Se lanza un cuerpo verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 20 m/s y 2 segundos después, se lanza otro cuerpo con una velocidad de 20,8 m/s. Calcular:
a) Tiempo que tardan en cruzarse
b) Altura a la que lo hacen
c) Velocidad de cada cuerpo en ese momento.
Para resolver este problema, utilizaremos las ecuaciones de movimiento bajo aceleración constante.
La posición de un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba en función del tiempo \( t \) se describe por la ecuación:
\[
y(t) = v_0 \cdot t – \frac{1}{2} \cdot g \cdot t^2
\]
Llamemos \( t_1 \) al tiempo transcurrido desde que se lanza el primer cuerpo. Para este cuerpo, su posición en cualquier instante \( t_1 \) está dada por:
\[
y_1(t_1) = 20 \cdot t_1 – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot t_1^2
\]
El segundo cuerpo se lanza 2 segundos después del primero, así que el tiempo transcurrido desde que se lanza este segundo cuerpo será \( t_2 \). Sabemos que \( t_2 = t_1 – 2 \) (porque \( t_1 \) es el tiempo total y el segundo cuerpo se lanzó con 2 segundos de retraso).
La posición del segundo cuerpo en cualquier instante \( t_2 \) (o \( t_1 – 2 \)) es:
\[
y_2(t_2) = 20.8 \cdot t_2 – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot t_2^2
\]
Sustituyendo \( t_2 = t_1 – 2 \) en la ecuación anterior:
\[
y_2(t_1 – 2) = 20.8 \cdot (t_1 – 2) – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot (t_1 – 2)^2
\]
Para que los cuerpos se crucen, sus posiciones deben ser iguales en algún instante. Por lo tanto, igualamos \( y_1(t_1) \) con \( y_2(t_1 – 2) \):
\[
20 \cdot t_1 – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot t_1^2 = 20.8 \cdot (t_1 – 2) – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot (t_1 – 2)^2
\]
Expandimos y simplificamos ambos lados:
\[
20 \cdot t_1 – 4.9 \cdot t_1^2 = 20.8 \cdot t_1 – 41.6 – 4.9 \cdot (t_1^2 – 4t_1 + 4)
\]
Simplificamos aún más:
\[
20 \cdot t_1 – 4.9 \cdot t_1^2 = 20.8 \cdot t_1 – 41.6 – 4.9 \cdot t_1^2 + 19.6 \cdot t_1 – 19.6
\]
Cancelamos términos y reorganizamos:
\[
-20.4 \cdot t_1 = -61.2
\]
Despejando \( t_1 \):
\[
t_1 = \frac{61.2}{20.4} = 3 \, \text{segundos}
\]
¡Ya tenemos el tiempo! Los cuerpos se cruzan exactamente 3 segundos después de que se lanzó el primer cuerpo.
Altura a la que se cruzan:
Ahora que sabemos cuándo se cruzan, calculamos la altura a esa posición usando la ecuación de la posición para el primer cuerpo:
\[
y_1(3) = 20 \cdot 3 – \frac{1}{2} \cdot 9.8 \cdot 3^2 = 60 – 4.9 \cdot 9 = 60 – 44.1 = 15.9 \, \text{m}
\]
Entonces, se cruzan a una altura de 15.9 metros.
Velocidades en el momento del cruce:
Finalmente, calculamos la velocidad de cada cuerpo en ese instante utilizando la ecuación de la velocidad bajo aceleración constante:
\[
v(t) = v_0 – g \cdot t
\]
Para el primer cuerpo en \( t_1 = 3 \) segundos:
\[
v_1(3) = 20 – 9.8 \cdot 3 = 20 – 29.4 = -9.4 \, \text{m/s}
\]
La velocidad negativa indica que el primer cuerpo está descendiendo en ese momento.
Para el segundo cuerpo, en \( t_2 = 1 \) segundo (porque se lanzó 2 segundos después):
\[
v_2(1) = 20.8 – 9.8 \cdot 1 = 20.8 – 9.8 = 11 \, \text{m/s}
\]
La velocidad del segundo cuerpo es positiva, lo que significa que sigue subiendo cuando se cruzan.
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