Un automóvil de 1000 kg avanza hacia el Este a una velocidad de 100 km/h y frena hasta detenerse por completo en 50 m.
¿Cuál es la magnitud de la fuerza requerida para que hacer que se detenga?
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¿Cuál es la magnitud de la fuerza requerida para que hacer que se detenga?
Tenemos una fuerza implicada, que es la que detiene el coche y un cambio en la velocidad, desde su velocidad inicial, hasta su velocidad final que es cero. Entonces Para resolver este problema, debemos considerar el Teorema del trabajo y la energía cinética.
La fórmula para calcular el trabajo (W) realizado por una fuerza constante (F) sobre un objeto que se desplaza una distancia (d) en línea recta es:
\[ W = Fd \]
La energía cinética (KE) de un objeto de masa \( m \) y velocidad \( v \) se calcula mediante la fórmula:
\[ KE = \frac{1}{2}mv^2 \]
Dado que el auto se detiene completamente, su velocidad final (V) es cero. Inicialmente, su velocidad inicial (Vo) es de 100 km/h, que convertimos a metros por segundo (m/s):
\[ Vo = 100 \, \text{km/h} = 27.8 \, \text{m/s} \]
Entonces, la fuerza necesaria para detener el automóvil se puede calcular, utilizando el teorema del trabajo-energía cinética:
\[ Fd = \frac{1}{2}m(V^2 – Vo^2) \]
Sustituyendo los valores conocidos:
\[ F \cdot 50 \, \text{m} = \frac{1}{2} \cdot 1,000 \, \text{kg} \cdot (0^2 – (27.8 \, \text{m/s})^2) \]
\[ F \cdot 50 \, \text{m} = \frac{1}{2} \cdot 1,000 \, \text{kg} \cdot (-27.8 \, \text{m/s})^2 \]
\[ F \cdot 50 \, \text{m} = \frac{1}{2} \cdot 1,000 \, \text{kg} \cdot 771.84 \, \text{m}^2/\text{s}^2 \]
\[ F \cdot 50 \, \text{m} = 385,920 \, \text{J} \]
Entonces, la magnitud de la fuerza requerida para detener el automóvil es:
\[ F = \frac{385,920 \, \text{J}}{50 \, \text{m}} \]
\[ F = -7,728 \, \text{N} \]
El signo negativo indica que la fuerza es opuesta al desplazamiento del automóvil, lo que concuerda con la acción de frenado.