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ACTIVIDAD Nº 4 : Modelo de un Saltador

 

 

 

 

En la figura, se muestra de forma esquemática la evolución temporal de un salto. El saltador parte de la posición erguida, hace un movimiento hacia abajo flexionando las rodillas y salta. La energía de los músculos en tensión se convierte primero en energía cinética y a continuación, en energía potencial cuando el saltador alcanza la máxima altura.

En esta página, se estudia un modelo simple de saltador consistente en dos partículas de masas m (superior) y M (inferior) unidas por un muelle elástico de constante k en posición vertical. Este modelo nos permite continuar con el estudio de la dinámica de un sistema de partículas. Recordaremos de nuevo que:

El movimiento de cada partícula está determinado por la acción de las fuerzas exteriores al sistema y de las fuerzas que ejercen las otras partículas del sistema sobre la partícula considerada.

El centro de masas de un sistema de partículas se mueve como si fuera una partícula de masa igual a la masa total del sistema bajo la acción de la resultante de las fuerzas exteriores aplicadas al sistema.

 

Descripción

Situación inicial.

El muelle tiene una longitud l cuando no está deformado. Si lo colocamos en posición vertical con la partícula de masa m situada en la parte superior, el muelle se comprime.

La partícula de masa m está en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas, el peso mg y la fuerza que ejerce el muelle deformado k(l-x), tal como apreciamos en la figura.

mg = k(l-x)

La deformación del muelle es por tanto, l-x = mg/k. Donde x es la posición de la partícula superior con respecto al origen situado en el suelo.

Comprimimos el muelle una longitud adicional d, y lo soltamos. La posición inicial de la partícula de masa m es x=l-mg/k-d, y su velocidad inicial dx/dt=0.

Energías

Estableciendo el nivel cero de la energía potencial en el suelo. La energía inicial del sistema de partículas se compone de dos términos:

  • La energía potencial elástica del muelle deformado d+mg/k

  • La energía potencial de la partícula de masa m, que está a una altura x=l-mg/k-d  sobre el suelo

La energía inicial E0 del sistema de partículas es

Una vez que se suelta el muelle, después de haberse comprimido, observaremos el movimiento de cada una de las partículas y el centro de masas (c.m.) del sistema, que consta de dos etapas:

1.      Cuando la partícula inferior de masa M está en contacto con el suelo y por tanto, en reposo.

2.      Cuando la partícula de masa M deja de tener contacto con el suelo.

Primera fase del movimiento

Las fuerzas que actúan sobre el sistema de partículas son exteriores al sistema e interiores

·        La reacción N del suelo sobre la cual se apoya la partícula inferior, y las fuerzas de atracción gravitatoria, el peso de las partículas mg y Mg

·        Las fuerzas de interacción mutua F=k(l-x) iguales y de sentido contrario tal como se muestra en la figura.

  • Dinámica de la partícula superior (de masa m)

Sobre esta partícula actúan las siguientes fuerzas

·        Su peso mg

·        La fuerza que ejerce el muelle deformado k(l-x). Siendo x la posición de la partícula

La ecuación del movimiento es

Esta ecuación se puede escribir

La solución de esta ecuación diferencial, como puede comprobarse por simple sustitución, es de la forma

Las constantes A y B se calculan a partir de las condiciones iniciales. En el instante t=0, la posición de la partícula superior es x=l-mg/k-d, y su velocidad es dx/dt=0. La posición de la partícula superior (de masa m) en función del tiempo es

Su velocidad es vm= d·ω1·sen1·t)

  • Partícula inferior (de masa M)

Sobre la partícula inferior actúan las siguientes fuerzas:

·        El peso Mg

·        La fuerza N que ejerce el suelo

·        La fuerza que ejerce el muelle deformado k(l-x)

La partícula inferior está en equilibrio en el origen

N = Mg+k(l-x) = (m+M)g+kd·cos(ω1·t)

  • Centro de masa (c.m.)

La posición y velocidad del c.m. es

Final de la primera fase del movimiento.

Se acaba la primera fase, cuando la partícula inferior (de masa M) deja de tener contacto con el suelo, la reacción N es cero. Esto ocurre en el instante t0 tal que

Como el coseno no puede ser mayor que la unidad en valor absoluto, para que N sea cero, se tiene que cumplir que

(m+M)g ≤ kd

La deformación adicional d que le damos al muelle cuando lo comprimimos tiene que se suficientemente grande para que se cumpla la desigualdad anterior. En el caso de que no se cumpla, la partícula inferior permanece en reposo en el origen, y la partícula superior describe un Movimiento Armónico Simple de amplitud d.

Si se cumple la desigualdad, en el instante t0

  • La posición de la partícula superior es x = l+Mg/k su velocidad es vm = 1·sen1·t0)
  • La posición de la partícula inferior es y = 0, su velocidad es vM = 0

La posición y velocidad del c.m. son respectivamente

Energías

Para un sistema de partículas

Wext = Uf-Ui

La fuerza exterior N no realiza trabajo, ya que actúa sobre una partícula que está en reposo. El peso es una fuerza conservativa por lo que el trabajo de la fuerza exterior peso es igual a la diferencia entre de energía potencial inicial y la final

Wext = Epi-Epf

Tenemos por tanto que

Ui+Epi = Uf+Epf = cte

La energía U del sistema de partículas es la suma de la energía cinética de las dos partículas más la energía potencial que describe la interacción entre ambas partículas.

La partícula inferior de masa M está en el origen, en reposo. La posición de la partícula superior (de masa m) es x, y su velocidad es dx/dt, la deformación del muelle es l-x. El principio de conservación de la energía para este sistema de partículas se escribe.

La energía E1 del sistema de partículas cuando termina la primera fase del movimiento, está formada por tres términos:

  • La energía potencial de la partícula superior de masa m, que está en la posición x = l+Mg/k
  • La energía cinética de la partícula superior que lleva una velocidad vm = 1·sen1·t0)
  • La energía elástica del muelle que se ha deformado una longitud l-x = -Mg/k

Haciendo algunas operaciones se comprueba que la energía E1 al final de la primera etapa es igual a la energía inicial E0.

Impulso y momento lineal  

·        El momento lineal inicial del sistema es cero

·        El momento lineal final del sistema es m·vm.

La resultante de las fuerzas exteriores N-mg-Mg, actúa durante un tiempo t0. Su impulso produce un cambio en el momento lineal total del sistema m·vm.

Segunda fase del movimiento

En esta fase del movimiento la fuerza exterior N es nula y sobre cada una de las partículas actúa una fuerza interna F = k(l-(x-y)) y una fuerza exterior que es su peso. Donde (x-y) es la longitud del muelle deformado y l es la longitud del muelle sin deformar.

Las ecuaciones del movimiento son por tanto,

  • Movimiento del c.m. del sistema de partículas

Si sumamos las dos ecuaciones tenemos

donde z es la posición del centro de masas

El centro de masas se mueve como una partícula cuya masa es igual a la total del sistema (m+M) sobre la cual actúa la resultante de las fuerzas externas (m+M)g

Como la aceleración del c.m. es constante e igual a g, su movimiento es uniformemente acelerado. Su posición inicial z0 y velocidad inicial v0 en el instante t0, la hemos calculado en el aparatado anterior

las ecuaciones del movimiento del centro de masa son

  • Movimiento relativo de las dos partículas

Multiplicando la primera ecuación diferencial por M y la segunda por m y restando ambas ecuaciones diferenciales obtenemos.

o bien

donde ξ=x-y es la posición relativa de las dos partículas. Siendo μ=mM/(m+M) la masa reducida del sistema formado por las dos partículas, llegamos a la siguiente ecuación diferencial.

La solución de esta ecuación diferencial, como puede comprobarse por simple sustitución es

Las constantes A y B se determinan a partir de las condiciones iniciales.

En el instante t=t0,

·         la posición de las partículas es x=l+Mg/k, y=0, por lo que ξ=x-y=l+Mg/k.

·        la velocidad inicial de las partículas es dx/dt=ω1sen(ω1t0), dy/dt=0, por lo que dξ/dt= ω1sen1t0).

La ecuación del movimiento relativo de las dos partículas es

Ecuación del movimiento de cada una de las partículas

Conocemos la posición del c.m. z y la posición relativa ξ=x-y de las partículas en función del tiempo. Del sistema de dos ecuaciones despejamos x e y.

Energías

La energía en el instante t>t0 se compone de la suma de los siguientes términos:

  • La energía potencial de la partícula superior de masa m, que está en la posición x
  • La energía cinética de la partícula superior que lleva una velocidad dx/dt
  • La energía potencial de la partícula inferior de masa M, que está en la posición y
  • La energía cinética de la partícula inferior que lleva una velocidad dy/dt
  • La energía elástica del muelle que se ha deformado una longitud l-(x-y)

Haciendo operaciones y simplificaciones podemos comprobar que la energía E2 es igual a la energía inicial E0.

 

Actividades

Se introduce:

  • La masa m de la partícula situada en la parte superior (en color rojo) en el control de edición titulado Masa arriba.
  • La masa M de la partícula situada en la parte inferior (en color azul), en el control de edición titulado Masa abajo.
  • La constante k del muelle elástico, en el control de edición titulado Constante muelle.
  • La longitud l del muelle sin deformar está fijada por el programa interactivo en 0.5 m

Se pulsa el botón titulado Inicio.

El muelle se comprime debido al peso de la partícula de masa m, situado encima.

Actuando con el puntero del ratón sobre la partícula de color rojo, comprimimos el muelle una longitud adicional d.

Se pulsa el botón titulado Empieza

Observamos el movimiento de las dos partículas (roja y azul) y la del centro de masa del sistema (en color negro). Podemos distinguir las dos etapas del movimiento:

  • En la primera etapa, la partícula situada en la parte inferior (color azul) está en reposo en contacto con el suelo. Una flecha de color negro, señala la fuerza N, que ejerce la pared sobre el sistema.
  • En la segunda etapa, observamos el movimiento de las partículas bajo la acción de su propio peso y de la fuerza que describe su interacción mutua.

Ejemplo:

  • la masa de la partícula superior m=4 kg
  • la masa de la partícula inferior M=1 kg
  • la constante elástica del muelle k=750 N/m

Se pulsa el botón titulado Inicio

El peso de la partícula superior comprime el muelle mg/k=0.052 m. La posición de dicha partícula es x=l-mg/k=0.45 m.

Se comprime el muelle una distancia d=0.2 m, hasta que la posición de la partícula superior sea x=0.25 m.

Se pulsa el botón titulado Empieza

La frecuencia angular ω1 vale

La partícula inferior deja de tener contacto con el suelo N=0, en el instante t0.

La posición del c.m. en dicho instante es

La velocidad del c.m. en dicho instante es

El centro de masas alcanza la altura máxima en el instante t tal que v=0

0=v0-g·(t-t0)

En el instante t=0.23+0.12=0.35 s el c.m. alcanza la altura máxima de

z=z0+v0(t-t0)-g(t-t0)2/2

z=0.66 m

La frecuencia angular ω2 vale

La posición relativa ξ=x-y de las partículas se calcula mediante la expresión

Conocida la posición z del c.m y la posición relativa ξ de las partículas podemos calcular la posición de cada una de ellas.

Conocida la posición de las dos partículas calculamos la posición del c.m.

 

stokesApplet aparecerá en un explorador compatible con JDK 1.1.

Se pulsa el botón Inicio, con el puntero del ratón se arrastra el pequeño cuadrado de color rojo, se pulsa Empieza

Referencias

Dufresne R., Gerace W., Leonard W. Springbok: The Physics of jumping. The Physics Teacher Vol 39, February 2001, pp. 109-115