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Conservación del Momento

Una bala de masa de 20 g que viaja horizontalmente con una velocidad de 500 m/s pasa a través del bloque de madera de masa 10 kg inicialmente en reposo . La bala sale con una velocidad de 100 m/s y el bloque se desliza 20 cm antes de llegar al descanso. Encontrar el coeficiente de rozamiento entre el bloque y la superficie
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Mi maestro ha resuelto esta cuestión mediante la conservación de la dinámica entre la bala y el bloque. Pero, ¿cómo puede hacer eso cuando hay fuerza externa (fricción) que actúa sobre el sistema? Creo que del momento de impulso teorema se utiliza en este tipo de escenarios, pero ¿cómo puedo aplicar en este problema?

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Ajay Prasad Puntos 51

El maestro está suponiendo que la bala pasa a través instantáneamente. En otras palabras, la bala se mueve tan rápidamente que no hay tiempo para la fricción para actuar. Por lo tanto, el impulso que la bala se pierde enteramente en manos de la cuadra, y ninguno se transfiere a la tierra a través de la fricción.

Un adecuado seguimiento de la pregunta sería, ¿es esta una suposición razonable para hacer? Vamos a tomar la fricción en cuenta y tratar de estimar cómo de rápido que el bloque podría en realidad estar en movimiento cuando la bala sale.

Sabemos que la bala está viajando a $\frac{500\text{ m/s}+100\text{ m/s}}{2}\approx300\text{ m/s}$, en promedio, a través del bloque. Si el bloque es de madera y cúbica en forma, el bloque es sólo ~0.3 m de ancho.* Por lo tanto, la bala pasa por el bloque en un tiempo de:

$$t=\frac{d}{v}=\frac{0.3\text{ m}}{300\text{ m/s}}=0.001\text{ s}$$

Su maestro calcula que el bloque llega a una velocidad de 0,8 m/s como resultado de la colisión con la bala. Esa es una estimación alta, porque ignora la fricción con el suelo, lo que ralentiza el bloque. Pero vamos a seguir adelante y asumir que, mientras que la bala está en el bloque, el bloque de la velocidad media es $\frac{0+0.8\text{ m/s}}{2}\approx0.4\text{ m/s}$. A esta velocidad, y por un tiempo de 0.001 s, el bloque sólo viajó una distancia de

$$d=vt=(0.4\text{ m/s})(0.001\text{ s})=0.0004\text{ m}$$

mientras que en contacto con la bala. Si el coeficiente de fricción es de ~0.16, y si utilizamos $g=10\text{ m/s}^2$, el bloque, la velocidad final cuando la bala sale sería:

$$\Delta KE=Fd\cos(180°)=(-0.16*100\text{ N}*0.0004\text{ m})=-0.0064 \text{ J}$$

$$\Delta KE=\frac{1}{2}mv_f^2-\frac{1}{2}mv_i^2$$

$$-0.0064\text{ J}=\frac{1}{2}(10\text{ kg})(v_f^2-(0.8\text{ m/s})^2)$$

$$v_f\approx0.799\text{ m/s}$$

Hay un montón de cosas mal con este cálculo (por ejemplo, yo estoy suponiendo que el bloque inmediatamente alcanza una velocidad máxima de 0.8 m/s tras la colisión con la bala, que no es cierto). Pero como un orden de magnitud de la estimación, es razonable que suficiente para demostrar que la fricción no tiene mucho impacto en el bloque, mientras que la bala está en el interior.

*La densidad de la madera es de ~500 kg/m3, por lo $l=V^{1/3}=(\frac{m}{\rho})^{1/3}=(\frac{10\text{ kg}}{500\text{ kg/m}^3})^{1/3}\approx0.3$.

6voto

S. McGrew Puntos 24

Tienes razón: se debe tratar el impulso de la transferencia como un impulso. Suponga que la bala no toma ningún tiempo en absoluto para conseguir a través del bloque, y que el impulso que se pierde se transfiere al instante a la cuadra. Entonces, usted necesita para resolver el resto del problema.

La manera en que yo lo enfoque el resto del problema es el uso de la cuadra es instantánea impulso a y masa para calcular cuánta energía cinética se transfiere al bloque y, a continuación, calcular el coeficiente de fricción. Fuerza x distancia = trabajo, que = la energía que el bloque se obtuvo de la bala; y de la fuerza en este caso es el coeficiente de fricción veces el * peso* de la cuadra. (Asegúrese de no confundir la masa para el peso!)

2voto

Maxime Puntos 21

¿Y si la fuerza de fricción no era externo?

Si usted considera que el sistema {Bala + Bloque + Tierra}, entonces tiene tres fases:

  • Fase 1: La bala tiene energía cinética, el bloque y el suelo estén en reposo.

  • Fase 2: La bala ha perdido algo de la energía cinética, la cual ha sido trasladado al bloque como energía cinética

  • Fase 3: El bloque ha perdido energía. Ha sido transferida como calor a la tierra. Sabiendo que la energía inicial, y la distancia a la que se llevó a disiparla, se puede calcular la coeffcient.

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jmenezes Puntos 106

Cuando dos o más partículas en un sistema aislado interactuar, el total de impulso del sistema se mantiene constante.

El impulso del sistema se conserva, pero el impulso de la partícula individual no necesariamente se conserva.

El momentum total de un sistema aislado es igual a su impulso inicial.

Así que aquí, en su conjunto, el sistema de bloque +bullet es el sistema.

se sabe a ciencia cierta que parte de la energía de la bala debe haber sido perdido. por lo tanto, la conservación de la energía no puede ser aplicado.

Por lo tanto se limite a la conservación del momento.

Creo que el impulso-momentum teorema se utiliza en este tipo de escenarios, pero ¿cómo puedo aplicar en este problema?

A partir de la Segunda Ley de Newton
dp/dt = F o

dp = Fdt

Por la integración, se puede encontrar el cambio en el momentum durante algún intervalo de tiempo de decir dt.La integral se llama el impulso (I ) de la fuerza F que actúa sobre un objeto en el tiempo dt.

El impulso impartido a un objeto por una fuerza es igual al cambio en el momentum de la partícula (impulso-momentum teorema).

Su impulso de conservación está relacionado con el Impulso dado por el bloque de la bala y bala de proporcionar un impulso para el bloque. Y ambos son iguales.

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christo16 Puntos 2546

Probablemente su maestro supone que el movimiento de la bala y el bloque puede ser separado en dos fases :

  1. La bala "choca" con el bloque de forma instantánea. Pasa a través del bloque y de transferencias de la mayor parte de su impulso para el bloque en un tiempo tan corto $\Delta t$ que el bloque no tiene tiempo para moverse. El impulso $F\Delta t$ debido a la fuerza de fricción entre el bloque y la superficie horizontal es, por tanto, despreciable. A diferencia de la normal de la fuerza de contacto entre cuerpos rígidos, que puede alcanzar alrededor de $1GPa$ para la madera, la fuerza de fricción $F$ tiene un pequeño límite superior. En esta Fase de la Conservación del momento se aplica para encontrar la velocidad inicial del bloque.

  2. El bloque se desliza a lo largo de la áspera superficie horizontal, haciendo el trabajo contra la fricción y perdiendo gradualmente su energía cinética inicial. Esto toma un tiempo finito. En esta Fase, el impulso de la cuadra es eliminado por la fricción, y la Conservación de la Energía (o el Trabajo-el Teorema de la Energía) se aplica para hallar el trabajo realizado contra la fricción.

El propósito de dividir el problema en 2 fases separadas es que hace que el análisis sea mucho más fácil. Dos diferentes principios se aplican en cada fase, y el resultado de la fase 1 proporciona las condiciones iniciales para la fase 2. Cualquier complicada interacción entre las dos fases es ignorado.

El supuesto clave es que no hace ninguna diferencia (o no diferencia significativa) si la bala lleva un tiempo finito para pasar a través del bloque, y es todavía la transferencia de momentum para el bloque, mientras que el bloque se mueve.

Este supuesto se justifica si el trabajo realizado contra la fuerza externa (de fricción) es el mismo si o no la Fase 1 es instantáneo o se superpone con la Fase 2. Siempre que la bala que emerge desde el bloque antes de detenerse y que su pérdida de impulso es conocido, la cantidad total de impulso transferido de la bala en el bloque y, a continuación, a la Tierra a través de la fricción es el mismo en ambos casos.

Fricción cinética es que se asume que son independientes de la velocidad relativa entre las superficies, por lo que la manera en la que la velocidad del bloque varía es irrelevante. Sin embargo, la fricción no depende de la masa total del bloque, por lo que el trabajo realizado contra la fricción sobre una distancia fija es mayor cuanto mayor sea la bala permanece en el interior del bloque. Este efecto será insignificante, si la masa de la bala es mucho más ligero que el de la cuadra.

El tiempo que toma para que la bala al pasar a través del bloque, y la manera en que la resistencia a la fuerza en la que varía, son irrelevantes ya que la cantidad total de impulso que se transfiere de la bala para que el bloque está definido por el problema.


Otra situación en la que una fuerza externa actúa por un tiempo finito durante una colisión es cuando los objetos que colisionan son de caer en un campo gravitacional.

Relacionadas con la pregunta : Puede el momento lineal se conserva antes y después de la colisión en la presencia de una fuerza externa?

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