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SEMANA 1
ANÁLISIS DIMENSIONAL
ANÁLISIS VECTORIAL
1. Calcule las dimensiones de A y B
respectivamente, en la siguiente ecuación dimensionalmente correcta
d = A t + 0,5 B t2
Donde d es distancia y t es tiempo.
A) L T 1 ; L T 2
B) L T 2 ; L 2 T 2
C) L T 2 ; L T 3
D) L 2 T 1 ; L 2 T 2
E) L 2 T 3 ; L T 2
RESOLUCIÓN
Si la ecuación es dimensionalmente correcta, entonces cada uno de los
términos de la ecuación debe tener las mismas dimensiones. Luego, la ecuación dimensional se expresa:
[ e ] = [A] [t] = [0,5] [ B ] [ t ]2
Nótese que todos los términos han sido igualados y ahora se
reemplaza las dimensiones de las cantidades físicas conocidas.
L = [ A ] T = (1) [ B ] T 2
Recuerde: [0,5 ] = (1).
Finalmente se deduce:
[ A ] = L T 1 ; [ B ] = = L T 2
RPTA.: A
2. La energía en el S.I., se mide en
joules (J). Si la energía cinética (Ec) de un cuerpo está definida
mediante:
EC = 0,5 mv 2
Donde m es masa y v es el módulo de la velocidad.
¿Cuál de los siguientes grupos de unidades equivale al Joule?
A) kg m2 s1
B) kg m 1 s 2
C) kg m 2 s 2
D) kg m2 s 2
E) kg m3 s 2
RESOLUCIÓN Escribimos la ecuación dimensional
de la energía cinética y reemplazamos las dimensiones de las cantidades físicas conocidas.
[ EC ] = [ 0,5 ] [ m ] [ v ] 2
[ EC ] = (1) M ( LT 2 ) 2
[ EC ] = M L 2 T 2
Reemplazamos las unidades de cada magnitud fundamental y encontramos el joule (J)
expresado en términos de las unidades fundamentales.
Joule = J = kgm 2 s 2
RPTA.: D
3. Un grupo de unidades que
representa la medición de la
potencia es:
A) lb pie3 s 3 B) lb pie2 s2
C) kg m3 s 2
D) lb pie2 s 3
E) kg m3 s 2
RESOLUCIÓN: lb pie 2 s 3
RPTA.: D
4. El número de Reynolds es un valor
adimensional el cual nos indica si
un flujo es turbulento o laminar,
dentro de un tubo. El número de
Página 139
Reynolds “R”, se calcula mediante
la siguiente ecuación:
R = V d /
Donde es la densidad, V la
rapidez promedio y d el diámetro
del tubo. Determinar las
dimensiones de la viscosidad .
A) M2 L1 T 1
B) M3 L1 T 1
C) M L1 T 1
D) M L2 T 1
E) M L1 T 2
RESOLUCIÓN
Escribimos la ecuación dimensional:
[R] [] = [] [V] [d]
Como R es adimensional lo
reemplazamos por la unidad
(1) [] = ML3 LT 1 L
[] = ML1T 1
RPTA.: C
5. La densidad (D) de un sólido según
la temperatura, está dada por la
siguiente ecuación :
Donde M es la masa y ∆T la
variación de la temperatura.
Determinar las dimensiones de B.
A) L3 1 B) L3 1
C) L 3 D) M3 1 T 1
E) M L1 1
RESOLUCIÓN
[D] ( [A] + [B][∆T] ) = [M] [D] [A] = [D] [B] [∆T] = [M]
ML 3 [A] = ML 3 [B] = M
[B] = L3 1 RPTA.: B
6. Un objeto que realiza un
movimiento periódico tiene la siguiente ecuación:
X =A e t cos ( t + )
Donde X es la posición, t el tiempo
y e 2,82. Determine la dimensión
de [A ].
A) L T 2 B) L T 1 C) L2 T 2
D) L 2 T 2 E) L 2 T 1
RESOLUCIÓN
Escribimos la ecuación dimensional
y resolvemos:
[X] = [A] [e ] t [cos (t + )]
[X] = [A] (1) (1)
L = [A]
Los exponentes son adimensionales,
por lo tanto dimensionalmente se
igualan a la unidad:
[exponente] = 1
[t ] = 1 [1] [] [t] = 1
(1) [] T = 1
[] = T 1
Los ángulos son adimensionales:
[ángulo] = 1
[(t + )] = 1 [] [t] = [] = 1
[]T = [] = 1
[] = T 1 ; [] = 1
Página 140
Reemplazando las dimensiones
encontradas, tenemos:
[A ] = (L)( T 1 )(T 1) = L T 2
RPTA.: A
7. En cierto experimento, se mide el
tiempo que demora un péndulo
simple en dar una oscilación. Se
observa que este tiempo depende
de la aceleración de la gravedad y
de la longitud de la cuerda. La
ecuación empírica del periodo en
función de estas dos últimas
cantidades es:
A) 6,28 g1/2 L1/2
B) 4,22 g1/3 L1/2
C) 3,12 g1/5 L1/3
D) 1,24 g1/3 L1/3
E) 3,14 g2 L1/2
RESOLUCIÓN: Las tres cantidades relacionadas son:
t = tiempo g = aceleración de la gravedad.
L = longitud de la cuerda. Se elabora una relación entre las
cantidades físicas:
t = k g x L y Donde:
k: es un número adimensional, denominado constante de
proporcionalidad. x e y: son exponentes de valor
desconocido, que determinaremos para que la ecuación empírica
quede determinada.
Se escribe la ecuación dimensional
y se reemplaza las dimensiones de las cantidades conocidas.
[ t ] = [ k ] [ g ] x [ L ] y
T = (1) ( LT 2 ) x ( L ) y
T = L x + y T 2 x
Comparando los exponentes de las
dimensiones a cada lado de la ecuación, deducimos:
2x = 1 x = 1/2
x + y = 0 y = +1/2
Finalmente la ecuación empírica es:
t = kg 1/2 L1/2 =
RPTA.: A
8. Con respecto a la gráfica,
determine la dimensión del área
sombreada.
A) M 2 L T 1
B) M L T 1
C) M L2 T 1
D) M L2 T 1
E) L2 T 2
RESOLUCIÓN: La dimensión del área comprendida por la gráfica F – t es:
[área (F–t)] = [F] [t]/2=(MLT2 )(T)/1
[área (F–t)] = ML T 1 RPTA.: B
9. Con respecto a la gráfica A vs B
mostrada en la figura, determine la
dimensión de la pendiente de la
recta. Donde A es masa y B es
volumen.
A) M L1
B) M L2
C) M 1 L1
D) M T 3
E) M L3
t(s)
F(N)
2s
B
x
40m
1s
A
Página 141
RESOLUCIÓN: La dimensión de la pendiente de la recta es:
[pendiente (A – B) ] =
A
B
[pendiente (A–B)] =
3
masa M
volumen L
[pendiente (A–B)] 3ML RPTA.: E
10. La diferencia de potencial eléctrico
“ V ” entre dos puntos de un
material está dada por:
WV
q
Donde W es el trabajo necesario
para trasladar las cargas entre
dichos puntos y q es la cantidad de
carga neta que se traslada.
Determine las dimensiones de la
diferencia de potencial eléctrico.
A) M L 1 T 3 I 1
B) M L 2 T 3 I 1
C) M1 L1 T 3 I 1
D) M T 3 I 1
E) M L 3 I 1
RESOLUCIÓN: Escribimos la ecuación dimensional
y reemplazamos las dimensiones del trabajo y la carga eléctrica:
2 2W M L TV
q I T
2 3 1V M L T I
RPTA.: B
La unidad de la
diferencia de
potencial o
voltaje es el
voltio (V).
11. La capacitancia (C) de un capacitor
es la división entre el valor de la
carga (Q) que almacena una de sus
armaduras y la diferencia de
potencial (V) entre las armaduras
del capacitor. Determine las
dimensiones de la capacitancia.
A) M1 L2 T 4 I1
B) M L 2 T 3 I1
C) M1 L1 T 3 I1
D) M T 3 I 1
E) M 1 L2 T4 I2
RESOLUCIÓN: Escribimos la ecuación dimensional
y reemplazamos las dimensiones de la carga eléctrica y de la diferencia
de potencial:
2 3 1
q I TC
V M L T I
1 2 4 2C M L T I
RPTA.: E
La unidad de la
capacidad eléctrica
es el faradio (F).
12. Determine el módulo de la
resultante de los vectores
A ,
B y
C .
60°
60°
4 6
A u B
= 4u
Página 142
A) 12 u B) 14 u C) 24 u D) 13 u E) 15 u
RESOLUCIÓN
Sumamos los vectores B y C
,
usando el método del
paralelogramo:
Calculamos el modulo de
CB
usando la fórmula:
Un análisis geométrico adicional nos
lleva a la conclusión de que el
vector
CB biseca al ángulo de
60°, esto es por que los vectores
que se han sumado tienen igual módulo. Por lo tanto el ángulo que
forman entre si el vector
A y
CB es 90°.
Sumamos ahora
A y
CB con el
método del paralelogramo.
Calculamos el modulo de
R A B C
usando la fórmula:
12R u
RPTA.: A
13. Dos vectores
A y
B tienen
módulos de 10 u y 6 u
respectivamente. Determinar en
que intervalo se encuentra el
módulo de la resultante que se
pueden obtener con estos dos
vectores.
A) uBAu 160
B) uBAu 40
C) uBAu 166
D) uBAu 106
E) uBAu 164
RESOLUCIÓN Calculamos el módulo de la resultante máxima y mínima de
estos dos vectores, cuando formen 0° y 180° entre sí respectivamente.
u16BA
; u4BA
El intervalo entre los cuales se encontrará la resultante de estos vectores de acuerdo al ángulo que
formen entre si será:
C
= 4u
A = 46 u u34CB
u12CBA
90°
2 24 4 2 4 4 60 4 3B C ( )( ) Cos u
2 24 6 4 3 2 4 6 4 3 90R ( ) ( ) ( )( ) Cos
B = 4u
C = 4u 60°
60°
4 3B C u
4 6A u
Página 143
4 16u A B u
RPTA.: E
14. Dos vectores tienen una resultante
máxima cuyo módulo es 14 u y una
resultante mínima cuyo módulo es
2u. Determine el módulo de la
resultante de los vectores cuando
son perpendiculares entre si.
A) 12 u B) 14 u C) 20 u
D) 10 u E) 15 u
RESOLUCIÓN Supongamos que sean dos vectores
A y
B , entonces según lo afirmado en el problema.
BAu14 ;
BAu2
Resolvemos y encontramos los
módulos de los vectores
A y
B .
u8A
u6B
Calculamos el módulo de los
vectores
A y
B usando la fórmula [1], cuando los vectores son
perpendiculares ( = 90°).
90Cos)6)(8(268BA22
u10BA
RPTA.: D
15. Sea el vector A
de módulo 5 u que
forma 63° con respecto al eje +x, y
las rectas L1 y L2 que forman
ángulos de 137° y 10° con
respecto al eje +x. Determine los
módulos de las componentes del
vector A
sobre L1 y L2.
A) 4 u y 6 u B) 8 u y 5 u
C) 5 u y 6 u D) 4 u y 5 u
E) 4 u y 3 u
RESOLUCIÓN
Dibujamos el vector
A y las rectas L1 y L2, Construimos un
paralelogramo y trazamos los
componentes de
A .
Calculamos el módulo de las componentes usando ley de senos y obtenemos:
A1 = 5cm Y A2 = 6cm
RPTA.: C
A
L2
L1
2A
1A 63° 10°
137°
Página 144
16. Los vectores A,B y C
están
ubicados en el sistema ortogonal,
tal como se muestra en la figura.
Determine la resultante de los
vectores.
A) R 0,8 i 0,3 j
B) R 0,8 i 0,3 j
C) R 0,8 i 0,3 j
D) R 0,8 i 0,3 j
E) R 0,3 i 0,8 j
RESOLUCIÓN Descomponemos rectangularmente
los vectores y calculamos los módulos de las componentes.
Calculamos la resultante en cada
eje usando vectores unitarios.
xR 1,2 i 2 i 2,4 i 0,8 i
yR 1,6 j 2 j 0,7 j 0,3 j
R 0,8 i 0,3 j
RPTA.: A
17. Los vectores A,B y C
están
ubicados en el sistema ortogonal, tal como se muestra en la figura.
Determine la resultante de los vectores.
A) 4 u 7º
B) 1 u 8 º
C) 4 u 0 º
D) 1 u 0 º
E) 1 u 10 º
RESOLUCIÓN Los ángulos mostrados no corresponden a triángulos notables. Si los vectores son girados 7° en
sentido horario, obtenemos que los vectores forman ángulos notables
con respecto a los ejes ortogonales.
A
= 2
cm
B
= 2 2 cm
C
= 2,5 cm
16° 53°
45° A
= 10u
B
= 82 u
u
83°
30°
38°
C
= 10u
AI
BJ
CJ
16° 53°
45°
CI
AJ
BI
A = 2cm
C = 2,5cm
B = 2 2 cm
A = 10u
B = 82 u
37°
45°
C = 10u
7°
7°
7°
90°
Página 145
Descomponemos los vectores y calculamos los componentes de
cada vector.
Calculamos la resultante
i4i10i8i6R x
j0j0j8j8R y
i4R
El módulo de la resultante es:
u4R
, girando el vector 7° en
sentido antihorario (para restituir el ángulo anteriormente girado), la
dirección y el sentido del vector resultante será: 7° con respecto al
eje +x. RPTA.: A
18. Sean los vectores A 6 i 8 j 2k
y
B 2 i 12 j 6k
. Determine el
módulo de R 6 A 5 B
A) 42 u B) 12 u C) 63 u
D) 26 u E) 98 u
RESOLUCIÓN
Calculamos
R :
B5A6R
)k6j12i2(5)k2j8i6(6R
k42j36i30R
Calculemos el módulo de la
resultante.
63)42()36()30(R222
RPTA.: C
AI
B = 82 u
53°
45°
C = 10u
AJ A = 10 u
BI
BJ
u65
31037Sen10AI
u85
41037Cos10AJ
u82
12845Cos28B I
u82
12845Sen28BJ
Página 146
19. Calcule el módulo de la resultante de los vectores que se muestran en
la figura.
A) 8 u
B) 10 u
C) 6 u
D) 5 u
E) 9 u
RESOLUCIÓN Rx = 8 u Ry = 6 u
Calculamos la resultante aplicando
Pitágoras: R = 10 u
RPTA.: B
20. Determine el módulo del vector
A tal que la resultante de los vectores
mostrados en la figura sea vertical. (B = 25u)
A) 40 u
B) 20 u
C) 60 u
D) 30 u
E) 90 u
RESOLUCIÓN Descomponemos y sumamos:
x x xR B i A i 0
25cos53 i Acos60 i 0
A 30u
RPTA.: D
1u
1u
B
53°
A
60°
B
53°
A
y
60° x