Bloque deslizándose por un plano (velocidad perpendicular)

Tengo problemas para entender los conceptos de este problema. Aquí está el problema:

Un bloque se coloca en un plano inclinado en ángulo θ . El coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es m = broncearse θ . Al bloque se le da una patada para que inicialmente se mueva con velocidad. V horizontalmente a lo largo del plano (es decir, en la dirección perpendicular a la dirección que apunta hacia abajo en el plano). ¿Cuál es la velocidad del bloque después de mucho tiempo?

Podemos ver eso F X = metro gramo pecado θ metro gramo porque ( θ ) m = 0 , si le dimos al bloque una velocidad inicial a lo largo del plano, debería estar sujeto a una fuerza de fricción opuesta a su velocidad, donde F = metro gramo porque θ broncearse θ = metro gramo pecado θ

Sin embargo, esta es la respuesta que dio mi libro:

La fuerza normal del plano es norte = metro gramo porque m . Por lo tanto, la fuerza de fricción sobre el bloque es norte = ( broncearse m ) norte = metro gramo pecado m . Esta fuerza actúa en la dirección opuesta al movimiento. El bloque también siente la fuerza gravitacional de metro gramo pecado θ apuntando hacia abajo del avión. Debido a que las magnitudes de la fuerza de fricción y la fuerza gravitatoria a lo largo del plano son iguales, la aceleración a lo largo de la dirección del movimiento es igual al negativo de la aceleración en la dirección hacia abajo del plano. Por lo tanto, en un pequeño incremento de tiempo, la velocidad que pierde el bloque a lo largo de su dirección de movimiento es exactamente igual a la velocidad que gana en la dirección hacia abajo del plano . Sea v la velocidad del bloque y sea vy la componente de la velocidad en la dirección hacia abajo del plano, por lo tanto tenemos

v + v y = C
dónde C es una constante C viene dado por su valor inicial, que es V + 0 = V . El valor final de C es V F + V F = 2 V F (dónde V F es la velocidad final del bloque), porque el bloque esencialmente se mueve en línea recta hacia abajo en el plano después de un tiempo muy largo. Por lo tanto, 2 V F = V V F = V 2

Realmente no entiendo lo que esto está tratando de decir. La parte en negrita es lo que me está dando problemas. Creo que puede estar mal escrito, creo que necesito una explicación más clara.

Creo que su libro de texto formuló mal el problema.

Respuestas (1)

Ese es un buen problema, ¿de qué libro es? Uno puede obtener la respuesta correcta rápidamente proyectando fuerzas al eje móvil alineado con la dirección instantánea de V para encontrar d/dt(V), y eso es lo que parece sugerir el libro (pero de una manera bastante oscura).

Aquí hay un enfoque diferente a la solución, probablemente más sencillo en términos de física pero que requiere un poco de álgebra y cálculo, usando coordenadas (x, y) en la superficie de la cuña; x es el eje horizontal, y es vertical (hacia arriba de la cuña).

Hay tres fuerzas que actúan sobre el cuerpo: la gravedad metro gramo , reacción normal norte y fricción R . Dado que el movimiento es en el plano de la cuña, la suma de las fuerzas proyectadas en la dirección normal es cero, por lo que norte = metro gramo porque θ . Dentro del plano hay dos fuerzas. Primero es la proyección de la gravedad. metro gramo pecado θ dirigido hacia abajo. La segunda es la fuerza de rozamiento. R . Para m = broncearse ( θ ) un cuerpo en un plano inclinado con el coeficiente de fricción m está en el umbral del deslizamiento; el análisis estándar se proporciona, por ejemplo, en https://en.wikipedia.org/wiki/Friction . Por tanto, la fuerza de rozamiento es igual a R = norte m = metro gramo porque θ broncearse θ = metro gramo pecado θ y tiene dirección opuesta al vector velocidad.

Para resumir, el movimiento dentro del plano resulta de la acción de dos fuerzas de igual magnitud metro gramo pecado θ , uno se dirige hacia abajo de la cuña, el otro se dirige de manera opuesta al vector de velocidad. De ahí se puede deducir que la tasa de cambio de la magnitud de la velocidad total V es igual a la de V y . Inicialmente el cuerpo se mueve horizontalmente con velocidad V 0 , entonces V = V 0 y V y = 0 . Eventualmente, el vector de movimiento se dirige hacia abajo de la cuña con V F , por lo que los valores finales son V = V F y V y = V F . Entonces se sigue que V F V 0 = V F , entonces V F = V 0 / 2 .

Los detalles del cálculo se muestran a continuación:

El principal problema, tal vez, que enfrentaba el OP es por qué la fuerza de fricción es igual a la componente y de la gravedad menos la fuerza normal. Está escrito en su respuesta sin ninguna explicación. ¿Puede por favor elaborar el hecho? Gracias.
ok, agregado en el texto de la respuesta, gracias por señalar
Parece que no sigues mi comentario anterior. La verdadera pregunta es: ¿por qué la fuerza de fricción es igual en tamaño a la proyección y de la gravedad menos la fuerza normal N? que se menciona en su segundo párrafo. ¿Cómo llegó a esa conclusión? Amplíe su respuesta al respecto.
Ok, veo que algo no estaba bien anteriormente en las explicaciones. Ahora debería ser correcto, y espero que ahora se explique claramente.