Aceleración: una pelota que se desliza por el interior de un recipiente semicircular.

Editar: para aclarar, esta es una pregunta de tarea. Pero no podría importarme menos obtener la respuesta a esta pregunta específica, ya que aún no está asignada. Parece interesante y quiero entender los conceptos detrás de él. No entender estas cosas me molesta :p

Aquí está la pregunta dada:

La cara del bloque M en la siguiente figura tiene la forma de un cuenco semicircular de radio R . Se coloca una masa m en la esquina superior izquierda del recipiente y luego se suelta. Encuentre la aceleración del bloque M relativa a la superficie sobre la que está sentado cuando m está a una distancia de 0.8R del fondo del recipiente. No hay fricción entre M y m , o entre M y la superficie sobre la que se asienta.

Hay un diagrama proporcionado:

Imagen

yo defino C o s ( θ ) = 1 0.2 2 , como si la pelota estuviera a 0.8R desde abajo, a 0.2R desde arriba, luego usando la Identidad de Pitágoras para resolver C o s ( θ ) .

Dice que la respuesta es a b yo o C k = metro gramo C o s ( θ ) METRO

mi respuesta fue esa a b yo o C k = metro gramo s i norte ( θ ) C o s ( θ ) METRO

dividí el F gramo vector en sus componentes paralela y perpendicular tal que F gramo = metro 1 gramo s i norte ( θ )

El componente paralelo es irrelevante para esta pregunta.

F norte = F gramo = metro 1 gramo s i norte ( θ )

Luego hallar la componente horizontal de F norte es simple. Dibujando un triángulo es evidente que:

F norte X = F norte C o s ( θ )

F norte X = metro 1 gramo s i norte ( θ ) C o s ( θ )

Desde a = F metro , obtengo mi ecuación: a b yo o C k = metro 1 gramo s i norte ( θ ) C o s ( θ ) METRO .

¿Alguien podría aclararme cuál es mi error? Creo que me estoy encontrando con un problema similar en otro problema que involucra un bloque que se desliza por una cuña que también se puede mover libremente (literalmente, este problema exacto, pero en lugar de una superficie semicircular, es simplemente una cuña).

¿Estás seguro de la respuesta del libro de texto? Hice el ejercicio y estoy de acuerdo contigo. Además, la respuesta del libro de texto establece que la aceleración es mayor directamente cuando se suelta la pelota (theta = 0) para cualquier valor de R. Esto implicaría (si tomamos el límite R-> infinito) que un bol con recta y los bordes verticales se acelerarían si una pelota cayera por su costado.
El libro de texto tiene muchos errores, quizás este sea uno de ellos. ¿Crees que mi respuesta aquí es correcta? ! Enlace a la imagen O quizás el denominador debería ser metro + METRO ..no estoy seguro.
Como dije: creo que tienes razón y que la respuesta de los libros no tiene sentido.
Muy bien, ¡muchas gracias por tu ayuda! Estoy de acuerdo en que la aceleración debe alcanzar un máximo de 45 grados, no 0. Hablaré con un TA o el profesor sobre esto. ¡Gracias de nuevo!
Aquí está la solución para la cuña: farside.ph.utexas.edu/teaching/336k/Newtonhtml/node80.html . Hice un intento rápido con el tazón y obtuve ecuaciones de movimiento no lineales en la formulación de Lagrange (podría haber cometido un error fácilmente). tu escribes eso F norte = metro gramo pecado θ , mediante la resolución de fuerzas sobre la masa. Esto implica una aceleración cero perpendicular a la superficie del recipiente, pero estoy seguro de que no es así. Considere, por ejemplo, la componente perpendicular de la aceleración de la masa para la solución de cuña dada.
¿Qué ángulo define el libro como θ (ya que da la respuesta en esos términos)?
@Michael No lo sigo, lo siento. Nunca antes había escuchado el término Lagrangiano, y no está cubierto en el libro de texto (al menos en las secciones relevantes para esta pregunta). Quizás esta sea una gran simplificación de la realidad física, pero al menos estoy en el camino correcto ya que la respuesta del libro de texto, como se mencionó, es a = metro gramo C o s ( θ ) METRO Además, no estoy seguro de que sea necesario que haya una aceleración perpendicular a la superficie. ¿Podría elaborar? La única aceleración debe ser paralela a la superficie, pensé.
@RobJeffries el libro no da una respuesta en términos de θ , ese era yo simplificándolo. La respuesta que da es a B = 0.98 metro gramo METRO . Aviso 0.98 = 1 0.2 2 = C o s ( θ ) (mi definición de theta).
creo que la linea F norte = metro gramo pecado θ Es incorrecto. Parece que estás tratando esto como un problema de estática. Hay una aceleración perpendicular a la superficie. Piense en lo que sucedería si el bloque fuera muy masivo (esencialmente fijo). Esta sería la aceleración centrípeta.
Ah, creo que tienes razón. Maldita sea, eso hace que sea increíblemente más difícil de resolver. La velocidad en el momento instantáneo es paralela a la tangente del cuenco, pero debe haber una aceleración perpendicular ya que la velocidad en el instante siguiente tiene una dirección diferente. ¿Cómo resolver? :P Solo soy un estudiante de primer año y no muy versado en cálculo...
El Formalismo Lagrangiano utiliza la Acción S = L d t donde L=Potencial cinético. La solución será la trayectoria, por ejemplo. X ( t ) . que minimiza la acción, es decir, qué función X ( t ) minimiza la integral ( T V ) d t . Es un enfoque mucho más poderoso, y mucho más se deriva de esto. Lo cubrirás muy pronto.
Michael, el OP obviamente no ha cubierto la dinámica de Lagrange, así que sugiere otro enfoque. Mi sugerencia sería escribir ecuaciones para la conservación de la cantidad de movimiento, la conservación de la energía y la segunda ley de Newton. Si la física funciona, entonces debería poder eliminar las variables que no desea y terminar con una expresión para la tasa de cambio del impulso del bloque. Todavía no parece fácil y por eso el enfoque de Lagrange acaba siendo más potente. Pero aún debe obtener la respuesta de la manera "tradicional".

Respuestas (2)

¿Conoces la conservación de la energía? ¿Conoces la conservación de la cantidad de movimiento?

Si lo haces, esto es lo que haces:

Conservar energía para todo el sistema (incluida la velocidad de la cuña). En el punto inferior, la energía potencial del bloque más pequeño cambia (energía potencial = mgh), aquí hay una relación entre la velocidad del bloque y la cuña.

Conserve el momento para el sistema horizontalmente ya que no hay una fuerza externa neta sobre el sistema horizontalmente. esto te dará otra relación entre las velocidades de la cuña y el bloque. Debería poder encontrar la velocidad del bloque ahora (2 ecuaciones, 2 variables). Una vez que encuentras eso, puedes encontrar la fuerza centrípeta. La resultante es la respuesta. Logré obtener la misma respuesta que tu libro de texto. Pregúntame si tienes alguna duda en el proceso.

hazlo con la conservación de la energía

En primer lugar, averigüe la energía potencial en la parte superior del recipiente semicircular, manténgala igual a la energía cinética en el punto más bajo.

No creo que esto funcione porque la masa metro no está en el fondo del recipiente (está en 0.8 R ), tendrá que incluir el PE a esa altura (por lo que un tu 1 = tu 2 + k 2 relación).
Este procedimiento tampoco produce una aceleración. te atrapa v ( θ ) . Puede continuar desde allí, pero el siguiente paso no es del todo obvio para la mayoría de las personas y esta respuesta no es particularmente útil sin señalar el camino.