(Página creada con «= Enunciado = right Un disco de masa <math>m</math> y radio <math>R</math> (sólido "2") rueda sin deslizar sobre una placa rectangular de masa <math>m</math> (sólido "0"). La placa desliza sin rozamiento sobre el eje fijo <math>O_1X_1</math>. Un muelle de constante elástica <math>k</math> y longitud natural nula conecta la placa con el eje <math>O_1Y_1</math>. #Encuentra la reducción cinemática del movimiento absol…»)
 
(Página creada con «== Equilibrio de armadura con muelle== right En el sistema de la figura las barras tienen longitud <math>2d</math> y masa <math>m</math> cada una. La barra "2" está articulada en el punto fijo <math>A</math>, mientras que el extremo <math>C</math> de la barra "0" puede deslizar sin rozamiento sobre la superficie vertical. El muelle que conecta los puntos <math>A</math> y <math>…»)
 
Línea 1: Línea 1:
= Enunciado =
==[[Equilibrio de armadura con muelle, MR | Equilibrio de armadura con muelle]]==
[[Imagen:MR_disco_placa_muelle_enunciado.png|right]]
[[Imagen:MRGIC_armaduramuelle_enunciado.png|right]]
Un disco de masa <math>m</math> y radio <math>R</math> (sólido "2") rueda sin deslizar sobre una placa
En el sistema de la figura las barras tienen longitud <math>2d</math> y masa <math>m</math> cada una.
rectangular de masa <math>m</math> (sólido "0"). La placa desliza sin rozamiento sobre el eje fijo
La barra "2" está articulada en el punto fijo <math>A</math>, mientras que el extremo
<math>O_1X_1</math>. Un muelle de constante elástica <math>k</math> y longitud natural nula conecta la placa con
<math>C</math> de la barra "0" puede deslizar sin rozamiento sobre la superficie vertical. El
el eje <math>O_1Y_1</math>.
muelle que conecta los puntos <math>A</math> y <math>C</math> tiene constante elástica <math>k</math> y longitud natural
#Encuentra la reducción cinemática del movimiento absoluto.
nula. El muelle se mantiene siempre vertical. La gravedad actúa como se indica en la
#Escribe la Lagrangiana del sistema.
figura.  
#Escribe las ecuaciones de Lagrange.
#Calcula la energía potencial del sistema.
#En el estado inicial los dos sólidos están en reposo y <math>x_0(0)=0</math>, <math>x_2(0)=L/2</math>. Se somete la placa a una percusión <math>\vec{\hat{F}} = \hat{F}_0\,\vec{\imath}_1</math> aplicada en su extremo izquierdo. ¿Cuánto valen las velocidades generalizadas inmediatamente después de la percusión?  ¿Cuál es la frecuencia de las oscilaciones de la placa en el movimiento después de la percusión?
#Suponiendo que el muelle se ajusta de modo que <math>mg=kd</math>, determina los valores de <math>\theta</math> para los que hay equilibrio mecánico. Discute la estabilidad de estas posiciones de equilibrio.
 
#Si se aplica una fuerza <math>\vec{F} = F_0\,\vec{\jmath}_1</math> sobre el punto <math>B</math>, con <math>F_0=2kd>0</math>, determina el nuevo valor de <math>\theta</math> para que haya equilibrio mecánico.
= Solución =
 
== Reducción cinemática ==
 
=== Movimiento {01} ===
La placa realiza una traslación. Tenemos
<center>
<math>
\vec{\omega}_{01} = \vec{0},
\qquad
\vec{v}_{01} = \dot{x}_0\,\vec{\imath}_1.
</math>
</center>
=== Movimiento {20} ===
El disco rueda sin deslizar sobre la placa. Tenemos
<center>
<math>
\vec{\omega}_{20} = \omega_{20}\,\vec{k},
\qquad
\vec{v}^{\,G}_{20} = \dot{x}_2\,\vec{\imath}_1,
\qquad
\vec{v}^{\,A}_{20} = \vec{0}.
</math>
</center>
Aplicando el Teorema de Chasles entre los puntos <math>G</math> y <math>A</math> tenemos
<center>
<math>
\vec{v}^{\,G}_{20} = \vec{v}^{\,A}_{20} + \vec{\omega}_{20}\times\overrightarrow{AG}
=
(\omega_{20}\,\vec{k})\times(R\,\vec{\jmath}_1) = -R\omega_{20}\,\vec{\imath}_1.
</math>
</center>
Comparando obtenemos
<center>
<math>
\vec{\omega}_{20} = -\dfrac{\dot{x}_2}{R}\,\vec{k}.
</math>
</center>
 
=== Movimiento {21} ===
Usamos la composición {21} = {20} + {01}. Tenemos
<center>
<math>
\begin{array}{l}
\vec{\omega}_{21} = \vec{\omega}_{20} + \vec{\omega}_{01} = -\dfrac{\dot{x}_2}{R}\,\vec{k},
\\
\\
\vec{v}^{\,G}_{21} = \vec{v}^{\,G}_{20} + \vec{v}^{\,G}_{01} = (\dot{x}_0 + \dot{x}_2)\,\vec{\imath}_1.
\end{array}
</math>
</center>
Vemos que el sistema tiene dos grados de libertad, elegidos aquí como <math>\{x_0, x_2\}</math>.
 
== Lagrangiana ==
 
=== Energía cinética ===
 
La placa hace una traslación, por lo que su energía cinética es
<center>
<math>
T_{0} = \dfrac{1}{2}m|\vec{v}_{01}|^2 = \dfrac{1}{2}m\dot{x}_0^2.
</math>
</center>
Como hace un movimiento plano, la energía cinética del disco es
<center>
<math>
T_2 = \dfrac{1}{2}m|\vec{v}^{\,G}_{21}|^2 + \dfrac{1}{2}I_G|\vec{\omega}_{21}|^2.
</math>
</center>
El momento de inercia es <math>I_G = mR^2/2</math>. Entonces
<center>
<math>
T_2 = \dfrac{1}{2}m\dot{x}_2^2 + \dfrac{1}{2}m\left(\dot{x}_0 + \dot{x}_2\right)^2.
</math>
</center>
Entonces la energía cinética total es
<center>
<math>
T = T_0 + T_2 = m\dot{x}_0^2 + m\dot{x}_0\dot{x}_2 + \dfrac{3}{4}m\dot{x}_2^2.
</math>
</center>
 
=== Energía pontencial ===
Los centros de masas de los dos sólidos están siempre a la misma altura. Entonces su
energía potencial gravitatoria es constante y no interviene en la dinámica del problema.
El muelle aporta una energía potencial elástica
<center>
<math>
U = \dfrac{1}{2}kx_0^2.
</math>
</center>
 
=== Función de Lagrange ===
Con esto, la función de Lagrange es
<center>
<math>
L = T - U = m\dot{x}_0^2 + m\dot{x}_0\dot{x}_2 + \dfrac{3}{4}m\dot{x}_2^2 - \dfrac{1}{2}kx_0^2.
</math>
</center>
 
== Ecuaciones de Lagrange ==
 
=== Ecuación  para <math>x_0</math> ===
Tenemos
<center>
<math>
\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\partial L}{\partial \dot{x}_0}\right)
-\dfrac{\partial L}{\partial x_0} = 0
\Longrightarrow
m\ddot{x}_2 + 2m\ddot{x}_0 + k x_0 = 0. \quad(1)
</math>
</center>
 
=== Ecuación  para <math>x_2</math> ===
Tenemos
<center>
<math>
\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\dfrac{\partial L}{\partial \dot{x}_2}\right)
-\dfrac{\partial L}{\partial x_2} = 0
\Longrightarrow
m\ddot{x}_0 + \dfrac{3}{2}m\ddot{x}_2 = 0. \quad (2)
</math>
</center>
 
== Percusión ==
Las ecuaciones de Lagrange percusivas son
<center>
<math>
\Delta p_{x_0} = \hat{Q}_{x_0}, \qquad
\Delta p_{x_2} = \hat{Q}_{x_2}
</math>
</center>
Los momentos generalizados son
<center>
<math>
\begin{array}{l}
p_{x_0} = \dfrac{\partial L}{\partial \dot{x}_0} = 2m\dot{x}_0 + m\dot{x}_2,
\\
\\
p_{x_2} = \dfrac{\partial L}{\partial \dot{x}_2} = m\dot{x}_0 + \dfrac{3}{2}m\dot{x}_2.
\end{array}
</math>
</center>
Sus variaciones son
<center>
<math>
\begin{array}{l}
\Delta p_{x_0} = 2m\Delta \dot{x}_0 + m\Delta\dot{x}_2 = 2m\dot{x}_0^+ + m\dot{x}_2^+,
\\ \\
\Delta p_{x_2} = m\Delta \dot{x}_0 + \dfrac{3}{2}m\Delta\dot{x}_2 = m\dot{x}_0^+ + \dfrac{3}{2} m\dot{x}_2^+.
\end{array}
</math>
</center>
Hemos usado que los dos sólidos estaban en reposo antes de la percusión.
 
La percusión se placa en el lado izquierdo de la placa. Tenemos
<center>
<math>
\begin{array}{l}
\hat{Q}_{x_0} = \vec{\hat{F}}\cdot\dfrac{\partial\vec{v}_{01}}{\partial \dot{x}_0} = \hat{F}_0,
\\ \\
\hat{Q}_{x_2} = \vec{\hat{F}}\cdot\dfrac{\partial\vec{v}_{01}}{\partial \dot{x}_2} = 0.
\end{array}
</math>
</center>
Despejando llegamos a
<center>
<math>
\dot{x}^+_0 = \dfrac{3\hat{F}_0}{4m},
\qquad
\dot{x}^+_2 = -\dfrac{\hat{F}_0}{2m}.
</math>
</center>
A pesar de ese signo negativo, el movimiento absoluto del centro del justo después
de la percusión es hacia la derecha (suponiendo <math>\hat{F}_0>0</math>)
<center>
<math>
\vec{v}^{\,G+}_{21} = (\dot{x}^+_0 + \dot{x}^+_2)\,\vec{\imath}_1 = \dfrac{\hat{F}_0}{4m}\,\vec{\imath}_1.
</math>
</center>
 
Después de la percusión el movimiento está controlado por las ecuaciones (1) y (2). Podemos despejar <math>\ddot{x}_2</math> de (2) para obtener
<center>
<math>
\ddot{x}_0 = -\dfrac{3k}{4m}\,x_0.
</math>
</center>
Esta es la ecuación de un movimiento armónico simple de frecuencia angular
<center>
<math>
w = \sqrt{\dfrac{3k}{4m}}.
</math>
</center>
 
 
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Revisión actual - 12:48 8 nov 2023

Equilibrio de armadura con muelle

En el sistema de la figura las barras tienen longitud y masa cada una. La barra "2" está articulada en el punto fijo , mientras que el extremo de la barra "0" puede deslizar sin rozamiento sobre la superficie vertical. El muelle que conecta los puntos y tiene constante elástica y longitud natural nula. El muelle se mantiene siempre vertical. La gravedad actúa como se indica en la figura.

  1. Calcula la energía potencial del sistema.
  2. Suponiendo que el muelle se ajusta de modo que , determina los valores de para los que hay equilibrio mecánico. Discute la estabilidad de estas posiciones de equilibrio.
  3. Si se aplica una fuerza sobre el punto , con , determina el nuevo valor de para que haya equilibrio mecánico.
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