 2 m/s. Si ahora consideramos el espacio recorrido desde la posición 0 a la posición A y dados los datos facilitados por el problema, utilizamos la expresión y sumando la altura de la ventana v A 2 = v 2 0 2gh h = 1, 4 m y 0 = 2 + h = 3, 4 m b) La velocidad con que llega al suelo, posición B, la podemos conocer desde la misma expresión: v B 2 = v 0 2 2g(2 + h) v B = 8, 1 m/s 37

38 3. Cinemática: Composición de movimientos 3.1. Solución: Figura 11: Diagrama del problema a) Se trata de dos movimiento que simultáneamente actúan sobre la barca: un M.R.U. paralelo a las orillas, debido a la corriente del río. un M.R.U. perppendicular a las orillas, debido al motor de nuestra lancha. Escogemos los ejes OX y OY concidentes con cada uno de los movimientos que afectan a la barca. Por lo tanto, el vector velocidad de la barca será: y su módulo: v = v R + v L = 10 i + 15 j v = V R2 + V L2 = = 18 m/s y para llegar a conocer la dirección que lleva la lancha hallamos la dirección que este vector forma con uno de los ejes, el eje OX, las orillas del río: tg θ = V L = 15 V R 10 = = θ = 56,31o Por lo tanto, podemos concluir que la velocidad, el vector velocidad, nos va a indicar el tipo de movimiento que lleva la lancha, y ya que vecv = CT E, el movimiento será uniforme; y puesto que la dirección de este vector tampoco cambia con el tiempo (θ = 56,31 o = CT E) podemos concluir que la trayectoria es rectilínea. Por tanto, la lancha llevará un movimiento rectilíneo y uniforme. b) Para llegar a conocer el tiempo que tarda en cruzar el río, estudiamos las leyes de cada uno de los movimientos: x = V R t y = V L t = 200 = t = = 13,3 s 38

39 c) La distancia recorrida por la barca se hallará a partir del vector de posición: r = x i + y j = v R t i + v L t j Sabemos que x = V R t = 133,3 m, que será la desviación que sufre la barca (no llega frente al punto del que partió, como era su intención) Las coordenadas del punto al que llega la barca será: (133.3, 200). Para conocer la distancia recorrida: 3.2. Solución: r = x 2 + y 2 = 240,3 m Figura 12: Diagrama del problema El nadador está sometido simuñtáneamente a dos movimientos: el que trata de imponer cuando él nada. el que la corriente del río impone. Ambos movimientos tienen velocidad constante, es decir, son uniformes; y son perpendiculares entre sí. Desde el esquema podemos obervar que hacemos coincidir la dirección de la corriente con el eje OX y por lo tanto, la dirección en la que trata de nadar el nadador coincide con el eje OY. Si escribimos las leyes que corresponden a estos movimientos: x = V R t y = V N t A través de ellas podemos conocer la posición en cualquier instante del nadador. Para poder conocer la V R necesitamos conocer el tiempo que tarda en llegar a la otra orilla; es decir, al punto que en el esquema hemos señalado, cuyas coordenadas son (20,100): es decir, que llega a un punto situado 20 m aguas abajo, después de cruzar el río de anchura 100 m. x = V R t y = V N t t = = 50s 39

40 que es el tiempo que tarda en llegar al punto indicado. Y si ahora trabajamos con la otra ley, con el otro movimiento: x = v R t = 20 = v R 50 = v R = 0,4 m/s 3.3. Solución: Figura 13: Diagrama del problema El movimiento que realiza la pelota se puede descomponer en dos movimientos: un movimiento horizontal y uniforme, ya que no existe aceleración en esta dirección. Las ecuaciones de este movimiento son: x = v 0x t = v 0 cosα t v 0x = v 0 cosα = CT E un movimiento vertical y uniformemente acelerado, ya que queda sometida en esta dirección a la aceleración de la gravedad a = g j. Las ecuaciones de este movimiento son: y = v 0y t 1 2 gt2 y = v 0 senα t 1 2 gt2 La velocidad en esta dirección sería v y = v 0y gt = v 0 senα gt Podemos concluir entonces que las ecuaciones paramétricas que corresponden a este movimiento son: x = v 0 cosαt y = v 0 senα t 1 2 gt2 y que la trayectoria que va a realizar la pelota será una parábola. 40

41 a) El tiempo que tarda lo hallamos desde la expresión del movimiento vertical, puesto que en ese instante y = 0 y = v 0 senα t 1 2 gt2 0 = v 0 senα t 1 2 gt2 conocemos la velocidad de lanzamiento o velocidad inicial v 0 = 80 m/s; el ángulo de tiro, α = 60 o. Resolviendo la ecuación t = 2v 0senα = 2 80senα g 10 = 13,8 14 s (A este tiempo también se le conoce como tiempo de vuelo) b) En el punto más alto de la trayectoria, como podemos observar en el esquema inicial, la velocidad sólo tiene componente horizontal. v h = v ox = v o cosα = 80cos60 v h = 40 m/s c) El alcance se corresponde con la distancia horizontal recorrida por la pelota x = A = v o cosαt y el tiempo que debemos considerar es el empleado en caer, en recorrer la parábola completa. Lo hemos hallado en el apartado a). A = 80cos60 14 A = 560m d) La altura máxima alcanzada se corresponde con el punto en que v y = 0, y lo hallamos a partir de la expresión: y = h max = v o senαt h 1 2 gt2 h donde t h será la mitad del tiempo en caer, del llamado tiempo de vuelo y ahora sólo nos queda sustituir t h = t 2 = 14 2 = 7 s h max = 80sen h max = 240 m 41

42 e) La ecuación de la trayectoria la hallamos cuando logramos poner una coordenada en función de la otra, esto es, y = y(x) y = v o senαt 1 2 gt2 x = v o cosαt = t = x v o cosα x y = v o senα v o cosα 1 2 g x 2 v o2 cos 2 α g y = tgαx 2vocos 2 2 α x2 y = Ax Bx 2 que se corresponde con la ecuación de una parábola, confirmando la afirmación realizada al principio. Particularizando para nuestro problema 3.4. Solución: y = 10 tg60x cos 2 60 x2 y = 1,7x x 2 Figura 14: Diagrama del problema La rana realiza una trayectoria parabólica: se mueve horizontalmente, alejándose de la posición inicial, pero también se eleva del suelo y por lo tanto, queda sometida a la aceleración de la gravedad, en realidad a la fuerza peso. Por lo tanto, la rana está sometida a dos movimientos, uno horizontal y uniforme (no hay aceleración en esta dirección) y otro vertical y uniformemente acelerado. Las ecuaciones paramétricas que corresponden a estos movimientos serán: x = v o cosαt y = v o senαt 1 2 gt2 El origen del sistema de referencia lo situamos en el punto donde la rana inicia su salto, y el criterio de signos sigue siendo el de siempre. Cuando la rana termina el salto, ha recorrido 0.4 m y su altura volverá a ser nula: las coordenadas de ese punto, las 42

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