Secundaria Energia necesaria para girar cilindro

[Pacobalto]

Hola a todos, antes de nada decir que no soy estudiante de física asi que me encuentro unas cuantas lagunas teoricas para diseñar los aparatos que de vez en cuando se me ocurren.
Estoy "ideando" un dispositivo y necesito saber la energia que va a demandar para girarlo 180 grados.
Se trata de un cilindro de 10 metros de altura y 1 metro de diametro y está lleno de agua.
El eje de giro es perpendicular al eje del cilindro.
Sé que debe ser una cuestión sencilla pero no he conseguido información concreta en la web. A ver si alguien puede ayudarme y sigo avanzando con este experimento.

Gracias.

[pod]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Depende de a qué velocidad quieras moverlo.

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Cierto, perdón por la omisión. El tiempo necesario para un giro de 180º sería el mismo que tarde un cuerpo de volumen=1000 litros, de peso despreciable, en ascender 10 metros por flotación en agua d=1. Por cierto, esta incógnita tampoco la he podido calcular salvo en mis inmersiones de buceo.
Gracias por tu atención.

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

No se si la cuestion es mas dificil de lo que pensaba. Cada tarde consulto ansioso este recien descubierto foro y no encuentro la esperanzadora respuesta. Me contento con que alguien me ponga sobre la pista. Ah, y si hay que indicar una velocidad pues pongamosla: PI/2 rad/s

A ver si alguien se anima a prestar algo de su materia gris. Gracias.

[pod]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Bueno, es que no es tan fácil como eso. La física te puede decir cuanta energía tiene un cilindro girando $E = \frac12 I \omega^2$, donde para un cilindro macizo $I = \frac12 m r^2$. Si el cilindro está hueco, $I = m r^2$.

Pero luego, van muchas otras consideraciones que hacen bastante difícil decir que energía vas a necesitar tú. Para hacer girar el cilindro, primero tiene que haber una fuerza que realice el torque necesario para ponerlo a la velocidad angular que quieras. Esta fuerza será la encargada de darle la energía calculada en el punto anterior. Luego, mientras va girando, habrá un montón de pérdidas, rozamientos, se producirán torbulencias en el agua que tienes dentro, etc.

Después, cuando ha llegado a donde quieres, tendrá que haber otra fuerza que lo pare: un freno. Esa fuerza, de hecho, lo que hace es quitar la energía cinética que le habíamos dado (así que, de hecho, al cilindro no se le ha aportado energía neta).

[jorgext]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Creo que la mejor respuesta a este tipo de problema te la puede dar un Ingeniero Mecánico, ellos estan más familiarizados con estos cálculos por sus estudios de diseño.

[aLFRe]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Hola a todos, antes de nada decir que no soy estudiante de física asi que me encuentro unas cuantas lagunas teoricas para diseñar los aparatos que de vez en cuando se me ocurren.
Estoy "ideando" un dispositivo y necesito saber la energia que va a demandar para girarlo 180 grados.
Se trata de un cilindro de 10 metros de altura y 1 metro de diametro y está lleno de agua.
El eje de giro es perpendicular al eje del cilindro.
Sé que debe ser una cuestión sencilla pero no he conseguido información concreta en la web. A ver si alguien puede ayudarme y sigo avanzando con este experimento.

Gracias.

El problema tal y como lo ha contado está totalmente indeterminado.

Cuando un sólido rígido gira con $\omega$ constante
en torno a una dirección principal no hay que aplicar momento...
por lo cual salvo el momento de las fuerzas de rozamiento o que el eje se descentre,
eso seguiría moviendose así por siempre
( de la misma forma que una masa puntual se mueve con velocidad constante en ausencia de fuerzas
- puede construir una equivalencia entre la dinámica del punto y la del sólido rígido - ).
Digamos que la energía total sería cero puesto que el cilíndro acaba en reposo
Si ajusta todo bién, la energía que Vd. le imprime se disipa al frenarlo.
Lo que expresa tan bién ese genial humorista:

Las gallinas que van entrando ...por las que van saliendo

Como Vd. lo que desea es que el cilindro inicialmente en reposo
gire y se pare... tiene Vd. que ejercer dos momentos, uno para iniciar la rotación
y otro para que la rotación se frene ( o dejar que la fricción haga el trabajo)
según le ha explicado el moderador.

Conocido el momento hay una formula para obtener la energía
a partir de los trabajos elementales dados por
$\delta\,W=\vec{M}\,d\vec{\theta}$
esto es momento por ángulo girado,
con los criterios de siempre para asignar dirección y sentido al ángulo.

Un saludo y nos vamos con otra frase genial

TONTOS DEL MUNDO...TEMBLAD!!!
sus voy a crujirrrrrrrr vivvvvvvvvvoooooooooooooosssssssss!!!!!!...

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Bueno, es que no es tan fácil como eso. La física te puede decir cuanta energía tiene un cilindro girando $E = \frac12 I \omega^2$, donde para un cilindro macizo $I = \frac12 m r^2$. Si el cilindro está hueco, $I = m r^2$.

Pero luego, van muchas otras consideraciones que hacen bastante difícil decir que energía vas a necesitar tú. Para hacer girar el cilindro, primero tiene que haber una fuerza que realice el torque necesario para ponerlo a la velocidad angular que quieras. Esta fuerza será la encargada de darle la energía calculada en el punto anterior. Luego, mientras va girando, habrá un montón de pérdidas, rozamientos, se producirán torbulencias en el agua que tienes dentro, etc.

Después, cuando ha llegado a donde quieres, tendrá que haber otra fuerza que lo pare: un freno. Esa fuerza, de hecho, lo que hace es quitar la energía cinética que le habíamos dado (así que, de hecho, al cilindro no se le ha aportado energía neta).

Muchas gracias a todos por vuestra ayuda.
Pero, una cosa, ¿no es, según las ecuaciones que mencionas, la energia del cilindro macizo menor que la del hueco?
Por otra parte, no voy a necesitar parar el cilindro ya que, como consecuencia de este giro pretendo obtener una energia. Asi que de lo que se trata es de continuar girando el cuerpo aunque no tengo clara aun la velocidad angular optima.

Un saludo

[Fastolfe]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Mira, he leído y el problema no es tan trivial. No estamos hablando de un sólido rígido, ya que esta relleno con agua, las partículas del fluido se pueden mover libremente dentro de este cilindro hueco aumentando la complejidad de los cálculos. habría que proponer una estrategia de diseño, es decir:

1. suponer que estamos hablando de un sólido rígido.
2. despreciar las perdidas por rozamiento
3. realizar un modelo a escala.
4. corregir convenientemente la formulación teorica antes propuesta.

La velocidad optima dependera de factores como la potencia del motor a instalar, la forma de arranque que pueda tener éste, la estructura y accesorios del aparataje.

Con las dimensiones que estas señalando se producirán efectos estructurales a contemplar, como por ejemplo: pandeo del cilindro lleno con agua (10m de longitud solo apoyado en su centro), roces en las junturas y el efecto de presión en los extremos por centrifugado.

[pod]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Muchas gracias a todos por vuestra ayuda.
Pero, una cosa, ¿no es, según las ecuaciones que mencionas, la energia del cilindro macizo menor que la del hueco?
Por otra parte, no voy a necesitar parar el cilindro ya que, como consecuencia de este giro pretendo obtener una energia. Asi que de lo que se trata es de continuar girando el cuerpo aunque no tengo clara aun la velocidad angular optima.

Un saludo

Claro, por que el cilindro macizo tiene la mayor parte de la masa cerca del eje, así que esa parte de la masa gira menos.

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Hola Pod, perdona mi insistencia pero entiendo que el cilindro macizo tiene menos energia que el hueco. Es algo que intuitivamente no consigo aceptar. ¿Significa que un cilindro que me golpee con la misma w me causara menos daño si es macizo?

[pod]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Hola Pod, perdona mi insistencia pero entiendo que el cilindro macizo tiene menos energia que el hueco. Es algo que intuitivamente no consigo aceptar. ¿Significa que un cilindro que me golpee con la misma w me causara menos daño si es macizo?

Si tienen la misma masa, sí. Aunque normalmente los cilindros macizos suelen tener más masa que los huecos.

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Ciertamente estoy pensando que lo mejor va a ser la propuesta de Fastolfe: hacer un modelo real.
Ya puestos, ¿cual sería la mejor forma de medir la energía demandada para el medio giro?
Estoy pensando conectarle un motor y medir consumo con un multímetro pero, no sé exactamente como hacerlo. Imagino que tomando la intensidad y voltaje en paralelo con la pila de alimentación.
¿que opinais?

Muchas gracias a todos por vuestro interés.

[aLFRe]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Ciertamente estoy pensando que lo mejor va a ser la propuesta de Fastolfe: hacer un modelo real.
Ya puestos, ¿cual sería la mejor forma de medir la energía demandada para el medio giro?
Estoy pensando conectarle un motor y medir consumo con un multímetro pero, no sé exactamente como hacerlo. Imagino que tomando la intensidad y voltaje en paralelo con la pila de alimentación.
¿que opinais?

Vamos a ver, dijo Vd.
R = 1 m
H = 10 m
$V= \pi R^2 H= 31,4 m^3$
Si lo llena de agua eso pesa 31,4 Tm. sin contar la carcasa...
Lo lógico es que haga un modelo a escala.

El ángulo girado, 90º creo recordar es muy pequeño....
ya le hemos contado que tiene que acelerar $\alpha$ el cilindro
y luego frenarlo $-\alpha$.
Eso implica cambiar el sentido de giro del motor...
tiene que cambiar la polaridad de la fuente
y todo eso antes de que termine el giro.
Parece complicado... pero no imposible.

Un motor eléctrico tiene una hoja de especificaciones...
en ella figura la potencia consumida por lo cual solo tiene que multiplicarla
por el tiempo para obtener el consumo.

Por otra parte el problema es algo más complejo,
el motor gira y ejerce un par sobre algún tipo de engranaje unido al cilindro
que inicialmente está en reposo.
En ausencia de rozamiento y si el cilindro gira entorno a un eje principal...
continuaría girando con momento cero... aunque no hubiese motor.

En la vida real esto no pasa porque el cilindro pierde energía de rotación por fricción
y posiblemente por algún tipo de disipación en el movimiento del líquido dentro del cilindro.
Luego el motor debe de seguir suministrando un par...
Cuando invierte el motor pues pasa lo mismo pero a la inversa...

Tiene que estudiar todas estas cosas antes de sacar una conclusión sobre su método.
Yo creo que la mejor respuesta es la que le han facilitado en los posts previos
y sería decir que esa energía vale - como mínimo -
dos veces la cantidad
$E_r=\frac{1}{2}I \omega^2$
una contribución viene de la suministrada para ponerlo en rotación
y la otra de la suministrada para frenarlo...
y por tanto depende de la velocidad angular con que gire
y no del ángulo.

La dependencia del ángulo la obtendría conocido el momento de la fuerza aplicada...
y ese dato no lo tiene Vd.

Saludos.

[Pacobalto]

Re: Energia necesaria para girar cilindro

Muchas gracias por la orientación sobre el consumo. Supongo entonces que si el motor indica 1wat y funciona durante 10 seg. la energia consumida habrá sido de E=1.10 watios ¿voy bien?

En cuanto al frenado del cilindro, Alfre, insisto en que no hay que pararlo, mas bien creo que puedo aprovechar su inercia para continuar girandolo con menos aporte de energia.

P.D. hilarantes tus referencias al tio la vara