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Línea 1: |
Línea 1: |
| ==Enunciado== | | ==Enunciado== |
| El campo de velocidades de un sólido rígido en movimiento helicoidal instantáneo (respecto a un triedro OXYZ de referencia) está definido mediante la siguiente reducción cinemática:
| | Un sólido rígido realiza un movimiento helicoidal instantáneo respecto a un triedro de referencia <math>OXYZ\,</math>, estando |
| | definido su campo de velocidades mediante la siguiente reducción cinemática en el origen de coordenadas <math>\,O\,</math>: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \vec{\omega}=(\,2\,\vec{\imath}\,-\,\vec{\jmath}\,)\,\mathrm{rad}/\mathrm{s}\,\,;\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, | | \vec{\omega}=(\,2\,\vec{\imath}+\vec{\jmath}-2\,\vec{k}\,)\,\mathrm{rad}/\mathrm{s}\,\,;\,\,\,\,\,\, |
| \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,
| | \vec{v}_O=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} |
| A(2,2,2)\,\mathrm{m} \,\longrightarrow\,
| |
| \vec{v}_A=(\,5\,\vec{\imath}\,-\,15\,\vec{\jmath}\,+\,5\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} | |
| </math></center> | | </math></center> |
| ¿Por cuál de los siguientes puntos pasa el eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento? | | |
| | # Calcule la velocidad de deslizamiento del sólido rígido (segundo invariante). |
| | # ¿Por cuál de los siguientes puntos pasa el eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento? |
| | |
| | <math> |
| | \,\,\,\,\,\,\,\,\,\, |
| | \mathrm{(a)}\,\,\,\,P\mathrm{(1,2,0)}\,\mathrm{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, |
| | \mathrm{(b)}\,\,\,\,P\mathrm{(0,0,0)}\,\mbox{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, |
| | \mathrm{(c)}\,\,\,\,P\mathrm{(-1,1,0)}\,\mbox{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, |
| | \mathrm{(d)}\,\,\,\,P\mathrm{(2,1,-2)}\,\mbox{m} |
| | </math> |
| | |
| | ==Velocidad de deslizamiento== |
| | La velocidad de deslizamiento <math>v_d\,</math> (segundo invariante) es la proyección de la velocidad de cualquier punto sobre la velocidad angular: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \mathrm{(a)}\,\,\,\,I\mathrm{(1,0,-3)}\,\mathrm{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, | | v_d=\frac{\vec{v}_O\cdot\vec{\omega}}{|\,\vec{\omega}\,|}=\frac{(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\cdot(\,2\,\vec{\imath}+\vec{\jmath}-2\,\vec{k}\,)}{|\,2\,\vec{\imath}+\vec{\jmath}-2\,\vec{k}\,|}=\frac{18}{3}=6\,\,\mathrm{m/s} |
| \mathrm{(b)}\,\,\,\,I\mathrm{(2,-1,-3)}\,\mbox{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,
| |
| \mathrm{(c)}\,\,\,\,I\mathrm{(-1,-2,-5)}\,\mbox{m}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,
| |
| \mathrm{(d)}\,\,\,\,I\mathrm{(2,2,2)}\,\mbox{m}
| |
| </math></center> | | </math></center> |
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| ==Primer método: cálculo de la velocidad del punto <math>I\,</math>== | | ==Punto perteneciente al EIRMD. Primer método: cálculo de la velocidad del punto <math>P\,</math>== |
| Utilizando la ecuación del campo de velocidades del sólido rígido, calculamos la velocidad <math>\vec{v}_I\,</math> del punto <math>I\,</math> en cada una de las opciones: | | Utilizando la ecuación del campo de velocidades del sólido rígido, calculamos la velocidad <math>\,\vec{v}_P\,</math> del punto <math>\,P\,</math> en cada una de las opciones: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \begin{array}{lll} | | \begin{array}{lll} |
| \mathrm{(a)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{AI}=(-\vec{\imath}-2\,\vec{\jmath}-5\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I=\vec{v}_A+\vec{\omega}\times\overrightarrow{AI}=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ -1 & -2 & -5 \end{array}\right|=(10\,\vec{\imath}-5\,\vec{\jmath}\,\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ | | \mathrm{(a)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{OP}=(\,\vec{\imath}+2\,\vec{\jmath}\,\,)\,\mathrm{m} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P=\vec{v}_O+\vec{\omega}\times\overrightarrow{OP}=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 1 & -2 \\ 1 & 2 & 0 \end{array}\right|=(6\,\vec{\imath}-2\,\vec{\jmath}-4\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ |
| \mathrm{(b)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{AI}=(-3\,\vec{\jmath}-5\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}& \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I=\vec{v}_A+\vec{\omega}\times\overrightarrow{AI}=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ 0 & -3 & -5 \end{array}\right|=(10\,\vec{\imath}-5\,\vec{\jmath}-\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ | | \mathrm{(b)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{OP}=\vec{0}\,\,\mathrm{m}& \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P=\vec{v}_O+\vec{\omega}\times\overrightarrow{OP}=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right|=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ |
| \mathrm{(c)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{AI}=(-3\,\vec{\imath}-4\,\vec{\jmath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}& \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, &\vec{v}_I=\vec{v}_A+\vec{\omega}\times\overrightarrow{AI}=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ -3 & -4 & -7 \end{array}\right|=(12\,\vec{\imath}-\vec{\jmath}-6\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ | | \mathrm{(c)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{OP}=(\,-\,\vec{\imath}+\vec{\jmath}\,\,)\,\mathrm{m}& \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, &\vec{v}_P=\vec{v}_O+\vec{\omega}\times\overrightarrow{OP}=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 1 & -2 \\ -1 & 1 & 0 \end{array}\right|=(4\,\vec{\imath}+2\,\vec{\jmath}-4\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ \\ |
| \mathrm{(d)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{AI}=\vec{0}\,\,\mathrm{m} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I=\vec{v}_A+\vec{\omega}\times\overrightarrow{AI}=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{array}\right|=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ | | \mathrm{(d)}\,\,\,\,\,\overrightarrow{OP}=(\,2\,\vec{\imath}+\vec{\jmath}-2\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P=\vec{v}_O+\vec{\omega}\times\overrightarrow{OP}=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)+\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 1 & -2 \\ 2 & 1 & -2 \end{array}\right|=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} \\ |
| \end{array} | | \end{array} |
| </math></center> | | </math></center> |
| Si el punto <math>I\,</math> pertenece al eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento (EIRMD), la velocidad <math>\vec{v}_I\,</math> de dicho punto es necesariamente paralela al vector velocidad angular <math>\vec{\omega}\,</math>. Comprobamos que tal cosa sólo ocurre en la opción (a), la cual es por tanto la respuesta correcta: | | Si el punto <math>\,P\,</math> pertenece al eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento (EIRMD), la velocidad <math>\vec{v}_P\,</math> de dicho punto es necesariamente paralela al vector velocidad angular <math>\vec{\omega}\,</math>. Comprobamos que tal cosa sólo ocurre en la opción (c), la cual es por tanto la respuesta correcta: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \begin{array}{lllll} | | \begin{array}{lllll} |
| \mathrm{(a)}\,\,\,\,\,\vec{v}_I=(10\,\vec{\imath}-5\,\vec{\jmath}\,\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 10 & -5 & 0 \\ 2 & -1 & 0 \end{array}\right|=\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,I\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ | | \mathrm{(a)}\,\,\,\,\,\vec{v}_P=(6\,\vec{\imath}-2\,\vec{\jmath}-4\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 6 & -2 & -4 \\ 2 & 1 & -2 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,P\not\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ |
| \mathrm{(b)}\,\,\,\,\,\vec{v}_I=(10\,\vec{\imath}-5\,\vec{\jmath}-\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 10 & -5 & -1 \\ 2 & -1 & 0 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,I\not\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ | | \mathrm{(b)}\,\,\,\,\,\vec{v}_P=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 0 & -7 \\ 2 & 1 & -2 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,P\not\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ |
| \mathrm{(c)}\,\,\,\,\,\vec{v}_I=(12\,\vec{\imath}-\vec{\jmath}-6\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 12 & -1 & -6 \\ 2 & -1 & 0 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,I\not\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ | | \mathrm{(c)}\,\,\,\,\,\vec{v}_P=(4\,\vec{\imath}+2\,\vec{\jmath}-4\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 4 & 2 & -4 \\ 2 & 1 & -2 \end{array}\right|=\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,P\in \mathrm{EIRMD} \\ \\ |
| \mathrm{(d)}\,\,\,\,\,\vec{v}_I=(5\,\vec{\imath}-15\,\vec{\jmath}+5\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 5 & -15 & 5 \\ 2 & -1 & 0 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_I\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,I\not\in \mathrm{EIRMD} | | \mathrm{(d)}\,\,\,\,\,\vec{v}_P=(\,2\,\vec{\imath}-7\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m}/\mathrm{s} & \,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\times\vec{\omega}=\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 0 & -7 \\ 2 & 1 & -2 \end{array}\right|\neq\vec{0} & \,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, & \vec{v}_P\not\,\parallel\vec{\omega}\,\,\,\Longrightarrow\,\,\,P\not\in \mathrm{EIRMD} |
| \end{array} | | \end{array} |
| </math></center> | | </math></center> |
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| ==Segundo método: determinación del EIRMD== | | ==Punto perteneciente al EIRMD. Segundo método: determinación del EIRMD== |
| Partiendo del conocimiento de la reducción cinemática <math>\{\vec{\omega},\vec{v}_A\}\,</math>, es posible determinar el EIRMD del movimiento helicoidal instantáneo. En efecto: aplicando la ecuación vectorial del EIRMD, obtenemos la posición (relativa a <math>A\,</math>) de un punto genérico <math>I\,</math> del EIRMD: | | Partiendo del conocimiento de la reducción cinemática <math>\{\vec{\omega},\vec{v}_O\}\,</math>, es posible determinar el EIRMD del movimiento helicoidal instantáneo. En efecto: aplicando la ecuación vectorial del EIRMD, obtenemos el vector de posición de un punto genérico <math>I\,</math> del EIRMD: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \overrightarrow{AI}=\frac{\vec{\omega}\times\vec{v}_A}{|\,\vec{\omega}\,|^2}\,+\,\lambda\,\vec{\omega}=\frac{1}{5}\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & -1 & 0 \\ 5 & -15 & 5 \end{array}\right|\,+\,\lambda\,(2\,\vec{\imath}\,-\,\vec{\jmath}\,)=[\,(-1\,+\,2\lambda)\,\vec{\imath}\,-\,(2\,+\,\lambda)\,\vec{\jmath}\,-\,5\,\vec{k}\,]\,\mathrm{m} | | \overrightarrow{OI}=\frac{\vec{\omega}\times\vec{v}_O}{|\,\vec{\omega}\,|^2}\,+\,\lambda\,\vec{\omega}=\frac{1}{9}\left|\begin{array}{ccc} \vec{\imath} & \vec{\jmath} & \vec{k} \\ 2 & 1 & -2 \\ 2 & 0 & -7 \end{array}\right|\,+\,\lambda\,(2\,\vec{\imath}\,\,+\,\vec{\jmath}\,-\,2\,\vec{k}\,)=\left[\,\left(-\frac{7}{9}\,+\,2\lambda\right)\vec{\imath}\,+\left(\frac{10}{9}\,+\,\lambda\right)\vec{\jmath}\,+\left(-\frac{2}{9}\,-\,2\lambda\right)\vec{k}\,\right]\,\mathrm{m} |
| </math></center> | | </math></center> |
| Y conocidas las coordenadas del punto <math>A(2,2,2)\,\mathrm{m}\,</math> en el triedro OXYZ de referencia, es fácil determinar las coordenadas en dicho triedro de un punto genérico <math>I\,</math> del EIRMD:
| | Por tanto, las coordenadas de un punto genérico <math>I\,</math> del EIRMD en el triedro OXYZ de referencia son: |
| <center><math> | | <center><math> |
| \left.\begin{array}{l} \overrightarrow{OA}=(2\,\vec{\imath}+2\,\vec{\jmath}+2\,\vec{k}\,)\,\mathrm{m} \\ \\ \overrightarrow{AI}=[\,(-1+2\lambda)\,\vec{\imath}\,-(2+\lambda)\,\vec{\jmath}\,-5\,\vec{k}\,]\,\mathrm{m} \end{array}\right\}\,\longrightarrow\,\,\,\overrightarrow{OI}=\overrightarrow{OA}\,+\,\overrightarrow{AI}=[\,(1+\,2\lambda)\,\vec{\imath}\,-\,\lambda\,\vec{\jmath}\,-\,3\,\vec{k}\,]\,\mathrm{m}\,\,\,\,\,\longrightarrow\,\,\,\,\, I(1+\,2\lambda,-\lambda,-3)\,\mathrm{m} | | I\left(-\,\frac{7}{9}+2\lambda\,,\frac{10}{9}+\lambda\,,-\,\frac{2}{9}-2\lambda\right)\,\mathrm{m} |
| </math></center> | | </math></center> |
| Comparando esta terna <math>\lambda</math>-paramétrica de coordenadas con las cuatro ternas propuestas en el enunciado, deducimos de inmediato que la única que corresponde a un punto <math>I\in\mathrm{EIRMD}\,</math> es la de la respuesta (a), siendo concretamente <math>\,\,\,I(1,0,-3)\,\mathrm{m}\,</math> el punto obtenido para <math>\lambda=0\,</math>. | | Comparando esta terna <math>\,\lambda-</math>paramétrica de coordenadas con las ternas de los cuatro puntos <math>\,P\,</math> propuestos en el enunciado, deducimos que el único punto <math>P\in\mathrm{EIRMD}\,</math> es el de la opción (c). En efecto: <math>\,\,\,P(-1,1,0)\,\mathrm{m}\,</math> es el punto del EIRMD correspondiente a <math>\lambda=-1/\,9\,</math>. |
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Enunciado
Un sólido rígido realiza un movimiento helicoidal instantáneo respecto a un triedro de referencia , estando
definido su campo de velocidades mediante la siguiente reducción cinemática en el origen de coordenadas :
- Calcule la velocidad de deslizamiento del sólido rígido (segundo invariante).
- ¿Por cuál de los siguientes puntos pasa el eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento?
Velocidad de deslizamiento
La velocidad de deslizamiento (segundo invariante) es la proyección de la velocidad de cualquier punto sobre la velocidad angular:
Punto perteneciente al EIRMD. Primer método: cálculo de la velocidad del punto
Utilizando la ecuación del campo de velocidades del sólido rígido, calculamos la velocidad del punto en cada una de las opciones:
Si el punto pertenece al eje instantáneo de rotación y mínimo deslizamiento (EIRMD), la velocidad de dicho punto es necesariamente paralela al vector velocidad angular . Comprobamos que tal cosa sólo ocurre en la opción (c), la cual es por tanto la respuesta correcta:
Punto perteneciente al EIRMD. Segundo método: determinación del EIRMD
Partiendo del conocimiento de la reducción cinemática , es posible determinar el EIRMD del movimiento helicoidal instantáneo. En efecto: aplicando la ecuación vectorial del EIRMD, obtenemos el vector de posición de un punto genérico del EIRMD:
Por tanto, las coordenadas de un punto genérico del EIRMD en el triedro OXYZ de referencia son:
Comparando esta terna paramétrica de coordenadas con las ternas de los cuatro puntos propuestos en el enunciado, deducimos que el único punto es el de la opción (c). En efecto: es el punto del EIRMD correspondiente a .