Problemario de Física: Trabajo y Energía

Trabajo y Energía

1. Suponer que un automóvil viaja 108 km con una rapidez de 30.0 metros por segundo y utiliza 7.6 litros de gasolina. Solamente el 30% de la gasolina se utiliza para realizar el trabajo necesario para mantener el automóvil en movimiento con rapidez constante a pesar de las fuerzas resistivas (3.8 litros de gasolina contienen 1.8 X 108 J). (a) Calcular la magnitud de la fuerza aplicada para mantener al automóvil moviéndose con rapidez constante. (b) Si la fuerza del inciso (a) es directamente proporcional a la rapidez, ¿cuántos litros se gastarán para recorrer esa misma distancia (108 km) con una rapidez de 28.0 metros por segundo?
2. Calcular el trabajo realizado por una persona que empuja un caja de madera a lo largo de 4.00 metros sobre una rampa que hace un ángulo de 20.0° con la horizontal. La persona aplica una fuerza de 500 N de manera paralela a la rampa y mueve a la caja con rapidez constante.

[pic 1]

1. Un equipo de rescate en una montaña nevada –por ejemplo, el volcán de Colima– baja una camilla con un montañista accidentado por una pendiente de 60.0° con rapidez constante. La masa conjunta del montañista y la camilla es de 90.0 kg, y el coeficiente de fricción entre la camilla y la nieve es 0.100. (a) ¿Cuánto trabajo se realiza en contra de la fricción, a lo largo de los 30 metros que mide la bajada? (b) ¿Cuánto trabajo realiza la cuerda sobre la camilla+montañista a lo largo de esa distancia? (c) ¿Cuánto trabajo realiza la Tierra sobre la camilla+montañista? (d) ¿Cuánto vale el trabajo total realizado sobre la camilla+montañista?

[pic 2]

1. (a) Calcular la fuerza que es necesario aplicar para llevar una automóvil de 950 kilogramos al reposo desde una rapidez de 90.0 kilómetros por hora en una distancia de 120 metros. (b) Suponer ahora que el mismo automóvil choca contra una barrera de concreto sin frenar y se detiene en 2.00 metros. Calcular la fuerza aplicada al automóvil en estas circunstancias y comparar este resultado con el resultado de (a).
2. Los guantes de boxeo se encuentran acojinados de manera que se disminuya la fuerza aplicada durante un golpe. (a) Calcular la fuerza aplicada con el guante de boxeo de por medio, si el guante y la cara del oponente se comprimen 7.50 cm en el golpe, distancia en la que el puño y el guante llegan al reposo desde una rapidez inicial de 10.0 metros por segundo. La masa del guante y el brazo del boxeador en conjunto es de  7.00 kg. (b) Calcular la fuerza aplicada si las condiciones de rapidez y masa son iguales, pero en el caso de que no se usen guantes y la compresión de los nudillos y la cara es de 2.00 cm. (c) Comparar ambos resultados y discutir la comparación.
3. Usando solamente conceptos de trabajo y energía, calcular la fuerza promedio que un corredor de 60.0 kg aplica al suelo para acelerar de 2.00 a 8.00 metros por segundo en una distancia de 25.0 metros, si se encuentra con viento en contra que le aplica una fuerza promedio de 30.0 N.
4. ¿Cuánto trabajo realiza el compa que jala a su hermanita a lo largo de 30.0 metros de acuerdo a la figura adjunta? Suponer que no hay fricción entre el carrito y el piso.

[pic 3]

1. Comparar la energía cinética de un camión de 20 000 kg que se mueve a 110  con la de un astronauta de 80 kg que se mueve en órbita alrededor de la tierra a 27 500 kilómetros por hora.[pic 4]
2. Los cuerpos A y B tienen masas iguales y se deslizan sobre dos rampas como se muestra en la figura. La fricción entre las superficies de las rampas y los cuerpos es despreciable. La inclinación de la primera rampa es 30°, mientras que la inclinación de la segunda es 60°. Sus rapideces al final de la bajada son VA y VB. ¿Es VA > VB, VA = VB, VA < VB? Escribir una explicación de la elección hecha.

                                 [pic 5]

                                A                                                                                                 B[pic 6][pic 7]

[pic 8]

        1 m                                                                                             1 m

1. Un carrito de plástico cuya masa es de 0.2 kg y otro carrito de metal de masa 2 kg se empujan sobre una superficie horizontal. La fricción entre la superficie y los carritos es despreciable. Para empujarlos se les aplican fuerza de igual magnitud a lo largo de una distancia de 1 metro. Ambos carritos inician su movimiento a partir del reposo. Después de que se les deja de aplicar la fuerza al final de la distancia de 1metro, ¿cuál de los siguientes enunciados es verdadero? Explicar.

1. La energía cinética del carrito de plástico es menor que la energía cinética del carrito de metal.
2. La energía cinética del carrito de plástico es igual a la energía cinética del carrito de metal.
3. La energía cinética del carrito de plástico es mayor que la energía cinética del carrito de metal.

1. Las fascias de los automóviles están diseñadas para resistir una colisión a 4.0 kilómetros por hora de manera que el automóvil no sufra daño alguno. La fascia absorbe el impacto amortiguando la fuerza a lo largo de una cierta distancia. Calcular la magnitud de la fuerza aplicada a una fascia que se colapsa 0.200 m mientras detiene el automóvil completamente desde una rapidez de 4.0 kilómetros por hora.
2. Utilizando solamente conceptos relacionados con el trabajo y/o la energía, calcular la fuerza que un corredor de 60.0 kilogramos aplica hacia atrás a la pista para lograr acelerar de 2.00 a 8.00 metros por segundo a lo largo de una distancia de 25.0 metros si, además, se encuentra con un viento en contra que le aplica, al corredor, una fuerza de 30.0 N.
3. Demostrar que una piedra lanzada desde un puente de 20.0 metros de altura con una rapidez inicial de 15 metros por segundo llega al agua con una rapidez de 24.8 metros por segundo independientemente de la dirección en que se lance.
4. Una bala calibre .22, cuya masa es 0.0026 kg, se dispara contra un pequeño bloque de madera a 320 metros por segundo y penetra 0.08 cm en el bloque. ¿Qué fuerza promedio le aplica la madera a la bala para detenerla? (NO utilizar leyes de Newton ni calcular aceleración; utilizar teoremas de energía)
5. Se deja caer un balín de acero de masa 50 gramos desde una altura de 20 metros hacia un cajón e arena. (a) Calcular la energía cinética del balín justo cuando toca la arena. (b) El balín penetra 20 centímetros en la arena. ¿Cuánta fuerza aplicó la arena al balín para detenerlo?
6. Un esquiador, cuya masa es 70 kg, se encuentra en la cúspide de una pendiente de  inclinación 10° y se prepara para bajarla. La fricción entre la superficie nevada y los esquíes es despreciable. Un viento fuerte sopla hacia el esquiador aplicándole una fuerza horizontal de 50 N. Sin utilizar las leyes de Newton calcular la rapidez del esquiador después de bajar 100 m sobre la pendiente.  

                                                                                        viento

                                                                                                               50 N[pic 9][pic 10]

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