Supòsit 1
Un supòsit clàssic de mecànica que integra la dinàmica de la partícula (segona llei de Newton amb fregament) i el balanç d'energia. Permet discutir el paper del fregament com a força no conservativa i una concepció alternativa freqüent de l'alumnat: creure que un cos llançat cap amunt per un pla sempre rellisca de tornada.
Enunciat
Un bloc de massa es llança cap amunt per un pla inclinat que forma un angle amb l'horitzontal, amb una velocitat inicial des de la base. El coeficient de fregament entre el bloc i el pla és (suposeu el mateix valor per al fregament estàtic i el cinètic). Preneu .
Es demana:
- a) L'acceleració del bloc durant la pujada.
- b) La distància que recorre pel pla fins a aturar-se.
- c) Raonar si el bloc torna a baixar i, en cas afirmatiu, calcular la seua acceleració de baixada.
- d) La velocitat amb què torna a la base i l'energia dissipada pel fregament en tot el recorregut. Comprovar el resultat mitjançant un balanç d'energia.
Resolució
Anàlisi de forces
Sobre el bloc actuen el pes , la normal i la força de fregament . Projectant sobre uns eixos paral·lel i perpendicular al pla, la normal equilibra la component perpendicular del pes:
El fregament s'oposa sempre al moviment, de manera que canvia de sentit entre la pujada i la baixada; la component del pes al llarg del pla, , apunta sempre cap a la base.
a) Acceleració de pujada
Durant la pujada el bloc ascendeix, així que el fregament apunta cap avall del pla, en el mateix sentit que . La segona llei de Newton dona un frenat:
b) Distància fins a aturar-se
És un moviment uniformement decelerat; amb i condició final :
c) Baixa? Acceleració de baixada
El bloc rellisca de tornada només si la component del pes supera el fregament estàtic màxim, és a dir, si , cosa que equival a . Com que , el bloc baixa.
Ara el bloc baixa, per tant el fregament apunta cap amunt del pla, oposant-se a :
d) Velocitat de tornada i energia dissipada
Partint del repòs i recorrent la mateixa distància de baixada:
Torna, doncs, amb menys velocitat que la de llançament: part de l'energia mecànica s'ha dissipat. El fregament actua sobre el recorregut total d'anada i tornada, :
Comprovació per balanç d'energia. Com que el bloc parteix i torna a la base (mateixa altura), tota la variació d'energia cinètica es deu al treball del fregament:
El resultat coincideix amb , cosa que valida els càlculs.
Comentari didàctic
Aquest supòsit connecta amb els temes de dinàmica (Tema 5) i energia (Tema 14) del temari. És idoni per a evidenciar dos aspectes: (1) que el fregament, en invertir el seu sentit, fa que les acceleracions de pujada i baixada siguen distintes, i (2) que el fregament és una força no conservativa el treball de la qual mesura directament l'energia mecànica perduda. La doble via de resolució —cinemàtica i energètica— permet a l'opositor mostrar domini d'ambdós enfocaments i proposar a l'alumnat la comprovació creuada com a estratègia d'autoavaluació.
supuesto-progress
Crea compte gratisResolució en PDF
Cal un correu per accedir-hi. Sense contrasenyes, sense cost. T'enviem un enllaç màgic.