Commit 57e482a4 authored by Claude Meny's avatar Claude Meny

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![](img\media\image1.jpg){width="2.310416666666667in"
height="1.5118055555555556in"} Département STPI
1^ère^ année
1^er^ semestre
<!--
Première année
Premier semestre
UF Physique (I1ANPH21)
-->
**Mecánica del punto material**
### Mecánica del punto material
**EJERCICIOS**
<!--*AÑO ACADEMICO 2016-2017*-->
**AÑO ACADEMICO 2016-2017**
##### **EJERCICIOS**
Para más ejercicios consultar los libros especializados disponibles a la
Bib'INSA.
......@@ -30,462 +26,479 @@ Mécanique du point aux éditions DUNOD d'A. Gibaud et M. Henry
Mécanique fondements et applications aux éditions MASSON de J-P. Pérez
**\
**
**Ejercicio 1: Análisis Vectorial**
##### *Ejercicio 1 :* **Análisis Vectorial**
<!-- ![](img\media\image2.png)
{width="3.609722222222222in" height="3.692361111111111in"}-->
![](img\media\image2.png){width="3.609722222222222in"
height="3.692361111111111in"}Consideramos un espacio tridimensional
Consideramos un espacio tridimensional
descrito por un sistema de referencia cartesiano
$'\mathcal{R}(0,{\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y},{\overrightarrow{e}}_{z},t)'$.
El vector $'{\overrightarrow{e}}_{r}\'$es unitario y su dirección está
definida por los ángulos $'\theta'$ et $'\text{φ\ }'$(ver la figura). Los
vectores $'\overrightarrow{r}'$ y $'{\overrightarrow{e}}_{r}'$ son
$`\mathcal{R}(0,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}, \overrightarrow{e_z},t)`$.
El vector $`\overrightarrow{e_r}`$ es unitario y su dirección está
definida por los ángulos $`\theta`$ et $`\varphi`$ (ver la figura). Los
vectores $`\overrightarrow{r}`$ y $`\overrightarrow{e_r}`$ son
paralelos. El vector
$'{\overrightarrow{r}}^{'} = r'{\overrightarrow{e}}_{r}'$ es la
proyección de $'\overrightarrow{r}'$ en el plano (0,x,y).
$`\overrightarrow{r'}= r'\,\overrightarrow{e_r}`$ es la
proyección de $`\overrightarrow{r}`$ en el plano $`(0,x,y)`$.
1) Expresar la proyección del vector $\overrightarrow{\text{r\ }}$en
dirección $'{\overrightarrow{e}}_{z}'$ et $'{\overrightarrow{e}}_{r}'$
en función de *r* et $'\theta$'.
1. Expresar la proyección del vector $`\overrightarrow{r}`$ en
dirección $`\overrightarrow{e_z}`$ y $`\overrightarrow{e_r}`$
en función de $`r`$ et $`\theta`$.
2) Expresar la proyección del vector$'\ \overrightarrow{\text{r\ }}'$ en
2. Expresar la proyección del vecto $`\overrightarrow{r}`$ en
dirección
$'{\overrightarrow{\text{\ e}}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y},{\overrightarrow{e}}_{z}\ '$en
función de *r,* $'\theta'$ et $'\varphi'$.
$`\overrightarrow{e_x}, \overrightarrow{e_y}, \overrightarrow{e_z}`$ en
función de $`r`$, $`\theta`$ et $`\varphi`$.
3\) Calcular el producto escalar
$'{\overrightarrow{e}}_{x}.{\overrightarrow{e}}_{r}'$ utilizando un
3. Calcular el producto escalar
$`\overrightarrow{x}\cdot\overrightarrow{e_r}`$ utilizando un
método geométrico. Obtener el mismo resultado utilizando las componentes
de los dos vectores.
4) ¿En el caso $'\theta = \frac{\pi}{4}'$ et $'\varphi = \frac{\pi}{3}'$
cuál es el ángulo $'\text{\ γ}'$, en grados, entre los vectores
$'{\overrightarrow{e}}_{x}'$ y $'{\overrightarrow{e}}_{r}'$?
5) Calcular los productos vectoriales siguientes:
$'{\overrightarrow{e}}_{x} \land {\overrightarrow{e}}_{z}'$ ;
$'{\overrightarrow{e}}_{z} \land {\overrightarrow{e}}_{x}'$ ;
$'{\overrightarrow{e}}_{y} \land {\overrightarrow{e}}_{x}\ '$;
$'{\overrightarrow{e}}_{x} \land {\overrightarrow{r}}^{'}\ '$y
$'\overrightarrow{r} \land {\overrightarrow{r}}^{'}\ '$
6) Consideramos que el ángulo $\varphi$ es función del tiempo
$\varphi = 2.t + 1$ y que el ángulo $\theta$ y la distancia *r* son
de los dos vectores.`
4. ¿En el caso $`\theta = \dfrac{\pi}{4}`$ y $`\varphi = \dfrac{\pi}{3}`$,
cuál es el ángulo $`\gamma`$, en grados, entre los vectores
$`\overrightarrow{e_x}`$ y $`\overrightarrow{e_r}`$?
5. Calcular los productos vectoriales siguientes :
$`\overrightarrow{e_x} \land \overrightarrow{e_z}\quad`$ ;
$`\quad\overrightarrow{e_z} \land \overrightarrow{e_x}\quad`$ ;
$`\quad\overrightarrow{e_y} \land \overrightarrow{e_x}\quad`$ ;
$`\quad\overrightarrow{e_x} \land \overrightarrow{r'}\quad`$ ,
$`\quad\overrightarrow{r} \land \overrightarrow{r'}`$
6. Consideramos que el ángulo $`\varphi`$ es función del tiempo
$`\varphi = 2.t + 1`$ y que el ángulo $`\theta`$ y la distancia $`r`$ son
constantes. Calcular la expresión
$\frac{d{\overrightarrow{e}}_{r}'\ }{\text{dt}}$ analíticamente,
$`\dfrac{d \overrightarrow{e_r}'}{dt}`$ analíticamente,
utilizando las componentes cartesianas de los vectores.
7) Obtener geométricamente el mismo resultado. ¿Qué podemos deducir
sobre $\frac{d{\overrightarrow{e}}_{r}'\ }{\text{dt}}$ et
${\overrightarrow{e}}_{r}'$ considerando el hecho que el modulo de
${\overrightarrow{e}}_{r}'$ es unitario? Utilizar estas
7. Obtener geométricamente el mismo resultado. ¿Qué podemos deducir
sobre $`\dfrac{d\overrightarrow{e_r}'}{dt}`$ et
$`\overrightarrow{e_r}`$ considerando el hecho que el modulo de
$`\overrightarrow{e_r}`$ es unitario? Utilizar estas
consideraciones para calcular geométricamente el valor de
$\frac{d{\overrightarrow{e}}_{r}'\ }{\text{dt}}$.
$`\dfrac{d\overrightarrow{e_r}'}{dt}`$.
8) Calcular el producto vectorial
$\overrightarrow{\omega} \land {\overrightarrow{e}}_{r}^{'}\ $con
$\overrightarrow{\omega} = \frac{\text{dφ}}{\text{dt}}{\overrightarrow{e}}_{z}$ .
8. Calcular el producto vectorial
$`\overrightarrow{\omega} \land \overrightarrow{e_r}'`$, con
$`\overrightarrow{\omega} = \dfrac{d\varphi}{dt} \overrightarrow{e_z}`$.
¿Cómo podemos explicar este resultado?
9) Calcular $\frac{d\overrightarrow{r}\ }{\text{dt}}$ utilizando uno de
9. Calcular $`\dfrac{d\overrightarrow{r}}{dt}`$ utilizando uno de
los métodos posibles.
10) Definimos el vector
$\overrightarrow{v} = 3.f\left( t \right).{\overrightarrow{e}}_{x} + 5.g\left( t \right)\text{.t.}{\overrightarrow{e}}_{y} - \frac{k}{f\left( t \right)}.{\overrightarrow{e}}_{z}\ \text{con\ }f\left( t \right) = 3.t,\ g\left( t \right) = 2.t\text{\ y\ }k\ = \ - 2\ $.
Calcular la forma diferencial de $\overrightarrow{v}$
($d\overrightarrow{v})\ $y su derivada respecto al tiempo
$\frac{d\overrightarrow{v}\ }{\text{dt}}$.
10. Definimos el vector
$`\overrightarrow{v} = 3.f \left( t \right).\overrightarrow{e_x} + 5.g\left( t \right) \text{.t.}\overrightarrow{e_y} - \dfrac{k}{f\left( t \right)}.\overrightarrow{e_z}\ \text{con\ }f\left( t \right) = 3.t,\ g\left( t \right) = 2.t \gamma k\ = \ - 2\ `$.
Calcular la forma diferencial $`d\overrightarrow{v}`$ de $`\overrightarrow{v}`$, y su derivada respecto al tiempo
$`\dfrac{d\overrightarrow{v}}{dt}`$.
**Ejercicio 2: El movimiento circular, las coordenadas cilíndricas y el
triedro de Frenet**
##### *Ejercicio 2 :* **El movimiento circular, las coordenadas cilíndricas y el triedro de Frenet**
![](img\media\image3.png){width="2.6527777777777777in"
height="2.6527777777777777in"}Un punto M en un sistema de coordenadas
<!-- ![](img\media\image3.png){width="2.6527777777777777in"
height="2.6527777777777777in"}-->
Un punto M en un sistema de coordenadas
$\mathcal{R}$ ${(O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y}$)
describe un movimiento circular. La posición del punto M esta descrita
por el ángulo $\theta(t)\ $entre el eje \[*Ox*) y el vector
por el ángulo $`\theta(t)`$ entre el eje $`Ox`$ y el vector
$\overrightarrow{\text{OM}}$ (ver figura). El rayo del círculo tiene el
valor *r*.
valor $`r`$.
1) Calcular la expresión del vector $\overrightarrow{\text{OM}}$
1. Calcular la expresión del vector $\overrightarrow{\text{OM}}$
respecto de la base
${\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y}$ en función de
*r* y $\theta(t)$ y, en seguida, respecto de la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
$`\left(\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}\right)`$ en función de
$`r`$, $`\theta(t)`$, y, en seguida, respecto de la base
$`\left(\overrightarrow{e_\rho},\overrightarrow{e_\theta}\right)`$.
2) Estudiar el movimiento en$\mathcal{\text{\ R}}$. Derivar el vector
$\overrightarrow{\text{OM}}$ respecto al tiempo y calcular la
2. Estudiar el movimiento en $\mathcal{R}$. Derivar el vector
$`\overrightarrow{OM}`$ respecto al tiempo y calcular la
expresión del vector velocidad
${\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R}}\ $respecto de la base
${\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y}$, en fonction de
*r* et $\theta(t)$ et $\frac{\text{dθ}(t)}{\text{dt}}$. Efectuar el
$`\overrightarrow{v}_{M\mathcal{/R}}`$ respecto de la base
$`\left(\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}\right)`$, en fonction de
$`r`$ et $`\theta(t)`$ y $`\dfrac{d\theta (t)}{dt}$. Efectuar el
mismo cálculo utilizando la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
$`\left(\overrightarrow{e_{\rho}},\overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
3) Calcular la expresión del vector aceleración
${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R}}\ $ respecto de la base
${\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y}$ en función de
*r,* $\theta(t)$, $\frac{\text{dθ}(t)}{\text{dt}}$ et
$\frac{d^{2}\theta(t)}{\text{dt}^{2}}$. Efectuar el mismo cálculo
3. Calcular la expresión del vector aceleración
$`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{R}}`$ respecto de la base
$`\left(\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}\right)`$ en función de
$`r, \theta(t), d\frac{d\theta (t)}{dt}`$ y
$`\dfrac{d^{2}\theta(t)}{dt^2}`$. Efectuar el mismo cálculo
utilizando la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
$`\left(\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
4) Calcular la norma del vector velocidad en función de *r* et
$\theta(t)$.
4. Calcular la norma del vector velocidad en función de $`r`$ y
$`\theta(t)`$.
5) Calcular el valor de los vectores de Frenet
${\overrightarrow{e}}_{T}$ y ${\overrightarrow{e}}_{N}$ en función
de ${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
5. Calcular el valor de los vectores de Frenet
$`\overrightarrow{e_T}`$ y $`\overrightarrow{e_N}`$ en función
de $`\left(\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
6) Calcular las componentes de la aceleración respecto a la base
6. Calcular las componentes de la aceleración respecto a la base
formada por el triedro Frenet.
**Ejercicio 3: La espiral.**
##### *Ejercicio 3 :* **La espiral**
![](img\media\image4.png){width="2.1486111111111112in"
<!-- ![](img\media\image4.png){width="2.1486111111111112in"
height="1.6409722222222223in"}![](img\media\image4.png){width="3.060416666666667in"
height="2.3375in"}Un punto *M* describe en el plano (O,x,y) una espiral
de ecuaciones paramétricas:
$x = b.\theta.\cos\left( \theta \right)$;
$y = b.\theta.\sin\left( \theta \right)$
Donde
$b = C.\text{te};\ \theta = \left( \widehat{O_{x},\text{OM}} \right)$
;$\omega = \frac{d\theta}{\text{dt}} = C.\text{te}$
Al principio del movimiento el ángulo teta tiene valor nulo (
$\theta(t\ = \ 0) = 0$). El sistema de coordenadas
(${O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y}$) constituye un
sistema de observación para el sistema de referencia $\mathcal{R}$ que
será utilizado para estudiar el movimiento de *M
(*($\mathcal{R}\left( {O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y} \right)$en
notación abreviada).
1) Calcular la expresión del vector position
height="2.3375in"}-->
Un punto *M* describe en el plano (O,x,y) una espiral
de ecuaciones paramétricas :
$`x = b.\theta.\cos\left( \theta \right)\quad`$;
$`\quad y = b.\theta.\sin\left( \theta \right)`$ ,
donde
$`b =cst\quad,\quad\theta = \widehat{O_{x},\text{OM}}\quad,`$
$`\quad\omega = \dfrac{d\theta}{dt} = cste`$
Al principio del movimiento el ángulo teta tiene valor nulo
$`(\;\theta_{t=0} = 0\;)`$. El sistema de coordenadas
$`(\left( O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}\right)`$ constituye un
sistema de observación para el sistema de referencia $`\mathcal{R}`$
$`\left( \mathcal{R}= (O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}, t) \right)`$
en notación abreviada), que será utilizado para estudiar el movimiento de $`M`$.
1. Calcular la expresión del vector position
$\overrightarrow{\text{OM}}$, (ii) del vector velocidad
${\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R}}\ $ y (iii) del vector
aceleración ${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R}}\ $ en el sistema
de coordenadas polares
$\left( O{,\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta} \right)$.
$`\overrightarrow{v}_{M\mathcal{/R}}`$ y (iii) del vector
aceleración $`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{/R}}`$ en el sistema
de coordenadas polares $`\left( O,\overrightarrow{e_{\rho}},\overrightarrow{e_{\theta}} \right)`$.
2) Calcular la expresión del módulo del vector velocidad.
2. Calcular la expresión del módulo del vector velocidad.
3) Demonstrar que la expresión del vector tangencial
${\overrightarrow{e}}_{T}$ y normal ${\overrightarrow{e}}_{N}$ à la
trayectoria tienen las expresiones siguientes.
3. Demonstrar que la expresión del vector tangencial
$`\overrightarrow{e_T}`$ y normal $`\overrightarrow{e_N}`$ a la
trayectoria tienen las expresiones siguientes :
$`\overrightarrow{e_T} = \dfrac{1}{\sqrt{1 + (\omega t)^{2}}} \overrightarrow{e_{\rho}}`$ $` + \dfrac{\omega t}{\sqrt{1 + (\omega t)^{2}}} \overrightarrow{e_{\theta}}`$
$`\overrightarrow{e_{N}} = \dfrac{-\omega t}{\sqrt{1 + \left( \omega t \right)^{2}}}\overrightarrow{e_{\rho}} + \dfrac{1}{\sqrt{1 + \left( \omega t\right)^{2}}}\overrightarrow{e_{\theta}}`$
> $\ {\overrightarrow{e}}_{T} = \frac{1}{\sqrt{1 + \left( \text{ωt} \right)^{2}}}{\overrightarrow{e}}_{\rho} + \frac{\text{ωt}}{\sqrt{1 + \left( \text{ωt} \right)^{2}}}{\overrightarrow{e}}_{\theta}$
> ${\overrightarrow{e}}_{N} = \frac{- \text{ωt}}{\sqrt{1 + \left( \text{ωt} \right)^{2}}}{\overrightarrow{e}}_{\rho} + \frac{1}{\sqrt{1 + \left( \text{ωt} \right)^{2}}}{\overrightarrow{e}}_{\theta}$
4. Calcular la expresión del vector aceleración
$`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{/R}}`$ por respecto a los vectores
de Frenet $`\overrightarrow{e_T}`$ ,$`\overrightarrow{e_N}`$
(o sea calcular $`a_T`$ et $`a_N`$ utilizando la relación
$`\overrightarrow{a} = a_T \overrightarrow{e_T}+a_N\overrightarrow{e_N}`$.
4) Calcular la expresión del vector aceleración
${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R}}\ $ por respecto a los vectores
de Frenet ${\overrightarrow{e}}_{T}$ ,$\ {\overrightarrow{e}}_{N}$
(o sea calcular $a_{T}$ et $a_{N}\ $utilizando la relación
$\overrightarrow{a} = a_{T}{\overrightarrow{e}}_{T}$
+$a_{N}{\overrightarrow{e}}_{N}$ )
5. Encontrar un método alternativo para calcular $`a_T`$ et
$`a_N`$ sin conocer el valor de $`\overrightarrow{e_T}`$
y $`\overrightarrow{e_N}`$ *(Pregunta facultativa)*.
5) Encontrar un método alternativo para calcular $a_{T}$ et
$a_{N}\ $[sin conocer el valor de]{.ul} ${\overrightarrow{e}}_{T}$
et $\ {\overrightarrow{e}}_{N}$? **(Pregunta facultativa)**
6. Calcular, utilizando dos métodos diferentes, la expresión del rayo
de curvatura $`R`$ de la trayectoria para un instante cualquiera $`t`$.
6) Calcular, utilizando dos métodos diferentes, la expresión del rayo
de curvatura *R* de la trayectoria para un instante cualquiera *t*.
##### *Ejercicios 4 :* **El esquiador**
**Ejercicios 4 : El esquiador**
<!-- ![](img\media\image5.png){width="2.2534722222222223in"
height="2.1486111111111112in"}-->
![](img\media\image5.png){width="2.2534722222222223in"
height="2.1486111111111112in"}
Un esquiador de masa *m* esquía siguiendo una line recta en una pista de
Un esquiador de masa $`m`$ esquía siguiendo una line recta en una pista de
inclinación$\ \theta$. El esquiador ésta sometido a una fuerza de
rozamiento al contacto de la pista (que no tendremos en cuenta al
principio) y a la fricción de contacto con el aire que es caracterizada
por el coeficiente $\alpha$. El esquiador será aproximado como un punto
material M. El movimiento será descrito en el sistema de referencia
$\mathcal{R}$ y con las coordenadas de observación
${(O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y})$. En el instante
t = 0 el esquiador tiene una velocidad nula y está en el punto (0, 0).
$`(O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y}, t)`$. En el instante
$`t = 0`$ el esquiador tiene una velocidad nula y está en el punto $`(0, 0)`$.
1) Determinar en el
sistema${\ (O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y})$ las
expresiones de la velocidad ${\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R}}\ $
et de aceleración ${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R}}\ $ del
1. Determinar en el
sistema $`(O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y})`$ las
expresiones de la velocidad $`\overrightarrow{v}_{M\mathcal{/R}}`$
et de aceleración $`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{/R}}`$ del
esquiador.
2) Hacer la suma de las fuerzas aplicadas al esquiador en el sistema de
referencia $\mathcal{R}$ y calcular sus expresiones en el sistema de
coordenadas${\ (O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y})$.
2. Hacer la suma de las fuerzas aplicadas al esquiador en el sistema de
referencia $`\mathcal{R}`$ y calcular sus expresiones en el sistema de
coordenadas $`(O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y})`$.
3)  ? Que fuerzas son aplicadas por el esquiador a la pista?
3. ? Que fuerzas son aplicadas por el esquiador a la pista?
4) Aplicando la ley fundamental de la dinámica (LFD), calcular **las
componentes de la velocidad** del esquiador en función del tiempo.
4. Aplicando la ley fundamental de la dinámica (LFD), calcular *las componentes de la velocidad* del esquiador en función del tiempo.
¿Que información podemos deducir de la LFD?
5) Calcular las coordenadas x(t) et y(t) en función del tiempo.
5. Calcular las coordenadas $`x(t)`$ et $`y(t)`$ en función del tiempo.
6) ¿Qué parámetros podemos modificar para aumentar la velocidad del
6. ¿Qué parámetros podemos modificar para aumentar la velocidad del
esquiador?
7) ¿Qué pasaría si no hubiera ningún tipo de rozamiento?
7. ¿Qué pasaría si no hubiera ningún tipo de rozamiento?
> **Comentario:** El record el mundo de velocidad (252 km.h^-1^) ha sido
> *Comentario :* El record el mundo de velocidad $`(252 km.h^{-1})`$ ha sido
> obtenido por el Italiano Simone Origone que ha obtenido esta velocidad
> en una pista de 1km con una inclinación media de 52%.
**Ejercicio 5 : El espectrómetro de masa; el movimiento de una partícula
cargada sometida a un campo eléctrico y a un campo magnético.**
##### *Ejercicio 5 :* **El espectrómetro de masa; el movimiento de una partícula cargada sometida a un campo eléctrico y a un campo magnético.**
Consideramos una partícula de masa *m*$= 9.1 \times 10^{- 31}\text{kg}$
que lleva una carga *q =* $1.6 \times 10^{- 19}C\ $y que se mueve en un
Consideramos una partícula de masa $`m= 9.1 \times 10^{- 31} kg`$
que lleva una carga $`q = 1.6 \times 10^{- 19}C `$ y que se mueve en un
sistema inercial
$\mathcal{R(}{O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y},{\overrightarrow{e}}_{z})$.
$`\mathcal{R}(O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y},\overrightarrow{e_z},t)`$.
Para empezar consideramos separadamente el efecto de un campo eléctrico
$\overrightarrow{E}$ y el efecto de un campo magnético
$\overrightarrow{B}$ sobre la partícula. Por eso utilizaremos la
$`\overrightarrow{E}`$ y el efecto de un campo magnético
$`\overrightarrow{B}`$ sobre la partícula. Por eso utilizaremos la
expresión de la fuerza de Lorentz
$\overrightarrow{F} = q(\overrightarrow{E} + \overrightarrow{v} \land \overrightarrow{B}\ )$
$`\overrightarrow{F} = q\,(\overrightarrow{E} + \overrightarrow{v} \land \overrightarrow{B})`$
y ignoraremos el efecto de la fuerza de gravedad.
**1 : Efecto del campo eléctrico**
![](img\media\image6.png){width="2.6041666666666665in"
height="2.4208333333333334in"}La particula *M* esta (en t = 0) en el
<!-- ![](img\media\image6.png){width="2.6041666666666665in"
height="2.4208333333333334in"}-->
La particula $`M`$ esta (en $`t = 0`$) en el
punto (0, y~0~, 0). Su velocidad inicial es igual à cero. Un campo
eléctrico uniforme $\overrightarrow{E} = E_{0}{\overrightarrow{e}}_{x}$
es aplicado en la región x = 0, x = 50cm.
eléctrico uniforme $`\overrightarrow{E} = E_{0}\overrightarrow{e_x}`$
es aplicado en la región $`x = 0 y x = 50cm`$.
1) Aplicar la LFD en el sistema de referencia
$\mathcal{\text{R\ }}$para determinar las componentes de la
1. Aplicar la LFD en el sistema de referencia
$`\mathcal{R}`$ para determinar las componentes de la
velocidad de la particula.
2) Déterminar la posicion de la particula en funcion del tiempo.
2. Déterminar la posicion de la particula en funcion del tiempo.
3) Calcular el trabajo efectuado por el campo eléctrico entre x = 0 y
3. Calcular el trabajo efectuado por el campo eléctrico entre x = 0 y
50cm.
4) Utilizando el teorema del energía cinética, determinar la velocidad
4. Utilizando el teorema del energía cinética, determinar la velocidad
de la partícula a la salida de la zona donde el campo eléctrico es
diferente de cero.
5) Calcular la suma de las fuerzas aplicadas por x \> 50cm. Como
5. Calcular la suma de las fuerzas aplicadas por x \> 50cm. Como
evoluciona la velocidad de la partícula por x \> 50cm ?
**2 : Efecto del campo magnético**
La particula *M* en el istante t = 0 est en el punto (0, y~0~, 0). Su
La particula $`M`$ en el instante $`t = 0`$ est en el punto $`(0, y_0, 0)`$. Su
velocidad inicial es
$\overrightarrow{v} = v_{0}{\overrightarrow{e}}_{x}$. Un campo magnetico
uniforme $\overrightarrow{B} = B_{0}{\overrightarrow{e}}_{z}\ $es
$`\overrightarrow{v} = v_{0}\overrightarrow{e_x}`$. Un campo magnetico
uniforme $`\overrightarrow{B} = B_0\,\overrightarrow{e_z}`$ es
aplicado en todo el espacio.
1) ![](img\media\image7.png){width="2.4923611111111112in"
height="2.410416666666667in"}Expresar las componentes *F~x~, F~y~,
F~z~* de la fuerza aplicada a la partícula en función del tiempo *t*
de *E*, *B*, *q* y de las componentes de la velocidad *v~x~* y
*v~y~*.
1. <!-- ![](img\media\image7.png){width="2.4923611111111112in"
height="2.410416666666667in"}-->
Expresar las componentes $`F_x, F_y, F_z`$ de la fuerza aplicada a la partícula en función del tiempo $`t`$,
de $`E, B, q`$ y de las componentes de la velocidad $`v_x, v_y`$.
2) Demonstrar que le movimiento de la partícula se efectúa en el plano
(x0y).
2. Demonstrar que le movimiento de la partícula se efectúa en el plano
$`(x0y)`$.
3) Utilizando la LFD, escribir las ecuaciones diferenciales de
3. Utilizando la LFD, escribir las ecuaciones diferenciales de
evolución temporal de las componentes de la velocidad.
4) Calcular la dependencia temporal de las componentes de la velocidad
y, en seguida, las coordenadas *x(t)* et *y(t)* de la partícula en
4. Calcular la dependencia temporal de las componentes de la velocidad
y, en seguida, las coordenadas $`x(t)`$ et $`y(t)`$ de la partícula en
función del tiempo. Para simplificar los cálculos utilizaremos la
constante $\omega_{c} = \frac{\text{qB}}{m}$.
constante $`\omega_{c} = \dfrac{\text{qB}}{m}`$.
5) ¿Calcular la norma de la velocidad de la partícula. Cómo evoluciona
5. ¿Calcular la norma de la velocidad de la partícula. Cómo evoluciona
esta magnitud en función del tiempo?
6) Demonstrar que el resultado precedente puede ser obtenido utilizando
6. Demonstrar que el resultado precedente puede ser obtenido utilizando
el teorema del energía cinética.
7) ¿Qué tipo de trayectoria efectúa el punto M? Para contestar utilizar
7. ¿Qué tipo de trayectoria efectúa el punto M? Para contestar utilizar
la expresión de la aceleración con respecto al triedro de Frenet.
![](img\media\image8.png){width="2.7756944444444445in"
height="2.1506944444444445in"}**3 : Espectrometría**
<!-- ![](img\media\image8.png){width="2.7756944444444445in"
height="2.1506944444444445in"}-->
La partícula M, en el instante t = 0, está en el punto (0, y~0~, 0) con
y~0~ = 5cm. Su velocidad inicial es igual a cero. Un campo electirco
uniforme $\overrightarrow{E} = E_{0}{\overrightarrow{e}}_{x}$
${(E}_{0} = 2 \times 10^{4}V.m^{- 1})\ $est aplicado en la region x = 0,
x = 50cm y un campo magnético
$\overrightarrow{B} = B_{0}{\overrightarrow{e}}_{z}\ (B_{0} = 10\text{mT})$
es aplicado a partir de x = 100cm.
**3 : Espectrometría**
1) Trazar cualitativamente la trayectoria de la partícula utilizando
La partícula $`M`$, en el instante $`t = 0`$, está en el punto $`(0, y_0, 0)`$ con
$`y_0 = 5cm`$. Su velocidad inicial es igual a cero. Un campo electirco
uniforme $`\overrightarrow{E} = E_{0}\,\overrightarrow{e_x}`$
$`(E_0 = 2 \times 10^4 V.m^{- 1})`$ est aplicado en la region $`x = 0`$,
$`x = 50cm`$ y un campo magnétic
$`\overrightarrow{B} = B_0 \overrightarrow{e_z}`$ con $`B_0 = 10 mT`$
es aplicado a partir de $`x = 100cm`$.
1. Trazar cualitativamente la trayectoria de la partícula utilizando
los resultados de las partes 1 ey 2.
2) Porque podemos decir que este sistema es un espectrómetro de masa
2. Porque podemos decir que este sistema es un espectrómetro de masa
(sistema que puede separar las partículas en función de sus masa).
**Ejercicio 6 : El péndulo**
##### *Ejercicio 6 :* **El péndulo**
<!-- ![](img\media\image9.png){width="2.7152777777777777in"
height="2.245833333333333in"}-->
![](img\media\image9.png){width="2.7152777777777777in"
height="2.245833333333333in"}Un punto material *M* está suspendido à un
hilo de longitud *l* y de masa despreciable. La position de *M* es
definida utilizando el ángulo $\theta$. $\overrightarrow{u}$ es un
Un punto material $`M`$ está suspendido à un
hilo de longitud *$`l`$ y de masa despreciable. La position de $`M`$ es
definida utilizando el ángulo $`\theta`$. $`\overrightarrow{u}`$ es un
vector unitario perpendicular al plano de movimiento (ver la figura).
Después de haber desplazado *M* de su position de equilibrio de un
ángulo $\theta_{0}$ lo dejamos moverse sin darle ninguna velocidad
Después de haber desplazado $`M`$ de su position de equilibrio de un
ángulo $`\theta_{0}`$ lo dejamos moverse sin darle ninguna velocidad
inicial. Consideraremos el principio del movimiento come el instante
inicial (t=0). El movimiento será calculado en el sistema de referencia
inicial $`(t=0)`$. El movimiento será calculado en el sistema de referencia
inercial
$\mathcal{R(}{O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y})$.
$`\mathcal{R}(O,\overrightarrow{e_x}, \overrightarrow{e_y})`$.
1) Calcular la expresión de $\overrightarrow{\text{OM}}$,
${\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R}}\ $y
${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R}}$ en el sistema de referencia
${(O,\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta})$.
1. Calcular la expresión de $`\overrightarrow{OM}`$,
$`\overrightarrow{v}_{M\mathcal{/R}}`$ y
$`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{/R}}`$ en el sistema de referencia
$`(O,\overrightarrow{e_{rho}},\overrightarrow{e_{\theta}},t)`$.
2) Hacer la suma de las fuerzas aplicadas en el punto M en el sistema
de referencias $\mathcal{R}$ y calcular las expresiones de las
2. Hacer la suma de las fuerzas aplicadas en el punto M en el sistema
de referencias $`\mathcal{R}`$ y calcular las expresiones de las
fuerzas en el sistema de coordenadas
${(O,\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta})$.
$`(O,\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}})`$.
3) Escribir las ecuaciones diferenciales del movimiento utilizando el
3. Escribir las ecuaciones diferenciales del movimiento utilizando el
teorema del momento cinético.
4) Solucionar esta ecuación en la aproximación de pequeñas
4. Solucionar esta ecuación en la aproximación de pequeñas
oscilaciones.
5) Utilizar el teorema de energía cinética para determinar la velocidad
en función de $\theta$ sin hacer ninguna aproximación sobre la
5. Utilizar el teorema de energía cinética para determinar la velocidad
en función de $`\theta`$ sin hacer ninguna aproximación sobre la
magnitud de las oscilaciones.
![](img\media\image10.png){width="2.15in"
height="2.234027777777778in"}**Ejercicio7 : El skate-boarder**
<!-- ![](img\media\image10.png){width="2.15in"
height="2.234027777777778in"}*-->
![](img\media\image11.png){width="2.775in"
height="1.9479166666666667in"}
##### *Ejercicio 7 :* **El skate-boarder**
Un skate-boarder quiere realizar una acrobacia muy peligrosa: bajar sin
velocidad inicial de una rampa de altitud *h*, y terminar con un rizo
(looping) de rayo*ρ*. ¡Más el altitud inicial *h* es pequeña, mas su
<!-- ![](img\media\image11.png){width="2.775in"
height="1.9479166666666667in"}-->
Un skate-boarder quiere realizar una acrobacia muy peligrosa : bajar sin
velocidad inicial de una rampa de altitud $`h`$, y terminar con un rizo
(looping) de rayo $`\rho`$. ¡Más el altitud inicial $`h`$ es pequeña, mas su
figura será impresionante! Sin embargo el skate-boarder no está
completamente loco: quiere calcular antes la altitud *h* mínima para
estar seguro de poder terminar el looping\...
completamente loco : quiere calcular antes la altitud $`h`$ mínima para
estar seguro de poder terminar el looping...
En un primer tiempo, vamos a estudiar el movimiento del skate-boarder,
que vamos a considerar como un punto *M* de masa *m* que se mueve
siguiendo un círculo de rayo*ρ*. El movimiento se hace sin rozamiento.
que vamos a considerar como un punto $`M`$ de masa $`m`$ que se mueve
siguiendo un círculo de rayo $`\rho`$. El movimiento se hace sin rozamiento.
El sistema de referencia, en que la rampa no es fija, es inercial y será
indicado por $\mathcal{R}$.
indicado por $`\mathcal{R}`$.
1) Calcular la expresión de la aceleración, exprimiéndola en los
1. Calcular la expresión de la aceleración, exprimiéndola en los
vectores de base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
2) Demonstrar que el módulo de la aceleración tangencial
${\overrightarrow{a}}_{\theta}$ se puede escribir en la forma
${\overrightarrow{a}}_{\theta} = \frac{\left\| \overrightarrow{v} \right\|}{\rho}\frac{d\left\| \overrightarrow{v} \right\|}{\text{dθ}}$
3) Indicar y estudiar la(s) fuerza(s) aplicada(s) en el skate-boarder.
4) Escribir la ecuación fundamental de la dinámica. Como se escribe
$`\left(\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
2. Demonstrar que el módulo de la aceleración tangencial
$`\overrightarrow{a_{\theta}}`$ se puede escribir en la forma
$`\overrightarrow{a_{\theta}} = \dfrac{\lVert\overrightarrow{v} \rVert}{\rho}\dfrac{d \lVert\overrightarrow{v}\rVert} {d\theta}`$
<!--pas bonnes écritures :----------------
$`\overrightarrow{a_{\theta}} = \dfrac{\left\| \overrightarrow{v} \right\|}{\rho}\dfrac{d\left\| \overrightarrow{v} \right\|} {d\theta}`$
$`\overrightarrow{a_{\theta}} = \dfrac{|| \overrightarrow{v} ||}{\rho}\cdot\dfrac{d || \overrightarrow{v} ||} {d\theta}`$
-------------------------------------------->
3. Indicar y estudiar la(s) fuerza(s) aplicada(s) en el skate-boarder.
4. Escribir la ecuación fundamental de la dinámica. Como se escribe
esta equacion si la proyectamos en los vectores de base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$ ?
$`\overrightarrow{e_{\rho}},\overrightarrow{e_{\theta}}`$ ?
5) Determinar la velocidad *v* en un punto cualquiera de la trayectoria
si *v~0~* es la velocidad en el punto más bajo del circulo
5. Determinar la velocidad $`v`$ en un punto cualquiera de la trayectoria
si $`v_0`$ es la velocidad en el punto más bajo del circulo.
6) Cuál es la reacción $\overrightarrow{\text{N\ }}$de la rampa sobre
6. Cuál es la reacción $`\overrightarrow{R}`$de la rampa sobre
el skate-boarder ?
7) ¿Cuál es la altitud mínima *h* para empezar el looping sin velocidad
7. ¿Cuál es la altitud mínima $`h`$ para empezar el looping sin velocidad
inicial y que nos asegura que el skater no se destaque nunca de la
rampa durante su trayectoria?
**Ejercicio 8: El Tobogán**
##### *Ejercicio 8 :* **El Tobogán**
![](img\media\image12.png){width="3.5548611111111112in"
height="2.484027777777778in"}Las ecuaciones en coordenadas polares de
una trayectoria helicoidal de eje vertical \[Oz) son:
<!-- ![](img\media\image12.png){width="3.5548611111111112in"
height="2.484027777777778in"}-->
$$\rho = a\ et\ z = h\theta$$
Las ecuaciones en coordenadas polares de
una trayectoria helicoidal de eje vertical \[Oz) son :
$`\rho = a\quad,\quad z = h\theta`$
Un niño se lanza si velocidad inicial de una altura $H = 2\pi h$ y baja
Un niño se lanza si velocidad inicial de una altura $`H = 2\pi h`$ y baja
en el tobogán helicoidal. Haremos la aproximación que el niño sea un
punto material que se mueve sin rozamiento en el sistema de referencia
inercial
$\mathcal{R(}{O,\overrightarrow{e}}_{x},{\overrightarrow{e}}_{y},{\overrightarrow{e}}_{z})$.
$`\mathcal{R}(O,\overrightarrow{e_x},\overrightarrow{e_y},\overrightarrow{e_z},t)`$.
1) Calcular la suma de las fuerzas aplicadas en el punto *M* utilizando
1. Calcular la suma de las fuerzas aplicadas en el punto $`M`$ utilizando
la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta},\ {\overrightarrow{e}}_{z}$.
$`\overrightarrow{e_{\rho}},\overrightarrow{e_{\theta}},\overrightarrow{e_{z}}`$.
2) Utilizando el teorema de la energía cinética, calcular la evolución
temporal de la variable $\theta$.
2. Utilizando el teorema de la energía cinética, calcular la evolución
temporal de la variable $`\theta`$.
3) Calcular el tiempo necesario porque el niño llegue hasta al fundo
del tobogán (z = 0).
3. Calcular el tiempo necesario porque el niño llegue hasta al fundo
del tobogán $`(z = 0)`$.
**Ejercicio 9: Velocidad de liberación**
##### *Ejercicio 9 :* **Velocidad de liberación**
La aceleración de gravedad varía en función de la distancia de le
superficie de la tierra siguiendo la ley:
$\overrightarrow{g} = - \frac{GM_{\text{Terre}}}{\left( R_{\text{Terre}} + r \right)^{2}}{\overrightarrow{e}}_{\text{r\ }}$donde
*G* es la constante universal de gravitación, *M~tierra\ ~*y *R~tierra~*
son respectivamente la masa y el rayo de la Tierra. Llamaremos la
«velocidad de liberación » *v~lib~(r)* a un altitud *r* la velocidad
superficie de la tierra siguiendo la ley :
$`\overrightarrow{g} = - \dfrac{G\,M_{Tierra}}{\left( R_{Tierra} + r \right)^{2}}\overrightarrow{e_r}`$,
donde $`G`$ es la constante universal de gravitación, $`M_{Tierra}`$ y $`R_{Tierra}`$
son respectivamente la masa y el rayo de la Tierra.
Llamaremos la «velocidad de liberación» $`v_{lib}(r)`$ a un altitud $`r`$ la velocidad
mínima necesaria para que una partícula se aleje de la superficie
terrestre hasta al infinito. Valores numéricos:
$G = 6.67 \times 10^{- 11}m^{3}\text{kg}^{- 1}s^{- 2}$,
$\text{\ M}_{\text{tierra}} = 6 \times 10^{24}kg,\ \text{\ M}_{\text{luna}} = 7.3 \times 10^{24}kg,\ \ R_{\text{tierra}} = 6400km\ et\ R_{\text{tierra}} = 1700km$.
1) Demonstrar que la fuerza de gravitación deriva de una energía
potencial *U* y calcularla (definiendo la origen de la energía
potencial *U = 0* al infinito).
2) Deducir el trabajo mínimo para traer la masa *m* à un altura *r\'*.
3) Calcular la expresión de *v~lib~(r)*, y su valor numérico por r=0 y
r=300 km.
4) ¿Cuál es la velocidad de liberación en la superficie de la luna?
**Ejercicio 10: El girómetro**
![](img\media\image13.png){width="2.5965277777777778in"
height="3.5083333333333333in"}Un anillo de masa *m* esta puesto en una
varilla que se mueve con una rotación constante alrededor de eje *z* con
una velocidad angular constante $\omega$. El anillo es mantenido por un
resorte de constante elastica *k*. La longitud de equilibrio del resorte
es $\rho_{0}$. Vamos a calcular el movimiento del anillo aproximándolo à
une masap puntual en el sistema de referencia non inercial
$\mathcal{R}^{'}$ que gira alrededor del eje z con una velocidad angular
$\omega$. Hay una fuerza de rozamiento entre el anillo y la varilla que
se puede expresar de la forma siguiente
$\overrightarrow{f} = - \alpha{\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R'}}$. El
eje z representa la vertical.
1) Calcular $\overrightarrow{\text{OM}}$,
${\overrightarrow{v}}_{M\mathcal{/R'}}\ $et
${\overrightarrow{a}}_{M\mathcal{/R'}}$ en la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
2) Calcular la suma de las fuerzas aplicadas en el anillo en el sistema
$\mathcal{R}^{'}$ utilizando la base
${\overrightarrow{e}}_{\rho},{\overrightarrow{e}}_{\theta}$.
3) Utilizar la ecuación fundamental de la dinámica para determinar las
terrestre hasta al infinito.
Los valores numéricos son :
$`G = 6.67 \times 10^{- 11}m^{3}kg^{-1}s^{- 2}`$,
$`M_{Tierra} = 6 \times 10^{24}kg\quad ,\quad M_{Luna} = 7.3 \times 10^{24}kg,`$
$`R_{Tierra} = 6400\,km\quad ,\quad R_{Luna} = 1700\,km`$.
1. Demonstrar que la fuerza de gravitación deriva de una energía
potencial $`U`$ y calcularla (definiendo la origen de la energía
potencial $`U=0`$ al infinito).
2. Deducir el trabajo mínimo para traer la masa $`m`$ à un altura $`r'`$.
3. Calcular la expresión de $`v_{lib}(r)`$, y su valor numérico por $`r=0`$ y
$` r=300\,km`$.
4. ¿Cuál es la velocidad de liberación en la superficie de la luna?
##### **Ejercicio 10: El girómetro**
<!-- ![](img\media\image13.png){width="2.5965277777777778in"
height="3.5083333333333333in"}-->
Un anillo de masa $`m`$ esta puesto en una
varilla que se mueve con una rotación constante alrededor de eje $`Oz`$ con
una velocidad angular constante $`\omega`$.
El anillo es mantenido por un resorte de constante elastica $`k`$.
La longitud de equilibrio del resorte es $`\rho_{0}`$.
Vamos a calcular el movimiento del anillo aproximándolo à
une masa puntual en el sistema de referencia non inercial $`\mathcal{R}'`$ que gira alrededor del eje $`Oz`$ con una velocidad angular
$`\omega`$.
Hay una fuerza de rozamiento $`\overrightarrow{f}`$ entre el anillo y la varilla que se puede expresar de la forma siguiente
$`\overrightarrow{f} = - \alpha \overrightarrow{v}_{M\mathcal{R'}}$.
El eje $`Oz`$ representa la vertical.
1. Calcular $\overrightarrow{OM}$,
$`\overrightarrow{v}_{M\mathcal{R'}}`$ y
$`\overrightarrow{a}_{M\mathcal{R'}}`$ en la base
$`\left(\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
2. Calcular la suma de las fuerzas aplicadas en el anillo en el sistema
$`\mathcal{R}'`$ utilizando la base
$`\left(\overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_{\theta}}\right)`$.
3. Utilizar la ecuación fundamental de la dinámica para determinar las
ecuaciones diferenciales del movimiento.
4) Calcular $\rho(t)$ en el caso
$\frac{\alpha}{m} = 2\sqrt{\left( \frac{k}{m} - \omega^{2} \right)}$
4. Calcular $`\rho(t)`$ en el caso
$`\dfrac{\alpha}{m} = 2\sqrt{\left(\dfrac{k}{m} - \omega^{2} \right)}`$
5) ¿Come se puede utilizar este sistema para medir una velocidad de
5. ¿Come se puede utilizar este sistema para medir una velocidad de
rotación?
6) Calcular el trabajo efectuado por el resorte y por las fuerzas
inerciales entre la posición inicial y una posición $\rho$ que
6. Calcular el trabajo efectuado por el resorte y por las fuerzas
inerciales entre la posición inicial y una posición $`\rho`$ que
elegiremos para poder calcular toda la energía disipada por el
rozamiento utilizando el teorema de la energía cinética (por eso hay
que contestar a la pregunta: ¿Cuando tenemos rozamiento?).
que contestar a la pregunta : ¿Cuando tenemos rozamiento?).
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