Clase 16 Rampas Y Trabajo

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Rampas
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    26-May-2015
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  • 1. Rampas

2. Porqu las rampas son tan tiles?

  • Qu es ms fcil?

3. Observaciones sobre rampas

  • Es dficil levantar un peso directamente
  • Es ms fcil empujar un carro pesado por una rampa
  • La facilidad depende de la inclinacin de la rampa
  • Rampas ms graduales implican menor empuje
  • Rampas ms graduales implican mayor distancia

4. Preguntas sobre rampas

  • Porqu el carro no cae a travs de la rampa?
  • El carro y la rampa se empujan mutuamente?
  • Porqu es ms fcil empujar el carro por la rampa?
  • Hay alguna cantidad fsica que es constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinacin?

5. Primera Pregunta

  • Porqu el carro no cae atravesando la rampa?
  • Porqu una pelota no cae a travs de una mesa?
  • La mesa empuja la pelota?
  • Cmo una fuerza hacia arriba previene la cada?

6. Fuerzas Presentes En la mesa debido al peso de la pelota (mg) W=mg En la pelota debido al soporte de la mesa (F soporte ) F soporte Estas fuerzas son de la misma magnitud 7. Fuerzas de soporte (F soporte )

  • Previene que un objeto atraviese la superficie
  • Apunta directamente hacia fuera de la superficie

8. Pero de dnde vienen las fuerzas de soporte?

  • Depende..
  • Las molculas se atraen unas a otras cuando estn lejos (Fuerzas de Van der Waals)

9. Pero se repelen fuertemente cuando estn lo suficientemente cercad debido al principio de exclusin de Pauli El mismo principio que aprendimos en qumica! (serva para algo) 10. Sumando Fuerzas

  • En 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

11. Concepto Fsico

  • Fuerza Neta
    • La suma de todas lasfuerzas sobre un objeto.
    • Determinala aceleracin delobjecto

F = m a Usar la fuerza total en la segunda ley 12. 13. 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?
  • Cul de los dos empuja ms fuerte?

14. Tercera Pregunta:

  • Porqu es ms fcil empujar el carro por la rampa?
  • Cunta fuerza debe realizarse sobre el carro?

15. Una rampa hace que levantar la caja sea ms fcil porque

  • Se usa menos energa para levantar la caja
  • La rampa ejerce una fuerza sobre la caja
  • La rampa te permite usar ruedas

16. Fuerzas en una Rampa Pesoo mg Fuerza de Soporteo F soporte Fuerza Neta sobre la rampa Fuerza de la caja sobre la rampa, perpendicular a la misma 17. Y solamente hay que superar una fuerza ms pequea cuando se utiliza una rampa! Pesoo mg Fuerza Soporte Fuerza en la rampa del peso Tens que aplicar una fuerza menor que el peso para producir una aceleracin 18. Cuarta pregunta:

  • Hay alguna cantidad fsica que es constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinacin?
  • Qu cantidad fsica 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!

19. Trabajo y Potencia

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

20. Solamente se considera trabajo al que realiza una fuerza en la direccin de movimiento. En la figura, solamente el componente en la direccin x de la fuerza F realiza un trabajo. 21.

  • No se realiza trabajo cuando no hay movimiento
  • Ocuando la fuerza aplicada es perpendicular al movimiento

22. Trabajo y Potencia

  • Qu tipo de energa se gana cuando se levanta un peso?
  • Qu fuerza acta 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)

23.

  • Qu factores determinan cunta energa es necesaria?
  • El tamao 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

24. 25. 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) Qu fuerza propulsora debe realizar el ciclista para viajar a velocidad constante?
  • 2) Cunto trabajo debe realizar para cubrir 5m?

1) 5 N; 2) W= F * d = 5N * 5m = 25 J 26. A una velocidad mayor, 16 Km/h, las fuerzas son mayores, de 8N 3) Calcular la F requerida 4) Calcular el W necesario para recorrer 5 m. 3) La fuerza neta debe ser cero, o sea 8 N 4) W = F x d = 5 m * 8 N = 40 J 27. Subiendo la montaa a velocidad constante de 8 km/h; el ciclista se ve transpirando ms que en el llano. La masa del ciclista ms la bicicleta es de 80 Kg. La computadora indica que la energa suministrada a la bici es de 185 J para cubrir 5 m. 5) Cuanta energa se usa para subir? 6) Cunta altura se gana en los 5 m? 7) Cunta energa debera proveerse para subir a 16 km/h? 8) Cul es la fuerzaretardante? 28.

  • 5) energa para subir = energa suministrada energa disipada
  • = 185 J 25 J = 160 J
  • 6) Energa transferida = m x g x h
  • h = 160J/(80Kg*9,8 m/s 2 )= 0,2 m
  • 7) Energa suministrada= energa para subir + energa disipada
  • = 160J + 40 J = 200 J
  • 8) Energa transferida = Fuerza x distancia
  • F = 200 J/ 5 m = 40 N

29. Potencia

  • La potencia esuna medida de que tan rpido puede hacerse un trabajo
  • Por ejemplo si un escalador y un caminador suben una montaa, el trabajo realizado ser el mismo en ambos casos, pero la potencia desarrollada por el caminador ser mayor ya que realiza el trabajo en menos tiempo.

30. Otro ejemplo de potencia

  • Supongamos que dos automviles del mismo peso, tienen diferente potencia, el segundo automvil tiene 4 veces mayor potencia que el primero.
  • Despreciando los factores como friccin y resistencia del aire, si el primer automvil acelera de 0 a 100 km/h en 16 segundos, en cuanto lo har el segundo?

31.

  • El segundo automvil tardar 4 veces menos(o sea 4 segundos), ya que su motor entrega energa 4 veces ms rpido.
  • Cul realizar mayor trabajo?
  • El trabajo realizado ser el mismo, ya que P=W/t; entonces W=P*t; la potencia es 4 veces mayor pero el tiempo 4 veces menor
  • Otra forma de calcular la potencia es:
  • P = W/t = F*d/t = F* v
  • En donde queda bien expresado que una mquina potente tiene FUERZA y VELOCIDAD

32. La unidad de potencia del sistema internacional queda definida por la ecuacin: P = W / t = J/s = Watt P = F * v = N * m/s = J/s Por razones histricas, se utiliza tambin el hp (horsepower) para describir la potencia. Un hp equivale a aproximadamente 750 W 33. Potencia de algunas cosas potencia(W) objeto, fenmeno, proceso, evento 3.61039 quasar tpico 3.610 26 El sol 1.2510 15 Lser ms poderoso ( Petawatt ) 1.310 13 Consumo humano total, global 3.210 12 Consumo humano total, US 1.210 10 Transbordador espacial en el lanzamiento 10 9 ~10 10 La mayor planta de energa comercial 4.700.000 La locomotora ms poderosa ( GEAC6000CW ) 783.000 El camin ms poderoso ( TerexTR100 ) 468.000 El auto ms poderoso ( McLarenF1 ) 10.000 Mquina de vapor de Watt de 1788 746 1 hp 100 Humano, promedio diario 0,293 1 btu/h 1810 6 Sonidos humanos durante el habla normal 34. Potencia de Actividades Humanas Varias potencia actividad 800 Jugar basket 700 Ciclismo (21km/h) 685 Subir escaleras (116pasos/min) 545 Skating (15km/h) 475 Nadar (1,6km/h) 440 Jugar tenis 400 Ciclismo (15km/h) 265 Caminar (5km/h) 210 Prestar atencin sentado 125 Parado y descansando 120 Sentado y descansando 83 Dormir 0,001 Sonido producido por la voz 35. Ms 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. Quin realiza ms trabajo? Cul 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 ms rpido. 36. La cuenta de la luz se expresa normalmente en kilowatt hora. Un kw-hr es la cantidad de energa entregada por el flujo de 1 kw de electricidad durante el transcurso de una hora. Use factores de conversin para mostrar cuantos Joules de energa obtenemos cuando compramos 1 kw hr de electricidad. 1 kJ/s * hr * (3600 s/ hr) * (1000 J /1KJ) = 3.600.000 J 37. El anuncio de un aire acondicionado ofrece una potencia de enfriamiento de 2200 frigoras Esta afirmacin es correcta ? Si suponemos que 1 watt proporciona 0,86 frigoras;Cul es el consumo horario en kw-hr ?Cuntas lamparitas de 100 W pueden hacerse funcionar durante una hora con una hora de consumo de este aparato? Cunto se gastar en hacerlo funcionar durante el verano (90das) durante 8hs/da, si el costo del kw-hr es de $ 0.219? 38. Un adulto tpico consume 2000 kcal por da de comida. Determinar la potencia promedio generada por esta persona, suponiendo que no pierde ni gana peso. 39. Energa cintica y energa potencialConservacin de la energa La energa es una medida de la capacidad o potencial de realizar una actividad dinmica. La cantidad total de energa en el universo permanece siempre constante (ley de la conservacin de la energa) Distinguimos dos tipos de energa mecnica: energa potencial y energa cintica La energa cintica proviene del movimiento del cuerpo, y es igual aEk = mv2 A mayor masa, mayor energa potencial, y a mayor velocidad, el aumento se produce con el cuadrado de la misma 40.

  • La energa potencial puede adoptar varias formas; se puede considerar que es una energa almacenada.
  • Puede ser gravitatoria (como un salto de agua); o un resorte, o un enlace qumico
  • Nosotros consideraremos solamente la gravitatoria, cuya ecuacin es:
  • Ep = m*g*h

41. Estas formas de energa son intercambiables un caso tpico es el de las montaas rusas, donde la energa potencial acumulada en la cima equivale a la energa cintica en el valle. Otra aplicacin es el pndulo, en los extremos es pura energa potencial y en el centro es energa cintica, mientras que en los puntos intermedios la energa total del sistema es la suma de ambos. 42. Ejemplo de clculo Un carrito est situado en reposo en la cima de una montaa rusa de 30 m de altura. Si el carrito pesa un total de 500 kg., qu velocidad tendr en la parte ms baja de la misma? 43. Problemas conceptuales

  • Un alumno de Diseo Industrial escala el Cerro Santa Ana, y al llegar a la cima se acuerda de su clase de fisicoqumica. Y se hace algunas preguntas:
  • Tiene ms energa potencial o cintica que la que tena antes de subir el cerro?. Explicar
  • Tiene ms, menos o la misma cantidad de energa al tope de la montaa que cuando empez? (si no comi nada). Explicar
  • Cmo qued la cantidad de energa en el sistema solar?. Explicar
  • Si empujamos una piedra de la cima, Va a tener la misma, mayor o menor energa al final de su cada? Explicar

44. En los sistemas llamados no conservativos, la energa total se mantiene, pero aparecen fuerzas que no se vuelven a convertir fcilmente, como la friccin

  • Antes de escalar la montaa, el estudiante se comi una barra de cereales de 240 Kcal. Los enlaces de carbono se rompen en el estmago, liberando energa. Aproximadamente la mitad de esta energa se pierde en el sistema digestivo.
  • Cuntos joules se pueden utilizar?
  • Luego de comer, se escala una colina de 50 m. La masa combinada de la bicicleta y escalador es de 83 kg. Cunta energa gravitacional gan? De dnde viene esta energa? Si se baja la colina, pero se pierde la mitad de la energa por resistencia del aire, que velocidad tendr en la base?

45. Diagrama de Sankey Eficiencia de un motor 46. Camin Terex 47. McLaren F1 48. Lser Petawatt 49. Tren