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Fuerza necesaria para impedir que un cono de papel se aplane

Supongamos que se hace un cono de papel con una altura igual a su radio, sólo que los dos lados rectos se tocan y no están pegados. Se mantiene sobre una mesa sin fricción y se aplica una fuerza vertical en su vértice.

¿Qué fuerza debo aplicar a la base del cono en el punto en el que el papel se encuentra con el borde recto, para evitar que se extienda? Ignora los efectos de la fricción y la flexión.

Intenté hacer el diagrama de cuerpo libre con la mesa aplicando la fuerza normal a lo largo de la superficie, pero eso me lleva a concluir que el cono debería encogerse, lo que obviamente no está sucediendo. ¿Qué estoy haciendo mal? enter image description here

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Dan Herbert Puntos 38336

Creo que hay que crear una rebanada del cono y equilibrar la fuerza que viaja hacia abajo a lo largo del papel con una fuerza de aro alrededor de la base.

Mira el problema desde un lado, y date cuenta de que la fuerza que atraviesa el papel tiene un ángulo igual a $\tan \psi = \tfrac{r}{h}$ y se divide en una componente vertical que es reaccionada por el suelo, y una componente radial que es reaccionada por la tensión del "aro" en la base. La componente vertical de un pequeño trozo ${\rm d}\theta$ es $$ {\rm d} V= \tfrac{w}{2 \pi} {\rm d}\theta$$ con la carga total $V = w$

Mirando desde arriba en este corte, la componente radial de la fuerza es ${\rm d}R = {\rm d}V \tan \psi$ o

$$ {\rm d}R = \left( \tfrac{r}{h} \tfrac{ w}{2 \pi} \right) {\rm d} \theta$$

El equilibrio de fuerzas en el plano horizontal es pues

fig1

$${\rm d}R = 2 F \left(\sin \tfrac{{\rm d}\theta}{2}\right) $$

$$ \left( \tfrac{r}{h} \tfrac{ w}{2 \pi} \right) {\rm d} \theta = F\, {\rm d} \theta $$

con la solución directa

$$ \boxed{ F = \frac{r}{2\pi h} w } $$


Actualización 1

Para comprender las fuerzas internas a lo largo de la pieza, observe un corte de la parte superior del papel desde dos ángulos

fig2

A la derecha hay una vista de la arista uno de la rebanada junto con el componente vertical ${\rm dV}$ que se opone directamente a $w$ . A la izquierda, se ven las fuerzas de compresión internas ${\rm dT}$ actúan en ángulo con $w$ y dividido en componentes verticales y radiales ${\rm d}V$ y ${\rm dR}$ .

Son las fuerzas radiales las que deben ser equilibradas por el "pegamento" en el desgarro del papel.

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Supuestos sobre el colapso del cono (si se produce):

  1. Supongo que la base del cono sigue siendo un arco circular porque la pregunta dice que no hay flexión del papel. $r$ es el radio de este círculo. Esta es la única forma de colapso que no cambia el distancia geodésica entre dos puntos cualesquiera del cono.

Este problema se vuelve bastante fácil si se trata de encontrar la KE del cono. Digamos que el vértice del cono se desploma desde la altura de $h$ a $h+dh$ ( $dh$ es negativo). Entonces el radio cambia de forma $r$ a $r+dr$ . $$r^2+h^2=constant$$ Diferenciando ambos lados, $$⇒2rdr+2hdh=0$$ $$⇒\boxed{-\frac{dh}{dr}=\frac{r}{h}}$$ Dejemos que $K$ sea la energía cinética del cono. Para la no espontaneidad del colapso, $dK<0$ . Del teorema trabajo-energía: $$dK=w(-dh)+F(-2πdr)<0$$ $$⇒F(2πdr)>w(-dh)$$ Dividir por $dr$ en ambos lados $(dr>0)$ $$2πF>w\left(-\frac{dh}{dr}\right)$$ $$⇒2πF>\frac{wr}{h}$$ $$⇒\boxed{F>\frac{wr}{2πh}}$$

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