2.E: Dinámica (Ejercicio)

Preguntas Conceptuales

3.1: Desarrollo del Concepto de Fuerza

1. Proponer un estándar de fuerza diferente al ejemplo de un resorte estirado discutido en el texto. Su estándar debe ser capaz de producir la misma fuerza repetidamente.

2. ¿Qué propiedades tienen las fuerzas que nos permiten clasificarlas como vectores?

3.2: Primera Ley del Movimiento de Newton- Inercia

3. ¿Cómo se relacionan la inercia y la masa?

4. ¿Cuál es la relación entre peso y masa? ¿Cuál es una propiedad intrínseca e inmutable de un cuerpo?

3.3: Segunda Ley del Movimiento de Newton: Fuerza y Aceleración

5. ¿Qué afirmación es correcta? a) La fuerza neta provoca movimiento. b) La fuerza neta provoca cambios en el movimiento. Explica tu respuesta y da un ejemplo.

6. ¿Por qué podemos descuidar fuerzas como las que sostienen un cuerpo unido cuando aplicamos la segunda ley de movimiento de Newton?

7. Explique cómo la elección del “sistema de interés” afecta a qué fuerzas se deben considerar al aplicar la segunda ley de movimiento de Newton.

8. Describir una situación en la que la fuerza externa neta sobre un sistema no es cero, sin embargo su velocidad permanece constante.

9. Un sistema puede tener una velocidad distinta de cero mientras que la fuerza externa neta sobre él es cero. Describir tal situación.

10. Una roca es arrojada hacia arriba. ¿Cuál es la fuerza externa neta que actúa sobre la roca cuando está en la cima de su trayectoria?

11. a) Dar un ejemplo de diferentes fuerzas externas netas que actúan sobre un mismo sistema para producir diferentes aceleraciones. b) Dar un ejemplo de la misma fuerza externa neta que actúa sobre sistemas de diferentes masas, produciendo diferentes aceleraciones. c) ¿Qué ley describe con precisión ambos efectos? Declararlo en palabras y como una ecuación.

12. Si la aceleración de un sistema es cero, ¿no actúan sobre él fuerzas externas? ¿Qué pasa con las fuerzas internas? Explique sus respuestas.

13. Si se aplica una fuerza constante distinta de cero a un objeto, ¿qué se puede decir de la velocidad y aceleración del objeto?

14. Se ignora la fuerza gravitacional sobre la básquetbol en Figura\(\PageIndex{1}\). Cuando se toma en cuenta la gravedad, ¿cuál es la dirección de la fuerza externa neta sobre el baloncesto—por encima de la horizontal, por debajo de la horizontal o aún horizontal?

Figura\(\PageIndex{1}\): La misma fuerza ejercida sobre sistemas de diferentes masas produce diferentes aceleraciones. (a) Un jugador de basquetbol empuja a un basquetbol para hacer un pase. (Se ignora el efecto de la gravedad sobre la pelota). (b) El mismo jugador ejerce una fuerza idéntica sobre un SUV estancado y produce una aceleración mucho menor (incluso si la fricción es insignificante). c) Los diagramas de cuerpo libre son idénticos, lo que permite la comparación directa de las dos situaciones. Una serie de patrones para el diagrama de cuerpo libre surgirán a medida que hagas más problemas.

3.4: Tercera Ley del Movimiento de Newton- Simetría en las Fuerzas

15. Cuando despegas en un avión a reacción, hay una sensación de ser empujado hacia atrás en el asiento. Explica por qué te mueves hacia atrás en el asiento, ¿realmente hay una fuerza hacia atrás sobre ti? (El mismo razonamiento explica las lesiones por latigazo cervical, en las que aparentemente la cabeza es arrojada hacia atrás).

16. Un dispositivo utilizado desde la década de 1940 para medir la patada o retroceso del cuerpo debido a los latidos cardíacos es el “ballistocardiógrafo”. ¿Qué principio o principios físicos están involucrados aquí para medir la fuerza de la contracción cardíaca? ¿Cómo podríamos construir tal dispositivo?

17. Describir una situación en la que un sistema ejerce una fuerza sobre otro y, como consecuencia, experimenta una fuerza que es igual en magnitud y opuesta en dirección. ¿Cuál de las leyes de movimiento de Newton se aplica?

18. ¿Por qué un rifle ordinario retrocede (patea hacia atrás) cuando se dispara? El cañón de un rifle sin retroceso está abierto en ambos extremos. Describa cómo se aplica la tercera ley de Newton cuando uno es despedido. ¿Puedes estar seguro cerca de uno cuando es disparado?

19. Un liniero de fútbol americano razona que no tiene sentido tratar de sacar al jugador contrario, ya que por muy duro que empuje experimentará una fuerza igual y opuesta del otro jugador. Usa las leyes de Newton y dibuja un diagrama de cuerpo libre de un sistema apropiado para explicar cómo todavía puede superar a la oposición si es lo suficientemente fuerte.

20. La tercera ley del movimiento de Newton nos dice que las fuerzas siempre ocurren en pares de igual y opuesta magnitud. Explique cómo la elección del “sistema de interés” afecta a si uno de esos pares de fuerzas cancela.

3.5: Fuerza y tensión normales

21. Encuentra al menos un ejemplo de cada caso a partir de experiencias cotidianas (¡encuentra un ejemplo que no esté en el libro de texto!) : a) una situación en la que la fuerza normal sobre una persona sea igual al peso de la persona, b) una situación en la que la fuerza normal sobre una persona sea mayor que el peso de la persona, y c) una situación en la que la fuerza normal sobre una persona sea menor que el peso de la persona. Además, puedes encontrar un ejemplo (¡eso no está en el libro de texto!) que abarca cada uno de los tres casos, dependiendo de las circunstancias cambiantes?

22. Como se señala en el texto, la fuerza normal y la fuerza de tensión sólo pueden actuar en una dirección: la fuerza normal sólo puede empujar, y la fuerza de tensión sólo puede tirar. El valor numérico de la fuerza en estas direcciones dadas está determinado por qué fuerza es necesaria para mantener un cuerpo en el estado de movimiento observado (ya sea no acelerando, en presencia de otras fuerzas, o acelerando a un ritmo determinado). Bajo ciertas condiciones, la fuerza normal iría a cero (pero no negativa, ya que la dirección no puede revertirse), como lo haría la fuerza de tensión.

23. Explica cualitativamente lo que verías como: (a) la fuerza normal va a cero, y (b) la fuerza de tensión va a cero.

3.6: Fuerza de Muelle- Ley de Hooke

24. Describir un sistema que sufre una oscilación bajo la fuerza legal de un Hooke.

25. Imagínese un objeto bajo una fuerza hipotética comportándose de manera opuesta a la fuerza legal de Hooke. Es decir, en lugar de restaurar la fuerza (\(F=-k x\), con el signo negativo indicando que la fuerza actúa en sentido opuesto al desplazamiento), la fuerza refuerza un desplazamiento inicial:\(F=+k x\). ¿Qué pasaría con este objeto si se coloca en el equilibrio (\(x=0\)) y luego muy ligeramente perturbado?

3.7: Fricción

26. Definir la fuerza normal. ¿Cuál es su relación con la fricción cuando la fricción se comporta de manera simple?

27. El pegamento en un trozo de cinta puede ejercer fuerzas. ¿Estas fuerzas pueden ser un tipo de fricción simple? Explique, considerando especialmente que la cinta puede pegarse a paredes verticales e incluso a techos.

28. Cuando aprendes a conducir, descubres que necesitas soltar ligeramente el pedal del freno a medida que llegas a una parada o el auto se detendrá con un imbécil. Explique esto en términos de la relación entre fricción estática y cinética.

29. Cuando empujas un trozo de tiza sobre una pizarra, a veces chilla porque rápidamente alterna entre deslizarse y pegarse a la tabla. Describir este proceso con más detalle, en particular explicando cómo se relaciona con el hecho de que la fricción cinética es menor que la fricción estática. (El mismo proceso de deslizamiento y agarre ocurre cuando las llantas chillan en el pavimento).

3.8: Ley Universal de Gravitación de Newton

30. Una vez se pensó que la acción a distancia, como es el caso de la gravedad, era ilógica y, por tanto, no cierta. ¿Cuál es el determinante último de la verdad en la física y por qué se aceptó en última instancia esta acción?

31. Dos amigos están teniendo una conversación. Anna dice que un satélite en órbita está en caída libre porque el satélite sigue cayendo hacia la Tierra. Tom dice que un satélite en órbita no está en caída libre porque la aceleración debida a la gravedad no lo está\(9.80 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2}\). ¿Con quién estás de acuerdo y por qué?

32. Las leyes del movimiento y la gravedad de Newton fueron de las primeras en demostrar de manera convincente la simplicidad subyacente y la unidad en la naturaleza. Desde entonces se han descubierto muchos otros ejemplos, y ahora esperamos encontrar tal orden subyacente en situaciones complejas. ¿Hay pruebas de que ese orden siempre se encontrará en nuevas exploraciones?

3.9: Fuerza centrípeta

33. Si desea reducir el estrés (que está relacionado con la fuerza centrípeta) en llantas de alta velocidad, ¿usaría llantas de diámetro grande o pequeño? Explique.

34. Definir la fuerza centrípeta. ¿Puede algún tipo de fuerza (por ejemplo, tensión, fuerza gravitacional, fricción, etc.) ser una fuerza centrípeta? ¿Puede alguna combinación de fuerzas ser una fuerza centrípeta?

35. Si la fuerza centrípeta se dirige hacia el centro, ¿por qué sientes que te 'tiran' lejos del centro mientras un automóvil gira alrededor de una curva? Explique.

36. Los pilotos de autos de carreras cortan esquinas de forma rutinaria como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Explique cómo esto permite tomar la curva a la mayor velocidad.

Figura\(\PageIndex{2}\): Se muestran dos caminos alrededor de una curva de pista de carreras. Los pilotos de autos de carreras tomarán el camino interior (llamado cortar la esquina) siempre que sea posible porque les permite tomar la curva a la velocidad más alta.

 

37. Varios parques de diversiones tienen atracciones que hacen bucles verticales como el que se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Por seguridad, los autos se sujetan a los rieles de tal manera que no pueden caerse. Si el carro va por encima de la parte superior a la velocidad justa, la gravedad por sí sola suministrará la fuerza centrípeta. Qué otra fuerza actúa y cuál es su dirección si:

(a) ¿El auto va por encima de la cima a una velocidad más rápida que esta?

(b) ¿El auto va por encima de la cima a menor velocidad que esta?

Figura\(\PageIndex{3}\): Las atracciones con bucle vertical son un ejemplo de una forma de movimiento curvo.

38. Cuál es la dirección de la fuerza ejercida por el automóvil sobre el pasajero a medida que el automóvil pasa por encima de la parte superior del paseo de diversión que se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) bajo las siguientes circunstancias:

a) ¿El carro pasa por la cima a tal velocidad que la fuerza gravitacional es la única fuerza que actúa?

(b) ¿El auto va por encima de la cima más rápido que esta velocidad?

(c) ¿El auto va por encima más lento que esta velocidad?

39. Supongamos que un niño está montando en un tiovivo a una distancia aproximadamente a medio camino entre su centro y borde. Ella tiene una lonchera apoyada sobre papel encerado, por lo que hay muy poca fricción entre ésta y el tiovivo. ¿Qué camino que se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) tomará la lonchera cuando la suelte? La lonchera deja un rastro en el polvo en el tiovivo. ¿Ese sendero es recto, curvo a la izquierda o curvo a la derecha? Explica tu respuesta.

Figura\(\PageIndex{4}\): Una niña que monta en un tiovivo libera su lonchera en el punto P. Esta es una vista desde arriba de la rotación en sentido horario. Asumiendo que se desliza con una fricción insignificante, ¿seguirá el camino A, B o C, visto desde el marco de referencia de la Tierra? ¿Cuál será la forma del camino que deja en el polvo del carrusel?

40. ¿Te sientes arrojado a ambos lados cuando negocias una curva que es ideal para la velocidad de tu auto? ¿Cuál es la dirección de la fuerza que ejerce sobre ti el asiento para el automóvil?

41. Supongamos que una masa se mueve en una trayectoria circular sobre una tabla sin fricción como se muestra en la figura. En el marco de referencia de la Tierra, no hay fuerza centrífuga que estire la masa lejos del centro de rotación, sin embargo, existe una fuerza muy real que estira la cuerda sujetando la masa al clavo. Utilizando conceptos relacionados con la fuerza centrípeta y la tercera ley de Newton, se explica qué fuerza estira la cuerda, identificando su origen físico.

Figura\(\PageIndex{5}\): Una masa unida a un clavo en una mesa sin fricción se mueve en un recorrido circular. La fuerza que estira la cuerda es real y no ficticia. ¿Cuál es el origen físico de la fuerza sobre la cuerda?