Rampas
¿Porqué las rampas son tan útiles?
¿Qué es más fácil?
Observaciones sobre rampas
• Es díficil levantar un peso directamente
• Es más fácil empujar un carro pesado por una rampa
• La facilidad depende de la inclinación de la rampa
• Rampas más graduales implican menor empuje
• Rampas más graduales implican mayor distancia
Preguntas sobre rampas
• ¿Porqué el carro no cae a través de la rampa?
• ¿El carro y la rampa se “empujan” mutuamente?
• ¿Porqué es más fácil empujar el carro por la rampa?
• ¿Hay alguna cantidad física que es constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinación?
Primera Pregunta
• ¿Porqué el carro no cae atravesando la rampa?
¿Porqué una pelota no cae a través de una mesa?
¿La mesa “empuja” la pelota?¿Cómo una fuerza hacia arriba previene la
caída?
Fuerzas Presentes
En la mesa debido al peso de la pelota (mg)
W=mg
En la pelota debido al soporte de la mesa (Fsoporte)
Fsoporte
Estas fuerzas son de la
misma magnitud
Fuerzas de soporte (Fsoporte)
• Previene que un objeto atraviese la superficie
• Apunta directamente hacia fuera de la superficie
¿Pero de dónde vienen las fuerzas de soporte?
• Depende…..
• Las moléculas se atraen unas a otras cuando están lejos (Fuerzas de Van der Waals)
Pero se repelen fuertemente cuando están lo suficientemente cerca debido al principio de exclusión de Pauli
¡El mismo principio que aprendimos en química! (servía para algo)
Sumando FuerzasEn 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
Concepto FísicoConcepto Físico
Fuerza Neta
– La suma de todas las fuerzas sobre un objeto.
– Determina la aceleración del objecto
F = m aUsar la fuerza total en la segunda ley
Sumar las siguientes fuerzas.
F = 50 N
F = 60 NF = 60 N
F = 50 N
45°
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?¿Cuál de los dos empuja más fuerte?
Tercera Pregunta:
¿Porqué es más fácil empujar el carro por la rampa?
¿Cuánta fuerza debe realizarse sobre el carro?
Una rampa hace que levantar la caja sea más fácil porque…
A. Se usa menos energía para levantar la cajaB. La rampa ejerce una fuerza sobre la cajaC. La rampa te permite usar ruedas
Fuerzas en una RampaFuerzas en una Rampa
Peso o mg
Fuerza de Soporte
o Fsoporte
Fuerza Neta sobre la rampa
Fuerza de la caja sobre la rampa, perpendicular a la misma
Y solamente hay que superar una fuerza más pequeña cuando se utiliza una rampa!
Peso o mg
Fuerza Soporte
Fuerza en la rampa del peso
Tenés que aplicar una fuerza menor que el peso para producir una aceleración
Cuarta pregunta: • ¿Hay alguna cantidad física que es
constante para cualquier viaje por la rampa independiente de la inclinación?
¿Qué cantidad física 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!
Trabajo y Potencia
Decimos que una fuerza ejerce un trabajo cuando el objeto considerado se mueve en dirección de la fuerza, la que transfiere energía de un objeto a otro
Solamente se considera trabajo al que realiza una fuerza en la dirección de movimiento. En la figura, solamente el componente en la dirección x de la fuerza F realiza un trabajo.
• No se realiza trabajo cuando no hay movimiento
• O cuando la fuerza aplicada es perpendicular al movimiento
Trabajo y Potencia
¿Qué tipo de energía se gana cuando se levanta un peso?
¿Qué fuerza actúa 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)
• ¿Qué factores determinan cuánta energía es necesaria?
• El tamaño 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
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) ¿Qué fuerza propulsora debe realizar el ciclista para viajar a velocidad constante?
• 2) ¿Cuánto trabajo debe realizar para cubrir 5m?
1) 5 N; 2) W= F * d = 5N * 5m = 25 J
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
Subiendo la montaña a velocidad constante de 8 km/h; el ciclista se ve transpirando más que en el llano. La masa del ciclista más la bicicleta es de 80 Kg. La computadora indica que la energía suministrada a la bici es de 185 J para cubrir 5 m.
5) ¿Cuanta energía se usa para subir?
6) ¿Cuánta altura se gana en los 5 m?
7) ¿Cuánta energía debería proveerse para subir a 16 km/h?
8) ¿Cuál es la fuerza retardante?
• 5) energía para subir = energía suministrada – energía disipada
• = 185 J – 25 J = 160 J• 6) Energía transferida = m x g x Δh• Δh = 160J/(80Kg*9,8 m/s2)= 0,2 m• 7) Energía suministrada= energía para
subir + energía disipada• = 160J + 40 J = 200 J• 8) Energía transferida = Fuerza x
distancia• F = 200 J/ 5 m = 40 N
Potencia
• La potencia es una medida de que tan rápido puede hacerse un trabajo
• Por ejemplo si un escalador y un caminador suben una montaña, el trabajo realizado será el mismo en ambos casos, pero la potencia desarrollada por el caminador será mayor ya que realiza el trabajo en menos tiempo.
Otro ejemplo de potencia• Supongamos que dos automóviles del mismo peso,
tienen diferente potencia, el segundo automóvil tiene 4 veces mayor potencia que el primero.
• Despreciando los factores como fricción y resistencia del aire, si el primer automóvil acelera de 0 a 100 km/h en 16 segundos, ¿en cuanto lo hará el segundo?
•El segundo automóvil tardará 4 veces menos (o sea 4 segundos), ya que su motor entrega energía 4 veces más rápido.•¿Cuál realizará mayor trabajo?
•El trabajo realizado será 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 máquina potente tiene FUERZA y VELOCIDAD
La unidad de potencia del sistema internacional queda definida por la ecuación:
P = W / t = J/s = Watt
P = F * v = N * m/s = J/s
Por razones históricas, se utiliza también el hp (“horsepower”) para describir la potencia. Un hp equivale a aproximadamente 750 W
Potencia de algunas cosasPotencia (W)
objeto, fenómeno, proceso, evento
3.6 × 1039 quasar típico
3.6 × 1026 El sol
1.25 × 1015 Láser más poderoso (Petawatt)
1.3 × 1013 Consumo humano total, global
3.2 × 1012 Consumo humano total, US
1.2 × 1010 Transbordador espacial en el lanzamiento
109 ~ 1010 La mayor planta de energía comercial
4.700.000 La locomotora más poderosa (GE AC6000 CW)
783.000 El camión más poderoso (Terex TR100)
468.000 El auto más poderoso (McLaren F1)
10.000 Máquina de vapor de Watt de 1788
746 1 hp
100 Humano, promedio diario
0,293 1 btu/h
18 × 10−6 Sonidos humanos durante el habla normal
Potencia de Actividades Humanas Varias
potencia actividad
800 Jugar basket
700 Ciclismo (21 km/h)
685 Subir escaleras (116 pasos/min)
545 Patinar (15 km/h)
475 Nadar (1,6 km/h)
440 Jugar tenis
400 Ciclismo (15 km/h)
265 Caminar (5 km/h)
210 Prestar atención sentado
125 Parado y descansando
120 Sentado y descansando
83 Dormir
0,001 Sonido producido por la voz
Más 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. ¿Quién realiza más trabajo? ¿Cuál 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 más rápido.
La cuenta de la luz se expresa normalmente en kilowatt – hora. Un kw-hr es la cantidad de energía entregada por el flujo de 1 kw de electricidad durante el transcurso de una hora. Use factores de conversión para mostrar cuantos Joules de energía obtenemos cuando compramos 1 kw – hr de electricidad.
1 kJ/s * hr * (3600 s/ hr) * (1000 J /1KJ) = 3.600.000 J
El anuncio de un aire acondicionado ofrece una potencia de enfriamiento de 2200 frigorías ¿ Esta afirmación es correcta ?
Si suponemos que 1 watt proporciona 0,86 “frigorías”;¿Cuál es el consumo horario en kw-hr ? ¿Cuántas lamparitas de 100 W pueden hacerse funcionar durante una hora con una hora de consumo de este aparato? ¿Cuánto se gastará en hacerlo funcionar durante el verano (90días) durante 8hs/día, si el costo del kw-hr es de $ 0.219?
Un adulto típico consume 2000 kcal por día de comida. Determinar la potencia promedio generada por esta persona, suponiendo que no pierde ni gana peso.
Camión Terex
a
McLaren F1
a
Láser Petawatt
a
Tren
a