Secundaria fuerzas en un automovil

[Gon]

Buenas.

muchachos es que estos dias estaba ayudando a un amigo a hacer un taller de fisica del colegio, y preguntaba " cual es la fuerza resultante de un automovil que viaja a 24 m/s en linea recta" a esto pues yo le dije que la fuerza resultante era 0, porque estaba en reposo y al sumar la fuerza de friccion con la velocidad se cancelaban (si hay algun error en este planteamento les pido que me corrijan por favor u.u).

luego de esto me puse a pensar , y no pude imaginar como serian las fuerzas en un automovil con aceleracion, osea ya no estaria en reposo entonces no se puede cancelar la friccion con la velocidad, como seria el diagrama de fuerzas para un automovil con aceleracion constante que va en linea recta?

Gracias por su atencion.

[Alriga]

Re: fuerzas en un automovil

... como seria el diagrama de fuerzas para un automóvil con aceleración constante que va en linea recta? ...

En primera aproximación y si desprecias la resistencia del aire, es simplemente una Fuerza de Rozamiento de módulo y dirección constante hacia adelante, que es la que ejerce el suelo de la carretera sobre el automóvil.

Recuerdo un hilo en el que se hablaba del tema: Centro de Masas (Sistema aislado) que puede interesarte repasar.

Saludos

[Gon]

Re: fuerzas en un automovil

pero si fuera asi, no se cancela el vector de friccion con el de la velocidad?
osea de donde proviene la aceleracion como se juestifica ?

[Gon]

diagrama de cuerpo libre

Hola a todos, es que tengo una duda, soy estudiante de ingenieria y este mismo semestre empece a ver fisica, y estamos repasando lo que es dinamica, y tengo una duda no logro resolver esto, imaginemos un automovil que tiene una aceleracion a, la friccion entre los neumaticos y el asfalto es \mu, como dibujarian uestedes el diagrama de cuerpo libre del automovil y cual seria el vector de la fuerza resultante.

gracias de antemano

[Alriga]

Re: fuerzas en un automovil

... pero si fuera así, no se cancela el vector de fricción con el de la velocidad? ...

El vector fricción es una fuerza, (se mide en Newton) y el vector velocidad es la variación de la posición en el tiempo, se mide en m/s. De ninguna manera tiene sentido sumar o restar dos magnitudes físicas diferentes, es como decir "si tienes diez manzanas y le restas 4 peras ¿cuantas manzanas te quedan?

... o sea de donde proviene la aceleración como se justifica ?

Se justifica mediante la 2ª Ley de Newton:

$\vec F= m \cdot \vec a$

Si hay fuerza neta sobre una masa "m", esta sufre una aceleración $\vec a=\dfrac{\vec F}m$

El suelo de la carretera ejerce la fuerza de rozamiento $\vec F$ sobre el automóvil de masa $m$ y éste acelera con aceleración $\vec a$

... tengo una duda no logro resolver esto, imaginemos un automovil que tiene una aceleracion a, la friccion entre los neumaticos y el asfalto es \mu, como dibujarian uestedes el diagrama de cuerpo libre del automovil y cual seria el vector de la fuerza resultante.

La resultante sobre el automóvil es la fuerza de rozamiento del dibujo y su valor es:

$F=\mu \cdot N$

$N$ es la reacción del suelo de la carretera al peso del automóvil. Como la aceleración vertical es cero, la fuerza neta vertical también ha de ser nula:

$F_V=N-m \ g=0=a_V$

$N=m \ g$

$a=\dfrac{\mu \ m \ g}m=\mu \ g$

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: fuerzas en un automovil

Quisiera echar luz a cosas que se han escrito y no son del todo ciertas...

cual es la fuerza resultante de un automóvil que viaja a 24 m/s en linea recta" a esto pues yo le dije que la fuerza resultante era 0,

Si la velocidad del automóvil es constante e igual a 24m/s entonces la resultante de todas la fuerzas que actúan sobre el es nula , es decir es correcta tu afirmación

porque estaba en reposo

pero la justificación es sumamente incorrecta, como va estar en reposo algo que se mueve a 24m/s ...

reposo se refiere a que la velocidad relativa al sistema de referencia utilizado es nula. en el contexto del problema el automóvil se desplaza a 24m/s respecto del origen del sistema de referencia en linea recta y a velocidad constante.

y al sumar la fuerza de friccion con la velocidad se cancelaban (si hay algún error en este planteamiento les pido que me corrijan por favor u.u).

entonces no se puede cancelar la fricción con la velocidad,

pero si fuera asi, no se cancela el vector de friccion con el de la velocidad?

Como te ha corregido alriga es imposible sumar o restar magnitude físicas diferentes, aunque todas sean representables vectorialmente , la velocidad , la aceleración y la fuerza no pueden sumarse ni restarse entre sí, son vectores pero al referirse a distintas magnitudes físicas no pueden sumarse ni restarse.

luego de esto me puse a pensar , y no pude imaginar como serian las fuerzas en un automóvil con aceleración,

Aquí puedes identificar varios vectores los que son fuerzas aplicadas al vehículo son

$F_r$= fuerza de rozamiento entre suelo y vehículo, esta es la fuerza que impulsa al vehículo a avanzar, si no hubiese rozamiento las ruedas girarían siempre en el mismo sitio, sin hacer avanzar al automóvil.
$P$=peso
$N$= resistencia del piso o Normal
$F_v$= resistencia del aire o del viento

Las fuerzas intervinientes que dan por resultado un vehículo en reposo, a velocidad constante o con aceleración son las mismas, lo que cambia es el valor del módulo del vector o su magnitud.

para un vehículo a velocidad nula o a velocidad constante la sumatoria de fuerzas es nula $\dst \sum \vec F=\vec 0$ esto implica que la aceleración es nula$\vec a=\vec 0<br />$

osea ya no estaría en reposo

Podría darse que por un instante el vehículo puede estar en reposo $(v=0)$ y estar acelerado $(a\neq 0)$ ,pero un instante después ya no estará en reposo.

como sería el diagrama de fuerzas para un automóvil con aceleración constante que va en línea recta?

reitero no hay diferencia en el diagrama, la diferencia con un vehículo en aceleración es que la resultante o sumatoria de fuerzas concurrentes no es nula y es igual a la masa del vehículo por su aceleración

$\dst \sum \vec F=m\vec a$

osea de donde proviene la aceleración como se juestifica ?

La aceleración proviene de la aplicación del par motor al eje de transmisión, ese par viene del mecanismo de biela manivela (motor a explosión) por la quema del combustible, o bien del torque de frenado en caso de una desaceleración.

la friccion entre los neumáticos y el asfalto es \mu, como dibujarian ustedes el diagrama de cuerpo libre del automovil y cual seria el vector de la fuerza resultante.

Bueno ya lo he hecho , lo que tienes que saber al respecto es que cada rueda aporta al piso aproximadamente la cuarta parte del peso del vehículo, y la suma de los aportes de las 4 ruedas le dan al piso el total del peso y este responde con una normal para cada rueda, la suma de las 4 es lo que denominamos normal.

La relación entre el peso y la normal si no hay aceleración en la vertical es $\dst\sum \vec F_{vertical}=\vec 0=\vec P-\vec N\,\to\, \vec P=\vec N$

La resultante sobre el automóvil es la fuerza de rozamiento del dibujo y su valor es:

$F=\mu \cdot N$

Permíteme acotar alriga, que esa es la máxima Fuerza de rozamiento que actuará sobre el vehículo, pero por lo general el rozamiento es menor al máximo, es decir que $\mu g$ como lo denominaste o $\mu_e g$ como lo haré yo , es la máxima aceleración que podrá tener el vehículo por su propia impulsión.

Resumiendo el tema

Cuando el auto avanza la fuerza de rozamiento estática se opone a la fuerza creada por la impulsión de las ruedas a través del par motor, es decir toma un valor igual al cociente del par $M$ sobre el radio de las ruedas, $|F_r|=\dfrac{|M|}{R}$
esto significa que cuando mas par se aplica o (mas pisas el acelerador) , mas se opone la tierra a través del rozamiento estático y más entonces acelera al auto, pero esto tiene un límite cuando la fuerza de rozamiento alcanza el valor de $\mu_e g$ si es superado la rueda chilla y desliza sobre el piso,el coeficiente de rozamiento cambia de estático $\mu_e$ a dinámico $\mu_d$ pero el auto solo acelera a razón de $\mu_dg$

Sobre la vertical actúan solo dos fuerzas el peso y la normal.

En la horizontal o dirección del movimiento del auto , lo que lo impulsa es la reacción del suelo $F_r$ y lo que le resiste es la fuerza del viento o rozamiento del aire $F_v$

Así puedes plantearte varias situaciones , (supongamos que el aire esta quieto , que la velocidad del aire contra el piso es nula entonces la velocidad del auto contra el aire es la propia velocidad del vehículo, y suponemos nulas lar perdidas de fricción interna al vehículo)

• entonces si el auto está en reposo y sin acelerar

$v=0$

$a=0$

$F_r=0$

$F_v=0$

• si solo en un instante esta en reposo y acelerando

$v=0$

$a\neq 0$

$|F_r|=\dfrac{|M|}{R}$

$F_v=0$

• si se mueve a velocidad constante $v_0$

$v=v_0$

$a= 0$

$|F_r|=\dfrac{|M|}{R}=F_v$

• si se mueve con aceleración constante sin deslizar

$v\neq 0$

$a\neq 0$

$F_{r_{max}}=\mu_e N\geqslant|F_r|=\dfrac{|M|}{R}$

$F_r-F_v=ma$

• si se mueve con aceleración constante deslizando

$v\neq 0$

$a\neq 0$

$|F_r|=\mu_dN=\dfrac{|M|}{R}$

$F_r-F_v=ma$

• y en realidad cuando dejas de acelerar ,existe la fuerza rozamiento del viento y la de todos los elementos móviles del vehículo (rodamientos, e incluso la deformación de los neumáticos por el propio peso) que estuvimos despreciando para no complicar demasiado el tema

$v\neq 0$

$a< 0$

$-\mu_eN\leqslant|-|F_r|=-F_v=ma$

[Gon]

Re: fuerzas en un automovil

creo que ya entiendo mejor, lo que sucede es que toda la vida me han dicho en el colegio que un cuerpo estaba en reposo si estaba inmovil respecto a un punto o si estaba a velocidad constante, muchisimas gracias, otra duda, "el par M" es la fuerza ejercida por el motor?? o que es? y como se deduce que la fuerza de rozamiento sea igual a la par divida en el radio de las llantas?

[Richard R Richard]

Re: fuerzas en un automovil

muchisimas gracias, otra duda, "el par M" es la fuerza ejercida por el motor?? o que es?

No es una fuerza, es otra magnitud vectorial, es el momento de la fuerza ejercida por el motor,

https://es.wikipedia.org/wiki/Momento_de_fuerza
https://es.wikipedia.org/wiki/Par_motor

y como se deduce que la fuerza de rozamiento sea igual a la par divida en el radio de las llantas?

Todo momento es igual a una fuerza por la distancia a la que es aplicada, te acuerdas de lo que es "la palanca", "momento" es una generalización de ese concepto...verás que luego de las multiplicaciones y reducciones de la caja de velocidad del vehículo, se logra un par en eje de las ruedas que será la fuerza que se puede aplicar al piso rotando el neumático, por el radio del neumático.

Si aplicas poco momento con el motor ,la fuerza que le aplicas al piso es poca, la reacción que devuelve el piso Fr es poca y entonces acelera lento. Si aplico mas momento, acelero mas, si me paso de fuerza la rueda gira, en el sitio hace humo, chilla, pero el auto sigue sin acelerar.

Esto significa que mientras voy acelerando, le voy aplicando mas fuerza al piso con las ruedas y ete por reacción aplica la misma fuerza pero de sentido contrario al vehículo, que comenzara a acelerar el rango de aceleraciones será de cero hasta$\mu_eg$ mientras no deslice, y luego cuando desliza cae a $\mu_dg$ .

Como la masa es constante la fuerza de rozamiento es igual a la masa por aceleración $0\leqslant F_r=ma\leqslant m\mu_eg$ es decir no hay una única fuerza para acelera el auto hay un rango de valores posibles, hasta el máximo que es

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En todo momento como la fuerza que aplica el auto al piso es igual en modulo pero de sentido contrario a la que el piso le hace al auto, se deduce que el rozamiento es igual a la fuerza que hace el auto, y como lo hace a una distancia R que es el radio de la rueda , la fuerza aplicada a una distancia es el momento $\vec M=\vec R\times \vec F_r$ de donde se sabe que en ese caso $|M|=|R|.|F_r|$ y de alli sacas que $|F_r|=\dfrac{|M|}{|R|}$