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Problemas de cinemática del movimiento relativo (CMR)

De Laplace

Contenido

1 Peonza rodante

Una peonza está formada por una varilla de longitud \ell=20\,cm ensartada en un disco de radio R=15\,\mathrm{cm}. Esta peonza se mueve de forma que el extremo O de la varilla está inmóvil mientras el centro G del disco describe un movimiento circular uniforme alrededor del eje OZ con rapidez v_0=48\,\mathrm{cm}/\mathrm{s}. El disco rueda sin deslizar sobre el plano OXY, de manera que en todo instante la velocidad del punto de contacto A es nula.

Para este movimiento, determine, en el instante en que A se encuentra sobre el eje OX:

  1. La velocidad angular del sólido.
  2. La velocidad del punto B, diametralmente opuesto a A, y del punto P situado en 25\vec{k}\,\mathrm{cm}, considerado como punto del sólido.
  3. La aceleración angular del sólido.
  4. La aceleración de los puntos A, G, B, O y P, considerados como puntos del sólido.

2 Disco en varilla horizontal

Un disco de radio R (“sólido 2”) se encuentra ensartado mediante un rodamiento sin fricción en un eje horizontal de longitud h (“sólido 0”). Este eje está montado sobre un soporte vertical fijo de altura R. El disco rueda sin deslizar sobre la superficie horizontal z = 0 (“sólido 1”). Consideramos tres sistemas de referencia. Uno fijo en el suelo, uno ligado al disco, y uno intermedio en el que el eje OX0 es a lo largo de la barra horizontal y OZ0 = OZ1 en todo momento. Sea θ(t) el ángulo que el eje OX0 forma con el OX1. En un instante dado θ = 0,\dot{\theta}=\Omega,\ddot{\theta}=\alpha.

Para ese instante:

  1. Determine los vectores \vec{\omega}_{01}, \vec{\omega}_{20} y \vec{\omega}_{21}.
  2. Halle la posición de los ejes instantáneos de rotación en los movimientos {01}, {20} y {21}.
  3. Calcule las velocidades en el movimiento {21} y el {20} del punto A de contacto del disco con el suelo; del G, centro del disco, y de D, el punto más alto del disco.
  4. Halle las aceleraciones angulares \vec{\alpha}_{01}, \vec{\alpha}_{20} y \vec{\alpha}_{21}.
  5. Calcule las aceleraciones en los movimientos {21} y {20} de los puntos A, G y D del apartado (3).

3 Bola que rueda en carril

Una bola (sólido “2”), de radio R=15\,\mathrm{cm}, se desplaza sobre dos carriles circulares concéntricos fijos (sólido “1”), de radios b=7\,\mathrm{cm} y c=25\,\mathrm{cm}, situados en un plano horizontal (ver figura). El movimiento de esta esfera es tal que en todo instante, rueda sin deslizar sobre ambos raíles.

Consideramos como sólido móvil intermedio (sólido 0) al plano O1X0Z0 que contiene en todo instante al centro C de la esfera (ver figura).

  1. ¿Cuántos grados de libertad tiene este sistema?
  2. Sea θ(t) el ángulo que forma el eje OX0 con el OX1. Con ayuda del sólido intermedio halle los ejes instantáneos o permanentes de rotación de los movimientos {21}, {20} y {01}.
  3. Halle las velocidades angulares y aceleraciones angulares de los movimientos {21}, {20} y {01}
  4. Para el punto de la bola en contacto con el carril de mayor radio (punto B), determine \vec{v}_{20}^B y \vec{a}_{21}^B.

4 Barra que desliza en eje rotatorio

El armazón de barras paralelas a los ejes OX0 y OZ0 (sólido “0”) rota alrededor del eje vertical fijo OZ1, de tal modo que el eje OX0 permanece siempre contenido en el plano horizontal fijo OX1Y1 (sólido “1”). Por otra parte, la varilla AB (sólido “2”), de longitud b, se mueve de forma que su extremo A desliza a lo largo del eje OX0, mientras que su extremo B desliza a lo largo del eje OZ0.

Utilizando los ángulos θ y φ (definidos en la figura), así como sus derivadas temporales de primer y segundo orden, determine:

  1. La velocidad de A, B y G (siendo G el punto medio de la barra) en los movimientos {01}, {20} y {21}, así como la velocidad angular \vec{\omega}_{21}.
  2. ¿De qué tipo es el movimiento {21}? ¿Dónde está su EIRMD?
  3. La aceleración angular \vec{\alpha}_{21} y las aceleraciones de A, B y G en los movimientos {01}, {20} y {21}

5 Esfera en recipiente cilíndrico

Se tiene un sistema formado por un recipiente cilíndrico (sólido “1”) con fondo pero sin tapa, de radio y altura 2R. En el interior de este recipiente se encuentra una esfera maciza homogénea (“sólido 2”) de masa m y radio R. Esta esfera se mueve de forma que rueda sin deslizar en todo momento sobre el fondo y la pared. El centro de la bola se mueve en todo momento con rapidez constante v_0 alrededor del eje vertical.

Archivo:esfera-recipiente-cilindrico.png

Tomamos un tercer sistema de referencia intermedio “0”, que gira alrededor del eje OZ1 = OZ0 de manera que el centro de la esfera siempre se encuentra en el plano OX0Z0. Con ayuda de este sistema determine y exprese:

  1. Las velocidades angulares \vec{\omega}_{01}, \vec{\omega}_{20} y \vec{\omega}_{21}
  2. La posición de los tres ejes instantáneos de rotación (puede ayudarse de la figura)
  3. Las aceleraciones angulares \vec{\alpha}_{01}, \vec{\alpha}_{20} y \vec{\alpha}_{21}
  4. Las aceleraciones lineales de los puntos G (centro de la esfera), A (contacto con el fondo) y B (contacto con la pared) de la esfera 2 respecto al sistema de referencia fijo 1.

6 Rodillo que empuja a otro

Un rodillo de radio R (“sólido 0”) rueda sin deslizar sobre un suelo horizontal “1” de forma que su centro C avanza con una rapidez constante v0 respecto al suelo. En su marcha, este rodillo empuja a un segundo rodillo de radio r (sólido “2”), que se ve obligado a rodar sin deslizar sobre el mismo suelo, manteniéndose tangente al primer rodillo (ver figura).

Archivo:Dos-rodillos-01.png
  1. Halle la velocidad relativa de deslizamiento \vec{v}_20^A en el punto A de contacto entre los dos sólidos. ¿Cuál es la rapidez de este deslizamiento?
  2. ¿Dónde se halla el CIR del movimiento {20}?

7 Velocidad relativa de dos vagones

Se tienen dos vagonetas A y B (sólidos “2” y “3”), que avanzan por raíles sobre el suelo horizontal (sólido “1”). En un momento dado las vagonetas se mueven paralelamente respecto al suelo con velocidades \vec{v}_{21}^A=\vec{v}_{31}^B=v_0\vec{\imath}. El vector de posición relativo entre las dos vagonetas es \overrightarrow{AB}=b\vec{\jmath} Los ejes de los tres sistemas se toman paralelos de forma que los vectores de las respectivas bases son coincidentes en ese instante. Halle las velocidades relativas \vec{v}_{23}^A= y \vec{v}_{32}^B= en los siguientes casos:

Archivo:vagonetas-relativa.01.png Archivo:vagonetas-relativa.02.png Archivo:vagonetas-relativa.05.png
(1) (2)
Archivo:vagonetas-relativa.03.png Archivo:vagonetas-relativa.04.png
(3) (4) (5)
  1. Las vagonetas se mueven por vías rectilíneas paralelas.
  2. La vagoneta B se mueve por una vía circular de radio R, mientras que A se mueve por una vía rectilínea. El instante descrito es el de máximo acercamiento entre las dos vías.
  3. Las dos se mueven por vías circulares concéntricas, de radios R y R+b, respectivamente.
  4. Las dos se mueven por arcos de circunferencia de radio R con centros hacia el mismo lado.
  5. Las dos se mueven por arcos de circunferencia de radio R con centros en lados opuestos.

8 Sistema de dos varillas articuladas

Se tiene un sistema articulado formado por dos barras de la misma masa y la misma longitud b situadas sobre una superficie horizontal. La primera barra (“sólido 0”) tiene un extremo O fijo, de forma que gira alrededor de él formando un ángulo θ(t) respecto a un sistema de ejes fijos OX1Y1. La segunda barra (“sólido 2”) está articulada en el extremo A de la primera de manera que forma un ángulo φ(t) con la prolongación del sólido 0. En función de θ, φ y sus derivadas y con ayuda de un sistema OX0Y0 ligado a la primera barra…

  1. Calcule la velocidad del punto de articulación A y del extremo libre B de la segunda barra respecto al sistema fijo.
  2. Localice la posición del centro instantáneo de rotación I21 del movimiento de la segunda barra respecto a los ejes fijos.
  3. Halle la aceleración del extremo B y del centro G del sólido 2 respecto al sistema fijo.

9 Aro ensartado en pasador

Sea un aro de centro C y radio R (sólido “2”) que se mueve, en un plano fijo OX1Y1 (sólido 1), de tal modo que está obligado a deslizar en todo instante por el interior de un pasador giratorio situado en el punto O, y además se halla articulado en su punto A a un deslizador que se mueve siempre sobre el eje horizontal OX1 (ver figura). Con carácter auxiliar, se define el sistema de ejes AX2Y2 (sólido 2) solidario con el aro en su movimiento.

Archivo:aro-ensartado-pasador.png
  1. Determine gráfica y analíticamente la posición del C.I.R. del movimiento {21}.
  2. Sabiendo que el ángulo θ, que forman los ejes OX1 y AX2, verifica una ley horaria θ(t), calcule \vec{v}_{21}^A y \vec{a}_{21}^C.

10 Barra apoyada en placa cuadrada

El esquema de la figura muestra una placa cuadrada de lado b (sólido “2”), uno de cuyos lados desliza sobre el eje horizontal fijo OX1 (sólido “1”), mientras que la placa permanece contenida siempre en el plano vertical fijo OX1Y1. Sobre el vértice A de dicha placa se apoya en todo instante una varilla delgada (sólido “0”), que gira con velocidad angular θ ̇<0, alrededor de su extremo articulado en el punto fijo O (ver figura). Se pide:

  1. Determinar gráficamente la posición de los centros instantáneos de rotación I21, I02 e I01.
  2. Calcular la velocidad del vértice A de la placa en el movimiento de ésta respecto de los ejes fijos y respecto de la barra (movimientos {21} y {20}, respectivamente), expresada en función de θ y sus derivadas,
  3. Hallar la velocidad angular ω20, correspondiente al movimiento relativo de la placa respecto de la varilla (movimiento {20}).
  4. Determinar analíticamente y geométricamente la posición del CIR del movimiento {20} (en función del ángulo θ).

11 Análisis de engranaje circular

Se tiene un engranaje formado por un eje central sobre el cual va montado un disco de radio a (sólido “2”) y un anillo exterior estacionario (sólido “1”), de radio b. Entre el disco central y el anillo exterior se encuentra un sistema de dos discos iguales (“3”) y (“4”) que ruedan sin deslizar sobre ambas superficies. Los centros de estos discos se encuentran unidos por una barra articulada “5”. En un momento dado, el disco central se encuentra girando con velocidad angular Ω respecto al anillo fijo exterior y los centros de los discos 3 y 4 se encuentran sobre el eje OX1.

Archivo:engranaje-concentrico.png
  1. Determine las velocidades angulares ω31, ω41 y ω51.
  2. ¿Qué tipo de movimiento efectúa el disco 3 respecto al 4? ¿Con qué velocidad?

12 Varilla que asciende verticalmente

El mecanismo de la figura está constituido por dos varillas rígidas (sólidos “2” y “0”), de grosor despreciable y longitud indefinida, que se mueven en el plano fijo OX1Y1 (sólido “1”). La varilla “2” se desplaza verticalmente hacia arriba con velocidad \dot{z}=v, manteniéndose siempre paralela al eje OY1 y a una distancia c de éste; mientras que la varilla “0”, articulada a la anterior en su extremo común A, desliza por el interior de un pasador giratorio ubicado en el punto O del sólido “1”. Utilizando el ángulo θ (definido en la figura) como parámetro descriptivo del movimiento, se pide:

Archivo:Dos-varillas-articuladas.png
  1. Reducción cinemática de los movimientos {21}, {20} y {01} en el punto O.
  2. Determinación gráfica y analítica de la posición del punto I01, CIR del movimiento {01}.
  3. Cálculo de las aceleraciones \vec{a}_{01}^A y \vec{a}_{01}^O.

13 Aro que rueda dentro de otro aro rodante

Un aro de radio R (“sólido 0”) y centro C rueda sin deslizar sobre una superficie horizontal (“sólido 1”). En el interior del aro 0 se encuentra un segundo aro de radio r (“sólido 2”) y centro D, que rueda sin deslizar por la cara interior del aro 0. Empleamos como variables para describir el sistema la coordenada x del centro C respecto a un sistema de referencia fijo y el ángulo θ que la línea CD que une los centros forma con la vertical CA. Exprese, en función de estas variables y sus derivadas,

  1. La velocidad de A, B, C y D en los movimientos {20}, {01} y {21}
  2. Las velocidades angulares de los tres movimientos
  3. El CIR de los tres movimientos.
  4. Las aceleraciones angulares de estos movimientos.
  5. La aceleración de A, B, C y D en los tres movimientos.

14 Suspensión cardán de dos ejes

Una suspensión cardán de dos ejes puede modelarse mediante tres aros concéntricos (gimbal) articulados sobre ejes perpendiculares.

        

Sea ϕ el ángulo que forma el aro intermedio (“sólido 2”) con el exterior (“sólido 1”), y θ el que el aro interior (“sólido 3”) forma con el intermedio. Cuando los dos ángulos se anulan los tres aros son coplanarios. Puede asociarse un sistema de ejes a cada sólido, de manera que el eje de las rotaciones en ϕ es OZ1 = OZ2 y el de las de θ es OX2 = OX3. En función de los dos ángulos y sus derivadas respecto al tiempo

  1. Indique las relaciones entre las bases ligadas a cada sólido
  2. Exprese las velocidades angulares \vec{\omega}_{21}, \vec{\omega}_{32} y \vec{\omega}_{31}.
  3. Exprese las aceleraciones angulares \vec{\alpha}_{21},\vec{\alpha}_{32} y \vec{\alpha}_{31}.

15 Suspensión cardán de tres ejes

El sistema de los ángulos de Euler para describir cualquier rotación puede modelarse con una suspensión cardán de tres ejes, similar al del problema anterior pero con un cuarto sólido interior. El sólido 4 forma un ángulo ψ con el 3, siendo su eje de giro OZ3 = OZ4

        
  1. Indique las relaciones entre las bases ligadas a cada sólido
  2. Exprese la velocidad angular \vec{\omega}_{41} y la aceleración angular \vec{\alpha}_{41}.

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