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¿Cambia la velocidad máxima cuando se utiliza el sistema masa-muelle vertical en diferentes lugares de la Tierra en SHM?

Permítame explicarle lo que le preocupa

Estoy pensando en un ejemplo de sistema de muelle de masa vertical. Supongamos que coloco mi sistema en el ecuador, Supongamos un reloj de pared que utiliza un sistema de masa de resorte vertical para medir el tiempo. Cada vez que la masa alcanza una posición extrema, el reloj se adelanta un segundo , por lo que 1 segundo es nuestro periodo de tiempo. Al tener algún peso (m g '), nuestra posición de equilibrio se desplaza un poco (digamos X1)

Ahora coloco mi sistema en los polos como sabemos que debido a la rotación de la tierra la gravedad aumenta en los polos así que, ahora por tener algo de peso (m g ), nuestra posición de equilibrio se desplaza un poco (digamos X2)

Donde g > g' y X2 > X1

Llegando a la pregunta

¿Cuál es la velocidad máxima en ambos casos? ¿Son ambas iguales? ¿O son diferentes?

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Gert Puntos 4819

El periodo de oscilación de un sistema masa-muelle está dada por:

$$\boxed{T=2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}}$$

Así que el peso de la bobina $m\mathbf{g}$ no tiene ningún efecto sobre ella, sólo su masa real $m$ .

Sería diferente si fuera un péndulo oscilante.


Para responder a la pregunta central del PO, tenemos que resolver la ecuación de movimiento newtoniana. Con ese conocimiento podremos calcular la velocidad máxima.

Así, consideremos la ecuación de movimiento newtoniana para una masa que oscila en el $y$ -dirección:

$$F_{net}=ma_y=m\frac{\text{d}^2y}{\text{d}t^2}=-ky+mg$$ $$my''(t)+ky(t)-mg=0\tag{1}$$ Sustituto: $$u=ky-mg$$ Así que..: $$u'=ky'$$ y: $$u''=ky''\Rightarrow y''=\frac{u''}{k}$$ Insertar en $(1)$ : $$\frac{mu''}{k}+u=0\Rightarrow u''+\frac{k}{m}u=0$$ Ahora sustituye: $$\omega^2=\frac{k}{m}$$ Pues eso: $$u''(t)+\omega^2u(t)=0$$ Que es la ecuación dif. clásica de un oscilador armónico y tiene la solución: $$u(t)=A\cos(\omega t+\varphi)$$ Dónde $A$ es la amplitud y $\varphi$ el ángulo de fase. Las condiciones iniciales son: $$y(0)=A\text{ and }y'(0)=0$$ Sustituyendo hacia atrás obtenemos:

$$y(t)=\frac{1}{k}\Big(A\cos(\omega t+\varphi)-mg\Big)$$ Utilizando la primera condición inicial podemos demostrar ahora que: $$A=\frac{1}{k}(A\cos\varphi-mg)$$ $$kA=A\cos\varphi-mg$$ $$(k-\cos\varphi)A=-mg$$ $$A=\frac{-mg}{k-\cos\varphi}$$ Así que podemos escribir: $$y(t)=-\frac{mg}{k(k-\cos\varphi)}\cos(\omega t+\varphi)-\frac{mg}{k}$$ (No necesitamos determinar el valor de $\varphi$ aquí)

La velocidad (aquí como valor absoluto) viene dada por:

$$|y'(t)|=|\frac{\text{d}y(t)}{\text{d}t}|$$ Lo que da: $$|y'(t)|=|\frac{mg\omega}{k(k-\cos\varphi)}\sin(\omega t+\varphi)|$$ Esto alcanza un máximo para $(\omega t+\varphi)=n\frac{\pi}{2}$ con $n=1,3,5,...$ porque entonces el $\sin$ se convierte en $1$ .

O: $$\boxed{|y'(t)|_{max}=\frac{mg\omega}{k(k-\cos\varphi)}}$$ Por lo tanto, la velocidad máxima depende efectivamente de $g$ .

En un sentido simple, esto es bastante fácil de entender. Para un oscilador genérico: $$y(t)=A\cos(\omega t+\varphi)$$ la velocidad máxima es de hecho $\omega A$ . Sucede que en nuestro caso $A$ depende de $g$ .

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