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Velocidad media en un MAS (GIOI)

De Laplace

1 Enunciado

Una partícula describe un movimiento armónico simple de frecuencia angular ω, pudiéndose mover a lo largo de una recta horizontal. En t = 0 pasa por la posición de equilibrio con una velocidad + v0.

  1. ¿Cuánto vale la velocidad media entre t = 0 y t = T / 4, con T el periodo de oscilación?
  2. ¿Cuánto vale la aceleración en t = T / 4?

2 Velocidad media

La velocidad media de una partícula en un movimiento rectilíneo se calcula como el cociente entre el desplazamiento neto y la duración del intervalo en que se realiza

v_m = \frac{\Delta x}{\Delta t}

En este caso, el intervalo se nos da como dato: es la cuarta parte del periodo

\Delta t = \frac{T}{4}

En un movimiento armónico simple, una partícula que parte del punto de equilibrio en t = 0 alcanza la máxima elongación en T / 4; en T / 2 vuelve a pasar por el origen en 3T / 4 alcanza la distancia máxima por el lado opuesto y en T regresa al origen, completando el ciclo.

Por tanto el desplazamiento entre t = 0 y t = T / 4 es igual a la elongación máxima, es decir a la amplitud.

\Delta x = A\,

y la velocidad media será igual a

v_m = \frac{A}{T/4} = \frac{4A}{T}

Queda calcular la amplitud a partir de los datos del enunciado.

Tenemos que la ecuación general de un movimiento armónico simple es

x = x_0\cos(\omega t)+\frac{v_0}{\omega}\mathrm{sen}(\omega t)

En esta ocasión la posición inicial es nula y el movimiento se reduce a un seno, como en la gráfica anterior

x = \frac{v_0}{\omega}\mathrm{sen}(\omega t)

La máxima elongación se da cuando el seno vale 1, por lo que la amplitud vale

A = \frac{v_0}{\omega}

y queda la velocidad media

v_m = \frac{4v_0}{\omega T}

pero

\omega = \frac{2\pi}{T}

lo que nos da finalmente

v_m = \frac{4v_0}{2\pi} = \frac{2}{\pi}v_0

3 Aceleración

La aceleración en un movimiento armónico simple tiene la expresión

a = − ω2x

con x la posición medida respecto a la de equilibrio. En t = T / 4 la elongación es la máxima y

a(t=T/4) = -\omega^2 A = -\omega^2 \frac{v_0}{\omega} = -\omega v_0

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