jueves, 12 de julio de 2012

Penal fallado por Sergio Ramos ante el Bayern

PROBLEMA
Sergio Ramos, en el tiro de penales contra el Bayern de Munich, presa del pánico por la responsabilidad que tenía en sus botas, calcula mal los parámetros del lanzamiento y el balón, de masa m, es lanzado formando un ángulo π/4 rad con la vertical y con una velocidad igual a la mitad de la velocidad de escape. El balón nunca llegó a la portería contraria. Suponiendo conocido el radio y la masa de la Tierra, R y M respectivamente, y despreciando la rotación de la Tierra y el rozamiento del aire, determinar la altura máxima que se eleva el balón respecto de la superficie de la Tierra.

Resolución
La mínima rapidez con que debe lanzarse un proyectil para que escape de la atracción gravitatoria de un planeta (velocidad de escape) es:
donde M y R son la masa y el radio del planeta respectivamente, y según condición del problema, la velocidad de lanzamiento vo es la mitad de la velocidad de escape ve, es decir:
La máxima altura H del proyectil, respecto de la superficie, se dará cuando su velocidad v sea perpendicular su vector posición respecto del centro del planeta (punto B).


Por otro lado, como el proyectil se mueve en un campo de fuerzas centrales, el momento angular se conserva:
Finalmente, teniendo en cuenta la conservación de la energía mecánica del sistema planeta-proyectil (considerando la energía potencial gravitatoria.) tenemos que:


Reemplazando en esta ecuación, las dos ecuaciones anteriores, obtenemos la siguiente ecuación de segundo grado:
Resolviendo esta ecuación, usando fórmula cuadrática, tenemos que H = 0,194R.

martes, 10 de julio de 2012

Problemas de preparación para Olimpiadas de Física

Para todos aquellos que están participando o pretenden participar en olimpiadas (iberoamericanas o internacionales) de Física.


PROBLEMA 1
Sobre dos rieles horizontales sin fricción se encuentra un bloque de masa M. Acoplado a él cuelga una esfera de masa m, como un péndulo simple. El bloque puede moverse solamente a lo largo de los rieles. La esfera es sacada de su posición de equilibrio para dejarla oscilar. Encuentre la relación de los períodos T2/T1 de las oscilaciones pequeñas en planos paralelo y perpendicular a los rieles.


La respuesta de este problema es:

PROBLEMA 2
Una varilla sin peso, de longitud l, con una bolita de masa m en su extremo superior, está articulada por el punto inferior A como indica la Fig, y se encuentra en posición vertical, rozando una caja de masa M sobre un piso sin fricción. Producto de un ligero golpecito el sistema se pone en movimiento. ¿Bajo qué relación de masas M/m la varilla formará un ángulo θo= π/6 con la horizontal en el momento en que se despegue de la caja?


La respuesta de este problema es M/m = 4.


PROBLEMA 3
Una semiesfera de 8 kg de masa y 20 cm de radio se encuentra en el fondo de un depósito que contiene agua. Determine el trabajo mínimo que se debe realizar sobre la semiesfera para sacarla del agua (g = 10 m/s2).


La respuesta de este problema es de (16 - 4π) J (ver resolución).


PROBLEMA 4
Determine el trabajo W que realiza un gas ideal en el ciclo cerrado 1-4-3-2-1 representado en la Fig, si p1 = 1,0×105 Pa, po = 4,5×105 Pa, p3 = 7,0×105 Pa, V2 – V1 =10 litros y las partes del ciclo 4-3 y 2-1 son paralelas al eje de las V.


La respuesta aproximada de este problema es de 960 J.


PROBLEMA 5
Tres esferitas metálicas idénticas no cargadas se encuentran en los vértices de un triángulo equilátero. Las esferitas se unen mediante un alambre conductor por turnos, una cada vez, con una esfera metálica muy grande y cargada, cuyo centro se halla en la recta que pasa perpendicularmente al triángulo equilátero, por su centro. Como resultado la primera esferita adquiere carga q1 y la segunda, q2 (q2 < q1). ¿Qué carga q3 adquiere la tercera?


La respuesta de este problema es:

PROBLEMA 6
Una esfera metálica aislada, de 10 cm de radio, posee una carga Q = 7 µC distribuida por su superficie. Si en el punto A, a una distancia d = 20 cm, se coloca una carga puntual q, determinar el valor de q para que la esfera no experimente una acción electrostática resultante.


La respuesta de este problema es 18 µC.


PROBLEMA 7
Un capacitor plano está lleno de un dieléctrico cuya constante dieléctrica depende del voltaje aplicado al capacitor según la ley ε = αV, donde α = 1,0 V -1. En paralelo con este capacitor “no lineal”, que está descargado, conectan otro capacitor igual, pero sin dieléctrico, el cual está cargado a un voltaje Vo = 156 V. Determine la tensión final que se establece en los capacitores.

La respuesta de este problema es de 12 V.


PROBLEMA 8
El lado plano de una lente de vidrio plano-convexa se platea. Si el índice de refracción del vidrio es n y el radio de curvatura de la lente es R, determinar la distancia focal del espejo obtenido.

La respuesta de este problema es:

PROBLEMA 9
Una partícula de masa m = 2.10-10 kg y carga eléctrica q = 9.10-10 C se mueve en una región donde existe un campo eléctrico E = 105 V.m-1 y un campo magnético B = 102 T, mútuamente perpendiculares. Si en el isntante que se muestra en la figura su velocidad es v = 1 km/s, hallar el radio de curvatura de su trayectoria en ese instante.


La respuesta de este problema es de 40 m.

miércoles, 4 de julio de 2012

¡Se descubrió la partícula de Dios!

La noticia del día, y si esto es cierto la del año en el mundo científico, es que al parecer se ha descubierto en el CERN la partícula elemental que fue predicha teóricamente hace décadas por el científico ingles Peter Higgs, denominada científicamente el Bosón de Higgs, y que en el mundo periodistico se le ha denominado la "partícula de Dios" (este término fue acuñado por el Nobel de Física Leon Lederman).
Pero seguramente mucha gente se preguntará ¿porqué esto es algo histórico? y ¿qué repercusiones reales tiene este hallazgo?
Una de las grandes cuestiones que han intrigado durante siglos a los físicos es por qué las cosas tienen masa. En el Universo existen cuatro grandes fuerzas: la gravedad, el electromagnetismo y dos fuerzas atómicas, la fuerza nuclear fuerte y la débil. Estas fuerzas funcionan mediante la interacción de partículas. Por ejemplo, el electromagnetismo es la fuerza que mantiene unida a la materia y funciona intercambiando partículas, llamadas fotones.
Sin embargo, hasta hoy había un gran problema: los físicos no sabían exactamente cómo funcionaba la masa y cual era la partícula que otorgaba masa a todas las cosas que nos rodean. Desde hace años han surgido diversas teorías que intentaban explicar este enigma. Hay que tener en cuenta que toda nuestra física de partículas se basa en el llamado Modelo Estandard. Este sistema en el que se fundamentan los pilares de nuestra física, une la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica, explicando las interacciones entre partículas que componen la materia. Además, y aunque hasta hoy no tenía confirmación oficial, también predecía la existencia de una partícula, el bosón de Higgs, con un papel importantísimo en el origen de la masa del resto de partículas fundamentales.






La segunda parte de este documental



Enlaces relacionados:
    Científicos del CERN encontraron al boson de Higgs
    “Parece que he perdido 100 dólares”, ha dicho Stephen Hawking
    ¿Y qué pasa si lo observado por el LHC no es el bosón de Higgs?

sábado, 30 de junio de 2012

Problemas de equilbrio

Nuestro amigo y colega del curso de Física Oswaldo Farro, publicó en el muro de su facebook una serie de problemas de equilibrio y con su permiso me permito resolver alguno de ellos.

PROBLEMA
En el interior de un agujero cilíndrico A de radio R = 3r se colocan, sin presión, seis cilindros de radio r y peso W. Calcule la fuerza de acción que ejerce el cilindro 4 sobre la superficie del agujero cilíndrico. EI sistema se encuentra en un plano vertical y no se considera el rozamiento.

RESOLUCIÓN
Para resolver este problema tendremos presente un lema que se deduce del teorema de Lamy.
Si un cuerpo se encuentra en equilibrio se encuentra sometido a la acción de tres (3) fuerzas, y los ángulos que forman entre si cada par de estas son iguales a 120o, los módulos de estas fuerzas deben ser iguales.

Hagamos el DCL de los cilindros 1, 6, 5 y 4 y apliquemos este lema.

• Cilindro 1:
   De esto se deduce que N1 = W.

• Cilindro 6:
   De donde teniendo en cuenta que N1 = W deducimos que N2 = 2W.

• Cilindro 5:
   De donde teniendo en cuenta que N2 = 2W deducimos que N3 = 3W.

• Cilindro 4:
   De donde teniendo en cuenta que N3 = 3W deducimos que N4 = 4W.

Es decir, el módulo de la fuerza que ejerce el cilindro 4 sobre la superficie cilindrica es 4W.



PROBLEMA
Se tienen varios cilindros idénticos de peso W colocados tal como muestra la figura. Si el coeficiente de fricción entre las superficies de los tubos y entre los tubos con la superficie horizontal es μ = 0,2, ¿Cual es el menor número de tubos que se deben colocar en la fila inferior para que el sistema no ruede?

RESOLUCIÓN



PROBLEMA
El cilindro 1 de peso Q l se apoya en dos cilindros idénticos de peso Q 2 como se muestra en la figura. El coeficiente de rozamiento entre los cilindros es igual a μ. Determinar el ángulo α máximo y el coeficiente de fricción μx , mínima entre los cilindros 2 y 3 y la superficie de apoyo para que el sistema se encuentre en equilibrio..

RESOLUCIÓN

martes, 19 de junio de 2012

Olimpiada Peruana de Física: Examen Final

Nuestro amigo Hugo Luyo, planteo este problema de una olimpiada anterior en el muro de su "face" dirigido a todos aquellos que esperan representarnos en la próxima Olimpiada Iberoamericana de Física.
PROBLEMA
La figura fue hecha en la base de la fotografía estroboscópica de un cubo que se mueve a lo largo de un plano inclinado. El intervalo de tiempo entre los destellos consecutivos de la lámpara es igual a 0,1s . Halle el coeficiente de rozamiento entre el cubo y el plano. Hacer un clic en la imagen para que esta se vea a escala.
Resolución
Primero, con la ayuda de un transportador determinemos el ángulo de inclinación del plano inclinado. Con un pequeño margen de error determinamos que su valor es de aproximadamente 40o.
Luego con una regla medimos las distancias recorridas en cada uno de estos tramos. Con un pequeño margen de error determinamos que las distancias que se encuentra el bloque, respecto de la posición inicial son de 1,7 cm; 3,5 cm; 6,5 cm y 10,2 cm.
Asumiendo que el bloque parte del reposo del punto superior, y asumiendo que este describe un movimiento uniformemente acelerado, usemos la siguiente fórmula del MRUV para determinar el valor de la aceleración en cada uno de los tramos:
De donde reemplazando datos en cada tramo y despejando se deduce que:
La media aritmética de estos valores es 196 cm/s2 o 1,96 m/s2,

A partir de la 2da ley de Newton se obtiene la aceleración de un cuerpo que resbala por un plano inclinado áspero. Se demuestra que esta aceleración es:

De donde reemplazando valores y despejando se deduce que μ = 0,57, aproximadamente.

miércoles, 13 de junio de 2012

Penal fallado por Sergio Ramos ante el Bayern

El muy comentado penal que falló Sergio Ramos - defensor del Real Madrid - en las semifinales de Champions League ante el Bayern Munich hace unas semanas sigue siendo motivo de burla.
La Universidad de Madrid decidió tomar dicho disparo - que terminó en las nubes del Estadio Santiago Bernabéu - como pregunta de un examen en tercer año para el curso de Física. He aqui la pregunta:
PROBLEMA
Sergio Ramos, presa del pánico por la responsabilidad que tenía en sus botas, calcula mal los parámetros de un penalty y el balón, de masa m, es lanzado formando un ángulo π/4 rad con la vertical y con una velocidad igual a la mitad de la velocidad de escape. El balón nunca llegó a la portería contraria. Suponiendo conocido el radio y la masa de la Tierra, R y M respectivamente, y despreciando la rotación de la Tierra y el rozamiento del aire, determinar la altura máxima que se eleva el balón respecto de la superficie de la Tierra.

SUGERENCIA
: Cuando una partícula se mueve bajo la acción exclusiva de la fuerza de gravedad (fuerza central), el momento angular, es decir el momento de su cantidad de movimiento respecto del centro del cuerpo celeste que genera dicha fuerza, es una constante (principio de conservación del momentum angular).


Ver resolución

miércoles, 6 de junio de 2012

Problema péndulo - lente congergente

Nuestro amigo y colega del curso de Física Oswaldo Farro, publicó en el face un video en donde un instructor ruso prepara a sus seleccionados para la Olimpiada internacional de Física 2011 resolviendo problemas y este es uno de ellos.
PROBLEMA
Un péndulo simple de longitud l = 80 cm realiza pequeñas oscilaciones en un plano vertical con una amplitud angular θo = 0,1 rad. Una lente delgada convergente con una distancia focal f = 15 cm se dispone de tal manera que su eje óptico principal pasa por el punto mas bajo del péndulo y es perpendicular al plano de oscilación. Si la distancia de la lente al plano de oscilación es 1,2 f, determinar la velocidad de la imagen del extremo del péndulo formada sobre la pantalla en el instante en que el hilo forma un ángulo 0,8θo con la vertical.

RESOLUCIÓN
Primero determinemos la distancia de la lente a la pantalla en donde se forma la imagen en forma nítida (distancia imagen), a partir de la ecuación de los focos conjugados o de Descartes, tenemos:
De aqui se deduce que la distancia imagen es i = 90 cm y por tanto el aumento (magnificación) es A = -i/θ = -5. Esto quiere decir que la imagen es real invertida; tiene un tamaño que es cinco veces el tamaño del objeto y que cuando el péndulo esta en la parte superior derecha su imagen esta en la parte inferior izquierda..
Luego, señalemos que debido a la pequeña amplitud angular θo, el movimiento que describe el extremo del péndulo es aproximadamente un movimiento armónico simple (MAS).
De las ecuaciones del MAS se deduce que la posición angular θ del péndulo, esto es la posición de la cuerda respecto de la posición central, y su velocidad angular Ω varían con el tiempo según estas relaciones:
De la ecuación (1), debido a que θ = 0,8 θo, se deduce que cos(ωt + φ) = 0,8 y por tanto sen(ωt + φ) = 0,6.
En estas ecuaciones, ω representa la frecuencia angular que es la principal característica de todo MAS y para el caso de un péndulo simple esto es:
De la ecuación (1), reemplazando los parámetros conocidos se deduce que la velocidad angular instantánea Ω (en módulo) es: Ω =3,5 s-1.0,1 rad.0,6 =0,21 rad/s.
Por otro lado, recordando que la velocidad lineal v de una partícula en un movimiento circular  es igual al producto de su velocidad angular ω por el radio de la circunferencia R (v = ωR), se deduce que v = 0,168 m/s.
Finalmente, como la imagen es cinco veces el tamaño del objeto, la velocidad de la imagen será tambien será cinco veces la velocidad del objeto, es decir:
A continuacion les dejo un par de problemas relacionados:



PROBLEMA
Un resorte ideal de constante k = 300 N/m pende de un soporte, sin tener colgada ninguna carga, y a su extremo inferior se le une un objeto de 1,5 kg que se suelta partiendo del reposo. El objeto comienza a oscilar verticalmente alrededor de su posición de equilibrio, y una lupa con una distancia focal f = 90 cm se dispone a 30 cm de él de manera tal que su eje óptico principal pasa por dicha posición de equilibrio y es perpendicular al segmento de oscilación. Determinar la máxima aceleración que experimenta la imagen del objeto.


El respuesta de este problema es .

PROBLEMA
Si la rapidez angular con el que oscila un péndulo simple está dado por Ω( t ) = π cos2πt rad/s, halle la máxima tensión (en N) en la cuerda que sostiene la masa m = 2 kg. (g = 10 m/s2 y π2 = 10)

El respuesta de este problema es 25.