Física Aplicada: Ejercicios Resueltos de Energía, Trabajo y Resortes

Conceptos Fundamentales de Energía y Trabajo en Física

Este documento presenta una serie de ejercicios prácticos y sus soluciones relacionadas con los principios de la energía, el trabajo y las propiedades de los resortes. Aborda cálculos de energía cinética, trabajo realizado por fuerzas, y aplicaciones de la Ley de Hooke, así como la conservación de la energía mecánica en diversos escenarios.

Cálculo de Energía Cinética

1. Energía Cinética de un Automóvil

Problema: Un automóvil con una masa de 2500 kg se desplaza a una rapidez instantánea de 80 km/h. Calcule su energía cinética.

Conversión de unidades:

• Rapidez: 80 km/h
• 80 km/h * (1000 m / 1 km) * (1 h / 3600 s) = 80000 / 3600 m/s = 20/9 m/s

Cálculo de la Energía Cinética (K):

K = ½ * m * v²

K = ½ * 2500 kg * (20/9 m/s)²

(El resultado de este cálculo es la energía cinética en Joules)

2. Determinación de la Masa de un Proyectil

Problema: Un proyectil tiene una rapidez instantánea de 8 m/s y una energía cinética de 138 J. Determine su masa.

Fórmula de la masa a partir de la energía cinética:

K = ½ * m * v²

m = 2K / v²

Cálculo:

m = (2 * 138 J) / (8 m/s)²

m = 276 / 64

m = 4.3125 kg

3. Cálculo de la Rapidez de un Objeto

Problema: Un objeto tiene una energía cinética de 80 J y una masa de 815 g. Calcule su rapidez.

Conversión de unidades:

• Masa: 815 g = 0.815 kg

Fórmula de la rapidez a partir de la energía cinética:

K = ½ * m * v²

v = √(2K / m)

(El cálculo de la rapidez se realizaría con los valores proporcionados)

Trabajo y Energía en el Movimiento de un Automóvil

4. Rapidez Final de un Automóvil con Fricción y Fuerza del Motor

Problema: Un automóvil de 2500 kg tiene una rapidez inicial de 40 km/h. Se le aplica una fuerza del motor de 3000 N y se considera un coeficiente de fricción cinética (μk) de 0.1. Calcule la rapidez final después de recorrer una distancia de 500 m.

Datos iniciales y cálculos previos:

• Masa (m): 2500 kg
• Rapidez inicial (v_inicial): 40 km/h
• Coeficiente de fricción cinética (μk): 0.1
• Fuerza del motor (F_motor): 3000 N
• Distancia (d): 500 m

Cálculo de la Fuerza Normal (N):

N = Peso (P) = m * g

N = 2500 kg * 9.8 m/s² = 24500 N

Cálculo del Trabajo realizado por el motor (W_motor):

W_motor = F_motor * d

W_motor = 3000 N * 500 m = 1,500,000 J

Cálculo del Trabajo realizado por la fricción (W_fricción):

F_fricción = μk * N = 0.1 * 24500 N = 2450 N

W_fricción = -F_fricción * d (el signo negativo indica que se opone al movimiento)

W_fricción = -2450 N * 500 m = -1,225,000 J

Cálculo del Trabajo Total (W_total):

W_total = W_motor + W_fricción

W_total = 1,500,000 J - 1,225,000 J = 275,000 J

Conversión de la rapidez inicial:

40 km/h * (1 h / 3600 s) * (1000 m / 1 km) = 40000 / 3600 m/s = 100/9 m/s

Aplicación del Teorema del Trabajo y la Energía Cinética (W_total = ΔK):

W_total = ½ * m * v_final² - ½ * m * v_inicial²

275,000 J = ½ * 2500 kg * v_final² - ½ * 2500 kg * (100/9 m/s)²

(El resultado de v_final se obtendrá en m/s)

Problemas de Resortes y Ley de Hooke

5. Alargamiento de un Resorte Colgante

Problema: Un resorte cuelga del techo con una masa de 10 kg. Si la constante elástica del resorte (k) es 2.4 N/m, halle el alargamiento del resorte.

Cálculo del Peso (P) de la masa:

P = m * g = 10 kg * 9.8 m/s² = 98 N

Aplicación de la Ley de Hooke (F = kΔx):

En equilibrio, la fuerza del resorte es igual al peso: F_x = P

98 N = 2.4 N/m * Δx

Δx = 98 N / 2.4 N/m = 40.83 m (Este es el alargamiento del resorte)

Prueba con otra constante elástica (k = 10 N/m):

Δx = 98 N / 10 N/m = 9.8 m

6. Determinación de la Constante Elástica de un Resorte

Problema: Un resorte sufre un alargamiento de 28 m debido a una masa de 14 kg. Halle la constante elástica del resorte.

Cálculo del Peso (P) de la masa:

P = m * g = 14 kg * 9.8 m/s² = 137.2 N

Aplicación de la Ley de Hooke (F = kΔx):

137.2 N = k * 28 m

k = 137.2 N / 28 m = 4.9 N/m

7. Cálculo del Trabajo Realizado sobre un Resorte

Problema: Un resorte con una constante elástica (k) de 3.6 N/m se alarga de una posición inicial de 5 m a una posición final de 10 m. Halle el trabajo (W) realizado sobre el resorte.

Fórmula del Trabajo realizado sobre un resorte (cambio en la energía potencial elástica):

W = ΔU = ½ * k * (Δx_final)² - ½ * k * (Δx_inicial)²

Cálculo:

W = ½ * 3.6 N/m * (10 m)² - ½ * 3.6 N/m * (5 m)²

W = (1.8 * 100) - (1.8 * 25)

W = 180 - 45 = 135 J (Este es el trabajo para forzar el resorte)

8. Cálculo de la Fuerza de un Resorte

Problema: Una masa conectada a un resorte se estira 800 cm. Si la constante elástica del resorte es 4.6 N/m, halle la fuerza del resorte.

Conversión de unidades:

• Alargamiento (Δx): 800 cm = 8 m

Aplicación de la Ley de Hooke (F_resorte = -kΔx):

F_resorte = -4.6 N/m * 8 m

F_resorte = -36.8 N (El signo negativo indica que la fuerza del resorte se opone al desplazamiento)

9. Determinación de la Constante Elástica por Compresión

Problema: Un resorte se comprime 1300 cm y la fuerza ejercida sobre la masa es de -0.8 N. Halle la constante elástica del resorte.

Conversión de unidades:

• Compresión (Δx): 1300 cm = 13 m

Aplicación de la Ley de Hooke (F_resorte = -kΔx):

F_resorte = -kΔx

-0.8 N = -k * 13 m

k = 0.8 N / 13 m = 0.0615 N/m (aproximadamente 0.061 N/m)

Conservación de la Energía Mecánica

10. Rapidez de un Cuerpo en Caída

Problema: Un cuerpo de 10 kg tiene una rapidez de 300 m/s cuando está a 400 m del suelo. Halle su rapidez cuando está a 600 m sobre el suelo.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica:

K_inicial + U_inicial = K_final + U_final

½ * m * v_inicial² + m * g * h_inicial = ½ * m * v_final² + m * g * h_final

Cálculo:

½ * 10 kg * (300 m/s)² + 10 kg * 9.8 m/s² * 400 m = ½ * 10 kg * v_final² + 10 kg * 9.8 m/s² * 600 m

(El resultado de v_final se obtendrá en m/s)

11. Rapidez de un Cuerpo en Caída (Segundo Caso)

Problema: Un cuerpo de 20 kg tiene una rapidez de 800 m/s cuando está a 1000 m de altura. Halle su rapidez cuando está a 900 m de altura.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica:

K_inicial + U_inicial = K_final + U_final

½ * m * v_inicial² + m * g * h_inicial = ½ * m * v_final² + m * g * h_final

Cálculo:

½ * 20 kg * (800 m/s)² + 20 kg * 9.8 m/s² * 1000 m = ½ * 20 kg * v_final² + 20 kg * 9.8 m/s² * 900 m

(El resultado de v_final se obtendrá en m/s)

Fórmulas y Aplicaciones Adicionales

12. Trabajo Elástico (Fórmula General)

Fórmula: El trabajo realizado por un resorte (W_elástico) cuando su alargamiento cambia de Δx_inicial a Δx_final es:

W_elástico = ½ * k * (Δx_inicial)² - ½ * k * (Δx_final)²

Ejemplo de aplicación:

• Δx_final = 2.5 m
• Δx_inicial = 0 m
• Constante elástica (k) = 1 N/m

(El cálculo con estos valores sería: W_elástico = ½ * 1 * (0)² - ½ * 1 * (2.5)² = -3.125 J)

13. Trabajo Total con Fuerza y Ángulo

Problema: Calcule el trabajo total (W_total) si una fuerza de 5500 N actúa con un ángulo de 40° respecto a la dirección del desplazamiento, y la distancia recorrida es de 10 m.

Fórmula del Trabajo:

W_total = F_total * cos(ángulo) * distancia

Cálculo:

W_total = 5500 N * cos(40°) * 10 m

(El resultado se obtendrá en Joules)

14. Cálculo de Masa a partir del Teorema Trabajo-Energía

Problema: Se realiza un trabajo total de -900,000 J sobre un objeto. Si su rapidez inicial es de 80 m/s y su rapidez final es de 30 m/s, ¿cuánto mide la masa del objeto?

Principio del Trabajo y la Energía Cinética (W_total = ΔK):

W_total = K_final - K_inicial

W_total = ½ * m * v_final² - ½ * m * v_inicial²

Cálculo:

-900,000 J = ½ * m * (30 m/s)² - ½ * m * (80 m/s)²

-900,000 = ½ * m * (900 - 6400)

-900,000 = ½ * m * (-5500)

m = (-900,000 * 2) / -5500

m = 1,800,000 / 5500 = 327.27 kg (aproximadamente)

15. Rapidez Final en Caída Libre

Problema: Un cuerpo de 45 kg se deja caer desde una altura inicial de 90 m. Halle su rapidez final cuando está a 10 m del suelo.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica:

K_inicial + U_inicial = K_final + U_final

½ * m * v_inicial² + m * g * h_inicial = ½ * m * v_final² + m * g * h_final

Cálculo:

½ * 45 kg * (0 m/s)² + 45 kg * 9.8 m/s² * 90 m = ½ * 45 kg * v_final² + 45 kg * 9.8 m/s² * 10 m

(El resultado de v_final se obtendrá en m/s)

16. Alargamiento Máximo de un Resorte Horizontal

Problema: Un objeto de 10 kg se mueve con una rapidez inicial de 1.2 m/s y choca con un resorte horizontal. Si la constante elástica del resorte es 2 N/m, y el objeto se detiene (v_final = 0 m/s) cuando el resorte está comprimido al máximo (Δx_inicial = 0), halle el alargamiento máximo (Δx_final) del resorte.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica:

K_inicial + U_{elástica_inicial} = K_final + U_{elástica_final}

½ * m * v_inicial² + ½ * k * (Δx_inicial)² = ½ * m * v_final² + ½ * k * (Δx_final)²

Cálculo:

½ * 10 kg * (1.2 m/s)² + ½ * 2 N/m * (0 m)² = ½ * 10 kg * (0 m/s)² + ½ * 2 N/m * (Δx_final)²

(El resultado de Δx_final se obtendrá en metros)

17. Constante Elástica de un Resorte por Conservación de Energía

Problema: Un objeto de 5 kg se mueve con una rapidez inicial de 3 m/s y comprime un resorte. Si el alargamiento máximo del resorte es 9.49 m y la rapidez final del objeto es 0 m/s (Δx_inicial = 0), halle la constante elástica del resorte.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica:

K_inicial + U_{elástica_inicial} = K_final + U_{elástica_final}

½ * m * v_inicial² + ½ * k * (Δx_inicial)² = ½ * m * v_final² + ½ * k * (Δx_final)²

Cálculo:

½ * 5 kg * (3 m/s)² + ½ * k * (0 m)² = ½ * 5 kg * (0 m/s)² + ½ * k * (9.49 m)²

(El resultado de k se obtendrá en N/m)