Motivo de la aparición de tensión en el movimiento circular vertical cuando el ángulo de la partícula es obtuso desde su posición inicial

Podemos derivar fácilmente la expresión de tensión y velocidad para una partícula en movimiento circular vertical. Sabemos que en una cuerda la tensión se produce cuando el objeto sujeto tira de la cuerda alejándola del punto donde la cuerda está rígidamente unida.ingrese la descripción de la imagen aquí

Vemos que cuando θ es agudo, entonces hay un componente radial de metro gramo que tira del objeto, que a su vez aleja la cuerda del centro del círculo. Así produce tensión en la cuerda. Pero cuando el ángulo es obtuso (como 90 o + θ ), entonces vemos que la componente de metro gramo también actúan radialmente hacia adentro, por lo que no hay nada que tire de la cuerda lejos del centro y también la velocidad es tangencial.

T = metro tu 2 r 2 metro gramo + 3 metro gramo C o s θ
Entonces, T = 0 , cuando C o s ϕ = 2 gramo yo tu 2 3 gramo yo
Así que cuando tu = 2 gramo yo , entonces T = 0 en θ = 90 o
Pero cuando 2 gramo yo < tu < 5 gramo yo en 90 o < θ < 180 o
Si pensamos intuitivamente, T debiera ser 0 en absoluto θ tal que 90 o < θ < 180 o , independientemente de cualquier velocidad inicial mayor que 2 gramo yo . porque en θ > 90 , la componente radial de metro gramo ,es decir, metro gramo s i norte θ también actúan hacia adentro, por lo que no hay nada que tire de la cuerda hacia afuera y solo esto metro gramo s i norte θ debe proporcionar la aceleración centrípeta.
podemos pensar T existir cuando θ > 90 o , cuando hay algún agente externo que sujeta la cuerda y le da al objeto un movimiento circular vertical tirando de la cuerda para proporcionar una aceleración centrípeta, pero si pensamos que la cuerda está unida al clavo, no debería haber ninguna tensión en θ > 90 o .
Por favor, ayúdenme a explicar intuitivamente por qué existe tensión en la cuerda en 90 0 < θ < 180 o cuando no hay nada que tire de la cuerda.

Creo que no entiendo tu punto sobre T siendo intuitivamente 0 para 0 θ 90 . El diagrama de cuerpo libre indica claramente que T = metro tu 2 / r metro gramo pecado θ . Si te ayuda, puedes pensar en el metro gramo pecado θ componente 'empujando' en la cuerda para proporcionar parte de la tensión.
¿Por qué no lo escribimos como metro tu 2 / r = metro gramo s i norte θ .
Porque hay tensión en la cuerda. Piense en la cadena desde el marco de referencia de la cadena. Está siendo empujado hacia afuera en su movimiento alrededor del centro debido a la fuerza centrífuga de su movimiento. No importa cuál sea el ángulo, mientras se mueva en círculos, experimentará una fuerza hacia afuera. Eso, junto con la componente del peso (aunque sea en sentido contrario) significa que hay tensión en la cuerda. No veo ningún sentido en suponer T = 0 excepto en puntos específicos.
Básicamente, la cuestión es que se produce tensión en una cuerda cuando se tira de ella, pero si vemos aquí que la componente radial de g básicamente no tira de la cuerda en un ángulo obtuso, por lo que intuitivamente no debemos tener en cuenta la tensión cuando θ es obtuso y solo esa componente radial de g debe proporcionar la aceleración centrípeta requerida si la partícula se mueve en movimiento circular?
@Yejus en el segundo comentario, sí, la fuerza centrífuga actúa sobre el objeto en su marco de referencia giratorio, pero no debería ser una imagen incompleta, porque si decimos que mientras el componente radial de g equilibre la fuerza centrífuga, entonces la tensión debería ser ¿cero?
No sé cuánto más puedo elaborar, pero no se puede asumir a priori que la tensión es cero. Todavía hay tensión presente cuando el objeto giratorio está por encima. Lo que dice sobre el componente de peso que proporciona únicamente la fuerza centrípeta es cierto solo en un punto específico, que usted mismo ha calculado.
Creo que he entendido un poco tu punto. Creo que quieres decir eso en específico θ que es obtuso, en ese momento la partícula tendrá cierta velocidad tangencial, si se mueve en una trayectoria circular entonces hay una fuerza centrípeta, si de alguna manera gramo s i norte θ no puede proporcionar la aceleración centrípeta requerida, entonces la tensión la proporcionará, por lo que no podemos suponer que la tensión sea cero desde el principio. Pero básicamente no soy capaz de interpretar cómo surge la tensión. No puedo determinar básicamente qué tira de la cuerda si analizamos el movimiento en el marco inercial.

Respuestas (1)

Tienes que entender cómo la cuerda afecta el movimiento de la partícula.

Imagine cortar la cuerda en un instante, por ejemplo, cuando el ángulo es obtuso. ¿Qué haría la partícula? Ya no se movería a lo largo del círculo. Más bien, seguiría una trayectoria parabólica (debido únicamente a la gravedad) que es tangente al círculo en el punto en el que se encontraba la partícula cuando se cortó la cuerda.

Si la partícula va lo suficientemente rápido, esta parábola alejaría a la partícula del centro al que está unida la cuerda. Esto significa que, sin la cuerda, la partícula se alejaría del centro del movimiento circular. La cuerda "quiere" mantener invariable su longitud, por lo que impide que la partícula se aleje del centro, y lo hace por medio de la tensión. Es este movimiento "natural" de la partícula que se aleja del centro lo que mantiene la cuerda bajo tensión.

Por otro lado, si el movimiento de la partícula no es lo suficientemente rápido, la parábola no alejará a la partícula del centro. Así que no hay necesidad de tensión en la cuerda. En este escenario, la partícula simplemente sigue la parábola, incluso si hay una cuerda, y "cae" con respecto a la trayectoria circular (esto puede ocurrir solo durante la parte de la trayectoria donde el ángulo es obtuso).

Esta es la razón por la que la partícula tiene que ser más rápida que una velocidad mínima para completar un ciclo completo.

He leído tu respuesta. Intenté tu explicación de cortar la cuerda pero al θ = 90 ° . Si corto la cuerda a 90 °, entonces el objeto tendrá cierta velocidad (tangencialmente/hacia arriba) y g está actuando hacia abajo, por lo que la partícula seguirá un movimiento en línea recta. Pero supongamos que todavía está conectado a la cuerda a 90°, entonces en ese momento también g está hacia abajo. Entonces, mi pregunta es cómo surge la tensión porque ahora en adelante ningún componente de g actúa radialmente hacia afuera para tirar de la cuerda, por lo tanto, no hay tensión. ¿Podría explicar cómo justificar la existencia de tensión si no sabemos que el objeto exhibe movimiento circular?
para θ > 90 .
@Manu Si cortas en θ = 90 º , el objeto sigue una línea recta y, a medida que se mueve, se aleja del centro. El punto es que sin cuerda, el objeto "naturalmente" se movería más lejos del centro. Pero la cuerda lo obliga a no estar más allá del radio del círculo. Para hacerlo, tiene que tirar del objeto.
La tensión surge cuando el objeto "quiere" alejarse del centro. Esto podría deberse a gramo , pero no necesariamente. También podría ser simplemente por la inercia del objeto.
Cuando θ > 90 º es sólo por inercia.
OK, ese punto me falta. Entonces, ¿podemos decir que básicamente es la tendencia del objeto a alejarse del centro lo que provoca el surgimiento de tensión en la cuerda?
@Manu Sí, ese es el punto central de mi respuesta.
Muchas gracias. Básicamente, la idea errónea es que creo que la tensión se produce solo cuando se tira de la cuerda. Pero también puede surgir cuando el objeto tiene tendencia a tirar de la cuerda.