1
Nivel
Secundaria
Dificultad
5
 
Categoría
Trabajo y energía

Una masa de 3 kg se mueve con una velocidad de 1m/s en la dirección del eje X. Cuando pasa por el origen actúa sobre esta masa una fuerza única que varía con x como indica la figura.


Figura 1.

1.Determina el trabajo realizado por la fuerza desde x=0 hasta x=3m.

2.Calcula la energía cinética y la velocidad de la masa en el punto x=3m.

Solución disponible
Richard R Richard
Aceleración y fuerza variables
 

Sabemos que el trabajo se calcula matemáticamente con la integral

como el movimiento y la fuerza suceden en la misma dirección

podemos escribir la ecuación de la siguiente forma

pero aun no hemos hallado la funcion F(x) pero como es una recta podemos hallar su ecuación por semejanza

de donde

reemplazando los valores que se desprenden del grafico

x F(x)
0 2
3 3

1.calculamos el trabajo entre la posición y

2.la variacion de la energia mecanica es igual al trabajo realizado por la fuerza, por lo tanto la energia cinetica final sera

por lo que la velocidad final es

(1)

una forma mas complicada de obtenerlo sería

utilizar el equilibrio de fuerzas pues sabemos

luego

que es una ecuación diferencial no lineal que puede resolverse por variables separadas dando

la siguiente primitiva

(2)

de las condiciones iniciales del problema sabemos que en

entonces

(3)

si derivamos la ecuacion 1 con respecto al tiempo llegamos a

(4)

sabiendo que en

(5)

de las ecuaciones 2 y 4 tenemos el siguiente sistema de ecuaciones

cuya solución es

podemos escribir la ecuación 1 de por ma particular como

(6)

y la ecuación 3 como

(7)

con la ecuación 5 calculamos el tiempo en que se puede resolver graficamente el valor de t y luego ponerlo en la ecuación de la velocidad para calcular la energía cinética o

escribiendo las ecuaciones 5 y 6 de la forma

con estas se puede calcular el tiempo t esquivo en las ecuaciones anteriores

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