Mecánica
Guía 11: Momentum Lineal
1.- Impulso y Momentum Lineal
- Un balón de fútbol de masa m=450g, inicialmente en resposo, es pateado por Cristiano Ronaldo (CR7) con máxima potencia de modo que alcanza 119km/h. Determine
- El momentum del balón tras el disparo.
- El impulso que aplica CR7 sobre el balón.
- La fuerza promedio que realiza CR7 sobre el balón, si el impacto dura 50,0ms.
Indicación: La fuerza promedio se obtiene a partir del impulso, considerando que la fuerza es constante →I→F=→FpromΔt. - Un conductor de masa m=75,0kg detenido en una esquina observa que se enciende la luz verde del semáforo, acelera y alcanza una rapidez de 6,50m/s en solo 0,900s. Determine
- El cambio de momentum lineal del conductor.
- La fuerza promedio sobre el conductor ¿Qué objeto realiza esta fuerza?
- Desde una altura de 1,00m se deja caer una pelota de 50g que rebota en el suelo hasta alcanzar una altura de 0,60m. Calcule
- La velocidad y el momentum de la pelota justo antes de chocar con el piso.
- El momentum justo después de chocar con el piso.
- El impulso que realiza el suelo sobre la pelota.
- Un tenista recibe el segundo saque de Fernando González a 180km/h y logra devolver a 144km/h con ángulo de elevación de 20∘. Si la pelota de masa m=60g es impactada cuando viajaba horizontalmente en la dirección negativa del eje x. Determine
- El momentum lineal de la pelota antes y después del impacto con la raqueta.
- El impulso sobre la pelota.
- La fuerza promedio de la pelota sobre la raqueta si están en contacto durante 0,020s.
2.- Colisiones
- Un jugador de rugby de 90kg corre hacia el norte con rapidez de 10m/s. Otro jugador, del equipo rival, de 120kg corre hacia el sur con rapidez de 4,0m/s y logra derribar a su adversario mediante un tackle (suponga que se cuelga del adversario a la altura de las piernas.). Determine
- El vector velocidad con que se mueven ambos jugadores justo después del tackle.
- El cambio de energía del sistema formado por ambos jugadores durante el tackle.
- Una bala de masa m=10,0g queda incrustada en un bloque de madera de masa M=5,00kg inicialmente en reposo. Justo tras el impacto, el sistema bala-bloque de madera se mueve con velocidad 0,600m/s.
- La velocidad inicial de la bala.
- La energía (cinética) del sistema bala-bloque de madera antes y después del impacto.
- La perdida de energía durante el impacto.
- Un vagón de ferrocarril de 2,5×104kg de masa, se mueve con una velocidad de 4,0m/s. En su camino hay tres vagones acoplados que se mueven en la misma dirección pero con velocidad de 2,0m/s. Considere que todos los vagones tienen la misma masa.
- La velocidad de los cuatro vagones después del impacto.
- La energía que se pierde en el choque.
- Una masa de plasticina de 60,0g es arrojada hacia la dirección negativa del eje x contra otra masa de 40,0g que se mueve con velocidad de 3,00ˆȷm/s. Tras el choque las masas pemanecen unidas moviendose con rapidez de 3,20m/s y formando un ángulo de 68,0∘ con respecto al eje y en el segundo cuadrante. Determine la velocidad de la masa de 60,0g antes del choque.
- Un núcleo inestable de Be104, cuya masa es 17×10−27kg inicialmente en reposo, se desintegra en tres partículas. La primera de ellas, (He32) de 5,0×10−27kg, se mueve a lo largo del eje y con velocidad de 6,0×106m/s. Otra partícula, (Li53) de 8,4×10−27kg, se mueve a lo largo del eje x con velocidad de 4,0×106m/s. Determine
- La velocidad de la tercera partícula.
- La energía emitida en el proceso.
- Durante un juego de billar la bola blanca que se mueve a 5,00m/s golpea a una bola «8» en reposo. Después de la colisión la bola blanca se mueve a 4,33m/s con un ángulo de 30,0∘ respecto de la dirección original del movimiento. Si la masa de cada bola es m=160g, determine
- La velocidad de la bola «8» tras el choque.
- El cambio en la energía cinética del sistema formado por la bola blanca y la «8» ¿Qué tipo de choque ocurrió?
3.- Centro de masa
- La masa de la Tierra es MT=5,97×1024kg y la de la Luna ML=7,35×1022kg. Sabiendo que la distancia media del centro de la Tierra al centro de la Luna es 3,84×105km. Obtenga
- La distancia desde el centro de la Tierra a la que se encuentra el centro de masas del sistema y compare con el radio de la Tierra RT=6,370×103km.
- En cierto instante de tiempo, una partícula de 3,00kg se encuentra en la posición →r1=(−5,00ˆı+3,00ˆȷ)m, una segunda partícula de 2,00kg se encuentra en →r2=3,00ˆım mientras una tercera de 4,00kg está ubicada en →r3=(2,50ˆı−4,50ˆȷ)m. Si las velocidades de las partículas son →v1=(1,00ˆı−2,00ˆȷ)m/s, →v2=5,00ˆȷm/s y →v3=0,00m/s. Obtenga
- La posición y la velocidad del centro de masa del sistema formado por las dos primeras partículas.
- La posición y la velocidad del centro de masa del sistema formado por las tres partículas.
- Una partícula de 16,0g se mueve a 3,00m/s hacia una partícula en resposo de 7,00g. Determine
- La velocidad del centro de masa.
- La velocidad con que se aproxima cada partícula al centro de masa.
- El \textit{momentum} de cada partícula, respecto del centro de masa.
Respuestas
1.- Impulso y Momentum Lineal
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- →pf=14,9kgm/s en la dirección de disparo.
- →ICR7=14,9kgm/s en la dirección de disparo.
- →FpromCR7=298N en la dirección de disparo.
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- Δ→p=488kgm/s en la dirección de aceleración.
- →Npromasiento=542N en la dirección de aceleración.
El asiento ejerce la fuerza.
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- →v=4,43m/s y →p=0,22kgm/s ambos hacia abajo.
- →p=0,17kgm/s hacia arriba.
- →Isuelo=0,39kgm/s hacia arriba, donde hemos despreciado el impulso del peso.
-
- →pi=−3,0ˆıkgm/s
→pf=(2,3ˆı+0,82ˆȷ)kgm/s. - →I=(5,3ˆı+0,82ˆȷ)kgm/s.
- →F=(−2,7ˆı−0,41ˆȷ)×102N.
- →pi=−3,0ˆıkgm/s
2.- Colisiones
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- →vf=2,0m/s hacia el norte.
- ΔE=−5,0kJ. Se pierden 5,0kJ.
-
- →vm=301m/s hacia la derecha.
- Ki=453J
K_f=0{,}902\, \mbf{J}. - \Delta E=-452\, \mbf{J}. Se pierden 452\, \mbf{J}.
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- \vec V=2{,}5\, \mbf{m/s} hacia la derecha.
- \Delta E=-37\, \mbf{kJ}. Se pierden 37\, \mbf{kJ}.
- \vec v=-4{,}94\,\hat\imath\, \mbf{m/s}.
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- \vec v=(-9{,}3\,\hat\imath-8{,}3\,\hat\jmath)\, \mbf{m/s}.
- \Delta E=4{,}4\times 10^{-13}\, \mbf{J}. El proceso emite 4{,}4\times 10^{-13}\, \mbf{J}.
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- \vec v=2{,}50\, \mbf{m/s} en 60{,}0^\circ respecto de la dirección original de movimiento.
- \Delta K=0{,}00\, \mbf{J}. El choque es elástico.
3.- Centro de masa
- d_\text{CM}=4{,}67\times 10^6\, \mbf m=4{,}67\times 10^3\, \mbf{km} < R_T. El centro de masas del sistema Tierra-Luna se encuentra en el interior del planeta Tierra.
-
- \vec r_\text{CM}=(-1{,}8\,\hat\imath+1{,}80\,\hat\jmath)\,\mbf m
\vec v_\text{CM}=(0{,}600\,\hat\imath+0{,}80\,\hat\jmath)\,\mbf{m/s}. - \vec r_\text{CM}=(0{,}11\,\hat\imath+1{,}0\,\hat\jmath)\,\mbf m
\vec v_\text{CM}=(0{,}600\,\hat\imath+0{,}80\,\hat\jmath)\,\mbf{m/s}.
- \vec r_\text{CM}=(-1{,}8\,\hat\imath+1{,}80\,\hat\jmath)\,\mbf m
- Fijemos el eje x apuntando en la dirección en que se mueve la primera partícula.
- \vec v_\text{CM}=2{,}18\,\hat\imath\,\mbf{m/s}.
- \vec v^{\ 1}_\text{c/r CM}=0{,}82\,\hat\imath\,\mbf{m/s}
\vec v^{\ 2}_\text{c/r CM}=-2{,}18\,\hat\imath\,\mbf{m/s}. - \vec p^{\ 1}_\text{c/r CM}=1{,}3\times 10^{-2}\,\hat\imath\, \mbf{kg\,m/s}
\vec p^{\ 2}_\text{c/r CM}=-1{,}53\times10^{-2}\,\hat\imath\ \mbf{kg\,m/s}.
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