Discusión No. 3 Oscilaciones

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Ejercicios de Osilaciones

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PAGE 2 Unidad III. Oscilaciones

Fsica II, Ciclo I/2015

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

UNIDAD DE CIENCIAS BSICAS

GUIA DE DISCUSIN N 3

FISICA II/2015UNIDAD III: OSCILACIONES

A. Definir, explicar o comentar los siguientes conceptos. (Este literal es necesario que el estudiante lo conteste antes de recibir la discusin ya que lo utilizar para contestar los literales (B) y (C).

1) Movimiento Peridico9) Movimiento armnico simple

2) Fuerza de restitucin10) Pndulo fsico

3) Posicin de equilibrio11) Pndulo de torsin

4) Desplazamiento12) Movimiento armnico amortiguado

5) Amplitud de oscilacin13) Movimiento subamortiguado

6) Perodo y frecuencia14) Movimiento crticamente amortiguado

7) Frecuencia angular15) Movimiento sobre amortiguado

8) Fase, constante de fase.16) Fenmeno de Resonancia

B. Dadas las siguientes preguntas de opcin mltiple, seale la respuesta correcta.

1) La posicin de equilibrio de un objeto en un sistema oscilatorio siempre es el punto donde:

a)

b) c) d) ; donde es cantidad de movimiento lineal2) Una partcula sujeta a un resorte realiza un movimiento armnico simple. Si duplicamos su masa y su amplitud.

A) El periodo de oscilacin cambiar por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterado

B) La rapidez mxima de la partcula cambiar por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

C) La magnitud de la aceleracin mxima de la partcula cambiar por un factor de:a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

3) Una partcula sujeta a un resorte efecta un movimiento armnico simple. Cuando pasa por la posicin de equilibrio tiene una velocidad , se detiene y entonces las oscilaciones se reanudan, de manera que ahora cruza esa posicin con una velocidad.Despus de este cambio:

A) La frecuencia de oscilacin se modificara por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

B) El desplazamiento mximo de la partcula cambiar por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterado

C) La magnitud de la aceleracin mxima de la partcula cambiar por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

4) Una partcula sujeta a un resorte realiza un movimiento armnico simple. Cuando se halla en , su rapidez es:

a)

b)

c)

d)

5) Una partcula sujeta a un resorte realiza un movimiento armnico simple. Si su energa total se duplica

A) El periodo de oscilacin crecer por un factor de:a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterado

B) La rapidez mxima de la partcula crecer por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

C) La magnitud de la aceleracin mxima de la partcula crecer por un factor de:

a) 4

b)

c) 2

d)

e) permanece inalterada

6) Un aro metlico redondo est suspendido del borde por un gancho. Puede oscilar de un lado a otro en el plano del gancho o en direccin perpendicular al plano del aro. En qu caso ser mayor la frecuencia de la oscilacin?a) Oscilaciones en el plano del aro.

b) Oscilaciones perpendiculares al plano del aro.

c) La frecuencia de la oscilacin ser la misma en ambos modos.d) No se puede saber, por falta de informacin.7) Un objeto de masa presenta movimiento circular uniforme en el plano . El crculo tiene el radio y el objeto se desplaza alrededor del crculo con velocidad . El movimiento se proyecta en el eje , donde aparece como un movimiento armnico simple conforme a .

A) En esta proyeccin es

a)

b)

c)

d)

B) En esta proyeccin es a)

b)

c)

d) no puede determinarse con la informacin disponible

8) Sea la frecuencia angular de un oscilador amortiguado y la frecuencia angular de un oscilador idntico pero no amortiguado. La frecuencia amortiguada ser igual a si:

a)

b)

c)

d)

9) Una vez extinguido todo el movimiento transitorio, un oscilador amortiguado forzado oscilara con:

a) la frecuencia impulsora

b) la frecuencia del oscilador amortiguado pero no libre

c) la frecuencia del oscilador no amortiguado pero libre

d) cualquiera de las anteriores por ser iguales las frecuencias.

10) La frecuencia resonante de un oscilador amortiguado forzado es igual a:

a) la frecuencia impulsora

b) la frecuencia del oscilador amortiguado pero libre

c) la frecuencia de un oscilador no amortiguado pero libre

d) cualquiera de las anteriores porque todas las frecuencias son iguales

C. Conteste las siguientes preguntas, razonando su respuesta.

1) D algunos ejemplos de movimientos que sean aproximadamente armnicos simples. Por qu son escasos los movimientos que sean exactamente armnicos simples?

2) Un resorte tiene una constante de fuerza , y de l est suspendido un objeto de masa . El resorte se corta a la mitad y el mismo objeto se suspende de una de las mitades. Cmo se relacionan las frecuencias de oscilaciones antes y despus de haber cortado el resorte?

3) Supongamos que tenemos un bloque de masa desconocida y un resorte de constante de fuerza tambin desconocida. Explique cmo podemos predecir el perodo de oscilacin de este sistema bloque - resorte simplemente midiendo la extensin del resorte producida al unir el bloque a l.

4) Qu cambios hara usted en un oscilador armnico para duplicar la velocidad mxima del objeto en oscilacin?

5) Prediga, por medio de argumentos cualitativos si un pndulo simple oscilatorio de gran amplitud tendr un perodo ms largo o ms corto que el perodo de las oscilaciones de amplitud pequea. (Considere casos extremos)

6) Habra en la Luna un cambio en la frecuencia de oscilacin de un pndulo de torsin si fuera ste trasladado all? De un pndulo simple? De un oscilador resorte - bloque? De un pndulo fsico?

7) Qu le pasara al movimiento de un sistema oscilatorio si cambiar el signo del trmino de la fuerza, en la ecuacin ?

8) Un resorte no estirado tiene una constante de fuerza . Estirado por una pesa colgada de l hasta una longitud de equilibrio dentro del lmite elstico. Tiene el resorte la misma constante de fuerza para desplazamientos a partir de esta nueva posicin de equilibrio?

9) Todo resorte real tiene masa. Si esta masa se toma en cuenta, explique cualitativamente cmo afectar esto al periodo de oscilacin de un sistema resorte bloque.

10) Puede haber un oscilador que no sea armnico simple ni siquiera con amplitudes pequeas? Es decir, puede haber una fuerza restauradora no lineal en un oscilador incluso en amplitudes arbitrariamente pequeas?

11) De que manera las siguientes propiedades de un oscilador armnico simple, periodo, constante de fuerza, energa mecnica total, velocidad mxima, aceleracin mxima; se ven afectadas al duplicar la amplitud?

12) Qu cambios pueden efectuarse en un oscilador armnico que duplique la rapidez mxima del objeto oscilante?

13) Podra construirse alguna vez un pndulo simple verdadero? Explique.

14) Pueden los estndares de masa, longitud y tiempo basarse en las propiedades de un pndulo simple? Explique.

15) Teniendo en cuenta los aspectos elsticos e inerciales en cuestin, explique el hecho de que cuando un objeto de masa oscila verticalmente en un resorte, el periodo depende de pero es independiente de , y de que, en cambio, ocurre lo contrario en un pndulo simple.

16) Qu sucede con la frecuencia de un columpio a medida que sus oscilaciones pasan de una amplitud grande a otra pequea?

17) Por qu la tina de una lavadora suele montarse sobre resortes?

18) Por qu se acostumbra aparatos amortiguadores en la maquinaria? D un ejemplo.

19) Una esfera hueca se llena de agua a travs de un pequeo orificio. Se cuelga de un cordn largo y, cuando el agua va saliendo por el orificio en el fondo, hallamos que el perodo de oscilacin primero aumenta y luego disminuye. Explique.D. Poblemas propuestosContenidos: 3.2 El oscilador armnico simple 3.3 Movimiento armnico simple1) Un bloque de estira a un resorte desde su posicin no estirada. El bloque se retira y en su lugar se cuelga un objeto de . Halle el perodo de su oscilacin.

2) Si un objeto en una superficie horizontal sin friccin se une a un resorte, se desplaza y despus se suelta, oscilar. Si se desplaza de su posicin de equilibrio y se suelta con rapidez inicial cero, despus de su desplazamiento es de en el lado opuesto, habiendo pasado la posicin de equilibrio una vez. Calcule: a) la amplitud; b) periodo; c) la frecuencia.

3) Un oscilador consta de un bloque de de masa unido a un resorte. Cuando es puesto a oscilar con una amplitud de , se observa que repite su movimiento cada . Hallar:

a) Perodo

b) Frecuencia

c) Frecuencia angular

d) Constante de fuerza

e) Velocidad mxima

f) Fuerza mxima ejercida sobre el bloque

4) Se crea un oscilador armnico usando un bloque de que se desliza sobre una superficie sin friccin y un resorte ideal con constante de fuerza desconocida. Se determina que el oscilador tiene un periodo de . Calcule la constante de fuerza del resorte.

5) Un objeto de est unido a la parte inferior de un resorte vertical y es puesto a oscilar. La velocidad mxima del objeto es de y el perodo es de . Halle a) la constante de fuerza del resorte, b) la amplitud del movimiento y c) la frecuencia de oscilacin.

6) Un cuerpo de masa desconocida se une a un resorte ideal con constante de fuerza de . Se observa que vibra con una frecuencia de . Calcule: a) el periodo; b) la frecuencia angular; c) la masa del cuerpo.

7) En la figura se muestra el desplazamiento de un objeto oscilante en funcin del tiempo. Calcule: a) la frecuencia; b) la amplitud y c) el periodo.

8) Una pieza de una mquina est en MAS con frecuencia de y amplitud de . Cunto tarda la pieza en ir de a ?

9) En una rasuradora elctrica, la hoja se mueve de un lado a otro sobre una distancia de. El movimiento es armnico simple, con una frecuencia de . Halle para la hoja:

a) La amplitud

b) La velocidad mxima

c) La aceleracin mxima

10) Un cuerpo oscila con movimiento armnico simple de acuerdo con la ecuacin: . Hallar en :

a) El desplazamiento

b) La velocidad

c) La aceleracin

d) La frecuencia

e) El periodo del movimiento

11) La cartula de una balanza de resorte que lee desde hasta tiene de longitud. Se observa que un paquete suspendido de la balanza oscila verticalmente con una frecuencia de . Cunto pesa el paquete?

12) Un objeto de . cuelga de un resorte. Un cuerpo de colgado abajo del objeto estira adicionalmente al resorte . El cuerpo de es retirado y el objeto entra en oscilacin. Halle el perodo del movimiento y la velocidad.

13) La posicin de una partcula viene dar por , donde est en metros y en segundos. Calcular:a) El valor mximo de .

b) El primer instante despus de en el cual se presenta este valor mximo.

c) La velocidad en .

d) El valor mximo de la aceleracin.

14) Un bloque se une a un resorte de constante 6.5 y se mueve con MAS con una amplitud de . Cuando la masa est en la mitad del camino entre su posicin de equilibrio y el punto extremo su velocidad es de . Calcule:a) La masa del bloque.

b) El perodo del movimiento.

c) La aceleracin mxima del bloque

15) Dos bloques y un resorte de estn dispuestos sobre una superficie horizontal, sin friccin como se muestra en la figura. El coeficiente de friccin esttica entre los bloques es de . Calcule la amplitud mxima posible del MAS sin que ocurra un deslizamiento entre los bloques.

16) Un oscilador consta de un bloque unido a un resorte con . En cierto tiempo , la posicin (medida desde la posicin de equilibrio), la velocidad y la aceleracin del bloque son respectivamente; ; . Calcule: a) la frecuencia, b) la masa del bloque y c) la amplitud de la oscilacin.

17) Un cuerpo est en MAS con un perodo de y amplitud de . En el cuerpo est en . A qu distancia se hallar de la posicin de equilibrio en ?18) Un cuerpo vibra con MAS con una amplitud de y a . Calcular:

a) Los valores mximos de la velocidad y la aceleracin.

b) La velocidad y la aceleracin cuando la elongacin es de .

c) El tiempo necesario para moverse desde la posicin de equilibrio a un punto situado a de la misma.

19) Un cuerpo de se mueve con MAS con una amplitud de y perodo de. La elongacin es de para . Calcular:a) La posicin del cuerpo en .

b) La magnitud y direccin de la fuerza cuando

c) El tiempo mnimo necesario para que el cuerpo se mueva desde la posicin inicial al punto .

d) la velocidad del cuerpo cuando

20) Dos resortes estn unidos a un bloque de masa que puede deslizarse libremente sobre una superficie horizontal sin friccin, como se muestra en la figura. Demuestre que la frecuencia de oscilacin del bloque es , donde y son las frecuencias a las que oscilara el bloque si se uniera solamente al resorte 1 al resorte 2.

21) Dos resortes unidos entre s se enlazan al bloque de masa como se muestra en la figura. Las superficies carecen de friccin. Si los resortes por separado, tienen constantes de fuerza y , demuestre que la frecuencia de oscilacin del bloque es

donde y son las frecuencias a las que oscilara el bloque si estuviera unido solamente al resorte 1 o al resorte 2.

22) Un resorte sin masa de constante es cortado en dos mitades.

a) Cul es la constante de fuerza de cada mitad?

b) Las dos mitades, suspendidas por separado, soportan un bloque de masa (vase la figura). El sistema vibra con una frecuencia de . Halle el valor de la masa .

23) Un objeto de se desplaza por una superficie horizontal sin friccin bajo la influencia de un resorte con una constante de fuerza de . El objeto se desplaza y se le imprime una velocidad inicial de de regreso a la posicin de equilibrio. Encuentre:

a) La frecuencia del movimiento.

b) La energa potencial inicial del sistema.

c) La energa cintica inicial del sistemad) La amplitud del movimiento

24) Una partcula tiene un desplazamiento dado por , en donde est en metros y en segundos. Calcular:

a) La frecuencia y el perodo del movimiento.

b) La amplitud del movimiento.

c) La posicin de la partcula en

25) Tres vagones de mineral de se mantienen en reposo en una pendiente de sobre los rieles de una mina usando un cable paralelo a la pendiente (ver figura). Se observa que el cable se estira . Justo antes de que se rompa el acoplamiento, desenganchando a uno de los vagones. Halle:

a) La frecuencia de las oscilaciones resultantes de los dos vagones restantes.

b) La amplitud de la oscilacin.

Contenido 3.5 Energa en el movimiento armnico simple

26) Un sistema oscilatorio de bloque-resorte tiene una energa mecnica de, una amplitud de y una rapidez mxima de . Calcule:

a) La constante de fuerza del resorte.

b) La masa del bloque

c) La frecuencia de la oscilacin

27) Un deslizador de , conectando al extremo de un resorte ideal con constante de fuerza , est en movimiento armnico simple con una amplitud de . Calcule:

a) La rapidez mxima del deslizador

b) A la rapidez cuando est en

c) La magnitud de la aceleracin mxima

d) La aceleracin en

e) La energa mecnica total en cualquier punto de su movimiento.

28) Un juguete de est en MAS en el extremo de un resorte horizontal con . Cuando el objeto est a de su posicin de equilibrio, tiene una rapidez de . Calcule:

a) La energa total del objeto en cualquier punto de su movimiento

b) La amplitud del movimiento

c) La velocidad mxima alcanzada por el objeto durante su movimiento

29) En el movimiento armnico simple:

a) Cuando el desplazamiento es la mitad de la amplitud qu parte de la energa total es cintica y qu parte es potencial en el movimiento armnico simple?

b) En qu desplazamiento es una mitad de la energa cintica y la otra mitad es potencial?30) Una resortera grande (e hipottica) se estira para lanzar un proyectil de con suficiente rapidez para escapar de la tierra .

a) Cul es su constante de fuerza, si toda la energa potencial la convertimos en energa cintica?

b) Suponga que una persona comn puede ejercer una fuerza de. Cuntas personas se necesitan para estirar la resortera?

31) Una partcula de experimenta un movimiento armnico simple con una amplitud de y aceleracin mxima de.

a) Encuentre el periodo del movimiento.

b) Cul es su aceleracin mxima?

c) Calcule la energa mecnica total de este oscilador armnico simple.

Contenido 3.6 Aplicaciones del movimiento armnico simple

32) Obtenga la longitud de un pndulo simple cuyo periodo es en un lugar donde .

33) Un pndulo simple de de longitud realiza oscilaciones en en cierto lugar. Encuentre la aceleracin debida a la gravedad en ese punto.

34) El hecho de que vare de un lugar a otro en la superficie terrestre atrajo la atencin cuando en Jean Richer llev un reloj de pndulo de Pars a Cayena, la Guayana Francesa, y descubri que perda . Si en Pars, calcule en Cayena.

35) El periodo de un pndulo simple est dado por la serie en la ecuacin .

a) Para qu valor de es el segundo trmino de la serie igual a 0.02?b) Qu valor tiene el tercer trmino de la serie en esta amplitud?36) Una bola de demolicin de oscila del extremo de una gra, como se aprecia en la figura. El segmento oscilante del cable mide. Encuentre el periodo de oscilacin suponiendo que el sistema puede tratarse como un pndulo simple.

37) Un aro circular de de radio y de masa est suspendido de un clavo horizontal.

a) Calcular la frecuencia de oscilacin para desplazamientos pequeos desde el equilibrio.

b) Cul es la longitud del pndulo simple equivalente?

38) Un ingeniero desea hallar la inercia rotacional de un objeto de forma irregular de de masa respecto a un eje que pase por su centro de masa. El objeto est soportado con un alambre que pasa por su centro de masa y a lo largo del eje deseado. El alambre tiene una constante de torsin . El ingeniero observa que este pndulo de torsin efecta 20 ciclos completos en . Qu valor se calcula para la inercia de rotacin?

39) Un pndulo fsico consta de un disco slido uniforme de masa y radio soportado en un plano vertical por un pivote situado a una distancia del centro del disco, como se muestra en la figura. El disco se desplaza un pequeo ngulo y luego se suelta. Halle el perodo del movimiento armnico simple resultante.

40) Una esfera slida de con un radio de est suspendida de un alambre vertical unido al techo de una sala. Se requiere una torca de para retorcer a la esfera en un ngulo de. Halle el perodo de oscilacin cuando la esfera se suelte desde est posicin.

41) Se cuelga un aro delgado de un clavo horizontal y realiza una oscilacin completa con ngulo pequeo una vez cada , qu radio debe tener el aro?

42) Una llave inglesa de est pivotada a de su centro de masa y puede oscilar como pndulo fsico. El periodo para oscilaciones de ngulo pequeo es de . a) Qu momento de inercia tiene la llave respecto a un eje que pasa por el pivote?; b) Si la llave inicialmente se desplaza de la posicin de equilibrio, qu rapidez angular tiene al pasar por dicha posicin?

43) Un pndulo fsico consta de una barra de un metro pivotada en un pequeo orificio taladrado a travs de la barra de una distancia de la marca de . Se observa que el perodo de oscilacin es de . Halle la distancia .

44) Un pndulo fsico en forma de cuerpo plano exhibe un MAS con una frecuencia de . Si el pndulo tiene una masa de y el pivote se localiza a del CM. Calcule el momento de inercia del pndulo.45) Una barra uniforme se halla pivoteada en un extremo. Si la barra oscila con MAS, calcule su longitud para que su perodo sea igual al de un pndulo simple de 1m de longitud.

46) Un pndulo consta de un disco uniforme de de radio y de masa unido a una barra de de longitud que tiene una masa de ; ver figura. Calcule: a) la inercia rotacional del pndulo respecto al pivote; b) Cul es la distancia entre el pivote y el centro de masa del pndulo?, c) calcule el perodo de oscilacin para ngulos pequeos.

47) Se forma un pndulo al pivotar una barra larga de longitud y masa en torno a un punto en la barra que est a una distancia sobre el centro de la varilla.a) Halle el perodo de pequea amplitud de este pndulo en trminos de , , y .

b) Demuestre que el perodo tiene un valor mnimo cuando.

Contenido 3.7 Movimiento armnico amortiguado 48) En el sistema mostrado en la figura, el bloque tiene una masa de y la constante de fuerza es de . La fuerza de friccin est dada por, donde. Supngase que el bloque se jala hacia un lado una distancia de y luego se suelta. Calcule: a) el intervalo de tiempo necesario para que la amplitud disminuya a un tercio de su valor inicial; b) Cuntas oscilaciones efecta el bloque en este tiempo?

49) Un oscilador armnico amortiguado consta de un bloque, un resorte , y una fuerza de amortiguamiento . Inicialmente, oscila con una amplitud de ; a causa del amortiguamiento, la amplitud disminuye a tres cuartas partes de este valor inicial despus de cuatro ciclos completos.

a) Cul es el valor de ?

b) Cunta energa se ha perdido durante estos cuatro ciclos?

50) Un ratn de , se mueve en el extremo de un resorte con constante de fuerza , sometido a la accin de una fuerza amortiguadora . a) si , qu frecuencias de oscilacin tiene el ratn?; b) con qu valor de la amortiguacin ser critica?51) Un huevo duro (cocido) de se mueve en el extremo de un resorte con su desplazamiento inicial es de. Una fuerza amortiguadora acta sobre el huevo, y la amplitud del movimiento disminuye a en. Calcule la constante de amortiguacin .

52) Una masa dese mueve en el extremo de un resorte con, sometido a la accin de una fuerza amortiguadora . Si

a) Qu frecuencia de oscilacin tiene la masa?

b) Con qu valor de b la amortiguacin ser crtica?

53) Una masa de se mueve en el extremo de un resorte con. Su desplazamiento inicial es de. Una amplitud del movimiento disminuye a en. Calcule la constante de amortiguacin .

54) Un pndulo de de longitud se suelta desde un ngulo inicial de . Despus de , debido a la friccin su amplitud se ha reducido a . Cul es el valor de ?Contenido 3.8 Oscilaciones forzadas y resonancia

55) Una masa de unida a un resorte es accionada por una fuerza externa en newton, dada por . Si la constante de fuerza del resorte es y no hay amortiguamiento determine:

a) El perodo

b) La amplitud del movimiento.

56) Un peso de se suspende de un resorte cuya constante de fuerza es de . El sistema es no amortiguado y se somete a una fuerza armnica de de frecuencia, lo que origina una amplitud de movimiento forzado de , determine el valor mximo de la fuerza.

57) Calcule la frecuencia de resonancia de:

a) Una masa de unida a un resorte de constante .

b) Un pndulo simple de de longitud.

DESARROLLO DE LA DISCUSIN No 3 (Primera Parte)

UNIDAD III OSCILACIONES

(3.1 a 3.5.2)

SEMANA 4 TIEMPOACTIVIDADCONTENIDOS

100minutosEl docente inicia la actividad dando lugar a la participacin de los estudiantes tal como se explica en el programa; seccin IV.2 Discusin de problemas.

B: 1, 2, 3 y 4 C: 1, 2, 4, 7 y 8D: 1, 3, 7, 10, 14, 22 y 26

DISCUSIN No 3 (Segunda Parte)

UNIDAD III OSCILACIONES

(3.6 a 3.8.2)

SEMANA 5 TIEMPOACTIVIDADCONTENIDOS

100minutosEl docente inicia la actividad dando lugar a la participacin de los estudiantes tal como se explica en el programa; seccin IV.2 Discusin de problemas.

B: 5, 6, 8, y 10 C: 9, 13, 15 y 19

D: 32, 37, 39, 48, y 57

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