Una persona comienza a empujar horizontalmente un carrito de supermercado en reposo, que tiene una masa de 30 kg con una fuerza de 20 N a lo largo de 6.75 m. Calcula: a) ¿Qué velocidad final debería alcanzar el carrito de supermercado si no hubiera fricción? b) Dado que la fricción sí existe, el carrito alcanzó una velocidad de 1.9 m/s. ¿Cuál fue la fuerza resultante real que actuó sobre el carrito? Redondea el valor al entero más cercano. c) ¿Cuál es el coeficiente de fricción dinámica en este movimiento? Usa el valor aproximado de 10 m/s2 como la aceleración de la gravedad g. d) ¿En cuánto tiempo recorrió el carrito los 6.75 m? Para obtener este valor, utiliza la fuerza resultante real que actúa sobre el carrito, así como la segunda ley de Newton. e) ¿Cuál es la potencia aplicada? Usa el valor de tiempo y el trabajo total realizado sin quitarle las pérdidas de energía por fricción. Problema 2. Se tiene un tinaco de 1100 litros a una altura de 10 m sobre la cisterna. Si se tiene una bomba de 745 watts. Usa el valor aproximado de la densidad del agua de 1 kg por cada litro. Calcula: a) ¿Cuánto tiempo tardará en llenarse el tinaco si no se consideran las pérdidas de energía por fricción? b) ¿A qué velocidad debería salir el agua si se tiene una tubería cuya salida está a 2 m por debajo del tinaco y no se toman en cuenta las pérdidas de energía por fricción? Considera que la energía se conserva, así que parte de igualar las fórmulas de energía potencial y cinética, y usa g = 10 m/s2. c) ¿Cuál fue la energía que se perdió por fricción si la velocidad de salida real es de 5m/s y salen 5 litros de agua?
Respuestas a la pregunta
Problema 1: La velocidad final alcanzada por el carrito de supermercado si no hubiera fricción es 3,01 m/seg, la fuerza aplicada es de 8N, el coeficiente de fricción es de 0,04, el tiempo recorrido es de 4,49 seg y la potencia de 30,27 W
Problema 2. El tiempo que tardará en llenarse el tinaco si no se consideran las perdidas de energía por fricción es de 144,7 segundos, la velocidad con la que debería salir es de 12,65 m/seg
Problema 1. Una persona comienza a empujar horizontalmente un carrito de supermercado en reposo, que tiene una masa de 30 kg con una fuerza de 20 N a lo largo de 6.75 m.
Datos:
m = 30 kg
Fi = 20N
d = 6,75 m
Vo = 0
Explicación:
De las ecuaciones de movimiento uniformemente acelerado (aceleración constante) podemos extraer que
Fuerza:
F = ma
Aceleración:
a = F/m
a= 20N/30kg
a= 0,67 m/seg²
a) ¿Qué velocidad final debería alcanzar el carrito de supermercado si no hubiera fricción?
Velocidad final
Vf² - Vo² = 2ad
Vf = √2ad
Vf = √2*0,67m/seg²*6,75m
Vf = 3,01 m/seg sin tomar en cuenta la fricción
b) Dado que la fricción sí existe, el carrito alcanzó una velocidad de 1,9 m/seg. ¿Cuál fue la fuerza resultante real que actuó sobre el carrito?
Si tomamos en cuenta la fricción
Aceleración:
Vf² = 2ad
a = Vf²/2d
a= (1,9m/seg)²/2(6,75m)
a = 0,27 m/seg²
Fuerza:
F = ma
F= (30kg)(0,27m/seg²)
F = 8 N
c) ¿Cuál es el coeficiente de fricción dinámica en este movimiento?
Fr =μN
Fr= μmg
∑F = F - Fr
Fr = Fi - F
Fr= 20 - 8
Fr = 12 N
Coeficiente de fricción:
μ = Fr/mg
μ = 12 N/30kg*10m/seg²
u = 0,04
d) ¿En cuánto tiempo recorrió el carrito los 6.75 m?
a = (Vf - Vo)/t
t = Vf/a = 3,01 m/seg/0,67m/seg²
t = 4,49 seg
e) ¿Cuál es la potencia aplicada?
P = W/t
P =ΔK/t
P= (K₂ - K₁)/t Como K₁ = 0
K₂ = (1/2)mV² = (1/2)(30kg)(3,01m/seg)²
K₂ = 135,90 J
P = 135,90w/4,49seg
P = 30,27 watts
Problema 2. Se tiene un tinaco de 1100 litros a una altura de 10 m sobre la cisterna. Si se tiene una bomba de 745 watts. Usa el valor aproximado de la densidad del agua de 1 kg por cada litro.
Explicación:
Datos:
ρ = 1kg/lt (1000m³/1lt) =1000 kg/m³
x= 10 m
V = 1100 lt (1000m³/1lt) = 1,1 m³
P: potencia
P = 745 watts
Watts = joules*seg
Masa:
ρ = m/V
m = ρ*V
m = 1kg/lt*1100lt
m = 1100kg
Trabajo:
W = m*g*x
W = 1100kg*9,8m/seg²*10 m
W = 107.800 joules
¿Cuánto tiempo tardará en llenarse el tinaco si no se consideran las perdidas de energía por fricción?
Potencia:
P = W/t
Tiempo:
t = W/P
t = 107800 joules/745 Watts
t = 144,70 segundos
b) ¿A qué velocidad debería salir el agua si se tiene una tubería cuya salida está a 2 m por debajo del tinaco y no se toman en cuenta las pérdidas de energía por fricción?
Área:
Volumen = h*Área
Área = V/h
A =1,1m³/8m
A = 0,1375 m²
Presión:
P = F/A
P = 1100kg*10m/seg²/0,1375
P = 80.000 W
Velocidad :
P=ρV²/2
V= √2P/ρ
V = √2*80.000W/1000kg/m³
V = 12,65 m/seg
c) ¿Cuál fue la energía que se perdió por fricción si la velocidad de salida real es de 5m/s y salen 5 litros de agua?
Eo = ρ*g*V
Eo = 1000kg/m³*10m/seg²*12,65m/seg
Eo = 126.500
Ef = 5000kg/m³*10m/seg²*5m/seg
Ef = 250.000
ΔE = 126500-250.000 = 123.500