Ejercicio de movimiento plano, Enero 2014 (F1 GIA)

Enunciado

Una barra de longitud indefinida (sólido "0") se mueve siempre contenida en un plano fijo Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \Pi_1\equiv OX_1Y_1} (sólido "1"). En el punto fijo Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle O } del plano Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \Pi_1 } está articulado uno de los extremos de la barra, la cuál se mueve de manera que el ángulo que forma con el eje Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle OX_1 } varía linealmente con el tiempo, según la ley horaria Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \theta(t) =\omega t } . Un disco de radio Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle R } (sólido "2"), también siempre contenido en el plano Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle OX_1Y_1 } , rueda sin deslizar sobre la barra "0". Respecto de un sistema de referencia Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle OX_0Y_0 } solidario con la barra "0", el centro Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle C } del disco realiza un movimiento rectilíneo uniforme de velocidad Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle v_0 } . En el instante inicial $(t=0)$, el centro del disco se halla en el eje $OY_{1}$.

1. Obtenga los elementos de la reducción cinemática del movimiento {21} y su derivada temporal.
2. Considérese el caso en que los parámetros del sistema verifican la relación $v_{0}=\omega R$. ¿Qué tipo de movimiento realiza el disco respecto del plano fijo? Determine gráficamente, y de manera razonada, las posiciones de los C.I.R. correspondientes a los movimientos {01}, {20} y {21}.
3. También en el caso de $v_{0}=\omega R$, calcule las componentes intrínsecas de la aceleración y la velocidad del centro $C$ del disco en movimiento {21}, en función del tiempo. Obtenga la ley horaria $s(t)$ para la distancia recorrida por el centro $C$ del disco, desde el instante inicial, sobre la trayectoria que dicho punto describe en el plano $\Pi _{1}$.

Solución

Reducción del movimiento {21}

Vamos a usar la composición de movimientos {21} = {20} + {01}. Analicemos los dos movimientos mas simples.

Barra respecto del plano fijo {01}

Esta es la rotación de los ejes $OX_{0}Y_{0}$ respecto del plano fijo. El eje $OX_{0}$ y el eje $OX_{1}$ forman el ángulo $\theta$, por lo que el vector rotación instantánea ${\vec {\omega }}_{01}$ es

${\vec {\omega }}_{01}={\dot {\theta }}\,{\vec {k}}=\omega \,{\vec {k}}$

Por otro lado, la barra gira en torno al punto $O$, por lo que este es el C.I.R. de este movimiento, es decir

${\vec {v}}_{01}^{\,O}={\vec {0}}.$

Por tanto la reducción canónica de este movimiento es

$S_{01}\equiv \{\quad {\vec {\omega }}_{01}=\omega \,{\vec {k}},\quad {\vec {v}}_{01}^{\,O}={\vec {0}}\quad \}.$

Calculamos su derivada. Como $\omega$ es constante tenemos

${\vec {\alpha }}_{01}=\left.{\dfrac {\mathrm {d} {\vec {\omega }}_{01}}{\mathrm {d} t}}\right|_{1}={\vec {0}}$

Y además el punto $O$ siempre está en reposo, por lo que

${\vec {a}}_{01}^{\,O}=\left.{\dfrac {\mathrm {d} {\vec {v}}_{01}^{\,O}}{\mathrm {d} t}}\right|_{1}={\vec {0}}$

Disco respecto de la barra {20}

El enunciado nos da la velocidad del punto $C$, y nos dice que el disco rueda sin deslizar sobre la barra, por lo que ${\vec {v}}_{20}^{\,A}={\vec {0}}$, siendo $A$ el punto de contacto del disco con la barra. Al ser el movimiento plano sabemos que ${\vec {\omega }}_{20}=\omega _{20}\,{\vec {k}}$. Utilizamos el teorema de Chasles para encontrar el valor de $\omega _{20}$.

${\begin{array}{lcl}{\vec {v}}_{20}^{\,C}&=&{\vec {v}}_{20}^{\,A}+{\vec {\omega }}_{20}\times {\overrightarrow {AC}}\\&&\\&&{\vec {v}}_{20}^{\,A}={\vec {0}}\\&&\\&&{\vec {\omega }}_{20}\times {\overrightarrow {AC}}=\left(\omega _{20}\,{\vec {k}}\right)\times \left(R\,{\vec {\jmath }}_{0}\right)=-\omega _{20}R\,{\vec {\imath }}_{0}\end{array}}$

Comparando con el valor del enunciado obtenemos la reducción cinemática del movimiento en el punto $C$

$R_{20}\equiv \{\quad {\vec {\omega }}_{20}=-{\dfrac {v_{0}}{R}}\,,{\vec {k}},\quad {\vec {v}}_{20}^{\,C}=v_{0}\,{\vec {\imath }}_{0}\quad \}.$

Calculamos su derivada temporal. Como $v_{0}$ es constante tenemos

${\vec {\alpha }}_{20}=\left.{\dfrac {\mathrm {d} {\vec {\omega }}_{20}}{\mathrm {d} t}}\right|_{0}={\vec {0}}$

Y también

${\vec {a}}_{20}^{\,C}=\left.{\dfrac {\mathrm {d} {\vec {v}}_{20}^{\,C}}{\mathrm {d} t}}\right|_{0}={\vec {0}}$

Disco respecto al plano fijo {21}

Usamos las fórmulas de composición para obtener la reducción. Para el vector rotación tenemos

${\vec {\omega }}_{21}={\vec {\omega }}_{20}+{\vec {\omega }}_{01}=\left(\omega -{\dfrac {v_{0}}{R}}\right)\,{\vec {k}}$

Calculamos ${\vec {v}}_{21}^{\,C}$

${\begin{array}{lcl}{\vec {v}}_{21}^{\,C}&=&{\vec {v}}_{20}^{\,C}+{\vec {v}}_{01}^{\,C}\\&&\\&&{\vec {v}}_{20}^{\,C}=v_{0}\,{\vec {\imath }}_{0}\\&&\\&&{\vec {v}}_{01}^{\,C}={\vec {v}}_{01}^{\,O}+{\vec {\omega }}_{01}\times {\overrightarrow {OC}}=\left(\omega \,{\vec {k}}\right)\times \left(v_{0}t\,{\vec {\imath }}_{0}+R\,{\vec {\jmath }}_{0}\right)=-\omega R\,{\vec {\imath }}_{0}+\omega v_{0}t\,{\vec {\jmath }}_{0}\end{array}}$

Hemos usado que la distancia entre el punto $A$ y el punto $O$ es $v_{0}t$. La reducción cinemática en $C$ es

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle R_{21} \equiv \{\quad \vec{\omega}_{21} = \left(\omega - \dfrac{v_0}{R}\right)\,\vec{k}, \quad \vec{v}^{\,C}_{21} = (v_0-\omega R)\,\vec{\imath}_0 + \omega v_0t\,\vec{\jmath}_0 \quad\}. }

Aplicamos las leyes de composición para calcular la derivada temporal

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{\alpha}_{21} = \vec{\alpha}_{20} + \vec{\alpha}_{01} + \vec{\omega}_{01}\times\vec{\omega}_{20} = \vec{0} + \vec{0} + \left(\omega\,\vec{k}\right)\times\left(-\dfrac{v_0}{R}\,\vec{k}\right) = \vec{0} }

Y, finalmente

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \begin{array}{lcl} \vec{a}^{\,C}_{21} &=& \vec{a}^{\,C}_{20} + \vec{a}^{\,C}_{01} + 2\vec{\omega}_{01}\times\vec{v}^{\,C}_{20} \\ &&\\ && \vec{a}^{\,C}_{20} = \vec{0} \\ &&\\ && \vec{a}^{\,C}_{01} = \vec{a}^{\,O}_{01} + \vec{\alpha}_{01}\times\overrightarrow{OC} - \omega_{01}^2\overrightarrow{OC} = -\omega^2\,\left(v_0t\,\vec{\imath}_0 + R\,\vec{\jmath}_0\right) \\ &&\\ && 2\vec{\omega}_{01}\times\vec{v}^{\,C}_{20} = 2\,\left(\omega\,\vec{k}\right)\times(v_0\,\vec{\imath}_0) = 2\omega v_0\,\vec{\jmath}_0 \end{array} }

Hemos usado que Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{a}^{\,O}_{01}=\vec{0} } y Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{\alpha}_{01}=\vec{0} } . Finalmente obtenemos

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{a}^{\,C}_{21} = -\omega^2v_0t\,\vec{\imath}_0 + \omega\,(2v_0 - \omega R)\,\vec{\jmath}_0 }

Localización de los CIRs en el caso Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle v_0=\omega R}

Si los valores de los parámetros son tales que Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle v_0=\omega R} , el vector rotación Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{\omega}_{21}} se anula. Por tanto, el disco realiza una traslación respecto al plano fijo, con una velocidad

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{v}_{21} = \omega v_0t\,\vec{\jmath}_0 }

Recordemos que en el caso de una traslación no es necesario poner la letra com superíndice en la velocidad, pues todos los puntos tienen la misma velocidad. La figura muestra los C.I.R. de los tres movimientos. El punto Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle O} es el Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle I_{01}} . El punto de contacto entre el disco y la barra es el Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle I_{20}} . Por el teorema de los tres centros, el Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle I_{21}} debe estar en la línea que une Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle I_{01}} y Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle I_{20}} . Y al tratarse de una traslación, se localiza en el infinito.

Componentes intrínsecas en el movimiento {21} del punto Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle C}

Para los valores de los parámetros indicados en el enunciado tenemos

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Obtenemos el vector tangente a partir del vector velocidad

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{T} = \dfrac{\vec{v}_{21}^{\,C}}{|\vec{v}_{21}^{\,C}} = \vec{\jmath}_0 }

La componente intrínseca de la velocidad es tal que Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{v}_{21}^{\,C}=v\,\vec{T}} , por tanto

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La componente tangencial de la aceleración es

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y la normal es

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Obtenemos la distancia recorrida integrando el desplazamiento infinitesimal

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \mathrm{d}s = |\mathrm{d}\vec{r}| = |\vec{v}^{\,C}_{21}|\,\mathrm{d}t = \omega v_0 t\,\mathrm{d}t }

Para un instante arbitrario tenemos

Error al representar (SVG (MathML puede ser habilitado mediante un plugin de navegador): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle s(t) = \int\limits_0^t\mathrm{d}s = \int\limits_0^t \omega v_0 t\,\mathrm{d}t = \dfrac{1}{2}\omega v_0 t^2 }