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Principio d'alembert - Problema propuesto, Solución, Escribimos
1 PRINCIPIO D’ALEMBERT
Considérese una placa rígida de masa m que se mueve bajo la acción de varias
fuerzas externas F1, F2, F3,, contenidas en el plano de la placa,
considerando también las ecuaciones fundamentales de movimiento en su forma
escalar, obtenemos que:
Fx =max
Fy =may
MG= Iα
Las ecuaciones anteriores demuestran que la aceleración del centro de masa G de
la placa y su aceleración angular α se obtiene con facilidad una vez que
se determinan la resultante de las fuerzas externas que actúan sobre la placa y
su momento resultante con respecto a G. Dadas las condiciones iníciales
apropiadas, se obtiene entonces las coordenadas x y y del centro de masa y las
coordenada angular θ de la placa, mediante integración en cualquier
instante t. Por tanto, el movimiento de la placa queda definido por completo
por la resultante de momentos con respecto a G de las fuerzas externas que
actúan sobre ella.
Esta propiedad es característica del movimiento de un cuerpo
rígido. De hecho, el movimiento de un sistema de
partículas que no están rígidamente conectadas dependerá, en general, de las
fuerzas externas específicas que actúan sobres las diversas partículas, así como también las fuerzas internas.
Como el movimiento de un cuerpo rígido depende únicamente de las resultante y
de la resultantede momentos de las fuerzas externas que actúan sobre él, se
deduce que dos sistemas de fuerzas equipolentes (es decir, que tienen la misma
fuerza resultante y el mismo momento resultante) también son equivalente; es
decir, tienen exactamente el mismo efecto sobre un cuerpo rígido dado.
Considérese, en particular, el sistema de fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo rígido y el sistema de fuerzas efectivas asociadas
con las partículas que forman el cuerpo rígido estos dos sistemas así definidos
son equipolentes. Pero como
las partículas consideradas ahora forman un cuerpo rígido, del planteamiento anterior se deduce que los
dos sistemas también son equivalentes.
De este modo se puede establecer que las fuerzas
externas que actúan sobre un cuerpo rígido equivalen a las fuerzas efectivas de
las diversas partículas que forman el cuerpo. Este enunciado se conoce como principio de d’Alembert, en
honor del
matemático francés Jean le Rond d’Alembert (1717-1783), aun cuando el enunciado
original de d’Alembert fue escrito de una forma un poco diferente.
****El modelo atómico de Thomson, es una teoría sobre la
estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John
Thomson, quien descubrió elelectrón1 en 1897, mucho antes
del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho
modelo, el atomo esta compuesto
por electrones de carga negativa en un
atomo positivo, como un pudín
de pasas.2 Se pensaba que los electrones se distribuían
uniformemente alrededor del
atomo. En otras ocasiones, en lugar de una nube de
carga negativa se postulaba con una nube de carga positiva.
El modelo atómico de Bohr presenta las siguientes
características:
* Los electrones no son atraídos por el núcleo, sino que se
mueven alrededor del
él describiendo órbitas circulares.
* Los electrones adquieren energía, se excitan, por efecto del
calor o la electricidad. Al adquirir mayor energía pasan de una
órbita interior a otra exterior de mayor
energía. De esta manera se vuelven inestables. Entonces, para recuperar su estabilidad regresan a la órbita
interior, perdiendo la energía adquirida.
* El nivel energético de los electrones depende de la órbita en
que se encuentren.
En1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la relatividad de Albert
Einstein, hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr
1. Los electrones se mueven alrededor del
núcleo, en órbitas circulares o elípticas.
2. A partir del
segundo nivel energético existen dos o mas subniveles en el mismo
nivel.
3. El electrón es una corriente eléctrica minúscula.
En consecuencia el modelo atómico de Sommerfeld es una
generalización del modelo atómico de Bohr
desde el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las formas de
emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su
forma circular.
1.El modelo atómico de Schrödinger es un
modelo cuantico no relativista.
2.Se basa en la solución de la ecuación
de Schrödinger para un potencial electrostatico con simetría
esférica, llamado también atomo hidrogenoide.
3.El modelo atómico de Schrödinger
concebía originalmente los electrones como ondas de materia.
4.Su ecuación se interpretaba como la ecuación ondulatoria que
describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda
material.
5.El modelo atómico de Schrödinger predice
adecuadamente las líneas de emisión espectrales, tanto de
atomos neutros como
de atomos ionizados.
8.Sin embargo, el nombre de 'modelo atómico'
de Schrödinger puede llevar a confusión ya que no explica la
estructura completa del
atomo. El modelo de Schrödinger explica sólo la estructura
electrónica del
atomo y su interacción con la estructura electrónica de
otros atomos, pero no explica como
es el núcleo atómico ni su estabilidad.
El hecho de que el sistema de que el sistema de fuerzas externas es equivalente
al sistema de fuerzas efectivas es recalcado, donde al utilizar los resultados
obtenidos con anterioridad, se reemplazaron las fuerzas efectivas con
un vector ma vinculado al centro de maga Gde la placa y un
par de momento
Iα.
Problema propuesto
Se enrolla una cuerda alrededor de un disco homogéneo de radio r = 0.5 m y masa
m = 15 kg. Si se tira de la cuerda hacia arriba con una fuerza T de magnitud de
180 N, determínese
a) la aceleración
del centro
del
disco
b) la aceleración angular
del
disco
c) la aceleración de la cuerda.
Solución
Ecuaciones
del
movimiento. Se supone que las direcciones de las componentes ax y ay de la
aceleración del centro son, respectivamente, hacia la derecha y hacia arriba, y
que la aceleración angular del disco es contraria al sentido de las manecillas
del reloj. Las fuerzas externas que actúan sobre el disco son el peso W y la
fuerza T ejercida por la cuerda. Este sistema es equivalente al sistema de las
fuerzas efectivas, integrado por
un vector de
componentes max y may fija a G, y un par
Iα.
Escribimos:
+ Fx= Σ(Fx )ef 0 = max
+↑ Fx= Σ(Fy )ef T – W = may
ay= T-Wm
Como T = 180 N, m = 15 kg y W = (15 kg)(9.18 m/s2) = 147.1 N, tenemos:
ay= 180 N-147.1 Nm = + 2.19 m/s2
+a†¶Σ MG= Σ (MG)ef : - Tr = Iα
-Tr = 12 mr2α
α= -2Tmr= -2 (180 N)15 kg(0.5 m)= -48.0 rad/s2
Como la aceleración de la cuerda es igual a la componente de la aceleración del
punto A del disco, escribimos:
acuerda =(aA)t= a+ (aA/G)t
= 2.19 m/s2 ↑+ 0.5m)(48 rad/s2↑