2.5: Ejemplos
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
Ejemplo2.5.1: Movimiento con aceleración constante por tramos
Construir los gráficos de posición vs. tiempo, velocidad vs tiempo y aceleración vs tiempo para el movimiento que se describe a continuación. Para cada uno de los intervalos (a) — (d) necesitarás averiguar la posición (altura) y la velocidad del cohete al principio y al final del intervalo, y la aceleración para el intervalo. Además, para el intervalo (b) es necesario averiguar la altura máxima alcanzada por el cohete y el momento en que ocurre. Para el intervalo (d) es necesario averiguar su duración, es decir, el momento en el que el cohete golpea el suelo.
- Un cohete es disparado hacia arriba, acelerando desde el reposo hasta una velocidad final de 20 m/s en 1 s mientras quema su combustible. (Trate la aceleración como constante durante este intervalo.)
- Det = 1 s at = 4 s, con el combustible agotado, el cohete vuela solo bajo la influencia de la gravedad. En algún momento durante este intervalo de tiempo (¡necesitas averiguar cuándo!) deja de subir y comienza a caer.
- At = 4 s se abre un paracaídas, provocando repentinamente una aceleración ascendente (nuevamente, trátelo como constante) que dura 1 s; al final de este intervalo, la velocidad del cohete es de 5 m/s hacia abajo.
- La última parte del movimiento, con el paracaídas desplegado, es con velocidad constante de 5 m/s hacia abajo hasta que el cohete golpea el suelo.
Solución
(a) Para este primer intervalo (para lo cual voy a utilizar un subíndice “1” a lo largo) tenemos
\ [\ Delta y_ {1} =\ frac {1} {2} a_ {1}\ izquierda (\ Delta t_ {1}\ derecha) ^ {2}\ etiqueta {eq:2.18}\]
usando la ecuación (2.2.6) para movimiento con aceleración constante con velocidad inicial cero ( estoy usando la variabley, en lugar dex, para la coordenada vertical; esto es más o menos habitual, pero, por supuesto, podría haber usadox igual de bien).
Dado que la aceleración es constante, es igual a su valor promedio:
\ [a_ {1} =\ frac {\ Delta v} {\ Delta t} =20\:\ frac {\ mathrm {m}} {\ mathrm {s} ^ {2}}\ nonumber.\]
Sustituyendo esto en (\ ref {eq:2.18}) obtenemos la altura at = 1 s es de 10 m. La velocidad en ese momento, por supuesto, esvf1 = 20 m/s, como nos dijeron en el enunciado del problema.
(b) Esta parte es de caída libre con velocidad inicialvi2 = 20 m/s Para encontrar qué tan alto sube el cohete, use la Ecuación (2.3.1) en la formavtop−vi2=−g(ttop−ti2), con vtop=0 (a medida que el cohete sube, su velocidad disminuye, y deja de subir cuando su velocidad es cero). Esto nos da ttop = 3.04 s como el momento en el que el cohete alcanza la cima de su trayectoria, y luego comienza a bajar. El desplazamiento correspondiente es, por la Ecuación (2.3.2),
\ [\ Delta y_ {t o p} =v_ {i 2}\ izquierda (t_ {t o p} -t_ {i 2}\ derecha) -\ frac {1} {2} g\ izquierda (t_ {t o p} -t_ {i 2}\ derecha) ^ {2} =20.4\:\ mathrm {m}\ noner\]
por lo que la altura máxima que alcanza es de 30.4 m.
Al final del intervalo completo de 3 segundos, el desplazamiento del cohete es
\ [\ Delta y_ {2} =v_ {i 2}\ Delta t_ {2} -\ frac {1} {2} g\ izquierda (\ Delta t_ {2}\ derecha) ^ {2} =15.9\:\ mathrm {m} \ nonumber\]
(por lo que su altura es 25.9 m sobre el suelo), y la velocidad final es
\ [v_ {f 2} =v_ {i 2} -g\ Delta t_ {2} =-9.43\:\ frac {\ mathrm {m}} {\ mathrm {s}}\ nonumber.\]
(c) La aceleración para esta parte es(vf3−vi3)/Δt3 = (−5 + 9.43) /1=4.43 m/s 2. Anote el signo positivo. El desplazamiento es
\ [\ Delta y_ {3} =-9.43\ times 1+\ frac {1} {2}\ times 4.43\ times 1^ {2} =-7.22\:\ mathrm {m} \ nonumber\]
por lo que la altura final es 25.9 − 7.21 = 18.7 m.
(d) Esto es solo movimiento con velocidad constante para cubrir 18.7 m a 5 m/s. El tiempo que tarda es de 3.74 s. Las gráficas para este movimiento se muestran anteriormente en el capítulo, en la Figura 2.2.3.