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Taller 5 · Principios de Dinámica

El origen del sistema y el movimiento vinculado

Este taller tiene dos mitades y las dos valen oro. La primera es de dónde mides — la decisión que todo el mundo salta y que después cobra en forma de signos al revés. La segunda son las poleas: por qué aparece ese factor 2 y por qué el bloque que cuelga se mueve más rápido que todo lo demás.

De dónde sale esto. Beer, Johnston & Cornwell 9.ª ed., sección 11.6 (movimiento dependiente) y Problema Resuelto 11.5, que es el que se desarrolla aquí completo; Hibbeler 12.ª ed., sección 12.9. El tema entra en el Parcial 1 según el programa del curso (semana 2: movimiento vinculado de puntos materiales conectados) y ya cayó en el Parcial 1 de 2020-II combinado con coordenadas polares.

1 El origen: la decisión que todos saltan

Si el origen te queda claro, dejas de equivocarte de signo para siempre — en poleas, en caída libre, en proyectiles y en cuerpo rígido. Por eso va de primero.

Qué es un origen, en serio

Una posición no es un número. “El bloque está en 30” no significa nada. Lo que sí significa algo es: “el bloque está 30 pulgadas por debajo del techo, midiendo hacia abajo”. Un número de posición solo existe cuando tú aportas dos cosas:

\(O\) El origen (o datum) El punto —o la línea— desde donde empiezas a contar. Ahí la coordenada vale cero.
+ → El sentido positivo Hacia qué lado los números crecen. Se dibuja como una flecha, y esa flecha no es la dirección del movimiento: es la dirección de tu regla.

Las dos las escoges tú, antes de saber la respuesta. No las escoge el problema. Por eso son libres — pero una vez escogidas, son ley hasta el final del ejercicio.

La única regla obligatoria: el origen no se puede mover Puedes ponerlo en el techo, en el piso, en la polea fija C, o en una línea que te inventes a mitad de camino. Todas sirven. Lo que no puedes es ponerlo en algo que se mueve —como una polea móvil—, porque entonces tu regla se estaría estirando mientras mides, y las derivadas dejan de significar velocidad y aceleración reales.

Compruébalo tú mismo

Abajo puedes mover el origen y voltear la flecha del positivo. Mira las tres cosas que cambian y la única que no:

techo piso el cable no cambia de largo A B D xA xD xB O +
Cuerpo\(x\) (in)\(v\) (in/s)
A——
D——
B——
¿La suma se mantiene?
\(x_A + 2x_D + x_B\)—
al arrancar valía—
veredicto—
¿Dónde pongo el 0?
¿Para dónde es +?
\(t = 0{,}000\ \text{s}\)
Qué significa cada símbolo del simulador
\(O\)
el origen: la línea naranja, donde la coordenada vale cero —
\(x_A,\ x_D,\ x_B\)
posición del collarín A, de la polea móvil D y del bloque B, medidas desde \(O\) en el sentido de la flecha \(+\). El problema viene en pulgadas (1 in = 2,54 cm = 0,0254 m) in
\(v\)
velocidad de cada cuerpo; positiva si va en el sentido de la flecha \(+\) in/s
\(x_A + 2x_D + x_B\)
la suma del cable: si el origen está quieto, da siempre el mismo número in
\(t\)
tiempo desde que arranca A s
La respuesta, traducida a español

—

Lo que te acaba de mostrar el simulador

1 · Dónde pongas el origen no importa. Con el techo la constante del cable vale 93,50 in; con la línea de en medio vale 13,50; con el piso vale −146,50. Son constantes distintas, pero todas son constantes — y una constante, al derivar, se vuelve cero igual de bien. Por eso el origen se cancela solo.

2 · Hacia dónde apuntes tampoco importa. Si volteas la flecha, cada número cambia de signo… pero todos a la vez. La frase “B sube 16 in” sale idéntica, porque tú interpretas el signo con tu propia flecha.

3 · Poner el origen en D sí rompe todo. Con D como origen la suma \(x_A + 2x_D + x_B\) deja de ser constante. Y si no es constante, no puedes derivarla e igualarla a cero. Ahí se te cayó el método entero.

El error que más caro sale en el parcial

Medir \(x_B\) hacia arriba “porque es que B sube”. No. Tú todavía no sabes para dónde va B — eso es justo lo que te están preguntando. Escoges la flecha a ciegas, resuelves, y dejas que el signo te lo diga. Si te sale negativo, escribes “sube”. Fin.

El otro error gemelo: usar flecha hacia abajo para A y hacia arriba para B en el mismo problema. Si haces eso, la ecuación del cable ya no es \(x_A + 2x_D + x_B = L\), sino otra con signos mezclados — y casi nadie la escribe bien bajo presión.

Cómo lo escribo en la hoja del parcial

Dos renglones, antes de cualquier ecuación:

Origen O: en el techo (punto fijo). Positivo: ↓ (para A, D y B por igual).

Te toma quince segundos y te blinda todos los signos del punto. El calificador además lo agradece, porque puede seguir tu razonamiento.

¿Y en los otros temas?

Es exactamente lo mismo. En caída libre, si tomas \(y\) positivo hacia arriba, entonces \(a = -9{,}81\ \text{m/s}^2\); si lo tomas hacia abajo, \(a = +9{,}81\ \text{m/s}^2\). No hay una “correcta”: hay una declarada.

En proyectiles el origen casi siempre va en el punto de lanzamiento, porque así \(x_0 = y_0 = 0\) y te ahorras dos términos en cada ecuación. Escoger bien el origen no cambia la física — te cambia la cantidad de aritmética.

2 El enunciado, en cristiano

El collarín A arranca quieto y baja con aceleración constante. Cuando pasa por la marca L ya va a 12 in/s, y de K a L hay 8 pulgadas. Al mismo tiempo, la polea móvil D baja a 3 in/s constantes.

La pregunta: en el instante en que A pasa por L, ¿cuánto subió o bajó el bloque B, y con qué velocidad y aceleración va?

Ruta de solución Son dos problemas pegados. Primero resuelves el movimiento de A solo, que es rectilíneo con aceleración constante: de ahí salen su aceleración y el tiempo que tarda en ir de K a L. Con ese tiempo sabes cuánto bajó D, porque D va a velocidad constante. Después escribes la única ecuación que amarra a los tres cuerpos, la del cable que no se estira, contando cuántos tramos llegan a cada uno. Esa ecuación, tal cual, te da el desplazamiento de B; derivada una vez te da su velocidad y derivada dos veces, su aceleración.
Ojo con tu libro En algunas ediciones en español la polea móvil aparece rotulada B en la figura y D en el texto. Es la misma polea. Aquí le decimos D siempre, y B es el bloque que cuelga a la derecha.

Dale a Play. No trates de entender las fórmulas todavía: solo mira quién sube, quién baja, y quién va más rápido.

C E D A B
Cuerpo\(x\) (in)\(v\) (in/s)\(a\) (in/s²)
A———
D——
B———
El cable no se estira
\(x_A + 2x_D + x_B\)—
\(v_A + 2v_D + v_B\)—
\(a_A + 2a_D + a_B\)—
Desde que arrancó
\(\Delta x_A\)—
\(\Delta x_D\)—
\(\Delta x_B\)—
\(t = 0{,}000\ \text{s}\)
Lo que acabas de ver A baja 8 pulgadas y D baja 4, pero B sube 16. B se mueve más rápido que los dos, y en sentido contrario. Eso no es magia: es que el cable que “se gasta” del lado de A y de D tiene que salir de alguna parte, y sale del lado de B.

3 Contar los tramos: de aquí sale el “2”

El cable tiene una longitud fija. Vamos a escribir esa longitud sumando pedazo por pedazo. Solo nos interesan los pedazos cuyo largo cambia cuando algo se mueve: lo que da vuelta sobre las poleas siempre mide lo mismo, así que se va como constante.

Dale a los cuatro botones en orden y mira cómo se arma la ecuación:

\(x_A\)\({}+x_D\)\({}+x_D\)\({}+x_B\)\({}=L\)

Todavía no has contado ningún tramo. Empieza por el 1.

Qué significa cada símbolo
\(x_A\)
distancia del origen (el techo) al collarín A, hacia abajo in
\(x_D\)
distancia del origen al centro de la polea móvil D, hacia abajo in
\(x_B\)
distancia del origen al bloque B, hacia abajo in
\(L\)
largo de la parte del cable que puede cambiar de tramo a tramo; es constante (aquí 93,50 in) in
La regla de bolsillo

El coeficiente de cada cuerpo es el número de tramos de cable que llegan a él. A la polea D llegan dos tramos (el que baja de C y el que sube a E), por eso lleva \(2x_D\). A A le llega uno y a B le llega uno, por eso van solos.

Si en un parcial ves una polea móvil con tres tramos colgando, el coeficiente es 3. Así de directo.

Dónde se equivoca casi todo el mundo Contar el tramo D → E como si dependiera de \(x_E\). La polea E está clavada al techo: no se mueve, no tiene variable. Ese tramo va desde D (que sí baja) hasta un punto fijo, así que su largo depende de \(x_D\), igual que el tramo anterior. Por eso \(x_D\) aparece dos veces.

4 Derivar: la parte fácil que nadie cree

Ya tienes \(x_A + 2x_D + x_B = L\). Como \(L\) es un número fijo, al derivar respecto al tiempo el lado derecho se vuelve cero y los coeficientes se quedan quietos:

\[\begin{gathered} x_A + 2\,x_D + x_B = L \\[6pt] v_A + 2\,v_D + v_B = 0 \\[6pt] a_A + 2\,a_D + a_B = 0 \end{gathered}\]

El primer renglón es el de posiciones; el segundo sale de derivarlo una vez (velocidades) y el tercero de derivarlo otra vez (aceleraciones).

Qué significa cada símbolo
\(x_A,\ x_D,\ x_B\)
posición de cada cuerpo, medida desde el origen y con el mismo sentido positivo in
\(L\)
la constante del cable: la suma que no cambia mientras el cable no se estire in
\(v_A,\ v_D,\ v_B\)
velocidad de cada cuerpo: la derivada de su posición. Positiva si va en el sentido de la flecha in/s
\(a_A,\ a_D,\ a_B\)
aceleración de cada cuerpo: la derivada de su velocidad in/s²

¿Por qué los coeficientes «se quedan quietos»? Porque son números: la derivada de \(2\,x_D\) es \(2\,\dot x_D = 2\,v_D\). Y la derivada de una constante como \(L\) es cero.

Esas tres líneas son todo el problema. Lo demás es aritmética de bachillerato. Y fíjate que también vale para los desplazamientos, porque la relación es lineal:

\[\Delta x_A + 2\,\Delta x_D + \Delta x_B = 0\]
Qué significa cada símbolo
\(\Delta x_A,\ \Delta x_D,\ \Delta x_B\)
desplazamiento de cada cuerpo: posición final menos posición inicial. Sale de restar la ecuación del cable en dos instantes (\(L - L = 0\)) in
Para el parcial Escribe la ecuación de posiciones una sola vez, bien, y deriva. No trates de “razonar” directamente las velocidades mirando el dibujo: ahí es donde se cuelan los errores de signo y de factor 2.

5 Ahora sí: la solución completa

Cinco pasos. Ábrelos de uno en uno e intenta adivinar el siguiente antes de abrirlo.

Las tres respuestas

B sube 16 in \(v_B = 18\ \text{in/s}\) ↑ \(a_B = 9\ \text{in/s}^2\) ↑

Los tres negativos del cálculo significan lo mismo: contra la convención que escogimos, que era “positivo hacia abajo”.

6 Otros aparejos que caen

El método es siempre el mismo; lo único que cambia es cuántos tramos llegan a cada cuerpo. Aquí están los que más aparecen.

MontajeEcuación de restricciónQué significa
Polea fija sola \(x_A + x_B = L\) Lo que baja A lo sube B, uno a uno. \(v_B = -v_A\).
Una polea móvil \(x_A + 2x_D + x_B = L\) El caso de este taller. Dos tramos llegan a D.
Aparejo de 3 tramos \(x_A + 3x_B = L\) B se mueve tres veces más despacio que A, pero con tres veces más fuerza. Es un polipasto.
Actuador con 4 tramos
(Parcial 2020-II)
\(x_A + 4x_B = \text{cte}\) \(v_A = 4v_B\). Si B sube a 2 m/s, A se mueve a \(4 \times 2 = 8\) m/s.
Cómo contar sin equivocarte

Pon el dedo en el cuerpo y cuenta cuántos pedazos de cable verticales tocan ese cuerpo o su polea. Ese número es el coeficiente. No cuentes el cable que da la vuelta por encima de una polea fija: ese tramo no cambia de largo.

Y si hay dos cables distintos (dos cuerdas independientes), escribes dos ecuaciones, una por cable, y las resuelves juntas.

Truco para armar la ecuación y revisarla Los tramos que lo tocan son su número, y la suma siempre da cero. Primera mitad: el coeficiente de cada cuerpo es la cantidad de tramos de cable que llegan a él o a su polea (a D le llegan dos, por eso va \(2x_D\)). Segunda mitad: con esos mismos números, los cambios de posición, las velocidades y las aceleraciones tienen que sumar cero, porque \(L\) no cambia. Compruébalo con este taller: en desplazamientos, \(8 + 2(4) + (-16) = 0\); en velocidades, \(12 + 2(3) + (-18) = 0\); en aceleraciones, \(9 + 2(0) + (-9) = 0\). Si alguna de las tres sumas no da cero, hay un coeficiente o un signo mal.
El caso del Parcial 2020-II

Ese parcial combina las dos cosas: primero usas \(x_A + 4x_B = \text{cte}\) para sacar la velocidad de A a partir de la de B, y después metes esa velocidad en el análisis de coordenadas polares del actuador.

O sea: poleas y polares en el mismo punto. Por eso conviene tener este taller y el Taller 1 frescos al mismo tiempo.

7 Ponte a prueba

8 La hoja de ruta

  1. Marca el origen en algo que no se mueva (casi siempre el techo) y decide positivo hacia abajo para todos. Escríbelo.
  2. Dibuja una flecha desde el origen hasta cada cuerpo que se mueva y nómbrala \(x_A\), \(x_B\), \(x_D\)…
  3. Cuenta cuántos tramos de cable llegan a cada cuerpo. Ese número es su coeficiente. Escribe la suma igualada a \(L\).
  4. Deriva una vez para velocidades y otra para aceleraciones. El \(L\) se vuelve 0.
  5. Mete los datos, despeja, y traduce el signo a una frase: “sube” o “baja”.
  6. Chequeo de 10 segundos: suma \(v_A + 2v_D + v_B\) con tus números. Si no da cero, hay un error y todavía estás a tiempo. Aquí: \(12 + 2(3) + (-18) = 0\) ✓
Truco para armar la ecuación y revisarla Los tramos que lo tocan son su número, y la suma siempre da cero. Primera mitad: el coeficiente de cada cuerpo es la cantidad de tramos de cable que llegan a él o a su polea (a D le llegan dos, por eso va \(2x_D\)). Segunda mitad: con esos mismos números, los cambios de posición, las velocidades y las aceleraciones tienen que sumar cero, porque \(L\) no cambia. Es la respuesta a las dos dudas que más aparecen en el parcial: «¿aquí va un 2 o no?» (cuenta los tramos que tocan al cuerpo) y «¿me quedó bien el signo?» (haz la suma: \(12 + 2(3) + (-18) = 0\)).
Si solo te llevas tres frases

1. El origen lo escoges tú, pero tiene que estar quieto — y una vez escogido, es ley.

2. Un signo negativo no es un error: es la respuesta diciéndote “al revés de tu flecha”.

3. El cable no se estira. Esa frase, escrita como ecuación, es el problema entero.

Responde las siete preguntas para cerrar el taller.

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