Conservación del momento lineal y la velocidad de un sistema (amortiguador y resorte en serie)

Dos bloques conectados por un amortiguador y un resorte en serie

Este ejemplo es de un libro sobre dinámica. Consideremos el sistema anterior formado por dos bloques (cada uno de masa metro ) conectados por un amortiguador lineal y un resorte en serie. Se deslizan sin fricción sobre un plano horizontal.

Supongamos las siguientes condiciones iniciales de posición:

X 1 ( 0 ) = 0 , X 2 ( 0 ) = 0 , X 3 ( 0 ) = 0

y

X ˙ 1 ( 0 ) = 0 , X ˙ 2 ( 0 ) = v 0

Usando la ley de movimiento de Newton, se derivan dos ecuaciones de movimiento en X 1 y X 2 :

metro X 1 = C ( X ˙ 3 X ˙ 1 )

y

metro X 2 = k ( X 2 X 3 )

dónde C es un coeficiente de amortiguamiento del amortiguador y k es la rigidez del resorte. Nuevamente, por la ley de movimiento de Newton, el movimiento general del sistema impone que

metro X ¨ 1 + metro X ¨ 2 = 0

o equivalente

C ( X ˙ 3 X ˙ 1 ) = k ( X 2 X 3 ) .

Esta última ecuación permite determinar la condición inicial X ˙ 3 ( 0 ) que por lo tanto también es igual a cero .

Ahora, el libro establece de una manera muy simple que el sistema "centro de masa se mueve a una velocidad constante 1 2 v 0 debido a la conservación del momento lineal" .

A juzgar por la forma en que se ha dicho esto, supongo que es bastante obvio entonces. Solo que no veo por qué. No veo cómo es que podemos determinar la velocidad de este sistema solo a partir de la información que se ha proporcionado hasta ahora. ¿Alguien puede explicar este asunto más claramente?

Si bien esto parece peligrosamente cercano a un problema de tipo tarea, no creo que realmente califique. Entonces, preguntaré cuál es el momento inicial del sistema, es decir, en t=0. En cualquier momento t > 0, ¿cuál es la cantidad de movimiento del sistema? ¿Cuál es entonces el momento del centro de masa?
@JonCuster Sería la masa del sistema por la velocidad del sistema. Aunque, gracias al recordatorio de Floris, la velocidad del centro de masa se obtiene simplemente calculando la derivada temporal de la ubicación del centro de masa dada por $v=\frac{1}{2m} (m \dot x_1( 0) + m\dot x_2(0)).
¿ Y la masa del sistema es? Bueno, @Floris te ha mostrado... Contempla lo que sucederá si las dos masas no tienen el mismo valor.

Respuestas (1)

Conocemos las condiciones iniciales: X ˙ 1 = 0 y X ˙ 2 = v 0 . La masa de cada objeto es metro . Por lo tanto, el centro de masa se mueve en metro v 0 metro + metro = v 0 2 .

No hay fuerza externa en el sistema (no hay fricción entre las dos masas y la superficie de abajo); entonces el centro de masa continúa moviéndose a la misma velocidad.