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Dinámica y energía
Problema
2024 · Ordinaria · Titular
1A-b
Examen
b) Un bloque de masa 150 kg150 \text{ kg} desliza por una superficie horizontal con rozamiento. El bloque se mueve hacia la derecha con velocidad inicial 3 m⋅s−13 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1}. Sobre el bloque actúa una fuerza de módulo 20 N20 \text{ N} dirigida hacia la izquierda y que forma un ángulo de 30∘30^\circ sobre la horizontal, recorriendo 25 m25 \text{ m} hasta detenerse. i) Realice un esquema de las fuerzas ejercidas sobre el bloque. ii) Calcule las variaciones de energía cinética, potencial y mecánica del bloque en el trayecto descrito. iii) Calcule el trabajo realizado por cada una de las fuerzas aplicadas sobre el bloque.

Dato: g=9,8 m⋅s−2g = 9,8 \text{ m} \cdot \text{s}^{-2}

TrabajoEnergía cinéticaRozamiento+1
i) Realice un esquema de las fuerzas ejercidas sobre el bloque.

Sobre el bloque actúan las siguientes fuerzas: el peso (PP) dirigido hacia abajo, la fuerza normal (NN) hacia arriba, la fuerza de rozamiento (frf_r) hacia la izquierda (oponiéndose al movimiento) y la fuerza externa (FF) aplicada de 20 N20 \text{ N} con un ángulo de 30∘30^\circ sobre la horizontal hacia la izquierda.

θ=0° 150 kg PNfr
ii) Calcule las variaciones de energía cinética, potencial y mecánica del bloque en el trayecto descrito.

La variación de energía cinética se calcula mediante la diferencia entre la energía final (cuando se detiene) y la inicial:

ΔEk=12mvf2−12mvi2=12⋅150 kg⋅(02−(3 m⋅s−1)2)=−675 J\Delta E_k = \frac{1}{2} m v_f^2 - \frac{1}{2} m v_i^2 = \frac{1}{2} \cdot 150 \text{ kg} \cdot (0^2 - (3 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1})^2) = -675 \text{ J}

Al ser una superficie horizontal, la altura no varía, por lo que la variación de energía potencial gravitatoria es nula:

ΔEp=m⋅g⋅Δh=150 kg⋅9,8 m⋅s−2⋅0 m=0 J\Delta E_p = m \cdot g \cdot \Delta h = 150 \text{ kg} \cdot 9,8 \text{ m} \cdot \text{s}^{-2} \cdot 0 \text{ m} = 0 \text{ J}

La variación de energía mecánica es la suma de las variaciones de energía cinética y potencial:

ΔEm=ΔEk+ΔEp=−675 J+0 J=−675 J\Delta E_m = \Delta E_k + \Delta E_p = -675 \text{ J} + 0 \text{ J} = -675 \text{ J}
iii) Calcule el trabajo realizado por cada una de las fuerzas aplicadas sobre el bloque.

El trabajo realizado por el peso (WPW_P) y la normal (WNW_N) es cero, ya que ambas fuerzas son perpendiculares al desplazamiento horizontal:

W_P = P \cdot d \cdot \cos(270^\circ) = 0 \text{ J}; \quad W_N = N \cdot d \cdot \cos(90^\circ) = 0 \text{ J}

El trabajo de la fuerza aplicada (WFW_F) se calcula teniendo en cuenta que el ángulo entre la fuerza (hacia la izquierda y arriba) y el desplazamiento (hacia la derecha) es de 180∘−30∘=150∘180^\circ - 30^\circ = 150^\circ:

W_F = F \cdot d \cdot \cos(150^\circ) = 20 \text{ N} \cdot 25 \text{ m} \cdot \cos(150^\circ) \approx -433,01 \text{ J}

Para hallar el trabajo de la fuerza de rozamiento (WfrW_{fr}), utilizamos el teorema del trabajo y la energía mecánica, donde el trabajo de las fuerzas no conservativas es igual a la variación de la energía mecánica:

Wnc=ΔEm  ⟹  WF+Wfr=ΔEmW_{nc} = \Delta E_m \implies W_F + W_{fr} = \Delta E_m
−433,01 J+Wfr=−675 J-433,01 \text{ J} + W_{fr} = -675 \text{ J}
Wfr=−675 J+433,01 J=−241,99 JW_{fr} = -675 \text{ J} + 433,01 \text{ J} = -241,99 \text{ J}