Bola, pista curva fija y pista curva no fija

Esta es la ilustración del Caso 1

Me pregunto si la forma en que enfoco y resuelvo esta pregunta es correcta o no.

Pregunta:

Caso 1

Como se ilustra, una pista de masa METRO se fija sobre una mesa horizontal. A B es horizontal mientras C D es vertical Una bola de masa metro situado en el punto A se le da una velocidad inicial v en la dirección A B . Luego, la pelota sube por la pendiente y pasa a través de CD, alcanzando una altura de H sobre la superficie horizontal de la pista. (Suponga que no hay fuerza de fricción entre la pista y la pelota).

Caso 2

Esta vez, la misma pista no está fijada a la mesa. Como en el caso 1, a la misma pelota se le da una velocidad inicial v en la dirección AB. La pelota sale de la pista y alcanza una altura de h sobre la superficie horizontal de la pista. (Suponga que no hay fuerza de fricción entre la pista y la mesa, y tampoco entre la pelota y la pista).

Encuentre una expresión para h H .

Mi solución:

  1. Cuando la pista está fija, por Conservación de Energía, Energía Cinética de la Pelota = Energía Potencial de la Pelota

    1 2 metro v 2 = metro gramo H H = v 2 2 gramo

  2. Cuando la pista no está fija, la bola y la pista se moverán como un solo cuerpo con velocidad, v 1 A la derecha. Por Conservación del Momento Lineal

    metro v = ( metro + METRO ) v 1 v 1 = metro ( metro + METRO ) v

Por Conservación de Energía, Energía Cinética de la Pelota = Energía Cinética de la Pelota y la Pista + Energía Potencial de la Pelota

1 2 metro v 2 = 1 2 ( metro + METRO ) ( metro ( metro + METRO ) v ) 2 + metro gramo h

v 2 = metro metro + METRO v 2 + 2 gramo h

h = METRO v 2 2 gramo ( metro + METRO )

Entonces,

h H = METRO metro + METRO

Mis preguntas:

  1. ¿Está bien suponer que la bola y la pista experimentarán una colisión inelástica en el Caso 2?
  2. ¿Hay alguna otra forma de resolver esta pregunta, con explicación?
  3. ¿Afectará el resultado el radio de curvatura/tipo de curvatura de la parte curva de la pista?
No use MathJax para texto simple

Respuestas (1)

  1. No. Es seguro asumir que la "colisión" es elástica , es decir, que se conserva la energía mecánica. (Creo que esto es probablemente lo que pretendías, pero cometiste un error tipográfico). A diferencia de la cuestión de la velocidad de un objeto después de salir de una rampa , aquí la fuerza que actúa sobre la pelota siempre es normal a la superficie de la pista, que es continua, y perpendicular a la velocidad de la pelota. La bola y la pista comienzan en contacto y permanecen en contacto, por lo que realmente no hay "impacto" entre ellos que pueda disipar la energía cinética.

  2. Pedantemente: Sí, pero esta es una pregunta demasiado amplia. Puede, por ejemplo, analizar las fuerzas entre la bola y la pista, pero esto sería innecesariamente complicado. ¿Quizás te estás preguntando si existen métodos más simples o igualmente simples? No, no lo creo.

  3. Siempre que la pista sea suave y la bola no se salga de la pista en ningún punto, la forma de la pista no afectará el resultado. Si hay una discontinuidad en la trayectoria o en la pendiente, esto dará como resultado una colisión inelástica y una pérdida de algo de KE. Ver #1.

Gracias. Tengo algunas preguntas sobre su explicación para asegurarme de que las entiendo completamente. Usted dijo: "La bola y la pista comienzan en contacto y permanecen en contacto, por lo que realmente no hay 'impacto' entre ellos que pueda disipar la energía cinética". y "Es seguro asumir que la 'colisión' es elástica".
1. ¿Significa eso que, justo después de que a la pelota se le dio la velocidad inicial, la pista y la pelota comenzaron a moverse juntas? (Cuando estaba haciendo esta pregunta, me imaginaba que la bola y la pista solo comenzaban a moverse juntas cuando la bola llega al final de la pista horizontal y empuja la pista para moverse hacia la derecha).
2. Después de eso, ¿ocurre la "colisión elástica" cuando la pelota sale de la pista? (por primera vez después de pasar por el punto D)
1. La bola permanece en contacto con la pista porque rueda o se desliza por ella. La pista solo se mueve cuando la bola comienza a moverse hacia arriba en B. 2. No hay "colisión" - ni "impacto" - en el sentido habitual. Así como hay una fuerza sobre una bola que rueda dentro de una copa semiesférica y un cambio continuo de dirección pero sin colisión.
"¿Quizás te estás preguntando si hay métodos más simples o igualmente simples? No, no lo creo". Por supuesto que los hay. Suponiendo que no haya fricción, puede usar la conservación del impulso.
@PeterShor La conservación del momento lineal ya es utilizada por el OP en Mi solución, Parte 2.