Rampas

¿Porqué las rampas son tan útiles?

¿Qué es más fácil?

Observaciones sobre rampas

• Es díficil levantar un peso directamente

• Es más fácil empujar un carro pesado por una rampa

• La facilidad depende de la inclinación de la rampa

• Rampas más graduales implican menor empuje

• Rampas más graduales implican mayor distancia

Preguntas sobre rampas

• ¿Porqué el carro no cae a través de la rampa?

• ¿El carro y la rampa se “empujan” mutuamente?

• ¿Porqué es más fácil empujar el carro por la rampa?

• ¿Hay alguna cantidad física que es constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinación?

Primera Pregunta

• ¿Porqué el carro no cae atravesando la rampa?

¿Porqué una pelota no cae a través de una mesa?

¿La mesa “empuja” la pelota?¿Cómo una fuerza hacia arriba previene la

caída?

Segunda Pregunta

¿La rampa y el carrito se “empujan” mutamente?

¿La pelota y la mesa se “empujan”?¿La mesa “empuja” la pelota?¿La pelota “empuja” la mesa?¿Cuál de los dos empuja más fuerte?

Fuerzas Presentes

En la mesa debido al peso de la pelota (mg)

W=mg

En la pelota debido al soporte de la mesa (Fsoporte)

Fsoporte

Estas fuerzas son de la

misma magnitud

Fuerzas de soporte (Fsoporte)

• Previene que un objeto atraviese la superficie

• Apunta directamente hacia fuera de la superficie

¿Pero de dónde vienen las fuerzas de soporte?

• Depende…..

• Las moléculas se atraen unas a otras cuando están lejos (Fuerzas de Van der Waals)

Pero se repelen fuertemente cuando están lo suficientemente cerca debido al principio de exclusión de Pauli

¡El mismo principio que aprendimos en química! (servía para algo)

Sumando FuerzasEn reposo en una mesa, la pelota experimenta:

Su peso hacia abajo

La fuerza de soporte de la mesa hacia arriba

Como la pelota no se acelera:

La suma de fuerzas (fuerza neta) es cero

La fuerza de soporte debe balancear el peso!

Como el carrito no se acelera en la rampa

La fuerza de soporte de la rampa debe soportar el carro

Concepto FísicoConcepto Físico

Fuerza Neta

– La suma de todas las fuerzas sobre un objeto.

– Determina la aceleración del objecto

F = m aUsar la fuerza total en la segunda ley

Sumar las siguientes fuerzas.

F = 50 N

F = 60 NF = 60 N

F = 50 N

45°

Tercera Pregunta:

¿Porqué es más fácil empujar el carro por la rampa?

¿Cuánta fuerza debe realizarse sobre el carro?

Una rampa hace que levantar la caja sea más fácil porque…

A. Se usa menos energía para levantar la cajaB. La rampa ejerce una fuerza sobre la cajaC. La rampa te permite usar ruedas

Fuerzas en una RampaFuerzas en una Rampa

Peso o mg

Fuerza de Soporte

o Fsoporte

Fuerza Neta sobre la rampa

Fuerza de la caja sobre la rampa, perpendicular a la misma

Y solamente hay que superar una fuerza más pequeña cuando se utiliza una rampa!

Peso o mg

Fuerza Soporte

Fuerza en la rampa del peso

Tenés que aplicar una fuerza menor que el peso para producir una aceleración

Cuarta pregunta: • ¿Hay alguna cantidad física que es

constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinación?

¿Qué cantidad física es igual para:• Un viaje largo en una rampa gradual• Un viaje “medio” en una rampa intermedia• Un viaje corto en una rampa vertical ?

• No se obtiene nada gratis: ¡en todos los casos se hace el mismo trabajo!

Trabajo y Potencia

Decimos que una fuerza ejerce un trabajo cuando el objeto considerado se mueve en dirección de la fuerza, la que transfiere energía de un objeto a otro

Solamente se considera trabajo al que realiza una fuerza en la dirección de movimiento. En la figura, solamente el componente en la dirección x de la fuerza F realiza un trabajo.

• No se realiza trabajo cuando no hay movimiento

• O cuando la fuerza aplicada es perpendicular al movimiento

¿Cuál es el objetivo de una máquina?

• Realizar un trabajo en forma más sencilla

Tipos de máquinas simples

Ventaja mecánica

Es práctico pensar en una máquina en términos de la fuerza ejercida (la fuerza que se aplica) y la fuerza obtenida (la que se aplica a la tarea)

Cuando una máquina logra una fuerza obtenida mayor que la fuerza ejercida, se dice que se produjo una ventaja mecánica.

Polea simple

Aparejos

Palanca de primer género

P * dp = R * dr

Problemas

1)¿Qué fuerza debe realizarse si queremos levantar un peso de 10.000 N, si disponemos de una palanca de 3 metros de largo, y la distancia de la resistencia al punto de apoyo es de 60 cm?

2) Se quiere levantar un peso de 5000 N. Para ello se dispone de una fuerza de 1500 N. Utilizando una palanca de primer género de 4 metros de largo, ¿en donde debe colocarse el punto de apoyo?

Palanca de segundo género

Palanca de tercer género

Trabajo y Potencia

¿Qué tipo de energía se gana cuando se levanta un peso?

¿Qué fuerza actúa contra el movimiento?

Decimos que la fuerza realiza un trabajo contra la gravedad, de la misma magnitud que el peso (despreciando la resistencia del aire)

• ¿Qué factores determinan cuánta energía es necesaria?

• El tamaño de la fuerza y la distancia a recorrer.

• El trabajo se define entonces como Fuerza x distancia, y en este caso la fuerza es la de la gravedad, entonces queda:

• W = F x d = m*g*d

Andando en bicicleta – Pensar cuidadosamente, y calcular un poco• Viajando lentamente, a 8 km/h, las

fuerzas retardantes sobre un ciclista son de aproximadamente 5N.

1) ¿Qué fuerza propulsora debe realizar el ciclista para viajar a velocidad constante?

2) ¿Cuánto trabajo debe realizar para cubrir 50 m?

1) 5 N; 2) W= F * d = 5N * 50m = 250 J

A una velocidad mayor, 16 Km/h, las fuerzas son mayores, de 8 N

3) Calcular la F requerida

4) Calcular el W necesario para recorrer 50 m.

3) La fuerza neta debe ser cero, o sea 8 N

4) W = F x d = 50 m * 8 N = 400 J

Subiendo la montaña a velocidad constante de 8 km/h; el ciclista se ve transpirando más que en el llano. La masa del ciclista más la bicicleta es de 80 Kg. La computadora indica que la energía suministrada a la bici es de 1850 J para cubrir 50 m.

5) ¿Cuanta energía se usa para subir?

6) ¿Cuánta altura se gana en los 50 m?

7) ¿Cuánta energía debería proveerse para subir a 16 km/h?

8) ¿Cuál es la fuerza retardante?

5) Energía para subir = energía suministrada – energía disipada = 1850 J – 250 J = 1600 J

6) Energía transferida = m x g x Δh Δh = 1600J/(80Kg*9,8 m/s2)= 2 m

7) Energía suministrada= energía para subir + energía disipada = 1600J + 400 J = 2000 J

8) Energía transferida = Fuerza x distancia F = 2000 J/ 5 m = 400 N

Potencia

• La potencia es una medida de que tan rápido puede hacerse un trabajo

• Por ejemplo si un escalador y un caminador suben una montaña, el trabajo realizado será el mismo en ambos casos, pero la potencia desarrollada por el caminador será mayor ya que realiza el trabajo en menos tiempo.

La unidad de potencia del sistema internacional queda definida por la ecuación:

P = W / t = J/s = Watt

P = F * v = N * m/s = J/s

Por razones históricas, se utiliza también el hp (“horsepower”) para describir la potencia. Un hp equivale a aproximadamente 750 W

Potencia de algunas cosasPotencia  (W)

objeto, fenómeno, proceso, evento

3.6 × 1039 quasar típico

3.6 × 1026 El sol

1.25 × 1015 Láser más poderoso (Petawatt)

1.3 × 1013 Consumo humano total, global

3.2 × 1012 Consumo humano total, US

1.2 × 1010 Transbordador espacial en el lanzamiento

109 ~ 1010 La mayor planta de energía comercial

4.700.000 La locomotora más poderosa (GE AC6000 CW)

783.000 El camión más poderoso (Terex TR100)

468.000 El auto más poderoso (McLaren F1)

10.000 Máquina de vapor de Watt de 1788

746 1 hp

100 Humano, promedio diario

0,293 1 btu/h

18 × 10−6 Sonidos humanos durante el habla normal

Potencia de Actividades Humanas Varias

potencia actividad

800 Jugar basket

700 Ciclismo (21 km/h)

685 Subir escaleras (116 pasos/min)

545 Patinar (15 km/h)

475 Nadar (1,6 km/h)

440 Jugar tenis

400 Ciclismo (15 km/h)

265 Caminar (5 km/h)

210 Prestar atención sentado

125 Parado y descansando

120 Sentado y descansando

83 Dormir

0,001 Sonido producido por la voz

Más problemas....

1. Dos estudiantes, Juan y Pedro, van al gimnasio. Juan levanta una barra de 50 kg sobre su cabeza 10 veces en un minuto. Pedro lo hace 10 veces en 10 segundos. ¿Quién realiza más trabajo? ¿Cuál tiene mayor potencia?. Justifique su respuesta

Los dos realizan el mismo trabajo, ya que la fuerza requerida y la distancia recorrida son iguales. En cambio, Pedro tiene mayor potencia, ya que realiza su trabajo 6 veces más rápido.

Decir que vehículo es mas potente el A o el B:A) realiza un trabajo de 100J en 5s.B) necesita aplicar una fuerza de 5N para alcanzar una velocidad de 18Km/h

a

Camión Térex

a

McLaren F1

a

Láser Petawatt

a

Locomotora