Fluidos |
Estática de fluidos Ecuación fundamental Densidad relativa de un líquido Prensa hidráulica Principio de Arquímedes Medida de la densidad de un líquido Flotación entre dos líquidos no miscibles Movimiento de un cuerpo en el seno de un fluido. Flotación de un barco
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Fundamentos físicos | |
| Tenemos un boya de forma cilíndrica flotando en el mar. Se deja caer un objeto sobre la boya (por ejemplo, una persona que salta encima). La boya empieza a oscilar. Determinar el periodo de la oscilación, y la ecuación del M.A.S.
Fundamentos físicosSupongamos una boya de forma cilíndrica o paralepipédica de densidad rs menor que la del agua, de sección S y altura h. Situación de equilibrio
Supongamos que colocamos un bloque de masa m sobre la boya (por ejemplo, una persona que salta sobre la boya). La nueva posición de equilibrio h2 se deduce del principio de Arquímedes mg+rsghS=rfgh2S
Oscilaciones
Al colocar el bloque sobre la boya y soltarlo el sistema bloque-boya comienza a oscilar. Hallaremos el periodo de las oscilaciones Calculamos la fuerza neta que actúa cuando la boya se ha desplazado x de la posición de equilibrio. Como vemos en la figura si el desplazamiento x es hacia arriba, la resultante es hacia abajo. La fuerza es de signo contrario al desplazamiento. F=empuje-peso=rfgS(h2-x)g-(mg+rsghS)= -rfSxg La fuerza es proporcional al desplazamiento y de signo contrario a éste. El sistema describe un M.A.S. cuya frecuencia y periodo hallamos a partir de la segunda ley de Newton (m+rshS)a=-rfSxg o bien, expresado en forma de ecuación diferencial del MAS
El periodo es, por tanto,
La ecuación del MAS, solución de la ecuación diferencial es x=A·sen(w t+j ) v=Aw cos(w t+j ) Las condiciones iniciales determinan la amplitud A y la fase inicial j . El bloque se suelta cuando la boya se ha sumergido h1, al poner el bloque, en la nueva posición de equilibrio la boya se sumerge h2. Luego, en el instante t=0, la posición del centro de masas es x=h2-h1, respecto a la de la equilibrio y su velocidad v=0. h2-h1=A·senj 0=Aw cos(j ) La fase inicial es j =p /2 y la amplitud A= h2-h1 La ecuación del M.A.S. es finalmente, x=(h2-h1)·sen(w t+p /2)=(h2-h1)·cos(w t)
ActividadesIntroducimos los datos de:
Por ejemplo, rs=600 kg/m3, S=0.5 m2, y m=100 kg. Pulsamos el botón titulado Inicia, y medimos lo que se hunde la boya en el agua 600·1=1000·h1, es decir, h1=0.6 m ó 60 cm Con el puntero del ratón cogemos el bloque de color negro situado en la parte superior izquierda del applet y lo situamos sobre la boya. El sistema boya-bloque empieza a oscilar. La nueva posición de equilibrio h2 se calcula aplicando de nuevo el principio de Arquímedes 100+600·1·0.5=1000·0.5·h2, es decir, h2=0.8 m ó 80 cm Podemos medir esta altura, parando el movimiento, cuando el sistema oscilante pasa por la posición de equilibrio (usar los botones Pausa y Paso) La amplitud de la oscilación es 0.8-0.6 =0.2 m ó 20 cm tal como podemos ver en la representación gráfica posición-tiempo en la parte derecha del applet. El periodo de las oscilaciones vale P=1.8 s, tal como se puede apreciar en la representación gráfica, midiendo el periodo sobre el eje horizontal. También podemos fijarnos, que cuando situamos el bloque sobre la boya, el centro de masas deja de estar en el centro de la boya. La nueva posición del c.m. relativo al centro de la boya se calcula mediante la siguiente fórmula
En nuestro ejemplo numérico, xcm=0.125 m, o 12.5 cm por encima del centro de la boya. El c.m. del sistema boya-bloque oscilará alrededor de la posición 0.8-0.5-0.125=0.175 m ó 17.5 cm por debajo de la superficie del agua, tal como se ve en la figura. Experimentar con el programa, introduciendo nuevos datos. Si los datos introducidos hacen que el sistema bloque-boya quede completamente sumergido durante la oscilación, se avisa al usuario para que cambie los datos. |
Pulsa el botón Inicio y arrastra con el puntero del ratón el bloque de color negro y colócalo sobre la boya.
Oscilaciones de una boya
