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Movimiento de un depósito de arena bajo la acción de un peso que cae.

En este apartado, se estudia un sistema en el que la masa y la fuerza aplicada cambian. Consiste en un depósito de arena que pierde masa por su parte inferior, y que se desplaza sobre dos vías paralelas, que ejercen una fuerza de rozamiento cuando el depósito se desplaza. Este depósito está unido mediante una cuerda que pasa por una polea a un cuerpo cuya masa M es constante, tal como se muestra en la figura

Ecuaciones del movimiento

Dibujamos las fuerzas sobre el bloque y sobre el depósito. Supondremos que la polea tiene un momento de inercia despreciable.

La ecuación del movimiento del depósito es

T-μN=ma
N=mg

La ecuación del movimiento del cuerpo que cuelga es

Mg-T=Ma

Primer etapa. La masa del depósito disminuye

La masa del depósito varía con el tiempo de la forma

m=m0-f·t

Siendo m0 la masa inicial (depósito vacío más la arena que contiene), y f el flujo constante de arena que sale por el orificio situado en su parte inferior.

Eliminando T del sistema de ecuaciones

dv dt =g M−μ  m 0 +μ f t M+ m 0 −f t

Integrando

∫ 0 v dv = ∫ 0 t g M−μ  m 0 +μ f t M+ m 0 −f t dt

La fracción es fácilmente integrable si se transforma en esta otra expresión equivalente

M−μ  m 0 +μ f t M+ m 0 −f t =−μ+ M(1+μ) M+ m 0 −f t

Después de hacer algunas operaciones se obtiene

v= gM(1+μ) f ln⁡ M+ m 0 M+ m 0 −ft −μg t

Integrando de nuevo, obtenemos el desplazamiento x en función del tiempo t. Recordando que

∫ ln⁡z·dz =zln⁡z−z

obtenemos

x= gM(1+μ) f ( t(ln⁡(M+ m 0 )+1)− M+ m 0 f ln⁡(M+ m 0 )+ M+ m 0 −f t f ln⁡(M+ m 0 −f t) )− 1 2 μg t 2

Segunda etapa: la masa del depósito es constante

La arena se agota en el instante tm. A partir de este instante, la masa del depósito es constante

m=m0-f·tm

La aceleración del depósito y del bloque es constante, el movimiento es uniformemente acelerado

a=g M−μ(  m 0 − f  t m ) M+ m 0 −f  t m

La posición y velocidad es

v= v 0 +a(t− t m ) x= x 0 + v 0 (t− t m )+ 1 2 a ( t− t m ) 2

donde x0 y v0 es la posición y velocidad del depósito en el instante tm en el que se quedado vacío.

Ejemplo

La masa inicial del depósito de arena es igual a la masa de la arena más la masa del recipiente que lo contiene. Se ha tomado como masa del recipiente el 10% de la masa inicial de arena.

La masa inicial del depósito es m0=1.1·1=1.1 kg

El depósito de arena se vacía en el instante tm=1.0/0.8=1.25 s.

En dicho instante la velocidad del depósito es

v= gM(1+μ) f ln⁡ M+ m 0 M+ m 0 −f t m −μg  t m v= 9.8·1·(1+0.5) 0.8 ln⁡ 1+1.1 1+1.1−0.8·1.25 −0.5·9.8·1.25=5.76 m/s

La posición del depósito es

x= 9.8·1(1+0.5) 0.8 ( 1.25(ln⁡(1+1.1)+1)− 1+1.1 0.8 ln⁡(1+1.1)+ 1+1.1−0.8·1.25 0.8 ln⁡(1+1.1−0.8·1.25) )− 1 2 0.5·9.8· 1.25 2 =2.80 m

A partir de este instante, el depósito se mueve con aceleración constante

a=g M−μ(  m 0 − f  t m ) M+ m 0 −f  t m   a=9.8 1−0.5( 1.1− 0.8·1.25) 1+1.1−0.8·1.25 =8.46 m/s

Las ecuaciones del movimiento son

v=5.76 +8.46·(t-1.25)
x=
2.80+5.76 (t-1.25)+8.46(t-1.25)2/2

Por ejemplo, en el instante t=1.6 s el depósito se encuentra en la posición x=5.33 m y lleva una velocidad de v=8.72 m/s

Por ejemplo, el depósito llega a la posición x=4.0 m en el instante t=1.43 s, con una velocidad de v=7.31 m/s

Actividades

Se introduce

Se pulsa el botón titulado Empieza

La masa inicial del depósito de arena es igual a la masa de la arena más la masa del recipiente que lo contiene. Se ha tomado como masa del recipiente el 10% de la masa inicial de arena.

El programa interactivo no comienza si se cumple que μ·m0>M, se aconseja entonces, disminuir el valor del coeficiente de rozamiento μ.

Referencias

Sullivan P., Chaplin B, A system to change both mass and applied force. The Physics Teacher, Vol 37, May 1999, pp. 309-311

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