d - Canek

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Movimiento armónico simple .
E: Una masa de 9 kg alarga un resorte 9:8 cm; el sistema masa-resorte se encuentra suspendido
verticalmente. La masa se libera desde el reposo de un punto situado 5 cm debajo de la posición
de equilibrio.
a. Encuentre la posición de la masa en los tiempos t D 5 y 10 s.
b. ¿Cuál es la velocidad de la masa cuando t es igual a 12 s? ¿En qué dirección se dirige en
ese instante?
c. ¿En qué tiempos la masa pasa por la posición de equilibrio?
d. ¿En qué tiempos tiene el resorte su máxima compresión y su máxima elongación?
D: H De acuerdo con la ley de Hooke tenemos que la constante del resorte es
kD
mg
9.9:8/
F
D
D
D 900 N/m:
l
l
0:098
De forma que la ecuación diferencial que modela la posición x.t/ de la masa es
9x 00 .t/ C 900x.t/ D 0I
la ecuación característica es
9r 2 C 900 D 0 ) r 2 C 100 D 0:
Sus soluciones son los números complejos r1 D 10i; r2 D 10i y la solución general de la ED
es
x.t/ D c1 cos 10t C c2 sen 10t:
Calculando la primera derivada de x.t/, obtenemos la velocidad de la masa
x 0 .t/ D v.t/ D 10c1 sen 10t C 10c2 cos 10t:
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; x 0 .0/ D 0. Observe que x.0/ es
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positivo porque se ha soltado debajo del punto de equilibrio. Si sustituimos en las expresiones
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anteriores, resulta c1 D
& 10c2 D 0 ) c2 D 0. Finalmente, usando estas constantes en la
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posición y velocidad tenemos:
En este problema tenemos las condiciones iniciales x.0/ D
x.t/ D
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cos 10t m
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&
v.t/ D
1
sen 10t m/s.
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a. En los tiempos t D 5 s y t D 10 s la masa se encuentra, respectivamente, en
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cos 50 D 0:0482 m D 4:82 cm;
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x.10/ D
cos 100 D 0:04311 m D 4:31 cm,
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x.5/ D
con ambas posiciones debajo de la posición de equilibrio.
4. canek.azc.uam.mx: 16/ 12/ 2010
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sen 120 0:290306 m/s. La
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masa se dirige hacia arriba; recordemos que velocidades negativas indican que la masa se
mueve hacia arriba y velocidades positivas indican que la masa se mueve hacia abajo.
b. La velocidad de la masa cuando t D 12 s es v.12/ D
c. La masa pasa por la posición de equilibrio cuando x.t/ D 0, es decir, cuando cos 10t D 0,
lo cual ocurre cuando 10t D C n, con n D 0; 1; 2; : : : , de donde
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tD
.2n C 1/
;
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con
n D 0; 1; 2; : : :
d. La máxima compresión se obtiene cuando cos 10t D 1.
.2n C 1/
En este caso se requiere que 10t D C 2n ) t D
con n D 0; 1; 2; : : :
10
La máxima elongación ocurre cuando cos 10t D 1, es decir, cuando 10t D 2n; esto sucede
n
, con n D 0; 1; 2; : : :
en los tiempos t D
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