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Fisica 1° · 2024
Libro de Física 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

102/274

Movimiento armónico simple: frecuencia, masa y datos de un amortiguador

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 1° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

3.c: No; al duplicar la masa la frecuencia se reduce a f/√2 ≈ 0,71 f, no a la mitad. 4: A = 0,10 m; ω = 5 rad/s; T ≈ 1,26 s; f ≈ 0,80 Hz; k = 1000 N/m; v_máx = 0,50 m/s; a_máx = 2,5 m/s²; F_máx = 100 N.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 7 min lectura

Solución — Página 102

Fisica 1° · 2024

3
Ejercicio 3

c

Enunciado: Si al vehículo ingresan dos personas adicionales de 160 kg cada una, además de las dos ya presentes, ¿la frecuencia sería la mitad de la obtenida solo con las dos personas iniciales? Argumente.

  1. En un sistema masa–resorte, la frecuencia angular natural depende de la masa total según

\omega = \sqrt{\frac{k}{m}} \quad \Rightarrow \quad f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}

  1. Con dos personas la masa total es m_1 = 2 \times 160 = 320 \, \text{kg}, y con cuatro personas es m_2 = 4 \times 160 = 640 \, \text{kg}, es decir m_2 = 2m_1.

  2. Al duplicar la masa, la nueva frecuencia es

f_2 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{2m_1}} = \frac{1}{\sqrt{2}}\cdot\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m_1}} = \frac{f_1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707\, f_1

  1. Como \frac{f_1}{\sqrt{2}} \neq \frac{f_1}{2}, la frecuencia no se reduce a la mitad: se reduce solo hasta aproximadamente el 70,7 % de su valor original.

Respuesta

No. Al duplicar la masa la frecuencia queda en \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}71 de la original, no la mitad.

4
Ejercicio 4

Enunciado: Con los datos del escáner del amortiguador (y = 10\,\text{sen}\left(5t + \frac{\pi}{2}\right)\,\text{cm}) y la masa de m = 40\,\text{kg}, se determinan los parámetros del movimiento para comprobar el estado del repuesto.

a
Parte 4.a

Amplitud y desfase

  1. Al comparar con la forma general y = A\,\text{sen}(\omega t + \phi) se identifica A = 10\,\text{cm} = 0{,}10\,\text{m}.
  2. El desfase es \phi = \frac{\pi}{2}\,\text{rad}.
Respuesta

A = 0{,}10\,\text{m} y \phi = \frac{\pi}{2}\,\text{rad}.

b
Parte 4.b

Frecuencia angular, período y frecuencia

  1. De la ecuación, el coeficiente de t es la frecuencia angular: \omega = 5\,\text{rad/s}.
  2. El período es

T = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{5} \approx 1{,}26\,\text{s}

  1. La frecuencia es

f = \frac{1}{T} = \frac{\omega}{2\pi} = \frac{5}{2\pi} \approx 0{,}80\,\text{Hz}

Respuesta

\omega = 5\,\text{rad/s}, T \approx 1{,}26\,\text{s} y f \approx 0{,}80\,\text{Hz}.

c
Parte 4.c

Rigidez del resorte (constante elástica)

  1. En el M.A.S., \omega^2 = \frac{k}{m}, de donde k = m\omega^2.
  2. Sustituyendo m = 40\,\text{kg} y \omega = 5\,\text{rad/s}:

k = 40 \times 5^{2} = 40 \times 25 = 1000\,\text{N/m}

Respuesta

k = 1000\,\text{N/m}.

d
Parte 4.d

Velocidad y aceleración máximas

  1. Velocidad máxima: v_{\text{máx}} = A\omega = 0{,}10 \times 5 = 0{,}50\,\text{m/s}.
  2. Aceleración máxima: a_{\text{máx}} = A\omega^{2} = 0{,}10 \times 25 = 2{,}5\,\text{m/s}^{2}.
Respuesta

v_{\text{máx}} = 0{,}50\,\text{m/s} y a_{\text{máx}} = 2{,}5\,\text{m/s}^{2}.

e
Parte 4.e

Fuerza máxima restauradora (fuerza centrípeta equivalente)

  1. Aplicando la segunda ley de Newton en el extremo de la oscilación:

F_{\text{máx}} = m\,a_{\text{máx}} = 40 \times 2{,}5 = 100\,\text{N}

  1. Verificación por el resorte: F_{\text{máx}} = kA = 1000 \times 0{,}10 = 100\,\text{N} (coinciden).

¿Sabías qué? Los amortiguadores van anclados al chasis y a los ejes de las ruedas; su función es disipar la energía del movimiento vertical (desniveles, badenes) para que la carrocería no siga rebotando. Un amortiguador defectuoso transmite al chasis el movimiento armónico descrito por la ecuación del escáner.

Respuesta

F_{\text{máx}} = 100\,\text{N}.

Contenido de la página

Continuación de los ejercicios

3.c

Si al vehículo ingresan dos personas adicionales de 160 kg (igual que las dos iniciales), ¿la frecuencia sería la mitad respecto de la obtenida solo con las dos personas iniciales? Argumento la respuesta.

4. Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación

El propietario de una camioneta realizó el mantenimiento a los 50 000 km; sin embargo, al retirar su vehículo escucha un ruido extraño en la parte posterior derecha, por lo que decide regresar al taller y hacer el reclamo. Uno de los técnicos realiza pruebas a fin de solicitar garantía del repuesto (al parecer, defecto de fábrica), y el encargado de garantías solicita datos para comprobar el estado del amortiguador.

La ecuación mostrada por el escáner antes de fallar es:

y = 10\,\text{sen}\left(5t + \frac{\pi}{2}\right)\,\text{cm}

  • La masa del amortiguador es de 40 kilogramos.

¿Sabías qué?

Los amortiguadores son mecanismos que se encuentran en los ejes de los automóviles, anclados al chasis y carrocería del vehículo, cuya función principal es la de suavizar el movimiento de los vehículos en desniveles.

Texto de Física, página 101 (PDF pág. 102).

Ejemplos resueltos

Un amortiguador vibra según y = 10\,\text{sen}\left(5t + \frac{\pi}{2}\right)\,\text{cm} y tiene una masa de 40 kg. Hallar A, ω, T, f, k, v_máx, a_máx y F_máx.

Comparando con y = A sen(ωt + φ): A = 10 cm = 0,10 m, ω = 5 rad/s, φ = π/2. T = 2π/5 ≈ 1,26 s; f = 5/(2π) ≈ 0,80 Hz. k = mω² = 40 × 25 = 1000 N/m. v_máx = 0,10 × 5 = 0,50 m/s. a_máx = 0,10 × 25 = 2,5 m/s². F_máx = 40 × 2,5 = 100 N (verificado con kA = 1000 × 0,10 = 100 N).

Tabla

Magnitud Fórmula Sustitución Resultado
Amplitud lectura directa A = 10 cm 0,10 m
Frecuencia angular lectura directa ω = 5 5 rad/s
Periodo 2π/ω 2π/5 1,26 s
Frecuencia ω/2π 5/2π 0,80 Hz
Rigidez mω² 40 × 25 1000 N/m
Velocidad máxima Aω 0,10 × 5 0,50 m/s
Aceleración máxima Aω² 0,10 × 25 2,5 m/s²
Fuerza máxima ma_máx = kA 40 × 2,5 100 N

Fórmulas y ecuaciones

f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}

k = m\omega^{2}

T = \frac{2\pi}{\omega}

v_{\text{máx}} = A\omega

y = 10\,\text{sen}@@MATH_0@@\right)\,\text{cm}

\omega = \sqrt{\frac{k}{m}}

f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}

T = \frac{2\pi}{\omega}

f = \frac{\omega}{2\pi}

k = m\omega^{2}

v_{\text{máx}} = A\omega

a_{\text{máx}} = A\omega^{2}

F_{@@MATH_0@@\text{máx}} = kA

Glosario (6)

Movimiento armónico simple (M.A.S.)
Movimiento periódico descrito por una función seno o coseno, en el que la fuerza restauradora es proporcional al desplazamiento y de signo opuesto.
Amplitud (A)
Valor máximo del desplazamiento respecto a la posición de equilibrio; aquí A = 10 cm = 0,10 m.
Frecuencia angular (ω)
Razón entre el desfase angular y el tiempo, medida en rad/s; en esta ecuación ω = 5 rad/s.
Periodo (T)
Tiempo empleado en completar una oscilación completa: T = 2π/ω.
Constante elástica (k)
Rigidez del resorte o amortiguador: fuerza por unidad de alargamiento, k = F/x, medida en N/m.
Amortiguador
Dispositivo anclado al chasis y a los ejes que disipa la energía del rebote vertical del vehículo en desniveles.

Preguntas para practicar

¿Qué es un amortiguador y cuál es su función en un vehículo?

Es un dispositivo anclado al chasis y a los ejes de las ruedas cuya función es disipar la energía de los rebotes verticales (desniveles, badenes), suavizando el movimiento de la carrocería y mejorando la seguridad y comodidad de la conducción.

¿Por qué la frecuencia disminuye al aumentar la masa en un sistema masa-resorte?

Porque la frecuencia depende inversamente de la raíz cuadrada de la masa (f = (1/2π)√(k/m)); al aumentar la masa, la inercia del sistema hace que oscile más despacio, aunque la rigidez del resorte sea la misma.

Temas y conceptos clave

Movimiento armónico simpleFrecuencia y periodoConstante elásticaAmortiguadoresCinemática y dinámica armónicaAmplitudFrecuencia angularPeriodoDesfaseRigidez kVelocidad máximaAceleración máxima
¿Te fue útil esta página?

Preguntas que la gente también hace

¿Por qué la frecuencia de un sistema masa-resorte no se reduce a la mitad al duplicar la masa?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Cómo se extrae la frecuencia angular de una ecuación de movimiento armónico?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué relación existe entre la rigidez k, la masa m y la frecuencia angular ω?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Ecuación general del movimiento armónico simple y = A sen(ωt + φ)
  • • Relaciones entre ω, T y f
  • • Segunda ley de Newton
  • • Unidades del SI (m, s, kg, N, rad)
Siguiente tema sugerido
Energía en el movimiento armónico simple y amortiguación forzada (resonancia en vehículos)
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 1203 caracteres

c) Si al vehículo ingresan dos personas adicionales que cuentan con la misma masa (160 kg) a las que ya se encontraban dentro, entonces, ¿la frecuencia sería la mitad comparada a la que obteníamos solo con las dos personas iniciales? Argumento mi respuesta.

\

  1. Leo el siguiente problema y realizo las actividades a continuación:

El propietario de una camioneta realizó el mantenimiento a los 50 000 km, sin embargo, al retirar su vehículo escucha un ruido extraño en la parte posterior derecha, por lo que decide regresar al taller y hacer el respectivo reclamo. Uno de los técnicos realiza pruebas a fin de solicitar garantía del repuesto, pues, al parecer, tiene un defecto de fábrica, no obstante, el encargado de las garantías solicita algunos datos para poder comprobar el estado del amortiguador.

La ecuación mostrada por el scanner antes de fallar es la siguiente:

  • y = 10sen (se + Jem

e La masa del amortiguador es de 40 kilogramos.

¿Sabías qué?

Los amortiguadores son mecanismos que se encuentran en los ejes de los automóviles anclados al chasis y carrocería del vehículo, cuya función principal es la de suavizar el movimiento de los vehículos en desniveles.

Texto de Física \ 491

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