Diferencia entre las páginas «Disco deslizando sobre hilo rotante, Noviembre 2015 (MR G.I.C.)» y «Cilindro rodando sin deslizar (Dic. 2020)»
(Página creada con «== Enunciado == right Un hilo rígido (sólido "0") de longitud <math>L</math> rota alrededor del eje <math>OZ_1</math> con velocidad angular constante <math>\Omega_0</math>, de modo que el punto <math>A</math> está fijo y el punto <math>B</math> describe una circunferencia sobre el plano <math>OX_1Y_1</math>. El hilo forma un ángulo <math>\pi/4</math> con el plano <math>OX_1Y_1</math>. Un disco plano de masa <math>m</m…») |
(Página creada con «= Enunciado = center Un cilindro de radio <math>R</math> (sólido "2") rueda sin deslizar sobre un plano fijo <math>O_1X_1Y_1Z_1</math> (sólido "1"). Los ejes <math>GX_2Y_2Z_2</math> son solidarios con el cilindro. Introducimos unos ejes auxiliares <math>GX_0Y_0Z_0</math> que cumplen las siguientes propiedades: el <math>X_0</math> es paralelo al eje del cilindro; el eje <math>Z_0</math> es perpendicula…») |
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= Enunciado = | |||
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Un cilindro de radio <math>R</math> (sólido "2") rueda sin deslizar sobre un plano fijo <math>O_1X_1Y_1Z_1</math> (sólido "1"). Los ejes <math>GX_2Y_2Z_2</math> son solidarios con el cilindro. Introducimos unos ejes auxiliares <math>GX_0Y_0Z_0</math> que cumplen las siguientes propiedades: el <math>X_0</math> es paralelo al eje del cilindro; el eje <math>Z_0</math> es perpendicular al plano fijo "1"; el ángulo que forma el eje <math>Y_0</math> con el eje <math>X_1</math> es <math>\phi</math>. El punto <math>A</math> señala el punto geométrico en la vertical de <math>G</math> donde el cilindro está en contacto con el plano. Las coordenadas de este punto en los ejes "1" son <math>x_1</math>, <math>y_1</math>. Estas son también las coordenadas de <math>G</math> en el plano fijo. Los diagramas auxiliares indican los ángulos relevantes entre los diferentes sistemas de ejes. | |||
#Encuentra la reducción cinemática en el punto <math>G</math> de los movimientos {01}, {20}, {21}. Expresa los resultados en la base "0" y usa el menor número de coordenadas posible. | |||
2. Si el tensor de inercia del cilindro en <math>G</math> es de la forma | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\ | \overleftrightarrow{I_O} | ||
\ | = | ||
\left[ | |||
\begin{array}{ccc} | |||
I_{1} & 0 & 0 \\ | |||
0 & I_{2} & 0 \\ | |||
0 & 0 & I_{2} | |||
\end{array} | |||
\right]_2 | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
con <math>I_1</math>, <math>I_2</math> conocidos, calcula el momento cinético del cilindro en <math>G</math> y su energía cinética. | |||
= Solución = | |||
== Reducciones cinemáticas en <math>G</math> == | |||
De la lectura atenta del enunciado deducimos los siguientes datos cinemáticos: | |||
# <math>\vec{v}^A_{21} = \vec{0}</math>, pues el cilindro rueda sin deslizar sobre el plano "1". | |||
#<math>\vec{\omega}_{01} = \dot{\phi}\,\vec{k}_0</math> , pues el eje <math>Y_0</math> forma un ángulo <math>\phi</math> con el eje <math>X_1</math>. | |||
#<math>\vec{v}^G_{20}=\vec{0}</math>, pues el centro del cilindro (sólido "2") y el origen del sistema de ejes "0" coinciden siempre. | |||
#<math>\vec{\omega}_{20} = \dot{\theta}\,\vec{\imath}_0</math>, pues el eje <math>Y_2</math> forma un ángulo <math>\theta</math> con el eje <math>Y_0</math>. | |||
Con esto ya podemos encontrar las reducciones cinemáticas pedidas | |||
=== Movimiento {21} === | |||
Obtenemos <math>\vec{\omega}_{21}</math> de la composición | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{\ | \vec{\omega}_{21} = \vec{\omega}_{20} + \vec{\omega}_{01} = | ||
\ | \dot{\theta}\,\vec{\imath}_0 + \dot{\phi}\,\vec{k}_0. | ||
\ | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
= | Como ya tenemos <math>\vec{v}^{A}_{21}=\vec{0}</math>, aplicamos Chasles entre los puntos <math>A</math> y <math>G</math> para el movimiento {21} | ||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{\omega}_{ | \vec{v}^{\,G}_{21} = \vec{v}^{\,A}_{21} + \vec{\omega}_{21}\times\overrightarrow{AG} = | ||
\ | (\dot{\theta}\,\vec{\imath}_0 + \dot{\phi}\,\vec{k}_0)\times | ||
\vec{ | (R\,\vec{k}_0) = -R\dot{\theta}\,\vec{\jmath}_0. | ||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
=== Movimiento {20} === | |||
Este lo tenemos directamente del análisis del enunciado | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{\ | \vec{\omega}_{20} = \dot{\theta}\,\vec{\imath}_0, \qquad | ||
\vec{v}^{\,G}_{20} = \vec{0}. | |||
\vec{ | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
=== Movimiento {01} === | |||
Tenemos <math>\vec{\omega}_{01}=\dot{\phi}\,\vec{k}_0</math> del análisis del enunciado. Obtenemos la velocidad en <math>G</math> usando las leyes de composición | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{\ | \vec{v}^{\,G}_{21} = \vec{v}^{\,G}_{20} + \vec{v}^{\,G}_{01} | ||
\ | \to | ||
\vec{v}^{\,G}_{01} = \vec{v}^{\,G}_{21} - \vec{v}^{\,G}_{20} | |||
= | |||
-R\dot{\theta}\,\vec{\jmath}_0. | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
La velocidad <math>\vec{v}^{\,G}_{01}</math> también se puede obtener derivando respecto al tiempo el vector de posición | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{ | \vec{r}^{\,G}_{01} = \overrightarrow{O_1G} = | ||
x_1\,\vec{\imath}_1 + y_1\,\vec{\jmath}_1 + R\,\vec{k}_1. | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Este vector de posición se puede derivar porque apunta siempre al centro del cilindro. Haciendo la derivada tenemos | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{\ | \vec{v}^{\,G}_{01} = | ||
\left | \left.\dfrac{\mathrm{d} \overrightarrow{O_1G}}{\mathrm{d}t} \right|_1 | ||
= | = | ||
\dot{x}_1\,\vec{\imath}_1 + \dot{y}_1\,\vec{\jmath}_1. | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Esta velocidad esta expresada en función de <math>x_1</math> e <math>y_1</math>- Hay una ligadura entre estas coordenadas y las coordenadas angulares. Para verla expresamos <math>\vec{\jmath}_0</math> en la base "1" | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{ | \vec{\jmath}_0 = \cos\phi\,\vec{\imath}_1 + \mathrm{sen}\,\phi\,\vec{\jmath}_1. | ||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Con esto tenemos | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{v}^{\,G}_{01} | \vec{v}^{\,G}_{01} | ||
= | |||
-R\dot{\theta}\,\vec{\jmath}_0 | |||
= | |||
-R\dot{\theta}\cos\phi\,\vec{\imath}_1 | |||
-R\dot{\theta}\mathrm{sen}\,\phi\,\vec{\jmath}_1 | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Comparando las dos expresiones de <math>\vec{v}^{\,G}_{01}</math> obtenemos | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\ | \dot{x}_1 = -R\dot{\theta}\cos\phi, \qquad | ||
\dot{y}_1 = -R\dot{\theta}\mathrm{sen}\phi. | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
=== | == Momento angular y energía cinética == | ||
El momento angular respecto al CM es | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{ | \vec{L}_G = \overleftrightarrow{I}_O\cdot\vec{\omega}_{21}. | ||
\ | \begin{array}{c}\end{array} | ||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Como el tensor está expresado en la base "2", hay que expresar el vector rotación en esa base. Tenemos | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{ | \begin{array}{l} | ||
\vec{\imath}_0 = \vec{\imath}_2,\\ | |||
\vec{k}_0 = \mathrm{sen}\,\theta\,\vec{\jmath}_2 + \cos\theta\,\vec{k}_2. | |||
\end{array} | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
Entonces | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\ | \vec{\omega}_{21} = \dot{\theta}\,\vec{\imath}_2 + | ||
\dot{\phi}\,\mathrm{sen}\,\theta\,\vec{\jmath}_2 + \dot{\phi}\cos\theta\,\vec{k}_2. | |||
\ | |||
\ | |||
\ | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
El momento cinético es | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\vec{L}_G | \vec{L}_G | ||
= | = | ||
\left[ | \left[ | ||
\begin{array}{ccc} | \begin{array}{ccc} | ||
1 | I_{1} & 0 & 0 \\ | ||
0 & | 0 & I_{2} & 0 \\ | ||
0 & 0 & | 0 & 0 & I_{2} | ||
\end{array} | \end{array} | ||
\right] | \right] | ||
\left[ | \left[ | ||
\begin{array}{c} | \begin{array}{c} | ||
\ | \dot{\theta} \\ \dot{\phi}\,\mathrm{sen}\,\theta \\ \dot{\phi}\cos\theta | ||
\end{array} | \end{array} | ||
\right]_2 | \right]_2 | ||
= | = | ||
\ | [I_1\dot{\theta}, I_2 \dot{\phi}\,\mathrm{sen}\,\theta, I_2 \dot{\phi}\cos\theta | ||
]_2. | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
La energía cinética puede calcularse así | |||
<center> | <center> | ||
<math> | <math> | ||
\ | T = \dfrac{1}{2}m|\vec{v}^{\,G}_{21}|^2 + \dfrac{1}{2}\vec{L}_G\cdot\vec{\omega}_{21} = | ||
\vec{ | \dfrac{1}{2}\, | ||
\ | \left( | ||
\ | (mR^2+I_1)\dot{\theta}^2 + I_2\dot{\phi}^2 | ||
\right). | |||
</math> | </math> | ||
</center> | </center> | ||
[[Categoría:Problemas de cinemática del sólido rígido]] | [[Categoría:Problemas de cinemática del sólido rígido]] | ||
[[Categoría:Problemas de cinética del sólido rígido]] | [[Categoría:Problemas de cinética del sólido rígido]] | ||
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Revisión actual - 16:12 25 sep 2023
Enunciado
Un cilindro de radio (sólido "2") rueda sin deslizar sobre un plano fijo (sólido "1"). Los ejes son solidarios con el cilindro. Introducimos unos ejes auxiliares que cumplen las siguientes propiedades: el es paralelo al eje del cilindro; el eje es perpendicular al plano fijo "1"; el ángulo que forma el eje con el eje es . El punto señala el punto geométrico en la vertical de donde el cilindro está en contacto con el plano. Las coordenadas de este punto en los ejes "1" son , . Estas son también las coordenadas de en el plano fijo. Los diagramas auxiliares indican los ángulos relevantes entre los diferentes sistemas de ejes.
- Encuentra la reducción cinemática en el punto de los movimientos {01}, {20}, {21}. Expresa los resultados en la base "0" y usa el menor número de coordenadas posible.
2. Si el tensor de inercia del cilindro en es de la forma
con , conocidos, calcula el momento cinético del cilindro en y su energía cinética.
Solución
Reducciones cinemáticas en
De la lectura atenta del enunciado deducimos los siguientes datos cinemáticos:
- , pues el cilindro rueda sin deslizar sobre el plano "1".
- , pues el eje forma un ángulo con el eje .
- , pues el centro del cilindro (sólido "2") y el origen del sistema de ejes "0" coinciden siempre.
- , pues el eje forma un ángulo con el eje .
Con esto ya podemos encontrar las reducciones cinemáticas pedidas
Movimiento {21}
Obtenemos de la composición
Como ya tenemos , aplicamos Chasles entre los puntos y para el movimiento {21}
Movimiento {20}
Este lo tenemos directamente del análisis del enunciado
Movimiento {01}
Tenemos del análisis del enunciado. Obtenemos la velocidad en usando las leyes de composición
La velocidad también se puede obtener derivando respecto al tiempo el vector de posición
Este vector de posición se puede derivar porque apunta siempre al centro del cilindro. Haciendo la derivada tenemos
Esta velocidad esta expresada en función de e - Hay una ligadura entre estas coordenadas y las coordenadas angulares. Para verla expresamos en la base "1"
Con esto tenemos
Comparando las dos expresiones de obtenemos
Momento angular y energía cinética
El momento angular respecto al CM es
Como el tensor está expresado en la base "2", hay que expresar el vector rotación en esa base. Tenemos
Entonces
El momento cinético es
La energía cinética puede calcularse así