¿Por qué la fuerza de fricción es negativa en el problema del patinador sobre hielo?

Question

Un patinador de 68,5 kg que se desplaza inicialmente a 2,40 m/s sobre hielo horizontal rugoso se detiene uniformemente en 3,52 s debido al rozamiento del hielo. ¿Qué fuerza ejerce la fricción sobre el patinador?

En realidad no estoy preguntando por la respuesta, porque puedo calcularla, sino más bien por una explicación.

Encontramos la aceleración con $\frac{V-V_0}{t}=a$ por lo que la aceleración es: $-0.68$ .

$F=ma$ , por lo que la fuerza es $-46.7$ Newton, o N.

En primer lugar, ¿por qué es negativo? ¿El tipo que patina ejerce una fuerza igual sobre el hielo? ¿Así que el patinador ejerce una fuerza de 46,7 N sobre el hielo, y el hielo ejerce una fuerza de -46,7 sobre el patinador? ¿Por qué parece esto la fuerza normal?

Me estoy confundiendo mucho y sencillamente no lo entiendo, pero me salieron bien las cuentas sólo con enchufar los números.

Answer 1

tener que conducir una señal mucho más fuerte

Al revés: la fuerza de accionamiento de una salida digital es una cantidad fija(*) basada en el tamaño de sus transistores de salida. Si tiene demasiada fuerza de accionamiento, obtendrá un gran impulso de corriente corta. Una resistencia lo convierte en un pulso más largo y plano. (Creo que el área bajo el pulso en el gráfico corriente-tiempo es constante, pero no he hecho los cálculos).

Cuanto más agudo sea el pulso de la corriente, más hay que considerar el sistema como una línea de transmisión. Entonces la resistencia aparece como una resistencia de terminación de fuente.

(*) Puedes conseguir algunos dispositivos con fuerza de accionamiento conmutable, pero eso sólo significa que tienen múltiples transistores de salida por pin.

Answer 2

Cuando el patinador está en el hielo, la fricción lo detiene en 3,52 segundos, como has dicho. Las moléculas de los patines rozan con las moléculas del hielo, y las moléculas del hielo absorben parte de la energía de las moléculas del patín, frenando al patinador. La razón por la que la fuerza es negativa es porque la fricción actúa en la dirección opuesta al movimiento del patinador. El patinador aplica la misma fuerza hacia el hielo, lo que hace que el hielo se caliente.

Answer 3

El término correcto para esta función de "ralentización" es girar tasa . Añadiendo una resistencia se reduce la velocidad de giro formando un filtro RC de paso bajo con la capacitancia de entrada. Puedes ver el efecto de estas resistencias en el siguiente oscilograma (la curva verde con mayor slew rate produce mucho más ruido):

El aumento del consumo de energía que mencionas no es real. Se necesita la misma cantidad de energía para cargar un condensador, independientemente de la velocidad a la que se cargue. La introducción de la resistencia sólo hizo visible esta pérdida de energía, mientras que sin la resistencia la misma energía es disipada por las puertas de salida CMOS.

Answer 4

Lo que todo el mundo ha dicho, pero además: la forma en que está formulada la pregunta, el modelo que utiliza, es un modelo unidimensional. Imagina un punto que se desplaza a lo largo de la línea de números reales/el eje x en un plano cartesiano. El modelo del problema supone que no hay movimiento vertical, o "de lado a lado", sino sólo movimiento "puro" en 1-D a lo largo de una línea recta horizontal. En el "mundo" del problema sólo existe eso y la masa del patinador.

En el movimiento de una bala de cañón, se puede separar el movimiento x (horizontal) -relativamente constante, frenado por la resistencia del aire, etc.- del movimiento y (vertical) -aceleración hacia abajo debido a la gravedad. En este problema del patinador, se supone que todas las componentes y son 0, o se ignoran, ni siquiera se consideran. (al igual que las componentes z "de lado a lado")

Parece que tu confusión viene de no darte cuenta de que esto es puramente una pregunta sobre los componentes x. La fricción será una fuerza hacia la izquierda (negativa) o hacia la derecha (positiva). Las fuerzas hacia abajo, etc., no entran en el modelo. Ese sería otro problema (Tal vez rompa el hielo por debajo de cierta velocidad..)

No soy un experto en física, pero espero que haya sido útil.

Answer 5

Otras personas han respondido a tus preguntas sobre los signos; quiero abordar tu comentario, "¿por qué suena esto como la fuerza normal?"

Según la tercera ley de Newton, los pares de fuerzas siempre son iguales y opuestos.

• Si el suelo ejerce una fuerza normal ascendente sobre ti, tú ejerces una fuerza normal descendente sobre el suelo.
• Si el deslizamiento sobre el suelo ejerce una fuerza de fricción hacia la izquierda sobre ti, entonces tú ejerces una fuerza de fricción hacia la derecha sobre el suelo. (¿No te lo crees? Frótese las manos y observe la fuerza que ejerce cada una de ellas).
• Si la gravedad de la Tierra tira hacia abajo de ti, tu gravedad tira hacia arriba de la Tierra.

Así que, a primera vista, no hay ninguna razón para que la fuerza de fricción aquí sea más "como la fuerza normal" que cualquier otra fuerza. Excepto que en realidad hay algo que hace que la fuerza normal sea especial.

Para evitar que caigas al suelo, la fuerza normal debe contrarrestar exactamente tu peso. Es decir, debe ser igual y opuesta a la fuerza gravitatoria. Pero esto es totalmente diferente a las afirmaciones de la tercera ley de Newton anteriores: las fuerzas normal y gravitatoria son fuerzas diferentes, no un par de la tercera ley.

En resumen: has dicho que la igualdad y la oposición de la fuerza de rozamiento te recuerdan aquí a la fuerza normal. Sin embargo, todas las fuerzas vienen en pares iguales y opuestos. La razón por la que pensaste específicamente en la fuerza normal fue porque resulta ser igual y opuesta a la fuerza gravitacional, pero esto es por una razón diferente.