Mecánica de fluidos y M.A.S

Pregunta 1. Un coche está suspendido por un sistema de resortes que provoca que oscile verticalmente cuando se mueve de su posición de reposo. El conductor nota que al jalar el coche hacia abajo y soltarlo, regresa a su posición inicial de manera oscilatoria, con la aceleración siempre dirigida en sentido opuesto al desplazamiento. Basado en este comportamiento, ¿qué tipo de movimiento está exhibiendo el sistema de suspensión del coche?

• Movimiento Armónico Simple.

• Movimiento Oscilatorio Forzado.

• Movimiento Rectilíneo Uniforme.

• Movimiento Circular Uniforme.

• Movimiento Oscilatorio Amortiguado.

Answer explanation

Pregunta 1. A - Para determinar qué tipo de movimiento está exhibiendo el sistema de suspensión del coche, analicemos las características descritas en la pregunta.

**Paso 1: Identificar la información proporcionada**

- El coche está suspendido por un sistema de resortes.
- Cuando el coche se jala hacia abajo y se suelta, regresa a la posición inicial de manera oscilatoria.
- La aceleración siempre está dirigida en sentido opuesto al desplazamiento.

**Paso 2: Entender el comportamiento del sistema**

Cuando el coche se desplaza de su posición de equilibrio y se suelta, los resortes ejercen una fuerza restauradora que hace que el coche oscile alrededor de esa posición. La característica de que la aceleración siempre es opuesta al desplazamiento indica que la fuerza restauradora sigue la relación F = -k x, donde k es la constante del resorte y x es el desplazamiento.

*Paso 3: Relacionar con tipos de movimiento**

Existen diferentes tipos de movimientos oscilatorios, entre ellos:

- Movimiento Armónico Simple (MAS): Caracterizado por una fuerza restauradora que es proporcional y opuesta al desplazamiento, resultando en una aceleración también proporcional y opuesta al desplazamiento.
- Movimiento Oscilatorio Amortiguado: Similar al MAS, pero con la presencia de fuerzas disipativas que reducen la amplitud de las oscilaciones con el tiempo.
- Movimiento Oscilatorio Forzado: Cuando una fuerza externa actúa sobre el sistema, manteniendo o alterando las oscilaciones.

**Paso 4: Analizar las características del sistema de suspensión**

En la pregunta, no se menciona la presencia de fuerzas disipativas (como fricción o resistencia del aire) o fuerzas externas adicionales actuando sobre el sistema después de que se suelta el coche. Por lo tanto, las oscilaciones continuas indican la ausencia de amortiguamiento y forzado.

**Paso 5: Conclusión sobre el tipo de movimiento**

Dado que la fuerza restauradora es proporcional y opuesta al desplazamiento y no hay fuerzas disipativas o externas actuando sobre el sistema, el movimiento exhibido por el sistema de suspensión del coche es Movimiento Armónico Simple (MAS)

Pregunta 2. Mientras bucea en un lago, un nadador se percata de que la presión en sus pies aumenta conforme desciende. Teniendo en cuenta que la presión hidrostática esta asociada a la columna de agua, ¿Cuál de las siguientes situaciones explica correctamente el aumento de presión que el agua ejerce sobre los pies del nadador a distintas profundidades?

• La profundidad no afecta la presión, sino más bien la velocidad a la que el nadador se mueve en el agua.

• La presión es mayor a mayores profundidades porque la densidad del agua incrementa a medida que uno desciende.

• A medida que el nadador desciende, la presión que el agua ejerce en sus pies aumenta porque la masa de la columna de agua que está encima de ellos crece con la profundidad, lo que resulta en una mayor fuerza por unidad de área.

• La presión aumenta porque el área de los pies del nadador se reduce a medida que bucea más profundo.

Answer explanation

Mira el siguiente video para profundizar sobre el concepto de presión y presión hidrostática.
https://www.youtube.com/watch?v=gFkw5Zf7vz4

Pregunta 3. Se utiliza un sistema hidráulico en una grúa para levantar cargas pesadas. El pistón más pequeño tiene un área de 0.02 m² y el pistón más grande tiene un área de 0.5 m². Según el Teorema de Pascal, ¿Qué fuerza se debe aplicar al pistón más pequeño para levantar una carga de 2000 N en el pistón más grande?

• 800 N

• 100 N

• 200 N

• 40 N

• 80 N

Answer explanation

Vamos a resolver el problema paso a paso utilizando el Teorema de Pascal, que establece que la presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones.

Revisa la imagen con el paso a paso del calculo y compara

Para levantar la carga de 2000 N en el pistón grande, se debe aplicar una fuerza de 80 N en el pistón más pequeño.

Pregunta 4. En un túnel de viento, los ingenieros están observando cómo se comporta el flujo de aire alrededor de distintos perfiles de ala de avión. Aplicando el principio de Bernoulli, ¿Qué sucede con la presión del aire en la zona donde aumenta la velocidad del flujo?

• La velocidad del flujo disminuye en la zona donde la presión del aire aumenta.

• La densidad del aire aumenta en la zona donde aumenta la velocidad del flujo.

• La presión del aire se mantiene constante en la zona donde aumenta la velocidad del flujo.

• La presión del aire aumenta en la zona donde aumenta la velocidad del flujo.

• La presión del aire disminuye en la zona donde aumenta la velocidad del flujo

Answer explanation

En el siguiente enlace puedes ver un practico y divertido video que te ayudara a comprender mejor el principio de Bernoulli
https://www.youtube.com/watch?v=BW0UmTEMMAc

Pregunta 5. Un sistema masa-muelle está oscilando horizontalmente sin fricción. Cuando el muelle se deforma 0.16 m en relación con la posición de equilibrio, si la velocidad de la masa es de 2.00 m/s en su punto de equilibrio. Considerando la conservación de la energía mecánica en el movimiento armónico simple, ¿Cuál es la velocidad de la masa cuando el muelle se deforma 0.08 m?

• La velocidad de la masa cuando el muelle está deformado 0.08 m es 2 m/s.

• La velocidad de la masa cuando el muelle está deformado 0.08 m es 0.5 m/s.

• La velocidad de la masa cuando el muelle está deformado 0.08 m es 0 m/s.

• La velocidad de la masa cuando el muelle está deformado 0.08 m es 1 m/s.

Answer explanation

🎢 Imagina que la masa es como un niño en un columpio horizontal

• El punto del centro (posición de equilibrio) es donde el columpio pasa más rápido.

• Los extremos, cuando el columpio se estira completamente hacia un lado, son los puntos donde se detiene un instante antes de volver.

---

🔄 ¿Qué pasa con la energía?

• Cuando la masa está en el centro, toda su energía es energía cinética: está en movimiento total.
  → Velocidad máxima, como cuando el columpio pasa rápido por el centro.

• Cuando la masa está en los extremos, toda su energía es energía potencial del resorte: el resorte está más estirado o comprimido.
  → Velocidad cero, se detiene justo antes de devolverse.

• En cualquier posición intermedia, como a mitad de camino entre el centro y el extremo, la energía está repartida:

  • Parte es cinética (porque va en movimiento),

  • Parte es potencial (porque el resorte está algo comprimido o estirado),

  • La velocidad está entre cero y el máximo.

---

🧠 ¿Qué idea deben recordar?

Cuanto más cerca del centro está la masa, más rápido va. Cuanto más lejos está, más lenta va.

Porque la energía del sistema siempre se conserva, pero cambia de forma: de potencial a cinética y de cinética a potencial.

Un péndulo simple está compuesto por una masa que se sujeta al extremo de una cuerda pudiendo oscilar a lado y lado de su posición de equilibrio. Un grupo de estudiantes utiliza uno de estos péndulos para realizar una práctica de laboratorio, consignando sus observaciones en la siguiente tabla. Al analizar estos datos, una conclusión que los estudiantes deberán reportar en el informe de laboratorio es:

• La frecuencia del péndulo es directamente proporcional a su longitud e independiente de su periodo.

• El periodo de oscilación de un péndulo es independiente del material del que está hecho.

• El periodo de un péndulo es directamente proporcional a la raíz cuadrada de su longitud.

• El tiempo que gasta el péndulo en hacer una oscilación es independiente de su longitud.

Answer explanation

En el siguiente video puedes observar cuales son las variables que afectan el periodo de un péndulo simple.

https://www.youtube.com/watch?v=ltjkw9TKg1I

Si el péndulo se mueve del punto 1 al 3, el diagrama de fuerzas que actúa en el punto 3 es:

• C

• D

• B

• A

Answer explanation

✅ Paso 1: Identificar las fuerzas en juego

Un péndulo (una masa colgando de una cuerda) está sometido a dos fuerzas principales en cualquier momento de su movimiento:

1. Peso (mg): Siempre apunta hacia abajo (al centro de la Tierra).

2. Tensión (T): Siempre apunta a lo largo de la cuerda, hacia el punto de suspensión.

---

✅ Paso 2: Analizar la posición del punto 3

En la imagen:

• El punto 3 es el extremo derecho del movimiento.

• Ahí, el péndulo está justo cambiando de dirección, lo que significa que la velocidad es cero en ese instante.

• Pero aunque no se mueva en ese momento, las fuerzas siguen actuando.

---

✅ Paso 3: Elegir el diagrama correcto

En el punto 3:

• La tensión (T) debe estar apuntando hacia el soporte, en dirección de la cuerda (hacia arriba y a la izquierda).

• El peso (mg) sigue apuntando hacia abajo.

• No hay una flecha de velocidad, porque la velocidad es cero justo en el extremo.

---

🔎 Comparar con las opciones:

• A: Tensión vertical hacia arriba. ❌ Incorrecto (la cuerda no está vertical en el punto 3).

• B: Tensión diagonal, y hay una flecha de velocidad. ❌ Incorrecto (sí tiene velocidad en el punto 2, pero no en el 3).

• C: Tensión correcta (diagonal), pero también muestra velocidad. ❌ Incorrecto.

• D: Tensión hacia arriba, peso hacia abajo, sin velocidad. ✅ Correcto si se interpreta que la tensión apunta según la cuerda (aunque no está dibujada en diagonal, en estilo simplificado puede aceptarse si es la única sin flecha de velocidad).

---

✅ Respuesta correcta: D

---

🧠 Resumen

En el punto más alejado (como el punto 3), el péndulo se detiene un instante antes de devolverse. En ese momento:

• La velocidad es cero, por eso no hay flecha de velocidad.

• El peso siempre va hacia abajo.

• La tensión va a lo largo de la cuerda, hacia el punto de sujeción.

En una práctica de laboratorio, un grupo de estudiantes analiza el comportamiento de un péndulo, midiendo la longitud de la cuerda, el número de oscilaciones que puede hacer en un minuto y calculando el periodo que emplea en hacer una oscilación. El grupo consignó los datos en la tabla.El título adecuado que se debe poner en la casilla del extremo superior izquierdo de la tabla es

• Frecuencia (Hz).

• Velocidad (m/s).

• Aceleración de gravedad (m/s2).

• Longitud (cm).

Answer explanation

Para saber qué título poner, observa cómo cambian los datos. En este caso, la primera columna tiene que ser la variable que los estudiantes cambiaron en cada experimento, y que afecta al resto. Esa variable es la longitud del péndulo, y al aumentar, el péndulo se vuelve más lento. Así supimos que el título correcto era Longitud (cm).

En un laboratorio de física, un estudiante observa el movimiento de un bloque unido a un resorte que oscila verticalmente. Al registrar el desplazamiento del bloque a lo largo del tiempo, nota que la aceleración del bloque varía proporcionalmente al desplazamiento, pero con el signo opuesto. Basado en la definición de Movimiento Armónico Simple, ¿Cuál de las siguientes afirmaciones caracteriza mejor el movimiento observado por el estudiante?

• El movimiento observado por el estudiante es Movimiento Acelerado, caracterizado por una aceleración constante en una dirección específica.

• El movimiento observado por el estudiante es Movimiento Armónico Amortiguado, que se caracteriza por una reducción gradual de la amplitud a causa de la fricción.

• El movimiento observado por el estudiante es Movimiento Rectilíneo Uniforme, caracterizado por una velocidad constante durante todo el trayecto.

• El movimiento observado por el estudiante es Movimiento Oscilatorio Forzado, caracterizado por una fuerza externa actuando sobre el sistema.

• El movimiento observado por el estudiante es Movimiento Armónico Simple, caracterizado por una aceleración proporcional al desplazamiento y en la dirección opuesta.

Answer explanation

Un sistema masa-resorte se compone de un resorte con una constante de resorte de 50 N/m y una masa de 2 kg. La masa se desplaza 0.10 m desde la posición de equilibrio y se suelta, comenzando un movimiento armónico simple. ¿Cuál es la velocidad de la masa cuando alcanza la posición de 0.05 m con respecto al punto de equilibrio?

• La mitad de su velocidad máxima

• El doble de su velocidad máxima

• Su velocidad es cero

• Su velocidad es máxima

Answer explanation

🎢 Imagina el movimiento como una montaña rusa horizontal

• Cuando la masa se estira hasta 0.10 m, está en uno de los extremos de su movimiento.

  • Ahí está detenida por un instante.

  • Toda su energía es potencial (porque el resorte está estirado).

• Cuando la masa pasa por la posición de equilibrio (0.00 m), va a su máxima velocidad.

  • En ese momento, toda la energía se ha convertido en cinética.

  • El resorte no está ni estirado ni comprimido.

---

🧠 ¿Qué pasa en la posición intermedia de 0.05 m?

• Esta posición está a medio camino entre el extremo (0.10 m) y el centro (0.00 m).

• Aquí:

  • El resorte aún está un poco estirado, por lo tanto hay algo de energía potencial.

  • Pero la masa ya ha empezado a moverse, así que tiene también energía cinética.

• La energía total se conserva, simplemente se reparte entre las dos formas:

  • Parte como energía del resorte (potencial),

  • Parte como movimiento (cinética).

---

⚖️ Entonces, ¿Cómo es la velocidad en ese punto?

• Como está a medio camino, la velocidad es menor que la velocidad máxima, pero mayor que cero.

• Se está moviendo rápidamente, pero aún no ha alcanzado su punto más rápido.

• El resorte ya ha recuperado parte de su energía y la está transformando en movimiento.

---

✅ Idea clave para el estudiante:

A medida que la masa se acerca a la posición de equilibrio, la velocidad aumenta porque la energía potencial se convierte en cinética.

En el punto de 0.05 m (mitad del recorrido), la velocidad es intermedia