Mecánica Aplicada · tema 04
Rozamiento
El rozamiento es una reacción más, con un techo: no pasa de μ por la normal. Deslizar o volcar, rodar sin deslizar y la resistencia a la rodadura, que es una longitud y no un número.
este tema trae un simuladorEl rozamiento es una reacción más del tema 3, la componente del contacto que va por el plano tangente, pero con una diferencia que cambia la forma de resolver: tiene un techo. Mientras el cuerpo no se mueve, la fuerza de rozamiento vale lo que haga falta para el equilibrio, y solo cuando llega a su máximo empieza el movimiento. Por eso casi todos los problemas del tema son de equilibrio límite: te piden la fuerza, el ángulo o el coeficiente justo en el instante en que el equilibrio se rompe.
Y cae mucho. El rozamiento aparece en las tres convocatorias con enunciado en castellano: dos veces como cuestión de teoría sobre la resistencia a la rodadura —en enero de 2024 y en la ordinaria de 2025— y otras dos dentro de un ejercicio, con un deslizamiento inminente o un coeficiente mínimo que calcular.
El rozamiento estático y el cinético
Cuando dos superficies se tocan con rozamiento, la reacción del contacto tiene dos componentes: la normal , que impide que se atraviesen, y la fuerza de rozamiento , en el plano tangente, opuesta al movimiento relativo o, si todavía no hay movimiento, a la tendencia a moverse.
Mientras no hay movimiento, el rozamiento no tiene un valor fijo: toma el que pida el equilibrio, siempre por debajo de un máximo,
con el coeficiente de rozamiento estático. Cuando se alcanza ese máximo empieza el deslizamiento, y a partir de ahí el rozamiento vale , con el coeficiente cinético , algo menor. Muchos problemas no los distinguen y usan un único .
Y una forma de medir que sale sola de esto: si un bloque descansa en un plano cuya inclinación vas aumentando, empieza a deslizar al ángulo en el que .
Escribir μN cuando el cuerpo no está a punto de moverse
solo es cierto en el límite, en el instante en que el deslizamiento empieza. Antes de eso el rozamiento es una incógnita más, que sale de las ecuaciones del equilibrio, y es solo su techo. Poner en un problema donde nada dice que el deslizamiento sea inminente da un rozamiento más grande que el real, y el resto de reacciones salen mal con él. Si el enunciado dice «a punto de deslizar», «deslizamiento inminente» o pide un valor mínimo o máximo, entonces sí.
Deslizar o volcar
Un cuerpo con altura puede perder el equilibrio de dos maneras. Puede deslizar, si el rozamiento llega a su máximo, o puede volcar, girando sobre una arista, si el momento de las fuerzas que lo empujan supera al del peso. Cuando está a punto de volcar, todo el contacto se concentra en la arista de vuelco: la normal y el rozamiento se aplican ahí, y el resto de la base deja de tocar.
Cuál de las dos cosas pasa primero depende de la geometría, y la única forma de saberlo es calcular las dos y quedarse con la menor. El ejercicio 4.1 de la colección es justo eso.
Un bloque de 1000 N, 1 m de base y μ = 0,4, empujado en horizontal. Deslizar cuesta siempre lo mismo, 400 N, empujes donde empujes. Volcar cuesta menos cuanto más alto empujas, porque el brazo de la fuerza crece y el del peso, b/2, no. Las dos se cruzan a 1,25 m: por debajo, el bloque desliza antes de volcar; por encima, vuelca antes de deslizar.
Rodar sin deslizar
En la rodadura el disco no desliza sobre la superficie: el punto de contacto no se mueve respecto de ella. Así que el rozamiento es estático y está por debajo de su máximo:
Para asegurar que un disco ruede sin deslizar hace falta, por tanto, un rozamiento máximo suficiente: un grande, una normal grande o las dos cosas. De ahí salen los «coeficiente mínimo para asegurar la rodadura» de los enunciados: se calcula el rozamiento que pide el equilibrio y se exige que no pase de .
La resistencia a la rodadura
Si un disco y el suelo fueran perfectamente rígidos, tocarían en un solo punto, y cualquier fuerza horizontal, por pequeña que fuera, haría rodar el disco: su momento respecto del punto de contacto no tendría nada que lo equilibrara. Y eso no pasa. Hace falta una fuerza finita para arrancar a rodar.
La explicación es que el contacto no es un punto sino una pequeña superficie, porque los dos cuerpos se deforman un poco. La reacción del suelo es entonces un sistema de fuerzas repartido, y su resultante —con sus componentes y — se adelanta en el sentido del movimiento. Cuando la fuerza horizontal crece, la resultante se adelanta más, hasta una distancia máxima : el coeficiente de resistencia a la rodadura. Justo entonces empieza a rodar.
Tomando momentos en ese punto adelantado, donde están aplicadas y , con la fuerza horizontal en el centro a una altura y la carga vertical con brazo :
El cociente hace el papel de un coeficiente de rozamiento equivalente, y depende de lo que se deformen el disco y el suelo.
Con el suelo o el disco un poco deformados, la reacción no pasa por debajo del centro: se adelanta una distancia μr, el coeficiente de resistencia a la rodadura, que es una longitud. Aquí está exagerado para que se vea; en una rueda real son décimas de milímetro o unos pocos milímetros. Tomando momentos en C, la fuerza que arranca la rodadura es Ft = Fn · μr / R.
El coeficiente de resistencia a la rodadura tiene unidades
es un número; es una longitud, porque es el brazo de la normal. Por eso los enunciados lo dan en milímetros o en centímetros, o como una fracción del radio —la ordinaria de 2025 da —, y por eso aparece dividido por en la fuerza. Mezclarlo con como si fueran lo mismo, o usarlo en milímetros con el radio en metros, da resultados mil veces más grandes o que no tienen dimensiones de fuerza.
Lo que hay que llevarse
- Mientras nada se mueve, es una incógnita más con un techo, . Solo en el límite se escribe .
- Un cuerpo alto puede volcar antes que deslizar: se calculan las dos y gana la menor. En el vuelco, y van a la arista.
- Rodar sin deslizar exige .
- La resistencia a la rodadura adelanta la normal una longitud , y la fuerza que arranca la rodadura es .
Practica lo que acabas de leer
Un bloque alto, ¿desliza o vuelca?
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →Un bloque alto, ¿desliza o vuelca?
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un bloque de 500 N de peso, con una base de 0,4 m y 1 m de altura, descansa sobre un suelo horizontal con coeficiente de rozamiento . Se le empuja con una fuerza horizontal aplicada a 0,8 m del suelo, en el plano que pasa por su centro de gravedad. Determinar el menor valor de que rompe el equilibrio, y si el bloque desliza o vuelca.
La fuerza que lo hace deslizar, la que lo hace volcar y cuál es menor.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿De qué maneras puede perder el equilibrio el bloque?
La fuerza horizontal aplicada en alto también da momento respecto de la arista delantera. Si ese momento supera al del peso, el bloque vuelca aunque el rozamiento aguante.
El rozamiento tiene un techo, . Si la fuerza lo supera antes de que el momento tumbe el bloque, desliza.
Eso es. Son dos equilibrios límite distintos, cada uno con su fuerza, y el que ocurre es el que pide menos fuerza.
- 02
La fuerza que lo hace deslizar
COMP2¿Qué fuerza hace deslizar el bloque?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas dividido el peso entre el coeficiente en lugar de multiplicarlo. El rozamiento máximo es .
Con la fuerza horizontal, . Desliza cuando .
Desarrollo
- 03
La fuerza que lo hace volcar
COMP2Tomando momentos en la arista delantera, ¿qué fuerza lo hace volcar?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas usado la base entera, 0,4 m, como brazo del peso. El peso está aplicado en el centro de gravedad, a media base de la arista: 0,2 m.
Has usado la altura del bloque, 1 m, como brazo de . La fuerza está aplicada a 0,8 m del suelo, y ese es su brazo respecto de la arista.
En el vuelco, la normal y el rozamiento se van a la arista y no dan momento en ella: .
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Depende de la geometría. Aquí el bloque es alto y estrecho y se empuja arriba: el momento tumba antes de que el rozamiento llegue a su techo.
El razonamiento, en orden
Para deslizar hace falta vencer el rozamiento máximo, N.
Para volcar, con la normal y el rozamiento en la arista, y N.
La menor de las dos es 125 N: el bloque vuelca antes de deslizar.
Resolución completa
Deslizar. Con la fuerza horizontal la normal es el peso, y el rozamiento llega a su techo cuando
Volcar. A punto de volcar, todo el contacto está en la arista delantera, y la normal y el rozamiento no dan momento en ella:
Cuál gana. La menor: con 125 N el bloque vuelca, y el rozamiento todavía está en N, por debajo de su techo. Si se empujara más abajo, por debajo de m, desliza antes.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La fuerza que arranca a rodar una rueda
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una rueda de radio soporta una carga vertical total de 200 N sobre un suelo con coeficiente de resistencia a la rodadura . Se le aplica en el eje una fuerza horizontal . Calcular la fuerza que la hace empezar a rodar y el coeficiente de rozamiento mínimo para que ruede sin deslizar.
La fuerza que arranca la rodadura y el rozamiento mínimo.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Por qué hace falta una fuerza finita para que la rueda empiece a rodar?
Eso pasaría con una rueda y un suelo perfectamente rígidos, que tocaran en un solo punto. En la realidad se deforman un poco, y la experiencia dice que hace falta una fuerza finita.
El rozamiento está aplicado en el contacto, así que respecto de ese punto no da momento. Lo que frena la rodadura es que la normal no pasa bajo el centro.
Eso es. El contacto es una pequeña superficie, y la resultante de la reacción se adelanta hasta . Tomando momentos en ese punto, la carga vertical tiene brazo y frena el giro.
- 02
La fuerza que arranca la rodadura
COMP2¿Cuánto vale cuando la rueda empieza a rodar?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas puesto en milímetros y el radio en metros. Las dos longitudes tienen que ir en la misma unidad: .
Has invertido el cociente, . La fuerza que arranca es pequeña: el brazo de la carga, , es mucho menor que el de la fuerza, .
Momentos en el punto adelantado: .
Desarrollo
- 03
El rozamiento mínimo
COMP2Para que ruede sin deslizar, ¿qué coeficiente de rozamiento estático mínimo hace falta?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has tomado en metros como si fuera el coeficiente de rozamiento. Son cosas distintas: es una longitud, y el rozamiento mínimo sale del equilibrio horizontal.
En horizontal, el rozamiento equilibra a : . Tiene que ser .
Desarrollo
Que coincide con : el coeficiente equivalente del que habla la teoría.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
es una longitud, el brazo de la normal, y no un coeficiente de rozamiento. El rozamiento mínimo sale de comparar con , y aquí coincide con .
El razonamiento, en orden
La reacción del suelo se adelanta m respecto de la vertical del eje.
Momentos en ese punto: , así que N.
En horizontal, N, y rodar sin deslizar exige .
Resolución completa
Por qué hace falta fuerza. La reacción del suelo se adelanta una distancia . Tomando momentos en ese punto, la normal y el rozamiento no dan momento, y queda
Rodar sin deslizar. En horizontal, el rozamiento equilibra a la fuerza, , y tiene que estar por debajo de su techo:
Coincide con , que es justo el coeficiente de rozamiento equivalente de la teoría.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El bloque que puede deslizar o volcar
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Calcular la fuerza mínima para que el bloque de la figura de peso empiece a deslizar y para que vuelque. Datos: , .
La fuerza que lo hace deslizar, la que lo hace volcar y cuál de las dos ocurre antes.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El bloque mide 1 m de base y 2 m de alto, y se empuja a 1,5 m del suelo. ¿Cómo puede romperse el equilibrio?
Eso es. Son dos equilibrios límite distintos, cada uno con su fuerza, y el que ocurre de verdad es el que pide menos fuerza. La nota de la colección lo dice: en un sólido prismático de altura no despreciable hay que considerar las dos.
Una fuerza horizontal aplicada en alto también da momento respecto de la arista D. Si ese momento supera al del peso, el bloque vuelca aunque el rozamiento aguantara.
Ser alto y estrecho hace el vuelco más fácil, pero no lo garantiza: depende de a qué altura empujes y de cuánto valga . Con pequeño se desliza antes por muy alto que sea.
- 02
La fuerza que lo hace deslizar
COMP2¿Qué valor de pone el rozamiento en su máximo? Da el número en kg*, las mismas unidades del enunciado.
un número, en kg* — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has dividido el peso entre el coeficiente. El rozamiento máximo es , un producto: .
Eso son los 400 kg* pasados a newtons. El enunciado da el peso en kg*, así que la respuesta sale en kg* sin multiplicar por .
Con la fuerza horizontal, la normal es el peso entero: . Y en el límite, .
Desarrollo
No depende de la altura a la que empujes: deslizar cuesta lo mismo empujes donde empujes.
- 03
La fuerza que lo hace volcar
COMP2Tomando momentos en la arista , ¿qué valor de pone el bloque a punto de volcar?
un número, en kg* — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado la base entera, 1 m, como brazo del peso. El peso está en el centro de gravedad, a media base de la arista: 0,5 m.
Has usado la altura del bloque, 2 m, como brazo de . La fuerza está aplicada a 1,5 m del suelo, y ese es su brazo respecto de D.
Has puesto la altura del centro de gravedad, 1 m, como brazo de . El brazo de una fuerza se mide donde está aplicada la fuerza, y está a 1,5 m.
A punto de volcar, la normal y el rozamiento se concentran en y no dan momento ahí. Queda .
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
No hay ningún «siempre»: depende de la geometría. Aquí el bloque es alto y se empuja arriba, y el momento tumba con 333 kg* cuando deslizar todavía pedía 400.
El razonamiento, en orden
Para deslizar hace falta vencer el rozamiento máximo, kg*.
A punto de volcar todo el contacto se concentra en D: la normal y el rozamiento se aplican ahí y no dan momento en D.
Momentos en D, , dan kg*.
La menor de las dos manda: con 333 kg* el bloque vuelca, y el rozamiento aún no ha llegado a su techo.
Resolución completa
Deslizar. Como es horizontal, la normal es el peso entero, y el rozamiento llega a su techo cuando
Ese valor no depende de la altura de aplicación.
Volcar. A punto de volcar, todo el contacto se concentra en la arista , donde se aplican la normal y el rozamiento; ninguna de las dos da momento en . Con el peso a media base y a 1,5 m:
Cuál gana. La menor de las dos, 333 kg*: el bloque vuelca antes de deslizar, y en ese instante el rozamiento vale 333 kg*, por debajo de su techo de 400. Si se empujara más abajo de m, el orden se invertiría y desliza antes.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La cuña que hace volcar a dos bloques
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
En el sistema de la figura, la cuña de masa se apoya sobre los dos bloques iguales de masa , base y altura , de forma que forman un sistema simétrico. No existe rozamiento entre la cuña y los bloques, mientras que el rozamiento entre bloques y suelo impide el deslizamiento. Calcular la relación entre y cuando se produce el vuelco.
El cociente entre la base y la altura de los bloques en el instante del vuelco.
- 01
Reconocer el camino
COMP1No hay rozamiento entre la cuña y los bloques. ¿Qué dirección tiene entonces la fuerza que la cuña hace sobre cada bloque?
El peso de la cuña es vertical, pero la fuerza de contacto no tiene por qué serlo: es perpendicular a la cara inclinada. Si fuera vertical, nada empujaría los bloques hacia fuera y no habría vuelco posible.
La componente horizontal es la que vuelca, pero no está sola: la misma normal tiene una componente vertical que aprieta el bloque contra el suelo y ayuda a sujetarlo. Dejarla fuera cambia el resultado.
Eso es. Sin rozamiento solo hay normal, y la normal es perpendicular a la superficie de contacto. La cara de la cuña forma 30° con la vertical, así que su normal forma 30° con la horizontal y tiene componente horizontal y vertical.
- 02
La normal que recibe cada bloque
COMP2Del equilibrio vertical de la cuña, ¿cuánto vale la normal sobre cada bloque, en unidades de ?
un número, N dividido entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has repartido el peso de la cuña a medias sin proyectar. La normal está inclinada 30° sobre la horizontal: lo que vale es su componente vertical, no la normal entera.
Has multiplicado por el coseno de 30° en vez de dividir entre el seno. De sale .
La cuña recibe dos normales simétricas, cada una a 30° de la horizontal. En vertical, .
Desarrollo
Cada bloque recibe una fuerza de módulo , con componentes hacia fuera y hacia abajo, aplicada en su arista superior interior.
- 03
La relación entre la base y la altura
COMP2Tomando momentos en la arista exterior del bloque de la derecha, ¿cuánto vale en el instante del vuelco?
un número, el cociente b entre h — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te has dejado uno de los dos momentos estabilizadores. Con solo el peso del bloque, o con solo la componente vertical de la normal, sale , el doble de lo correcto. Los dos actúan a la vez.
Has tomado en lugar de . La normal no es medio peso de la cuña, porque está inclinada.
Has usado 60° donde va 30°. El ángulo del vértice es 60°, así que cada cara forma 30° con la vertical y su normal, 30° con la horizontal.
Vuelcan hacia fuera. Sobre la arista exterior, el momento que tumba es ; los que sujetan son y el peso propio, .
Desarrollo
Los dos momentos estabilizadores valen lo mismo, cada uno, y por eso se suman en un limpio.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
El rozamiento está aplicado en la base, y en el vuelco toda la base se concentra en la arista exterior: ahí ni la normal ni el rozamiento dan momento. Por eso el resultado no contiene , y por eso el enunciado solo dice que impide el deslizamiento.
El razonamiento, en orden
Sin rozamiento cuña-bloque, la fuerza de contacto es normal a la cara: forma 30° con la horizontal.
Equilibrio vertical de la cuña, , así que .
Sobre el bloque derecho, la normal da hacia fuera en la arista alta y hacia abajo en la arista interior.
Momentos en la arista exterior, , y de ahí .
Resolución completa
La fuerza de la cuña. Sin rozamiento entre cuña y bloques, cada contacto solo transmite normal, perpendicular a la cara de la cuña. Con 60° en el vértice, cada cara forma 30° con la vertical y su normal, 30° con la horizontal. Del equilibrio vertical de la cuña:
Lo que recibe cada bloque. Por reacción, en su arista superior interior: hacia fuera y hacia abajo.
El vuelco. El bloque vuelca hacia fuera, sobre su arista exterior. En esa arista se concentran normal y rozamiento del suelo, que no dan momento. Quedan tres términos: la componente horizontal tumba con brazo , la vertical sujeta con brazo y el peso propio sujeta con brazo :
Ordenando los dos estabilizadores, , y
Comprobado numéricamente montando los momentos con productos vectoriales y buscando el cambio de signo: 0,86603.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Dos bloques apilados, con el de arriba atado y suelto
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Si el coeficiente de rozamiento entre todas las superficies es , calcular la fuerza mínima necesaria para el inicio del movimiento si:
a. el bloque está atado al cable .
b. se suelta el cable .
La fuerza mínima que inicia el movimiento con el cable puesto y con el cable suelto.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué cambia al soltar el cable ?
La normal del suelo sí es la misma, 250 kg de peso en los dos casos. Lo que cambia es si la superficie entre y desliza o no, y ese rozamiento solo se paga cuando desliza.
Al revés, y es lo que hace bonito el problema: hace falta menos. Arrastrar los dos juntos no cuesta rozamiento extra en la cara común, porque ahí no hay deslizamiento.
Eso es. Atado, no puede acompañar a , así que tiene que vencer el rozamiento de la cara de arriba y el del suelo. Al soltarlo, nada impide que los dos se muevan a la vez, y entonces la cara entre ellos no desliza.
- 02
Con el cable puesto
COMP2Con atado, ¿qué fuerza mínima pone en movimiento?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudTe has dejado el rozamiento de la cara superior. desliza contra , que está atado, así que además del suelo hay que vencer por el peso de .
Has puesto en la normal del suelo solo el peso de . El suelo aguanta los dos bloques: 250 kg, no 150.
Ese es el número impreso leído como kilogramos-fuerza. La colección escribe «kg*», pero 1030 sale en newtons: en kg* serían 105.
Dos superficies rozan: la de arriba con el peso de y la del suelo con el peso de los dos. Pasa los kilos a newtons con .
Desarrollo
Que en kg* son 105, y es lo que la colección imprime como «1030 kg*».
- 03
Con el cable suelto
COMP2Al soltar el cable, ¿qué fuerza mínima inicia el movimiento?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudSigues pagando el rozamiento de la cara entre y . Sin cable los dos arrancan juntos, esa cara no desliza y ahí el rozamiento no llega a su techo.
Has usado solo el peso de en la normal del suelo. Aunque se muevan juntos, el suelo soporta los 250 kg de los dos.
Se mueven en bloque. Solo desliza la superficie del suelo, y la normal ahí es el peso de los dos.
Desarrollo
Comprobación de que este es el modo que gana: el otro camino posible —que deslizara bajo dejándolo quieto— pediría los 1030 N de antes, más que 736.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Esto es estática, no dinámica: se busca la fuerza que rompe el equilibrio, no la que acelera una masa. Y sale menos fuerza, porque desaparece una superficie deslizante.
El razonamiento, en orden
Con el cable, C está sujeto: D desliza contra C y contra el suelo, y hay que vencer los dos rozamientos.
La normal del suelo vale el peso de los dos bloques, 250 kg, en los dos apartados.
Con cable: N.
Sin cable: los dos arrancan juntos, la cara común no desliza y N.
Resolución completa
Con el cable (apartado a). El cable impide que acompañe a , así que desliza contra dos superficies: la cara superior, con normal el peso de , y el suelo, con normal el peso de los dos.
Sin el cable (apartado b). Ya nada retiene a , y el conjunto arranca como un solo cuerpo. La cara entre y no desliza —en el instante límite ni siquiera necesita rozamiento— y solo se paga el suelo:
Sobre las unidades del resultado impreso. La colección publica « kg*» y « kg*». Los números son correctos, pero son newtons: en kilogramos-fuerza salen 105 y 75. Se ve sin calcular nada, comparando con el peso total, que es 250 kg*: ninguna fuerza de rozamiento con puede valer 1030 kg*, cuatro veces el peso.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El bloque atado a la pared con un cable inclinado
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un bloque A de peso , está apoyado sobre un bloque de peso y éste sobre una superficie horizontal plana. Si el bloque está sujeto a la pared vertical mediante un cable inclinado un ángulo de , determinar la mínima fuerza horizontal que es necesario aplicar sobre el bloque para que deslice. Datos: rozamiento entre y , ; rozamiento entre y suelo, .
La tensión del cable y la fuerza horizontal mínima que hace deslizar a B.
- 01
Reconocer el camino
COMP1desliza hacia la derecha y se queda sujeto por el cable. ¿Qué hace el cable, además de retener a ?
Solo sería así con el cable horizontal. Inclinado 30° tiene componente vertical hacia arriba, que aligera el apoyo de sobre y reduce los dos rozamientos.
Mira el sentido: el cable sale de la pared por encima de y baja hasta él, así que la tensión sobre apunta hacia arriba y hacia la izquierda. Lo levanta, no lo aprieta.
Eso es, y es la clave del problema. El cable está inclinado 30°, así que además de retener a lo levanta un poco: la normal entre y ya no vale , sino .
- 02
La tensión del cable
COMP2Escribiendo el equilibrio de , ¿cuánto vale la tensión del cable?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas tomado la normal entre y igual a , olvidando que el cable descarga el apoyo. La normal es , y como depende de , hay que despejarla de la propia ecuación.
Eso es sin dividir por el coseno. Solo la componente horizontal del cable equilibra el rozamiento, así que .
En : horizontal ; vertical . Sustituye una en otra y despeja.
Desarrollo
Con ella, .
- 03
La fuerza que hace deslizar a B
COMP2¿Cuánto vale la fuerza mínima?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas ignorado la componente vertical del cable. Con salen rozamientos mayores de la cuenta, arriba y abajo, y se va por encima de lo real.
Te has dejado el rozamiento que hace sobre por arriba. desliza contra dos superficies, no solo contra el suelo.
Has puesto en la normal del suelo solo el peso de . El suelo soporta también lo que apoya sobre , o sea .
En : , con . Ojo, no es .
Desarrollo
Coincide con el resultado impreso, que está calculado con . Con salen 5136 N, un 0,1 % menos.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
El cable está atado a y a la pared, no a . Sobre solo actúan su peso, , el suelo y lo que le pasa por el contacto: normal y rozamiento .
El razonamiento, en orden
El cable tira de A hacia arriba y hacia la izquierda: la normal entre A y B es .
B desliza bajo A, así que el rozamiento sobre A vale y lo equilibra .
De ahí N y N.
En el suelo, N, y N.
Resolución completa
El bloque A. Está en equilibrio, retenido por el cable. se le escapa por debajo hacia la derecha, así que el rozamiento que hace sobre apunta a la derecha y vale . El cable tira hacia arriba y a la izquierda:
La inclinación del cable importa: descarga el apoyo de en 508 N.
El bloque B. Recibe por arriba y , y se apoya en el suelo con :
Coincide exactamente con el resultado publicado. Comprobado además resolviendo el sistema de cuatro ecuaciones de golpe.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La varilla apoyada en una columna y atada por un extremo
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una varilla sin peso de longitud total se apoya en sobre una columna. Su extremo sujeta con una cuerda atada en y su otro extremo en va cargado con un peso . Son datos conocidos las distancias , y los ángulos y . Determinar:
a. La fuerza de la cuerda .
b. Valor del coeficiente de rozamiento en para que se produzca el equilibrio.
La tensión de la cuerda BD y el coeficiente de rozamiento necesario en C, en función de los datos.
- 01
Reconocer el camino
COMP1La varilla se apoya en el canto de la columna. ¿Cómo es la reacción en ?
Un apoyo puntual sí transmite rozamiento; de hecho el apartado b pregunta exactamente cuánto hace falta. Sin él la varilla resbalaría sobre el canto.
Eso es. Quien manda es la superficie de la varilla, que es la que apoya sobre el canto: la normal sale perpendicular a la varilla y el rozamiento va en su dirección, que es por donde deslizaría.
Eso valdría si la varilla estuviera horizontal. Aquí está inclinada, y la varilla desliza a lo largo de sí misma sobre el canto, así que las dos componentes van giradas ese mismo ángulo. Sale un coeficiente distinto y equivocado.
- 02
La tensión de la cuerda
COMP2Toma momentos en . Para fijar el número, usa estos valores nuestros, parecidos a los de la figura: m, m, y . ¿Cuánto vale el cociente ?
un número, el cociente T entre P — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado cosenos donde van senos. El brazo de una fuerza es la distancia perpendicular a su línea de acción, y aquí sale para el peso y para la cuerda.
Has tomado como brazo de la tensión. La cuerda no es perpendicular a la varilla, así que su brazo respecto de es , no .
Has invertido el cociente. Con mayor que , la cuerda tiene más brazo que el peso y por eso necesita menos fuerza que .
En no dan momento ni la normal ni el rozamiento. Queda .
Desarrollo
Con los valores de arriba:
- 03
El coeficiente de rozamiento en C
COMP2Con los mismos valores ( m, m, , , y por tanto m), ¿cuánto vale el coeficiente de rozamiento mínimo en ?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has puesto la normal vertical y el rozamiento horizontal. En un apoyo sobre el canto de la columna, la normal es perpendicular a la varilla, no al suelo.
Te has dejado la tensión en la ecuación de la normal. La cuerda también tiene componente perpendicular a la varilla, y aumenta ; con una más pequeña el cociente sale mayor.
Te has dejado la tensión en la componente a lo largo de la varilla. El rozamiento tiene que equilibrar el peso y la cuerda proyectados sobre la varilla.
Proyecta las tres fuerzas sobre la varilla y sobre su perpendicular. Después, .
Desarrollo
Perpendicular a la varilla y a lo largo de ella:
Con los valores de arriba, y .
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Que la varilla no pese no quiere decir que no esté cargada: en cuelga y en tira la cuerda. Las dos tienen componente a lo largo de la varilla, y alguien tiene que equilibrarlas: el rozamiento en .
El razonamiento, en orden
En C se apoya la varilla sobre el canto: la normal es perpendicular a la varilla y el rozamiento va en su dirección.
Momentos en C eliminan las dos incógnitas del apoyo y dan .
Proyectando sobre la perpendicular, , que se simplifica a .
Proyectando sobre la varilla, , y da la fórmula del enunciado.
Resolución completa
Las incógnitas. La varilla no pesa y recibe tres cosas: el peso en , la tensión de la cuerda en y la reacción del apoyo en , con dos componentes: perpendicular a la varilla y a lo largo de ella.
Momentos en C, que es lo que resuelve el apartado a. Ni ni dan momento ahí. El brazo del peso es y el de la cuerda, :
Las proyecciones, para el apartado b. Perpendicular a la varilla,
y a lo largo de ella, . El equilibrio exige :
Las dos coinciden con lo publicado. Comprobado además montando las tres ecuaciones con vectores y resolviéndolas numéricamente para , , y : 0,75136 y 0,57588, iguales hasta la quinta cifra.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El bloque cuadrado encajado entre el suelo y la pared
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un bloque prismático de sección cuadrada está apoyado sobre una superficie horizontal y otra vertical. Determinar el menor valor del ángulo para el cual el bloque está en equilibrio. Datos: peso del bloque , longitud del lado de la sección , coeficiente de rozamiento en todas las superficies .
El menor ángulo con la horizontal para el que el bloque sigue en equilibrio.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El bloque toca en dos vértices y hay rozamiento en los dos. ¿Hacia dónde apuntan los rozamientos cuando el bloque está a punto de escurrirse?
Eso es. El bloque se abre: el apoyo del suelo se desliza alejándose de la pared y el de la pared baja. Cada rozamiento se opone a su propio deslizamiento, y los dos hay que ponerlos.
La pared sí aprieta: su normal es horizontal y vale , distinta de cero. Con normal hay rozamiento disponible, y aquí es justo el que aguanta parte del peso.
El rozamiento se opone al deslizamiento relativo de cada contacto, no al peso. En el suelo el deslizamiento es horizontal, así que ahí el rozamiento es horizontal.
- 02
La tangente del ángulo límite
COMP2Para poner número, toma . ¿Cuánto vale en el equilibrio límite?
un número, la tangente del ángulo — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has aplicado , que es la fórmula del bloque sobre un plano inclinado. Aquí no hay plano inclinado: hay dos contactos perpendiculares entre sí y un vuelco de por medio.
Sale de olvidar el rozamiento de la pared, . La pared también roza, y su rozamiento vertical sujeta parte del peso.
Has puesto el rozamiento de la pared hacia abajo. El vértice apoyado en la pared baja cuando el bloque se abre, así que el rozamiento allí va hacia arriba.
De las fuerzas salen y . Después, momentos en el vértice apoyado en el suelo.
Desarrollo
Fuerzas, con el rozamiento del suelo hacia la pared y el de la pared hacia arriba:
Momentos en el vértice del suelo, donde y su rozamiento no dan momento:
- 03
El ángulo, en grados
COMP2Con ese mismo , ¿cuánto vale el ángulo mínimo en grados?
un número, en grados — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el caso sin rozamiento, : la diagonal vertical y el peso justo sobre el apoyo. Con rozamiento el bloque aguanta inclinaciones menores.
Ese es el ángulo de rozamiento, . Aparece en el resultado, pero restándolo de 45°, no como respuesta.
Ya tienes la tangente. Y hay una forma bonita de leerlo: .
Desarrollo
Que es exactamente . El rozamiento le roba al 45° justo el ángulo de rozamiento.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Al revés: cuanto mayor es , menor es el ángulo mínimo. Con salen 31° y con , 23°. El rozamiento ayuda a sujetar, no a escapar.
El razonamiento, en orden
El bloque se abre: el apoyo del suelo se aleja de la pared y el de la pared baja, así que los rozamientos van hacia la pared y hacia arriba.
De las dos ecuaciones de fuerzas, y .
Momentos en el vértice apoyado en el suelo, que elimina y su rozamiento.
Sale , o sea .
Resolución completa
Por qué 45° es el techo. Con el cuadrado a 45° el centro de gravedad cae justo sobre el vértice apoyado en el suelo. Por debajo de 45° el peso queda del lado de la pared y tiende a abrir el bloque; por eso la nota de la colección dice que en la posición límite es algo menor que 45°.
Las fuerzas. El bloque se abre, así que el rozamiento del suelo apunta hacia la pared y el de la pared, hacia arriba. Con los dos en su máximo:
Los momentos. Tomándolos en el vértice apoyado en el suelo, donde y su rozamiento no dan momento, y con el centro de gravedad en :
Comprobación. Resuelto también por fuerza bruta: para cada se busca si existe algún reparto de rozamientos admisible, y el ángulo donde deja de haberlo sale 30,96° con , 33,69° con y 23,20° con . Los tres coinciden con .
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Las dos cuñas que levantan una carga
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
En el sistema de cargas y de la figura, la carga se mantiene lateralmente sostenida entre rodillos. El coeficiente de rozamiento entre la carga y la cuña superior y entre ambas cuñas es . El coeficiente de rozamiento entre cuña inferior y suelo es desconocido. Calcular:
a. El coeficiente de rozamiento mínimo para elevar la carga .
b. El coeficiente de rozamiento mínimo para sostener la carga , al eliminar la carga .
El coeficiente de rozamiento mínimo en el suelo para elevar la carga y para sostenerla sin P.
- 01
Reconocer el camino
COMP1Para elevar hay que meter la cuña superior hacia la derecha. ¿Por qué necesita rozamiento el suelo?
Eso es. La cuña superior arrastra a la inferior por la normal inclinada y por el rozamiento de la interfaz. Si el suelo no la sujeta, las dos cuñas se van juntas hacia la derecha y la carga no sube.
Aquí no hay vuelco: las cuñas son planas y anchas y el problema solo mira deslizamientos. Lo que se juega es si la cuña inferior resbala o no.
Soportar el peso lo hace la normal del suelo, que no necesita rozamiento ninguno. Lo que hace falta rozamiento es para la componente horizontal.
- 02
El rozamiento mínimo para elevar la carga
COMP2¿Qué mínimo hace falta para poder elevar ?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has restado el ángulo de la cuña en vez de sumarlo. Al elevar, la cuña sube por la rampa y los dos efectos se suman: .
Ese es , el de las otras dos superficies. El suelo tiene que dar algo más, porque además del rozamiento de la interfaz debe aguantar la componente horizontal de la normal inclinada.
Eso es , el efecto de la rampa sola. Falta sumarle el rozamiento de la interfaz entre las dos cuñas.
Sobre la cuña inferior, la superior empuja con en horizontal, y la normal del suelo vale .
Desarrollo
De la cuña superior, en vertical, . Lo que la interfaz empuja en horizontal sobre la inferior, dividido por la normal del suelo:
con .
- 03
Reconocer el camino
COMP1Quitamos . ¿Qué tiene que pasar para que la carga baje?
Eso es, y por ahí se ve el autobloqueo: la interfaz solo tiene de pendiente y dispone de de rozamiento. Lo que empuja no llega para lo que frena.
Los rodillos solo guían: el enunciado dice que no hay reacción tangencial en las paredes verticales, así que no frenan la bajada.
Aunque el suelo sea liso, para que la inferior resbale hacia fuera alguien tiene que empujarla, y quien podría hacerlo es la interfaz. Con por encima de , la interfaz tira de ella hacia dentro, no hacia fuera.
- 04
El rozamiento mínimo para sostener la carga sin P
COMP2Quitada , ¿qué coeficiente mínimo necesita el suelo para que el sistema sostenga la carga? Si no necesita ninguno, la respuesta es 0.
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Es el número que imprime la colección, . Sale de suponer la interfaz rozando a tope, y en esa hipótesis el empuje sobre la cuña inferior apunta hacia dentro: no es un rozamiento que el suelo tenga que dar para sostener, sino el tiro que haría falta para sacar la cuña.
Ese es el del apartado a, para elevar. Sostener es mucho más barato que elevar: para bajar la carga hay que deshacer la cuña, y la cuña se resiste.
Eso es . Aparece en la comparación que decide el autobloqueo, pero como el rozamiento disponible es mayor, la conclusión es que no hace falta nada en el suelo.
Prueba a suponer el suelo perfectamente liso y mira si las ecuaciones admiten equilibrio con rozamientos por debajo de su máximo.
Desarrollo
Con y sin , el equilibrio de las dos cuñas se cumple con
y : la interfaz no llega ni de lejos a su techo. Hay equilibrio sin que el suelo aporte nada, así que
El par de cuñas es autobloqueante porque el ángulo, 5°, es menor que el ángulo de rozamiento, 11,31°.
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Es lo que imprime la colección, y no se sostiene: con el suelo perfectamente liso las ecuaciones dan equilibrio con la interfaz trabajando al 44 % de su capacidad. El 0,11 es , el tiro necesario para extraer la cuña inferior, no un rozamiento que el suelo deba aportar.
El razonamiento, en orden
Para elevar, la cuña superior desliza contra la carga y contra la inferior: los dos rozamientos están en su máximo.
La cuña inferior recibe hacia la derecha y se apoya en el suelo con normal .
De ahí el apartado a: .
Sin P, como es menor que , el par de cuñas se autobloquea y el suelo no necesita rozamiento.
Resolución completa
Elevar la carga (apartado a). Al empujar con , la cuña superior sube por la rampa deslizando contra la carga y contra la cuña inferior, así que los dos rozamientos valen . En vertical, sobre la cuña superior,
y la interfaz empuja a la cuña inferior hacia la derecha con . Como el suelo la aguanta con normal :
Es el 0,29 publicado.
Sostener la carga sin P (apartado b). Aquí el resultado impreso, 0,11, no responde a lo que pregunta el enunciado. El par de cuñas es autobloqueante: el ángulo de la cuña, 5°, es menor que el ángulo de rozamiento, . Con el suelo perfectamente liso las ecuaciones ya admiten equilibrio:
Ninguna de las dos cuñas puede escaparse: para que baje, o sale la superior hacia la izquierda —y ahí el empuje disponible, , es menor que el rozamiento que lo frena— o sale la inferior hacia la derecha, y entonces la interfaz, rozando a tope, la empuja hacia dentro. Por tanto .
De dónde sale el 0,11. Es , y tiene un significado real, pero otro: es la fuerza horizontal, en fracción de , que habría que aplicar a la cuña inferior para extraerla con el suelo liso y dejar bajar la carga. El mismo número con el signo cambiado de sentido.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El cilindro que gira encajado en una V
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un cilindro de masa y radio rota con velocidad constante , tal y como se observar en la figura deslizando sobre ambas superficies inclinadas y fijas. El coeficiente de rozamiento entre el cilindro y cada superficie es conocido de valor . Obtener el momento a aplicar sobre el cilindro para que continue con ese movimiento.
Las dos normales y el momento que hay que aplicar para mantener el giro.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Por qué aquí sí se puede escribir en los dos contactos desde el principio?
Eso es, y es lo que distingue este problema del resto del tema. Aquí ya hay movimiento relativo en los dos contactos, así que el rozamiento es el cinético y vale sin más hipótesis.
No: mientras no hay deslizamiento, es solo el techo y el rozamiento vale lo que pida el equilibrio. Escribirlo como igualdad sin que haya movimiento inminente es el error más común del tema.
Girar no basta: un disco que rueda sin deslizar tiene rozamiento estático por debajo del máximo. Lo que aquí lo fija es que el enunciado dice que desliza sobre ambas superficies.
- 02
La normal del contacto que más carga
COMP2Con , un valor nuestro para poner número, ¿cuánto vale en unidades de ? Es el contacto de la izquierda, hacia el que el rozamiento empuja al girar en sentido antihorario.
un número, N1 dividido entre mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Eso es , lo que valdrían las dos normales si no hubiera rozamiento. Con rozamiento el giro descompensa los dos apoyos y dejan de ser iguales.
Ese es , el otro contacto. Al girar en sentido antihorario el rozamiento carga más el apoyo de la izquierda y descarga el de la derecha.
Escribe las dos ecuaciones de fuerzas con las normales a 45° y los rozamientos tangentes, cada uno opuesto a la velocidad de su punto de contacto.
Desarrollo
Proyectando en horizontal y en vertical, con los rozamientos opuestos al deslizamiento de cada contacto:
- 03
El momento que mantiene el giro
COMP2Con el mismo , ¿cuánto vale el momento en unidades de ?
un número, M dividido entre mgr — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado las normales del caso sin rozamiento, cada una. Con rozamiento las normales cambian, y su suma ya no es .
Has restado los dos rozamientos. Apuntan en sentidos opuestos como vectores, pero respecto del centro los dos frenan el giro: sus momentos se suman.
Has tomado la normal total igual a . La V reparte el peso en dos normales a 45°, y su suma vale más que .
Momentos en el centro: solo los rozamientos dan, los dos con brazo y los dos frenando.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Velocidad constante significa aceleración angular nula, o sea momento total nulo, no momento exterior nulo. Los rozamientos frenan, así que hace falta un momento exterior que los compense exactamente.
El razonamiento, en orden
El cilindro desliza en los dos contactos: el rozamiento es cinético y vale en cada uno.
Cada rozamiento es tangente a su superficie y opuesto a la velocidad del punto de contacto, que con giro antihorario baja por la izquierda y sube por la derecha.
De las dos ecuaciones de fuerzas salen y con .
Momentos en el centro, .
Resolución completa
Qué tipo de problema es. El cilindro ya está deslizando sobre las dos caras, así que el rozamiento es cinético y se escribe en cada contacto desde el principio. Girando en sentido antihorario, el punto de contacto de la izquierda baja por su rampa y el de la derecha sube, y cada rozamiento se opone a eso.
Las normales. Proyectando en los dos ejes, con las normales a 45°:
El giro descompensa los apoyos: con el de la izquierda se lleva y el de la derecha, .
El momento. En el centro solo dan momento los rozamientos, los dos con brazo y los dos frenando:
Las tres expresiones coinciden con las publicadas. Comprobadas además resolviendo el sistema con los vectores de contacto calculados a partir del sentido de giro: 0,84334, 0,45411 y 0,38923 para .
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La cuña que sube un bloque apoyado en la pared
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Hallar el valor de de modo que el bloque tenga deslizamiento inminente hacia arriba. Se desprecia el peso de . Datos: , , , , .
La fuerza horizontal Q que pone el bloque B a punto de subir.
- 01
Reconocer el camino
COMP1está a punto de subir mientras avanza hacia la derecha. ¿Hacia dónde va el rozamiento sobre en cada uno de sus dos contactos?
Eso es. sube, así que la pared lo frena hacia abajo. Y respecto de , se mueve hacia arriba y hacia la izquierda a lo largo de la cara, luego el rozamiento sobre va justo al revés.
El rozamiento no elige ayudar: se opone al deslizamiento. Como sube, los dos contactos lo frenan, y ponerlos hacia arriba da una mucho menor que la real.
La normal es perpendicular a la cara, pero el enunciado da para ese contacto justamente porque además hay rozamiento, y ahí hay deslizamiento relativo.
- 02
La fuerza contra la pared
COMP2Del equilibrio de , ¿cuánto vale la normal contra la pared, en kg*?
un número, en kg* — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has olvidado el rozamiento de la pared en la ecuación vertical de . Al frenar la subida, ese rozamiento obliga a la cuña a apretar más, y todas las fuerzas suben.
Has quitado el rozamiento de la cara inclinada. Con la normal tiene que ser bastante mayor, y con ella .
En : horizontal ; vertical .
Desarrollo
- 03
La fuerza Q
COMP2Con el equilibrio de la cuña , ¿cuánto vale ?
un número, en kg* — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Es lo que sale leyendo el dato impreso «0,4,4» como 0,44. Con sale exactamente el resultado publicado, 7419, así que la coma de más es una errata.
Has puesto en la normal del suelo solo el peso . El suelo soporta además lo que el rozamiento de la pared empuja hacia abajo, así que y no 4000.
Has ignorado el rozamiento de la pared. Es el que más encarece la maniobra, porque frena la subida de y obliga a apretar más.
Has dibujado el rozamiento de la cara inclinada al revés, como si bajara. Con subiendo, ese rozamiento se opone y hay que vencerlo.
no pesa. En horizontal, , y la normal del suelo es lo que carga sobre la cuña.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Que no pese no quiere decir que no apriete el suelo: le está cayendo encima toda la carga vertical que le pasa , 5078 kg*. Ese contacto aporta kg*, más de una cuarta parte de .
El razonamiento, en orden
B sube, así que los dos rozamientos que actúan sobre él lo frenan: el de la pared hacia abajo y el de la cara inclinada hacia abajo a lo largo de ella.
Del equilibrio de B salen kg* y kg*.
La cuña A no pesa, y recibe de B una carga vertical de 5078 kg*, que es la normal del suelo.
En horizontal sobre A: kg*.
Resolución completa
El bloque B. Sube deslizando contra la pared y contra la cara inclinada, así que los dos rozamientos lo frenan. Con la normal de la cara formando con la vertical:
De las dos, kg* y kg*.
La cuña A. No pesa, pero recibe de una carga vertical kg*, que es su normal contra el suelo. En horizontal:
Sobre el dato impreso. El enunciado publica . Con sale 7419 kg*, exactamente el resultado publicado; con 0,44 saldrían 7622. La coma de más es una errata de la colección, y el valor bueno es 0,4.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La viga que se mueve sobre dos ruedas
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Calcular la fuerza mínima para el inicio del desplazamiento de la viga. Comprobar los siguientes casos:
a. Deslizamiento entre rueda-viga.
b. Deslizamiento entre rueda y suelo.
c. Rodadura entre rueda y suelo.
Datos: ; ; , . Entre ruega y viga: ; . Entre rueda y suelo: ; .
La fuerza mínima que mueve la viga, comparando los tres modos posibles.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El enunciado da cm y cm. ¿Qué son esos dos números?
No son adimensionales: llevan unidades de longitud, centímetros. Tratarlos como coeficientes de rozamiento da una fuerza cientos de veces mayor que la real.
La zona de contacto se aplasta, sí, y de ahí viene el fenómeno, pero no es su tamaño: es el brazo con el que la resultante de la normal queda adelantada.
Eso es, y por eso vienen en centímetros. Es la distancia que la normal se adelanta en el sentido del movimiento, y en la fórmula aparece siempre dividida por el radio.
- 02
Caso a, deslizamiento entre rueda y viga
COMP2¿Qué fuerza haría deslizar la viga sobre las ruedas?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas usado solo la carga de una rueda, la más cargada. Las dos ruedas rozan contra la viga, y entre las dos soportan los 12 kN.
Has usado , el del suelo. Entre rueda y viga el coeficiente es .
Las dos ruedas juntas soportan la carga entera. Deslizar la viga sobre ellas cuesta por esa carga.
Desarrollo
- 03
Caso b, deslizamiento entre rueda y suelo
COMP2¿Y qué fuerza haría deslizar el conjunto sobre el suelo, con las ruedas bloqueadas?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas vuelto a usar . Contra el suelo el coeficiente es .
Has usado la carga de una sola rueda. El suelo aguanta los 12 kN completos, repartidos entre los dos contactos.
Igual que antes, pero con el coeficiente del suelo.
Desarrollo
- 04
Caso c, rodadura
COMP2Si las ruedas ruedan, cada una vence la resistencia a la rodadura en sus dos contactos. ¿Cuánto vale ?
una fuerza, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas usado como brazo en vez de . Las dos fuerzas horizontales de la rueda, la de arriba y la de abajo, forman un par cuyo brazo es el diámetro.
Has tratado como si fuera adimensional, multiplicándolo por la carga. Es una longitud, y va dividido por el radio.
Son los 225 leídos como kilogramos-fuerza y pasados a newtons. La colección imprime «225 kg», pero con en kN el resultado sale en newtons.
Solo has contado el contacto con el suelo. La rueda también rueda contra la viga, y las dos resistencias se suman.
Para una rueda con carga : . Súmalo para las dos, que entre ambas llevan .
Desarrollo
Tomando momentos en una rueda, las dos normales adelantadas frenan y las dos fuerzas horizontales forman un par de brazo :
Sumando las dos ruedas, cuyas cargas suman :
Con todo en metros: m, m, m.
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Justo al revés: rodar sin deslizar exige rozamiento suficiente. Lo que pasa es que aquí sobra de largo, porque la fuerza que cada contacto necesita es veces su normal, muy por debajo de y .
El razonamiento, en orden
Hay tres formas de que la viga empiece a moverse: deslizar sobre las ruedas, deslizar con todo el conjunto sobre el suelo, o hacer rodar las ruedas.
Deslizar sobre las ruedas cuesta kN; deslizar sobre el suelo, kN.
Rodar cuesta N, con las tres longitudes en metros.
La menor de las tres es la que ocurre: la viga se mueve haciendo rodar las ruedas, con 225 N.
Resolución completa
Las cargas. La viga reparte los 12 kN entre las dos ruedas según las distancias: 4 kN en la rueda 2 y 8 kN en la 3. Para lo que sigue solo importa que entre las dos suman .
Caso a. La viga desliza sobre las ruedas, que se quedan quietas:
Caso b. Todo el conjunto desliza sobre el suelo:
Caso c. Las ruedas ruedan. Cada rueda tiene resistencia a la rodadura arriba y abajo, y sus dos fuerzas horizontales forman un par de brazo :
Cuál gana. La menor con diferencia es la rodadura: 225 N frente a 3000 y 4800. Y es coherente, porque el rozamiento que cada contacto necesita para que la rueda ruede sin deslizar es veces su normal, muy por debajo de los coeficientes disponibles.
Sobre las unidades del resultado impreso. La colección publica « kg (caso c)». El número es el correcto, pero con dado en kN el resultado sale en newtons: 225 N, que son 23 kg*.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Las dos barras articuladas y el par que las mantiene
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una barra de masa y longitud está articulada a un apoyo fijo en y al extremo de otra barra igual , apoyada en sobre un suelo rugoso de coeficiente de rozamiento conocido . Calcular entre qué valores oscila el valor del par aplicado en el centro de , para que el sistema esté en equilibrio.
Los valores máximo y mínimo del par que mantienen el sistema en equilibrio.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Por qué este problema tiene dos respuestas y no una?
Las dos barras dan ecuaciones, pero la horquilla no sale de ahí: sale de que es una desigualdad con dos lados.
Aquí solo aparece un coeficiente, , y todo el problema es estático. Los dos valores son los dos extremos de la misma desigualdad.
Eso es, y es lo que avisa la nota de la colección. Con el par pequeño el sistema se abre y se va hacia fuera; con el par grande se cierra y se va hacia dentro. El rozamiento se opone a cada uno, así que hay que resolver dos veces.
- 02
El par que no necesita rozamiento
COMP2Hay un valor de para el que no necesita rozamiento ninguno. ¿Cuánto vale, en unidades de ?
un número, P dividido entre mgL — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te falta el de la geometría a 45°. Los brazos salen todos con , y por eso el resultado lo lleva.
Has contado el peso de las dos barras en el equilibrio de . Tomando momentos en sobre la barra sola, solo entra el peso de esa barra.
Impón en . Con momentos en para todo el sistema sale , y con momentos en para la barra , la relación con .
Desarrollo
Momentos en para el conjunto y en para la barra , con :
se anula en , o sea
Este valor vale para cualquier , incluso para , y es la comprobación que decide el resultado del problema.
- 03
El par mínimo
COMP2Con , un valor nuestro para poner número, ¿cuál es el par mínimo en unidades de ?
un número, P dividido entre mgL — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el par sin rozamiento. Con rozamiento el sistema aguanta pares menores, porque el suelo sujeta a mientras el conjunto tiende a abrirse.
Has perdido el 2 del término . La cuenta da , no .
Has puesto el rozamiento en el sentido contrario. Con el par pequeño el sistema se abre, tiende a salir hacia fuera y el rozamiento lo frena hacia dentro.
Es el caso : impón y despeja .
Desarrollo
- 04
El par máximo
COMP2Con el mismo , ¿cuál es el par máximo en unidades de ?
un número, P dividido entre mgL — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Es lo que da la fórmula impresa, , y no puede ser: es menor que , el par que equilibra sin ningún rozamiento. Un máximo que deja fuera un caso de equilibrio seguro está mal.
Ese es el par sin rozamiento, que está dentro de la horquilla, no en su borde. Con rozamiento se puede apretar bastante más antes de que escape hacia dentro.
Ese es el máximo que saldría con . Con el denominador vale 0,75.
Es el caso : impón y despeja .
Desarrollo
Ojo al numerador: es , no como imprime la colección.
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Eso es lo que diría la fórmula impresa, y basta un caso para tumbarla: da exactamente, así que equilibra con cualquier , incluido . Lo que ocurre con es que la cota inferior se hace nula, no que la horquilla desaparezca.
El razonamiento, en orden
Momentos en O para el conjunto: la normal en B vale .
Momentos en A para la barra AB: el rozamiento vale .
El equilibrio exige , y esa desigualdad con dos lados da las dos cotas.
Salen y .
Resolución completa
Las dos ecuaciones que hacen falta. Con momentos en para el sistema completo sale la normal en , y con momentos en para la barra sola, el rozamiento. Llamando :
Los dos sentidos. El equilibrio pide , que son dos condiciones:
La cota superior impresa está mal. La colección publica , con en el numerador. Se cae con una comprobación de una línea: , o sea , anula el rozamiento —, — y por tanto equilibra para cualquier , incluso . La fórmula impresa da un máximo menor que en cuanto , y con colapsa a : dejaría fuera un equilibrio que existe seguro. Con todo encaja.
Comprobación numérica. Resolviendo el sistema de seis ecuaciones y buscando por bisección dónde deja de cumplirse : con salen 0,56569 y 2,82843 en unidades de , y con , 1,02852 y 1,88562. Los cuatro coinciden con las fórmulas de arriba hasta la quinta cifra.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La barra apoyada en un disco, y el intervalo de la fuerza
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una barra (1) de longitud y masa se encuentra articulada en el punto al suelo y apoyada en un punto sobre un disco (2) sin masa de radio . El disco está sobre un suelo rugoso con coeficiente de rozamiento . En el contacto entre barra y disco, existe rodadura. En el centro del disco, se aplica una fuerza horizontal . Determinar entre qué valores debe encontrarse para que exista equilibrio.
La barra a 45°, con su punto medio G justo sobre el disco: el apoyo cae en el centro de gravedad. La fuerza F está dibujada hacia la izquierda, que es el sentido positivo del resultado.
Los dos valores extremos de F, en unidades de Mg, entre los que hay equilibrio.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué fija la normal entre la barra y el disco en ?
Eso es. El rozamiento en va en la dirección de la barra, así que pasa por y no da momento allí. Queda , con la normal independiente de .
La barra está articulada en , y la articulación se lleva su parte. Además la normal es perpendicular a la barra, no vertical, así que ni siquiera equilibra por sí sola un peso vertical.
La barra sola ya la fija. Su ecuación de momentos en solo contiene el peso y la normal, porque el rozamiento en tiene la dirección de la barra y su recta de acción pasa por .
- 02
El valor máximo de la fuerza
COMP2¿Cuál es el mayor valor de que admite el equilibrio, medido en unidades de ?
un número, la fuerza dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el valor que equilibra el disco sin rozamiento en el suelo, la mitad de la normal. El rozamiento del suelo empuja en el mismo sentido y deja subir a bastante más.
Has tomado la normal del suelo como . El propio rozamiento en tiene componente vertical y descarga esa normal, así que hay que resolverla junto con el rozamiento, no antes.
En el disco, sin masa, los momentos en su centro igualan los dos rozamientos. Después impón con el suelo.
Desarrollo
Con y sale y
- 03
El valor mínimo de la fuerza
COMP2¿Cuál es el menor valor de , en unidades de ? Un valor negativo significa que la fuerza apunta al otro lado.
un número con su signo, la fuerza dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has supuesto que el intervalo es simétrico. No lo es: al cambiar el sentido del rozamiento cambia también la normal del suelo, y con ella el rozamiento máximo disponible.
Eso sale de anular el rozamiento del suelo. Con rozamiento el intervalo se ensancha por los dos lados, y por este el margen extra vale menos .
Ahora el rozamiento del suelo apunta al revés, , y aumenta la normal .
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
solo se cumple en el límite. Mientras no hay deslizamiento el rozamiento toma el valor que pida el equilibrio, y eso es justo lo que produce un intervalo de en vez de un único valor.
El razonamiento, en orden
Momentos en A sobre la barra: la normal en G vale Mg partido por raíz de dos, y no depende de F.
El disco no tiene masa, así que los momentos en su centro obligan a que el rozamiento en G y el del suelo sean iguales.
El equilibrio se rompe deslizando en el suelo, y por eso hay dos límites, uno por cada sentido del rozamiento.
Resolución completa
La normal en G. Como es el punto medio de la barra, ahí está también su centro de gravedad. Tomando momentos en , el rozamiento en va en la dirección de la barra y no da momento:
El disco. No tiene masa, así que los momentos en su centro dan : el rozamiento con la barra y el del suelo son iguales. Proyectando,
Los dos límites. El equilibrio se rompe cuando el suelo no aguanta, con . Con sale y con sale , de donde
que es el resultado publicado. En el extremo superior la normal del suelo todavía vale , positiva, así que el disco sigue apoyado.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El disco entre una pared y una barra, sostenido por un peso
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un disco de centro , radio y masa se encuentra entre una pared vertical y una barra sin masa de longitud . El coeficiente de rozamiento entre disco y barra es y entre disco y pared muy grande de forma que no hay deslizamiento entre pared y disco. El sistema está equilibrado gracias al peso que tensa el hilo que pasa por las poleas y hasta el punto . Puede despreciarse el radio y la fricción en las poleas. Determinar los límites entre los que debe estar para que el sistema permanezca en reposo (equilibrio).
El disco toca la pared y la barra, y el hilo sale de A perpendicular a la barra hacia la polea B. En la pared no hay deslizamiento: su rozamiento es una incógnita más, sin techo.
El menor y el mayor valor de P, en unidades de Mg.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El enunciado dice que el rozamiento con la pared es muy grande. ¿Qué significa eso al plantear las ecuaciones?
Es justo al revés. Si la pared fuera lisa, los momentos en obligarían a que tampoco hubiera rozamiento en la barra y el equilibrio sería posible para un único valor de .
Escribir con enorme da un rozamiento enorme, que no es lo que pasa. El rozamiento vale lo que pida el equilibrio; «muy grande» solo dice que ahí no se llega al techo.
Eso es. Un contacto sin deslizamiento no aporta la ecuación : aporta una incógnita. El límite lo pone el otro contacto, el de la barra, donde .
- 02
El valor mínimo del peso
COMP2¿Cuál es el menor valor de , en unidades de ?
un número, el peso dividido entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Con la pared lisa sale eso, y además sale un valor único, no un intervalo. El rozamiento de la pared es el que permite que el disco aguante con menos tensión en el hilo.
Has igualado la fuerza del hilo a la normal en la barra. Los brazos no son iguales: el hilo tira a de y la normal actúa a , así que .
Momentos en sobre la barra dan ; momentos en sobre el disco igualan el rozamiento de la barra con el de la pared.
Desarrollo
- 03
El valor máximo del peso
COMP2¿Cuál es el mayor valor de , en unidades de ?
un número, el peso dividido entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Es el valor de la normal en ese límite, no el del peso. El hilo tiene brazo y la normal , así que hay que dividir entre .
Ese es el otro extremo, el que sale con el rozamiento de la barra hacia el otro lado. Aquí el disco tiende a subir y el rozamiento en cambia de sentido.
Es el mismo cálculo con .
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
«No desliza» no es «no hay rozamiento»: es exactamente lo contrario. Ese rozamiento existe, vale lo que pida el equilibrio y es el que sostiene el disco; con la pared lisa el problema tendría una sola solución en vez de un intervalo.
El razonamiento, en orden
Momentos en O sobre la barra, que no tiene masa: la normal del disco vale raíz de tres por P.
Momentos en G sobre el disco: el rozamiento de la barra y el de la pared son iguales, porque los dos tienen brazo R.
El equilibrio se rompe cuando el rozamiento en D llega a la mitad de su normal, y eso ocurre en los dos sentidos.
Resolución completa
La geometría. El disco es tangente a la pared y a la barra, así que su centro está en la bisectriz, a de , y el contacto con la barra cae a de .
La barra. No tiene masa. Con el hilo perpendicular a ella en , momentos en :
El disco. Momentos en : el rozamiento de la barra y el de la pared tienen los dos brazo , luego son iguales. Proyectando en vertical,
Los dos límites. El contacto que puede deslizar es el de la barra, con :
o sea entre y , que es el resultado publicado. En los dos extremos la normal de la pared sale positiva, así que el disco sigue tocándola.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Dos discos unidos por una cuerda, uno en un plano inclinado
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El disco 1 de masa y radio descansa sobre una superficie horizontal rugosa y tiene su centro unido a una cuerda, la cual está arrollada a la periferia del disco 2 de masa y radio . Este disco 2 se apoya sobre un plano rugoso inclinado 60° respecto a la vertical. Sobre el disco 1 se aplica un par a determinar en el sentido indicado en la figura. El sistema se encuentra a punto de perder el equilibrio, siendo el coeficiente de rozamiento el mismo en ambas superficies de contacto. Calcular el valor del coeficiente de rozamiento mínimo necesario y el valor del par .
La cuerda sale del centro del disco 1, horizontal, pasa por la polea y baja paralela al plano hasta enrollarse en la periferia del disco 2. Ahí está la clave del problema, porque su brazo respecto del contacto del disco 2 es 2R, no R.
La tensión de la cuerda, el coeficiente de rozamiento mínimo y el par P.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué brazo tiene la tensión de la cuerda respecto del punto de contacto del disco 2 con el plano?
Eso sería si la cuerda estuviera atada al centro, como en el disco
- Aquí está arrollada, y por eso puede sostener el disco sin que haga falta más rozamiento del que hay.
Eso es. Tomando momentos en el contacto, la tensión tiene brazo y el peso, solo su componente por el plano, brazo : sale .
La cuerda no pasa por el centro: está arrollada a la periferia y sale por el lado opuesto al contacto. Del contacto al punto por donde sale hay un diámetro entero, .
- 02
La tensión de la cuerda
COMP2¿Cuánto vale la tensión de la cuerda, en unidades de ?
un número, la tensión dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has puesto la cuerda en el centro del disco 2, con brazo . Entonces la tensión tendría que equilibrar ella sola la componente del peso; arrollada en la periferia le basta la mitad.
Has usado el coseno de 30°. El plano está inclinado 30° sobre la horizontal, así que la componente del peso que tira por el plano es .
Momentos en el punto de contacto del disco 2: .
Desarrollo
- 03
El coeficiente de rozamiento mínimo
COMP2¿Qué coeficiente de rozamiento mínimo necesita el sistema?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el que pide el contacto del disco 1, . El mínimo lo manda el contacto más exigente, y ese es el del plano inclinado.
Eso es , el coeficiente que haría falta si el disco bajara solo, sin cuerda. La cuerda se lleva la mitad de la componente del peso y deja al rozamiento con la otra mitad.
En el plano, y .
Desarrollo
- 04
El par sobre el disco 1
COMP2¿Cuánto vale el par , en unidades de ?
un número, el par dividido entre M g R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado como brazo del rozamiento del disco 1. Su radio es , así que el par vale .
Arrastras una tensión de , la que sale de poner la cuerda en el centro del disco 2. Con la cuerda arrollada, .
En el disco 1 el rozamiento equilibra a la tensión, y su brazo respecto del centro es .
Desarrollo
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
El disco 1 solo pide y el del plano pide . El mínimo que sirve para todo el sistema es el mayor de los dos, y soportar el par no tiene nada que ver: lo que exige rozamiento es la componente del peso que la cuerda no sujeta.
El razonamiento, en orden
Momentos en el contacto del disco 2: la tensión tiene brazo 2R y sale Mg partido por cuatro.
En el plano el rozamiento vale la componente del peso menos la tensión, y comparado con la normal pide raíz de tres partido por seis.
En el disco 1 el rozamiento iguala a la tensión, y el par es esa fuerza por el radio 2R.
Resolución completa
El disco 2. Tomando momentos en su punto de contacto con el plano, la cuerda —paralela al plano y arrollada en la periferia— tiene brazo y el peso, brazo con su componente por el plano:
El rozamiento que hace falta ahí. Proyectando sobre el plano y sobre su normal,
El disco 1. La cuerda tira de su centro en horizontal, así que el rozamiento del suelo la equilibra, , con : ese contacto solo pide . Momentos en el centro:
El resultado. El coeficiente mínimo es el mayor de los dos, , y el par vale , que es lo publicado.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El par que hace rodar un disco con resistencia a la rodadura
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
En el sistema de la figura, la barra está sometida al par desconocido y la fuerza conocida actúa sobre la barra . Los pesos del disco y de las barras son despreciables. Determinar:
a. Valor del momento para que el disco comience a rodar, en función de y .
b. Coeficiente de rozamiento mínimo entre suelo y disco para la rodadura.
Dato: .
El disco está articulado a la barra por su punto más alto, a 2R del suelo: ese es el brazo de la fuerza horizontal que lo hace rodar. El par M está dibujado en sentido antihorario.
El coeficiente de rozamiento mínimo y el momento M en función de P y R.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El dato es . ¿Cómo entra en el equilibrio del disco?
es una longitud, no un número. Por eso el dato viene dividido por : lo que hace de coeficiente equivalente es el cociente con esta geometría, no a secas.
Eso es. es el brazo con el que se adelanta la normal, y aquí la fuerza horizontal entra por , a del suelo: , o sea .
El disco no recibe nada en su centro: está articulado a la barra por su punto más alto, a del suelo. El brazo de la fuerza que lo hace rodar es esa altura.
- 02
El coeficiente de rozamiento mínimo
COMP2¿Qué coeficiente de rozamiento mínimo hace falta entre suelo y disco para que ruede en vez de deslizar?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado como brazo de la fuerza horizontal. Entra por , a del suelo, así que la relación es , la mitad del dato.
Momentos en el punto adelantado: . El rozamiento equilibra a y la normal a .
Desarrollo
- 03
El momento que hace rodar el disco
COMP2¿Cuánto vale , en unidades de , con el par en el sentido dibujado?
un número, el momento dividido entre P por R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has adelantado la normal hacia el otro lado. Con el par antihorario el extremo sube y se va a la izquierda, la barra tira del disco hacia la izquierda y el disco rueda hacia la izquierda: la normal se adelanta en ese sentido y la resistencia se suma al momento, no se resta.
Momentos en sobre la barra dan la fuerza vertical en ; la horizontal es esa por . Después, momentos en .
Desarrollo
En la barra , momentos en :
En la barra , momentos en , con a de :
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Sin resistencia a la rodadura el par sería exactamente , menor. El rozamiento del suelo no consume par: está aplicado en el punto sobre el que el disco gira, y lo único que frena la rodadura es que la normal se adelanta .
El razonamiento, en orden
Momentos en C sobre la barra AC: la fuerza vertical en A vale P partido por cuatro.
La resistencia a la rodadura obliga a que la fuerza horizontal en A sea el 2 por ciento de la vertical, porque A está a 2R del suelo.
Momentos en B sobre la barra BC: el par vale 1,5 PR más el 1 por ciento que aporta la resistencia a la rodadura.
Resolución completa
Qué es el dato. es una longitud: lo que se adelanta la normal en el sentido en que el disco va a rodar. Como el disco recibe la fuerza horizontal por , a del suelo, tomando momentos en el punto adelantado
y ese cociente es también , o sea el coeficiente de rozamiento mínimo para que ruede en vez de deslizar: .
La barra AC. Momentos en : , luego y la componente horizontal en vale .
La barra BC. Con el par antihorario el disco rueda hacia la izquierda, así que la normal se adelanta hacia la izquierda y la componente horizontal se suma. Momentos en , con a en horizontal y en vertical:
que es el resultado publicado. Si el disco rodara hacia el otro lado saldría : el intervalo de pares que no mueven nada es justo ese, de a .
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El bloque que sostiene una barra, entre deslizar y volcar
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El peso de la barra es y su longitud . Determinar el peso mínimo necesario que debe tener el bloque para sostener la barra en función de , analizando el deslizamiento y el vuelco del bloque. El coeficiente de rozamiento entre el bloque y el suelo y entre el bloque y la barra es .
La barra mide 15a y se apoya en la arista del bloque, que está a 6a de A y mide 8a de alto por 2a de ancho. Su extremo A está encajado contra el escalón, que es lo que le impide correrse hacia la izquierda.
El peso del bloque que hace falta para que no deslice y para que no vuelque, en unidades de P.
- 01
Reconocer el camino
COMP1La barra se apoya en la arista del bloque. ¿Qué fuerzas hay que poner en ese contacto y qué dirección tienen?
El enunciado da coeficiente entre bloque y barra precisamente porque ahí hay rozamiento. Y cuenta: sin él saldrían y en vez de y .
Eso es. En un contacto arista-superficie manda la superficie: la normal es perpendicular a la barra y el rozamiento va por ella. Además el rozamiento pasa por , así que la normal sale sola de los momentos allí.
La dirección del contacto no la decide la postura del bloque sino la geometría del contacto. La barra está inclinada, así que su normal también, y por eso el bloque recibe una componente horizontal que lo empuja.
- 02
El peso que impide el deslizamiento
COMP2¿Qué peso del bloque hace falta para que no deslice, en unidades de ?
un número, el peso del bloque dividido entre P — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has despreciado el rozamiento entre la barra y el bloque. Ese rozamiento apunta hacia arriba por la barra, así que empuja al bloque hacia abajo y hacia la izquierda, y le ayuda por los dos lados.
Has puesto el rozamiento del contacto al revés. El bloque avanza hacia la derecha y su arista se corre hacia sobre la barra, así que el rozamiento sobre el bloque apunta hacia .
Momentos en sobre la barra dan . Después proyecta la acción sobre el bloque y escribe .
Desarrollo
La barra empuja al bloque con más el rozamiento hacia , y en total . Entonces
- 03
El peso que impide el vuelco
COMP2¿Y para que no vuelque sobre su arista de la derecha, en unidades de ?
un número, el peso del bloque dividido entre P — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Otra vez sin el rozamiento en . Su componente vertical empuja el bloque hacia abajo justo en la esquina de la izquierda, y ese momento ayuda a no volcar.
Has tomado como brazo del peso del bloque. El peso está en su centro, a de la arista de vuelco, así que el brazo es la mitad de la base.
Momentos respecto de la arista inferior derecha. El peso del bloque tiene brazo ; la acción de la barra está en la esquina superior izquierda, a a la izquierda y por encima.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Son dos formas independientes de perder el equilibrio y hay que impedir las dos. Con el bloque no desliza, pero vuelca: el peso mínimo que sirve es .
El razonamiento, en orden
Momentos en A sobre la barra: la normal en la arista vale 0,45 P, y el rozamiento de ese contacto no da momento porque pasa por A.
La barra empuja al bloque con 0,306 P en horizontal y 0,342 P hacia abajo, ya sumado el rozamiento.
Contra el deslizamiento hacen falta 1,188 P y contra el vuelco 1,764 P: el peso mínimo es el mayor de los dos.
Resolución completa
La barra. Su longitud es y el apoyo cae a de ——, con el centro de gravedad a , o sea a en horizontal. El rozamiento del contacto va por la barra y su recta pasa por , así que momentos en :
Lo que recibe el bloque. La normal es perpendicular a la barra, , y el rozamiento, dirigido hacia sobre el bloque, porque la arista se corre hacia sobre la barra. En total
Deslizamiento. Con la normal del suelo ,
Vuelco. Momentos respecto de la arista inferior derecha:
Los dos coinciden con el resultado publicado. El peso mínimo que sostiene de verdad la barra es el mayor, : manda el vuelco.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El disco con una masa soldada, la barra y el muelle
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Un disco sin masa de radio tiene soldada una masa puntual a una distancia del centro . El disco está apoyado en el punto sobre una superficie horizontal y en el punto sobre la barra . En el contacto en , se garantiza la rodadura y en el contacto en se sabe que el coeficiente de rozamiento es . La barra tiene una longitud , masa despreciable y en su extremo está articulada a un muelle de longitud sin tensión y constante elástica desconocida. En la posición de equilibrio de la figura:
a. Valores máximo y mínimo de la constante elástica .
b. Coeficiente de rozamiento necesario en el contacto en para garantizar la rodadura cuando la constante elástica toma sus valores máximo y mínimo.
El muelle mide R y su longitud natural es 2R: está comprimido y empuja el extremo E hacia el disco. La masa está soldada en G, a media R del centro, en la horizontal que pasa por B.
Los valores mínimo y máximo de k, y el rozamiento que hace falta en A en cada caso.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Cuánto se ha deformado el muelle y en qué sentido empuja o tira del extremo ?
Eso es. La pared está a del extremo de la barra y la longitud sin tensión es , así que la deformación es y el muelle empuja con hacia la izquierda.
Un muelle no responde a su longitud natural sino a lo que se ha deformado desde ella. Aquí .
Si tirara hacia la pared, la barra se separaría del disco y no habría contacto en . Lo que sostiene el sistema es precisamente que el muelle, comprimido, aprieta la barra contra el disco.
- 02
La constante mínima
COMP2¿Cuál es el menor valor de que mantiene el equilibrio, en unidades de ?
un número, k dividido entre M g partido por R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has tomado la fuerza del muelle como . La deformación es , no : el muelle mide y su longitud sin tensión es .
Has igualado la normal en a la fuerza del muelle. La barra está articulada en : el muelle actúa a y el disco a , así que .
Momentos en sobre la barra dan ; momentos en sobre el disco dan , con .
Desarrollo
- 03
La constante máxima
COMP2¿Y el mayor valor de , en las mismas unidades?
un número, k dividido entre M g partido por R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Otra vez la fuerza del muelle como . Con la deformación buena, , el límite sale el doble.
Es el valor de la normal en ese límite, en unidades de , no el de . La barra multiplica por dos: .
El otro extremo es , con el rozamiento en hacia abajo.
Desarrollo
- 04
El rozamiento que hace falta en A
COMP2Con en su valor mínimo, ¿qué coeficiente de rozamiento necesita el contacto en para que el disco ruede sin deslizar?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has dividido el rozamiento en entre . La normal del suelo no es el peso: el rozamiento en tiene componente vertical y la cambia, aquí hasta .
Ese es el valor que sale con en su máximo. Con la mínima la normal en vale y el cociente baja a .
En horizontal, ; en vertical, .
Desarrollo
Con sale y
Con en su máximo, y , sale .
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Que haya rodadura es lo que se quiere garantizar, y por eso el apartado b pide el coeficiente necesario: el rozamiento en tiene que llegar a sin pasar de su techo, y eso exige o según el caso.
El razonamiento, en orden
El muelle está comprimido R y empuja E con kR; momentos en D: la normal en B vale 2kR.
Momentos en C sobre el disco: el peso tiene brazo R medio y los dos contactos brazo R, así que la normal en B más el rozamiento en B valen Mg partido por dos.
Imponiendo que el rozamiento en B no pase de la mitad de su normal salen los dos límites de k.
Resolución completa
La barra. No tiene masa y está articulada en . El muelle mide con longitud natural : está comprimido y empuja con . Momentos en , con el muelle a y el disco a :
El disco. Momentos en su centro : el peso está a , y el rozamiento de y el de tienen brazo . Con la normal de pasando por ,
Los límites. En , :
El rozamiento en A. Con y :
Los cuatro valores coinciden con el resultado publicado.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El disco con una masa soldada dentro de una pista circular
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El sistema mecánico de la figura consta de un disco de radio , sin masa, con una partícula de masa soldada en el punto , y articulado en su centro a una barra sin masa. El sistema está situado dentro de una pista circular fija de radio . Si el sistema está en equilibrio, calcular:
a. Coeficiente de rozamiento mínimo necesario para que exista equilibrio.
b. Fuerza transmitida en la articulación en .
La masa está soldada en el punto del disco opuesto a C, que cae justo en el centro de la pista. La barra AB no tiene masa y solo recibe fuerzas en sus extremos, así que su reacción va en su propia dirección.
El coeficiente de rozamiento mínimo en C y la fuerza que la barra transmite en B.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué se puede afirmar de la fuerza que la barra transmite en ?
Una articulación transmite dos componentes en general, pero aquí la barra impone su dirección. Poner dos incógnitas deja el disco con cuatro y solo tres ecuaciones.
La barra está inclinada 30° respecto de la vertical, así que su fuerza también. De hecho su componente horizontal es la que equilibra al rozamiento en .
Eso es. Es una barra de dos fuerzas: con solo dos puntos de aplicación y sin peso, las dos fuerzas tienen que ser opuestas y estar sobre la recta . Queda una sola incógnita, su módulo.
- 02
El coeficiente de rozamiento en C
COMP2¿Qué coeficiente de rozamiento mínimo hace falta en el contacto ?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has usado como brazo del peso respecto de . El brazo es la distancia horizontal de a la masa, que vale .
Eso es , el coeficiente que pediría el apoyo del extremo sobre la pista. En hace falta mucho más, y el mínimo del sistema es el mayor de los dos.
Momentos en : solo dan momento el peso y el rozamiento de , los dos con su brazo. La normal de pasa por .
Desarrollo
Proyectando después sale , y
- 03
La componente vertical de la fuerza en B
COMP2¿Cuánto vale la componente vertical de la fuerza que se transmite en , en unidades de ?
un número, la componente dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…La barra no sostiene solo el peso. El rozamiento en es grande y tiene componente vertical hacia abajo, así que la barra tiene que empujar con más de .
Esa es la componente horizontal, . La vertical sale de multiplicar el módulo por .
El módulo de la fuerza en la barra vale y la barra forma 30° con la vertical.
Desarrollo
y la horizontal, . Es la fuerza del resultado, escrita como la ejerce el disco sobre la barra.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
El disco no tiene masa, pero lleva una partícula soldada: el conjunto pesa y ese peso no pasa por . Sin rozamiento en no hay nada que equilibre su momento y el sistema no puede estar en equilibrio.
El razonamiento, en orden
La masa soldada está en el punto opuesto a C, que cae en el centro de la pista, a media raíz de tres por R en horizontal de B.
Momentos en B sobre el disco: la normal de C pasa por B, así que el rozamiento equilibra al peso y vale media raíz de tres por Mg.
Proyectando en las dos direcciones sale la normal, Mg partido por dos, y el coeficiente necesario, raíz de tres.
Resolución completa
La geometría. El disco de radio toca por dentro a la pista de radio , así que su centro está a del centro de la pista. La masa está soldada en el punto opuesto a , que resulta ser justo el centro de la pista, a en horizontal de .
El disco. Momentos en : la normal de pasa por y no da momento, así que
Las proyecciones. Con la fuerza de la barra en la dirección —barra de dos fuerzas— las dos ecuaciones dan
La fuerza en B. Sus componentes son sobre el disco, o sea con signo cambiado sobre la barra, que es como lo publica el resultado. Los dos apartados coinciden con él.
Un aviso sobre el apoyo en A. La barra es de dos fuerzas, así que en la reacción de la pista también va en la dirección : ahí haría falta , mucho menos que en . El mínimo que pide el sistema es por tanto .
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La celosía, el triángulo y la deslizadera con rozamiento
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El sistema mecánico de la figura está en equilibrio en la posición mostrada. El cuadrado de masa y lado está articulado a varias barras de masa despreciable formando dos estructuras simétricas. En el punto , se articulan a un punto fijo y en se apoyan sin rozamiento a un triángulo de masa . Por otra parte, en , la estructura está unida a un muelle ideal de constante elástica desconocida. El triángulo inferior está articulado en a una deslizadera que se mueve sobre una guía vertical con un coeficiente de fricción entre superficies . En se aplican las fuerzas indicadas, siendo desconocida. Cuando el movimiento de es inminente hacia abajo, calcular:
a. Valores límite entre los que oscila para el equilibrio y valor de en ambos casos.
b. Tomando el valor inferior de , calcular las fuerzas internas en las barras , indicando si son de tracción o de compresión.
El muelle tiene longitud natural cero, así que tira de D con kL. En A el apoyo es liso: solo transmite fuerza vertical. Las barras 1, 2 y 3 son la inferior, la diagonal y la superior del tramo de la derecha.
Los dos límites de k, la fuerza F en cada caso y los esfuerzos de las barras 1, 2 y 3.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué se puede decir de la suma de la fuerza del muelle y la reacción del apoyo , antes de mirar el triángulo?
La articulación también carga. Tomando momentos en , el peso a se reparte entre el muelle y el apoyo, que están a : entre los dos suman .
Longitud natural cero significa que la fuerza es por la longitud actual, aquí : el muelle tira siempre, y con toda esa fuerza. Lo que no tiene es tramo sin tensión.
Eso es. Las dos actúan a de y el peso a , así que . Lo que cambia con es el reparto, no la suma.
- 02
El valor mínimo de la constante
COMP2¿Cuál es el menor valor de que admite el equilibrio, en unidades de ?
un número, k dividido entre M g partido por L — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el valor sin rozamiento en la guía, donde la deslizadera no admite ninguna fuerza vertical. El rozamiento es justo lo que abre el intervalo alrededor de ese caso.
Has puesto el rozamiento hacia abajo. Si el movimiento inminente de es hacia abajo, el rozamiento de la guía sobre la deslizadera apunta hacia arriba; ese otro valor es el extremo contrario.
En el triángulo, momentos en dan , y el equilibrio vertical, . Impón .
Desarrollo
- 03
El valor máximo de la constante
COMP2¿Y el mayor valor de , en las mismas unidades?
un número, k dividido entre M g partido por L — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el caso sin rozamiento, que cae justo en medio del intervalo. Con el equilibrio aguanta entre y .
Ese es el otro extremo, el que corresponde a la deslizadera a punto de bajar. Aquí el rozamiento cambia de sentido y la deslizadera está a punto de subir.
Es el mismo cálculo con .
Desarrollo
- 04
El esfuerzo de la diagonal
COMP2Con en su valor inferior, ¿cuánto vale el esfuerzo de la barra 2, la diagonal, en unidades de ?
un número, el esfuerzo dividido entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Esa es la componente vertical que tiene que dar la diagonal, no su módulo. La barra está a 45°, así que hay que multiplicar por .
Has contado solo la fuerza del muelle. Por la sección pasan las dos fuerzas verticales del tramo, la del muelle y la del apoyo , y entre las dos suman pase lo que pase con .
Corta el tramo derecho por las tres barras y suma verticales: el muelle y el apoyo suman , y la única barra con componente vertical es la diagonal.
Desarrollo
Y con momentos en y en salen las otras dos: la superior a compresión con y la inferior descargada.
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Es al revés, y es lo que dice el nudo : allí concurren la reacción vertical del apoyo, el montante vertical y la barra inferior, que es la única horizontal, así que su esfuerzo es cero. La comprimida con es la superior. El resultado publicado intercambia los nombres de las dos barras.
El razonamiento, en orden
Momentos de la estructura en O: la fuerza del muelle más la reacción en A valen 2Mg, con independencia de k.
En el triángulo, momentos en B y equilibrio vertical dan F y la fuerza de rozamiento de la guía, y de ahí los dos límites de k.
En el nudo A solo hay una fuerza horizontal, la de la barra inferior, así que esa barra no trabaja.
Resolución completa
La estructura. Es un sólido rígido articulado en . Momentos en , con el peso a y el muelle y el apoyo a :
El triángulo. Momentos en y equilibrio vertical, con el apoyo en liso —solo fuerza vertical—:
Los dos límites. La deslizadera admite :
que es el resultado publicado. La fuerza no es libre: vale , o sea en el extremo inferior —el que corresponde a a punto de bajar, como dice el enunciado— y en el superior, donde el rozamiento cambia de sentido y está a punto de subir.
Las barras. Con son y . Cortando el tramo derecho:
En el nudo la única fuerza horizontal es la de la barra inferior, luego la barra 1 no trabaja; y en el nudo , el equilibrio horizontal deja la barra 3 comprimida con . El resultado publicado da los mismos tres valores pero llamando 1 a la superior y 3 a la inferior, al revés que la figura.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El disco entre un plano inclinado y una barra con muelle
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El sistema mecánico de la figura está en equilibrio en la posición mostrada con el disco a punto de descender y de deslizar en . El disco de masa y radio mantiene el contacto en todo momento con un plano inclinado y con una barra . La barra , de masa y longitud está articulada a un punto fijo y en su extremo se encuentra atada a un muelle ideal (horizontal en la posición mostrada). El coeficiente de rozamiento entre superficies es . Obtener:
a. Diagramas de sólido libre del disco y de la barra y ecuaciones resultantes.
b. Constante del muelle y reacciones en los puntos de contacto del disco.
El muelle es ideal, de longitud natural cero, y va desde A hasta el arranque del plano, a la misma altura: su longitud es la distancia horizontal entre los dos. El disco toca la barra en B, a 3R de O, y el plano en D.
La normal y el rozamiento en los dos contactos del disco y la constante del muelle.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El enunciado dice que el disco está a punto de descender y de deslizar en . ¿Qué se escribe en cada contacto?
Eso es. Solo el contacto que va a deslizar aporta la ecuación . En el disco rueda, así que su rozamiento es una incógnita que sale del equilibrio y queda por debajo del techo.
El enunciado da un coeficiente «entre superficies» y dice que en va a deslizar: ahí hay rozamiento y además está en su valor máximo. Sin él no habría nada que sostuviera el disco.
Eso serían dos ecuaciones y el sistema quedaría sobredeterminado. De hecho, resuelto el problema, en el cociente sale , muy por debajo de .
- 02
La normal en el contacto con la barra
COMP2¿Cuánto vale la normal , en unidades de ?
un número, la normal dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has dejado sin rozamiento el contacto . Ahí el disco no desliza, pero el rozamiento existe y vale : sale de los momentos en el centro del disco, no de un .
Has anulado el rozamiento en . Entonces los momentos en el centro anulan también el de y el disco se queda con dos normales, que no pueden equilibrar el peso en esta posición.
Momentos en el centro del disco igualan los dos rozamientos. Proyectando después en horizontal y en vertical, con .
Desarrollo
- 03
La constante del muelle
COMP2¿Cuánto vale , en unidades de ?
un número, k dividido entre M g partido por R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has tomado la longitud del muelle igual a . El muelle es horizontal y llega hasta el plano, que a la altura de está a .
Has igualado la fuerza del muelle a la normal en . La barra multiplica: el muelle actúa a de y el disco a , así que la fuerza del muelle es la mitad de .
Momentos en sobre la barra. El peso de la barra es vertical y pasa por , así que no da momento.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
La barra está vertical y su peso pasa por : su brazo es cero y no aparece en esa ecuación. Por eso no depende de la masa de la barra, aunque sea .
El razonamiento, en orden
Momentos en el centro del disco: los dos rozamientos tienen el mismo brazo y por tanto son iguales.
Con el rozamiento en B en su techo y las dos proyecciones salen las cuatro reacciones del disco.
Momentos en O sobre la barra: la fuerza del muelle es la mitad de la normal en B, porque su brazo es el doble.
Resolución completa
La geometría. El disco toca la barra vertical en , a de , y el plano en . Su radio es , así que su centro está a de la barra, a la altura de .
El disco. Momentos en su centro: los dos rozamientos tienen brazo , luego . Con el contacto en su techo, , las dos proyecciones dan
En el cociente vale , por debajo de : ahí no desliza, como decía el enunciado.
La barra. Está vertical, así que su peso pasa por y no da momento. Momentos en :
El muelle. Es ideal —longitud natural cero— y su longitud es la distancia horizontal de al plano, :
Las cinco cifras coinciden con el resultado publicado.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La barra apoyada sobre dos discos, con muelle y fuerza horizontal
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
La barra de la figura de masa y longitud , se encuentra articulada en el punto fijo y apoyada en sobre un disco de centro , masa y radio . Sobre el punto actúa un resorte ideal de constante elástica , que se encuentra alargado una longitud . El disco, a su vez, se apoya sobre otro disco igual, que descansa sobre el suelo y en cuyo centro se aplica una fuerza horizontal , tal y como se indica. En todas las superficies de contacto existe rozamiento con un coeficiente de rozamiento . Si el sistema está en equilibrio, se pide determinar:
a. Valor máximo de la constante elástica del muelle.
b. Valor de para la situación de equilibrio estricto.
Los tres contactos alineados —C con la barra, E entre los discos y P con el suelo— y el muelle tirando de D hacia la derecha con 3kR. La fuerza F empuja el disco de abajo hacia la izquierda.
La normal en C, el valor máximo de k y la fuerza F del equilibrio estricto.
- 01
Reconocer el camino
COMP1En el disco de arriba, ¿qué relación hay entre el rozamiento en y el rozamiento en ?
Eso es. El peso y el muelle pasan por el centro, y las dos normales también. Los dos rozamientos tienen brazo , así que momentos en los iguala.
El coeficiente igual no obliga a nada mientras no se llegue al techo: lo que iguala los dos rozamientos es la ecuación de momentos en el centro del disco.
Eso sería si los dos contactos estuvieran deslizando, y no lo están. Las normales son distintas — y — y los rozamientos, iguales; por eso el contacto crítico es el de arriba.
- 02
La normal entre la barra y el disco
COMP2¿Cuánto vale la normal en , en unidades de ?
un número, la normal dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has puesto el peso de la barra en el punto medio del tramo . La barra mide , así que su centro de gravedad está a de , no a .
Ese es el peso entero de la barra. La articulación carga con su parte: momentos en dan .
Momentos en sobre la barra. El rozamiento en es horizontal y pasa por la altura de , así que no da momento.
Desarrollo
- 03
La constante máxima del muelle
COMP2¿Cuál es el valor máximo de , en unidades de ?
un número, k dividido entre M g partido por R — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has mirado el contacto , donde la normal es mayor y el techo también. El que se agota primero es , con la normal más pequeña de los tres.
Has cargado toda la fuerza del muelle sobre un solo rozamiento. El disco de arriba tiene dos, iguales entre sí, y entre los dos equilibran el muelle: cada uno vale .
En el disco de arriba, , y en hace falta .
Desarrollo
En el techo es y en , : los dos quedan lejos.
- 04
La fuerza del equilibrio estricto
COMP2Con esa , ¿cuánto vale , en unidades de ?
un número, la fuerza dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te falta el rozamiento del suelo. En el disco de abajo también hay dos rozamientos iguales, el de y el de , y tiene que equilibrar a los dos.
En el disco de abajo, momentos en su centro igualan el rozamiento de y el de , y los dos empujan en el mismo sentido contra .
Desarrollo
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la resolución. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Es al revés: cuanto mayor es la normal, más alto es el techo y menos crítico es el contacto. Los tres rozamientos valen aquí lo mismo o menos, y el primero en llegar a su techo es el de la normal más pequeña, .
El razonamiento, en orden
Momentos en A sobre la barra: la normal en C vale cuatro tercios de Mg.
En el disco de arriba los rozamientos de C y de E son iguales y entre los dos equilibran la fuerza del muelle.
El contacto que se agota primero es C, porque su normal es la más pequeña: de ahí sale k máxima.
Resolución completa
La barra. Momentos en , con el peso a y el apoyo a :
El disco de arriba. El peso, el muelle y las dos normales pasan por su centro, así que momentos en igualan los rozamientos de y ; el equilibrio horizontal reparte entre los dos la fuerza del muelle:
Dónde se rompe. El techo de cada contacto es : en vale , en , , y en —con —, . El primero en agotarse es :
La fuerza. En el disco de abajo se repite el argumento: los rozamientos de y son iguales y los dos se oponen a ,
Los dos valores coinciden con el resultado publicado.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La viga con carga repartida y el disco con un par
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Se representa el sistema en su límite de equilibrio. Está formado por los elementos siguientes:
- Viga (1): de masa despreciable y longitud , la cual soporta una carga rectangular de valor máximo así como una carga horizontal puntual de valor desconocido. Está atada al tirante en su extremo y articulada en a un disco.
- Disco (2): de masa y radio . Está articulado a la barra por su punto y apoyado sobre un plano horizontal (punto ). Sobre él, está aplicado además un par de valor conocido . Se considera el coeficiente de fricción lo suficientemente grande como para asegurar que el movimiento se iniciaría con rodadura del disco.
a. Tensión del cable , .
b. Reacciones en el punto .
c. Si el valor del coeficiente de fricción fuera , ¿existiría primero rodadura o deslizamiento? Justifica la respuesta.
La carga repartida ocupa solo el tramo central, de R a 2R: su resultante son 3Mg aplicadas a 1,5R de A. El par sobre el disco es horario y B está en su borde, a la altura del centro.
La tensión del cable, las dos reacciones en C y el coeficiente que haría falta allí.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Cuál es la resultante de la carga repartida y dónde se aplica?
El enunciado dice carga rectangular: es uniforme y su resultante es el área del rectángulo, . La mitad sería el área de un triángulo.
Eso es. La carga es uniforme y ocupa un tramo de longitud : , con la resultante en el centro de ese tramo.
La carga no ocupa los : la figura la dibuja solo sobre el tramo central, de a . Multiplicar por la longitud entera triplica la resultante.
- 02
La tensión del cable
COMP2¿Cuánto vale la tensión , en unidades de ?
un número, la tensión dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has repartido la carga por toda la viga, . Solo ocupa el tramo central de longitud , así que su resultante es .
Has tratado la carga como triangular. Es rectangular: uniforme, de valor en todo el tramo.
Momentos en sobre la viga: la resultante está a de y el cable a .
Desarrollo
- 03
La reacción vertical en C
COMP2¿Cuánto vale , en unidades de ?
un número, la reacción dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te has dejado el peso del disco. La viga le pasa por la articulación , y el disco además pesa .
Has sumado el peso del disco a la carga entera de la viga en vez de a la parte que llega por . Por pasa , o sea .
Vertical de la viga: . Después, vertical del disco.
Desarrollo
- 04
La reacción horizontal en C
COMP2¿Cuánto vale , en unidades de ? Tómala positiva hacia la derecha, en el sentido en el que empuja el sistema.
un número con su signo, la reacción dividida entre Mg — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te has dejado el par. Sin él, la fuerza que la viga hace en pediría un rozamiento del otro lado; el par de le da la vuelta al signo y además duplica el valor.
Has olvidado el momento de la fuerza que la viga transmite en . Esa fuerza vertical, , tiene brazo respecto del centro del disco y descuenta la mitad del par.
Momentos en el centro del disco: el par, la fuerza de —que está a del centro— y el rozamiento de , también a .
Desarrollo
- 05
El coeficiente que haría falta
COMP2¿Qué coeficiente de rozamiento necesita el contacto para que el disco ruede en vez de deslizar?
un número, sin unidad — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el dato del apartado c, el coeficiente que tendría el contacto. Lo que se pide es el que haría falta, para poder compararlos.
Has dividido entre , la parte que llega por . La normal en es toda la carga vertical que baja al suelo, , con el peso del disco incluido.
Es el cociente entre las dos reacciones que acabas de calcular.
Desarrollo
Con el contacto no puede dar de rozamiento —su techo son —, así que deslizaría antes de rodar.
- 06
Justificar el argumento
COMP4Ordena la respuesta del apartado c. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Es justo al revés. La rodadura necesita que el rozamiento llegue al valor que pide el equilibrio, y un coeficiente pequeño rebaja el techo. Con poco rozamiento el contacto patina; con mucho, rueda.
El razonamiento, en orden
El equilibrio pide en C un rozamiento de 1,5 Mg con una normal de 2,5 Mg, o sea un coeficiente de 0,6.
Con f = 1/2 el techo del rozamiento es 1,25 Mg, menos de lo que hace falta: el contacto no puede dar esa fuerza.
Por tanto, con ese coeficiente el movimiento se iniciaría deslizando, no rodando.
Resolución completa
La carga. Es uniforme y ocupa el tramo central, de longitud : resultante a de .
La viga. Momentos en y equilibrio vertical:
El disco. En vertical, . Momentos en su centro, con en el borde —a — y el par horario de :
y el equilibrio horizontal da además .
El apartado c. El contacto necesita
Con el rozamiento disponible se queda corto: el disco deslizaría primero. Los tres resultados publicados —, y , con — coinciden.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.