1
Nivel
Primer ciclo
Dificultad
8
 
Categoría
Leyes de Newton en una dimensión

La fuerza de rozamiento de un cuerpo con un medio fluido se suele modelizar con expresiones del tipo , donde n = 1, 2, etc., y es la velocidad del cuerpo relativa al medio. Para ponerlo en práctica, imaginaremos un velero de masa que se mueve impulsado por un viento de de velocidad (respecto al mar). La fuerza de impulsión se puede considerar como el rozamiento con el aire, con y constante de proporcionalidad . Consideraremos también la existencia de el rozamiento con el agua, con y constante .

1.Escribir la expresión de todas las fuerzas que intervienen en el movimiento del velero en función de la velocidad del mismo, siguiendo un convenio de signos coherente.

2.¿Cuál es la velocidad de crucero del velero?

3.Encuentra la velocidad del velero en función del tiempo, suponiendo que comienza parado.

4.Encuentra la posición del velero en función del tiempo, suponiendo que comienza en el origen.

5.Utilizando la solución analítica, verifica que la velocidad de crucero es la calculada en el anterior apartado.

Solución disponible
pod
 
Apartado 1.

Sobre el velero se aplican cuatro fuerzas: la fuerza de la gravedad, el empujes de arquímedes que lo mantiene a flote, el rozamiento con el aire y la fuerza de impulsión sobre las velas. Las dos primeras se compensan entre si y por tanto no intervienen en el movimiento del velero. Las fuerzas debidas a los dos rozamientos con viento y mar se escriben de la forma,

(1)

donde hemos escogido el criterio de que todas las fuerzas son positivas si se dirigen en el sentido del movimiento, y negativas en caso contrario. En la fuerza de rozamiento debida al viento utilizamos la diferencia ya que ésta es la velocidad relativa del velero respecto del viento.

Apartado 2.

La velocidad de crucero se dará cuando las fuerzas de rozamiento con el agua y de impulsión con el viento sean iguales (pero de sentido contrario). Ésto nos da una ecuación de segundo grado,

(2)

cuya solución es

(3)
Apartado 3.

La segunda ley de Newton nos asegura que la resultante de las fuerzas, , debe ser igual al producto de la masa del velero, , por la aceleración a la que está sometido, , es decir,

(4)

que no es más que una ecuación diferencial de primer orden para la variable , que se puede separar integrar de forma sencilla. Para realizar la integración de forma más sencilla, completamos el cuadrado perfecto del segundo miembro,

(5)

Para simplificar el calculo, definimos una nueva constante

(6)

que nos permite simplifica la ecuación para obtener

(7)

Podemos integrar esta última ecuación entre el estado final y el inicial. La integración respecto del tiempo es inmediata,

(8)

la integración respecto a la velocidad se puede realizar en términos de la función inversa a la tangente hiperbólica,

(9)

aislando la velocidad en función del tiempo, obtenemos

(10)
Apartado 4.

Para encontrar la posición en función del tiempo del velero, tan sólo tenemos que realizar la integración de la ecuación (10),

(11)

Para realizar la integración de la tangente hiperbólica, debemos tener en cuenta que se define como el cociente entre el seno y coseno hiperbólicos, , y que la derivada del coseno hiperbólico no es más que el seno hiperbólico (y viceversa). Por lo tanto, la primitiva de la tangente hiperbólica se puede escribir en términos de un logaritmo,

(12)
Apartado 5.

La velocidad crucero se puede obtener como el límite de la velocidad, eq. (10), cuando el tiempo tiende a infinito. Vemos que, en este límite, la tangente hiperbólica es constante. Si esto no ocurriera, no tendría sentido hablar de velocidad de crucero.

Matemáticamente, el límite de la tangente hiperbólica cuando su argumento tiende a infinito es uno. Por lo tanto,

(13)

substituyendo el valor de , obtenemos

(14)

que es el resultado que esperábamos. Es curioso observar la dependencia de la velocidad de crucero con la velocidad del viento. Para vientos lentos, , la dependencia es lineal, y tenemos prácticamente la velocidad del viento, . Sin embargo, para velocidades muy grandes, , la velocidad de crucero va como la raíz cuadrada de la velocidad del viento, .

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