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¿Cómo puedo utilizar las leyes del movimiento de Newton para determinar la fuerza que actúa sobre la cuerda?

Imagina que hay un pintor, que pesa $180~\rm lb$ que está trabajando desde una silla de contramaestre colgada en la ladera de un edificio alto.

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Supongamos que tira hacia abajo de una cuerda de caída con una fuerza tal que presiona contra la silla con una fuerza de $100~\rm lb$ . Se puede asumir que el peso de la silla es $30~\rm lb$ .

Para encontrar la aceleración del pintor y de la silla, he tenido en cuenta que la pesos del pintor y la silla son $180~\rm lb$ y $30~\rm lb$ respectivamente. Utilicé esta idea para realizar el siguiente paso:

$$\text {Total mass of the painter and the chair} = \left(\frac{(180 + 30)~\rm lb}{g}\right) $$

Ejerce una hacia abajo fuerza de $100~\rm lb$ en la silla. Su movimiento neto será hacia arriba .

Creo que el $100~\rm lb$ La fuerza que la persona ejerce sobre la silla se transfiere a la cuerda de la que tira. enter image description here

Pero esa es sólo la cuerda de la que está tirando. El diagrama muestra que sólo un extremo de la cuerda está unido a la silla del contramaestre. Ese extremo tendrá una fuerza hacia arriba de $(100 + 180 + 30)~\rm lb$ (como se muestra en la imagen). De esta manera, un extremo tendrá una $y~\rm lb$ fuerza y otra una fuerza de $(100 + 180 + 30)~\rm lb$ . No sé si esto es posible y no estoy totalmente convencido de que la cuerda esté experimentando una fuerza de $100~\rm lb$ debido a que el pintor tira de él.

¿Cómo puedo utilizar correctamente la tercera ley de Newton para determinar el impacto de la $100~\rm lb$ fuerza hacia abajo en el sistema global (el pintor y la silla del contramaestre)?

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Frank Waller Puntos 61

Hay que pensar en el hombre y en la silla por separado. Esto se debe a que si combinas el hombre y la persona en una sola cosa, obtienes una sola ecuación con la segunda ley de Newton con dos valores desconocidos (la aceleración y las fuerzas de tensión hacia arriba).

El hombre tiene una fuerza de tensión que actúa hacia arriba, una fuerza normal hacia arriba y su peso hacia abajo. La silla tiene una tensión que actúa hacia arriba, la misma magnitud de una fuerza normal hacia abajo, y su peso hacia abajo. Podemos explotar que cada una de las fuerzas de tensión es la misma (algo que es incorrecto en tu diagrama) $^*$ así como el hecho de que el hombre y la silla tendrán la misma aceleración. Por lo tanto, por la segunda ley de Newton,

$$ma=T+N-mg$$ $$Ma=T-N-Mg$$

Donde $m$ y $M$ son las masas de la persona y de la silla respectivamente.

Ya que se le da lo que $m$ , $M$ y $N$ son, son dos ecuaciones con dos valores desconocidos. Nótese que las 100 libras corresponden a $N$ no $T$ . Dejaré las matemáticas para que encuentres lo que $a$ y $T$ son.

Además, ten en cuenta que la suma de estas ecuaciones es lo que obtenemos al tratar la noche como un solo sistema del que hablaba al principio de esta respuesta. $$(m+M)a=2T-(m+M)g$$

Obsérvese que no podemos obtener los valores reales de $a$ o $T$ con esta ecuación y la información dada. Necesitamos las dos ecuaciones anteriores (o ésta y sólo una de las anteriores) para resolver el problema.


El título de su pregunta parece referirse más a la comprensión de una relación de causa y efecto entre las fuerzas. Yo diría que lo que ocurre es que el hombre tira de la cuerda. Esto provoca dos cosas. 1) Aplica una fuerza hacia arriba al hombre 2) Aplica una fuerza igual hacia arriba a la silla. Cada una de estas dos cosas tiene un efecto opuesto en la fuerza normal entre la persona y la silla. La primera la disminuye y la segunda la aumenta. El efecto neto se da en el problema como una fuerza normal de 100 libras.

Podría ser instructivo resolver para $N$ y $a$ en lugar de $T$ y $a$ . $$N=\frac{T(m-M)}{m+M}$$ $$a=\frac{2T}{m+M}-g$$

Como podemos ver, la fuerza normal entre el hombre y la silla es directamente proporcional a la fuerza que el hombre aplica a la cuerda. Podemos explorar este problema pensando en diferentes escenarios. Por ejemplo, si el hombre no tira de la cuerda ( $T=0$ ), entonces $N=0$ por lo que el hombre y la silla caerán con una aceleración de $-g$ como era de esperar.

También vemos que para que el hombre acelere hacia arriba debe aplicar más de la mitad del peso total suyo y de la silla, lo que tiene sentido ya que todo el sistema es arrastrado hacia arriba con una fuerza de $2T$ . En otras palabras, saca el doble de lo que pone esencialmente. Esto también nos permite ver que si $a>0$ entonces $N>\frac{g(m-M)}{2}$ , lo que es cierto en su problema. Puedes jugar con las ecuaciones así y aprender otras cosas sobre el sistema.


$^*$ Si suponemos una cuerda sin masa, y una polea sin masa y sin fricción, entonces la tensión en toda la cuerda es uniforme. Por ello, las fuerzas de tensión que actúan sobre el hombre y la silla son las mismas.

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Daniel G Puntos 12647

Hay varias formas de resolver este problema, pero yo lo resolví con bastante facilidad analizando el pintor, y el sistema completo (pintor + silla), dando 2 ecuaciones y 2 incógnitas.

La fuerza del pintor sobre la silla (100 libras) $= M_p(g+a)-T$ , donde $M_p$ es la masa del pintor (100 lbs / g), $a$ es la aceleración hacia arriba, y $T$ es la tensión de la cuerda.

La fuerza sobre el sistema combinado es $2T = (M_p+M_c)(g+a)$ porque el doble de la tensión de la cuerda está tirando del sistema. $M_c$ es la masa de la silla (30 libras / g).

Con un poco de álgebra, es bastante fácil de resolver a partir de ahí.

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Farcher Puntos 906

Tu suma de fuerzas es incorrecta posiblemente porque has asignado incorrectamente las direcciones a las fuerzas?

Creo que la mejor manera de resolver dicho diagrama es dibujar algunos diagramas de cuerpo libre y luego aplicar la segunda ley de Newton un número adecuado de veces.

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Actualización después de recuperar el uso de algunas de mis células cerebrales.

Hay soluciones a (algunos de) estos problemas aquí .

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Doodles Puntos 11

Que la masa de la silla sea $m$ la masa del hombre sea $M$ y la tensión de la cuerda sea $T$ . Observa que el hombre y la silla se mueven juntos, por lo que tienen la misma aceleración $a$ y hay una fuerza normal entre ellos que llamaremos $N$ . Dejaremos que la dirección ascendente sea positiva.

La 2ª Ley de Newton aplicada al hombre es

$$Ma = F_{gravity} + F_{normal} + F_{rope} = -Mg + N + T$$

La 2ª Ley de Newton aplicada a la silla es

$$ma = F_{gravity} + F_{normal} + F_{rope} = -mg - N + T$$

Restando esas ecuaciones entre sí, el lado izquierdo se convierte en $$Ma-ma = (M-m)a$$

mientras que el lado derecho se convierte en $$-Mg + N -(-mg) -(-N) = -(M-m)g + 2N$$ Por lo tanto, tenemos que $$(M-m)a = -(M-m)g + 2N$$ o $$a = -g + \frac{2N}{M-m}$$

La fuerza normal es $N=100$ libras. La diferencia de masa es $\frac{150 lbs}{g}$ . Por lo tanto, tenemos que $$ a = -g + \frac{200 lbs}{150 lbs}g = \frac{g}{3}$$


La segunda parte de esa pregunta te pide que encuentres la fuerza total que soporta la polea. Fíjate en que ahora conocemos la tensión de la cuerda, a partir de la primera ecuación,

$$T = M(a+g) - N = \frac{4}{3}Mg - N = 140 lbs$$

Por lo tanto, el escenario equivale a colgar un $140$ lb de cada extremo de la cuerda, en lo que respecta a la fuerza ejercida sobre la polea, por lo que la respuesta a la parte (b) es simplemente $2T = 280$ libras.

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ash108 Puntos 226

Debido a la tercera ley de Newton, cuando él ejerce 100 libras hacia abajo sobre la silla, la silla ejerce lo mismo hacia arriba sobre él. Esa fuerza hacia arriba proviene de la cuerda.

Entonces, considerando al hombre+silla como sistema, hay una fuerza hacia arriba (cuerda) de 100 libras y una fuerza hacia abajo (gravedad) de 210 libras. Parece que está acelerando hacia abajo, y no hacia arriba.

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