El documento presenta 4 preguntas sobre conceptos de física. La pregunta 1 involucra cálculos de velocidad y aceleración de objetos lanzados desde un avión. La pregunta 2 analiza el movimiento de una masa sobre un plano inclinado y su interacción con un resorte. La pregunta 3 estudia el movimiento de una canica sobre una pista con lazo. Finalmente, la pregunta 4 examina el movimiento armónico de una varilla articulada en un extremo y sujeta por un resorte en el otro.

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
INSTITUTO DE CIENCIAS FÍSICAS
I TÉRMINO 2006-2007
TERCERA EVALUACIÓN DE FÍSICA A
SOLUCION
PREGUNTA 1 (25 puntos)
a) Un avión de rescate va a soltar
provisiones a unos montañistas
aislados en una colina rocosa que
se encuentra a 200 m por debajo
del avión. Si este último viaja
horizontalmente con una rapidez
de 252 km/h, ¿a qué distancia
antes de los montañistas
(distancia horizontal) se deben
soltar los víveres? (8 puntos)
y = y 0 − 1 gt 2 ⇒ 0 = 200 − 4.9 t 2
2
⇒ t = 6.39 s
x = v 0 x t = (70)(6.39) ⇒ x = 447 m
b) Suponga ahora que el avión
libera las provisiones a una
distancia horizontal de 400 m
antes de los montañistas. ¿Qué
velocidad vertical (arriba o
abajo) se debe proporcionar a las
provisiones de modo que lleguen
precisamente a la posición de los
escaladores? (10 puntos)
x = v 0 x t ⇒ 400 = (70) t ⇒ t = 5.71 s
y = y 0 + v 0 y t − 1 gt 2 ⇒ 0 = 200 + v 0 y (5.71) − 4.9(5.71) 2
2
⇒ v0y = 7.05 m/s hacia abajo
c) En el último caso, ¿con qué rapidez aterrizan las provisiones? (7 puntos)
v y = v 0 y − gt = −7.05 − (9.8)(5.71) ⇒ vy = 63 m/s
v = v 2 + v 2 = (70) 2 + (63) 2 ⇒
x y v = 94.2 m/s

2. PREGUNTA 2 (25 puntos)
Una masa de 3.00 kg parte del reposo en un plano inclinado de 2.00 m, como se muestra
en la figura. en la parte inferior del plano hay un resorte, cuya constante elástica es
k = 1.0 × 104 N/m. El coeficiente de fricción cinético entre el plano y la masa es de
0.30; entre los puntos A y B, el coeficiente de fricción es cero. Encuentre
a) la velocidad de la masa exactamente antes de hacer contacto con el resorte
(8 puntos)
b) la compresión máxima del resorte (7 puntos)
c) la altura a la cual sube la masa después de rebotar con el resorte (10 puntos)
a) Wnc = E 2 − E 1
− f k d = 1 mv 2 − mgh
2
h
− μ k mg cos θ = 1 mv 2 − mgh
senθ 2
⎛ μ ⎞ ⎛ 0.30 ⎞
v = 2gh⎜1 − k ⎟ = 2(9.8)(2)⎜1 − ⎟ ⇒ v = 4.34 m/s
⎝ tan θ ⎠ ⎝ tan 30 ⎠
b) E2 = E3
1
2 mv 2 = 1
2 kx 2 + mgh '
1
2 mv 2 = 1
2 kx 2 + mg (− xsen θ )
1
2 kx 2 − mgsen θ x − 1 mv 2 = 0
2
5000 x 2 − 14.7 x − 28.3 = 0 ⇒ x = 7.67 cm
c) Wnc = E 4 − E 3
− f k d ' = mgh 4 − [
1
2
]
kx 2 + mg(− xsenθ)
h4
− μ k mg cos θ = mgh 4 − 1 kx 2 + mgxsenθ
senθ 2
−2 2 −2
2 kx − mgxsenθ 2 (1.0 × 10 )(7.67 × 10 ) − (3)(9.8)(7.67 × 10 )sen 30º
1 2 1 4
h4 = =
⎛ μk ⎞ ⎛ 0.30 ⎞
mg⎜1 + ⎟ (3)(9.8)⎜1 + ⎟
⎝ tan θ ⎠ ⎝ tan 30º ⎠
⇒ h4 = 63.3 cm

3. PREGUNTA 3 (25 puntos)
Una canica de masa m y radio r rueda a lo largo de la rugosa pista con lazo que se
muestra en la figura. (I cm = 5 mr 2 )
2
a) ¿Cuál es el valor mínimo de la altura vertical h que la canica debe caer si ha de
alcanzar el punto más alto del lazo sin dejar la pista? Exprese su respuesta en
términos de r y R. Nota: Observe que el centro de masa de la canica se encuentra
inicialmente a una altura h + r de la base del lazo (15 puntos)
b) Si h = 3R, determine la magnitud de la fuerza normal que actúa sobre la canica al
llegar a la base del lazo (10 puntos)
a) En el punto 2, para que la canica esté a punto de dejar la pista, se tiene el caso
límite N = 0:
Fc = ma c
v2
mg = m ⇒ v 2 = g(R − r )
R−r
La fricción permite que la canica ruede, pero no efectúa trabajo sobre la misma,
por lo tanto:
E 1 = E 3 ⇒ mg(h + r ) = mg(2R − r ) + 1 mv 2 + 1 I cm ω 2
2 2
2
⎛v⎞ v2
mg(h + r ) = mg(2R − r ) + 1 mv 2 + 1 I cm ⎜ ⎟ ⇒ mg(h + r ) = mg(2R − r ) + 1 mv 2 + 1 ( 5 mr 2 ) 2
2 2
2
⎝r⎠
2 2
r
mg(h + r ) = mg(2R − r ) + 10 mv ⇒ mg(h + r ) = mg(2R − r ) + 10 mg(R − r )
7 2 7
h = (2R − r ) + 10 (R − r ) − r
7
⇒ h = 2.7(R – r)
E 1 = E 2 ⇒ mg(h + r ) = mgr + 1 mv 2 + 1 I cm ω 2
2 2
2
⎛v ⎞
2
v1
mg(3R + r ) = mgr + 1 mv1 + 1 I cm ⎜ 1 ⎟ ⇒ mg(3R + r ) = mgr + 1 mv1 + 1 ( 5 mr 2 ) 2
2
2
2 2
2
2
2
⎝ r ⎠ r
mg(3R + r ) = mgr + 10 mv1 ⇒ v1 =
7 2 30
7
gR
2
v1 ⎛ 30R ⎞
N − mg = m ⇒ N = mg⎜1 +
⎜ 7( R − r ) ⎟
⎟
R−r ⎝ ⎠

4. PREGUNTA 4 (25 puntos)
Una varilla uniforme de longitud L y masa M ( I P = 1 ML2 ) está articulada en un
3
extremo y sostenida por un resorte de constante k del otro extremo. Cuando está en
reposo, la varilla queda horizontal, como se ilustra en la figura. Para desplazamientos
pequeños verticales del extremo de la varilla,
a) demuestre que el sistema realiza un movimiento armónico simple (20 puntos)
b) deduzca una expresión para el periodo de oscilación de este sistema (5 puntos)
a) Para la posición de equilibrio tenemos:
L
∑τ P = 0 ⇒ − Mg
2
+ kx 0 L = 0, donde x0 es la deformación de equilibrio
Luego de que la varilla sufre un pequeño desplazamiento vertical:
L
∑τ P = I P α ⇒ − Mg
2
+ kxL =I P α
L 1
− Mg + k ( x 0 − Lθ)L = ML2 α
2 3
1
− kL2 θ = ML2 α
3
3k
α=− θ
M
d θ
2
3k
2
=− θ
dt M
d2x
La última expresión tiene la forma = −ω 2 x, por lo que se deduce que el
dt 2
movimiento oscilatorio de la varilla es un movimiento armónico simple
b) Comparando la expresión obtenida en el literal a con la ecuación general del
m.a.s., tenemos:
3k 2π M
ω= ⇒T= ⇒ T = 2π
M ω 3k