Si tomaste una barra sólida y uniste un cohete sin masa en un extremo para que quede perpendicular a la barra, ¿cómo se moverá exactamente la barra?

Como cuestión práctica, no existe un cohete sin masa, pero si existiera, y se uniera perpendicularmente al final de la barra, entonces la barra se haría girar alrededor de su centro de masa, lo que podría También sea su centro físico, suponiendo que la varilla sea perfectamente recta, perfectamente redonda y perfectamente uniforme en densidad, etc.

La varilla también se acelerará hasta cierto punto en el espacio tridimensional, y viajará en una curva mientras el cohete continúe disparando. Una vez que el cohete se quema, la barra continuará girando alrededor de su centro de masa, y continuará viajando, pero en línea recta, lo que IIRC será tangencial a la curva en el momento en que el cohete se queme.

A primera vista, pensaría que la varilla solo giraría sobre su centro de masa, pero considere:

Cuelgue una varilla balanceada en una cuerda, de modo que quede horizontal, y tóquela perpendicularmente, en el plano horizontal, en un extremo. El centro de masa obviamente está alineado con la cuerda en suspensión, y la cuerda se desviará de la vertical con su toque.

Por lo tanto, el centro de masa no permanece estacionario en tres dimensiones.

Han pasado muchos años desde que pensé en este tipo de problema, y ​​podría estar equivocado.

Las matemáticas involucradas han sido olvidadas por mucho tiempo, jajaja.

Trataré de abordar esto utilizando una mecánica clásica general.

Deje que el cohete tenga masa [matemática] m [/ matemática] y longitud [matemática] 2r [/ matemática]. Además, deje que la fuerza ejercida por el cohete sin masa sea [matemática] F [/ matemática].

Entonces, el par sobre el centro de masa de la barra es [matemática] rF [/ matemática], por lo que según la versión rotacional de la ley de Newton, tenemos [matemática] rF = \ tau = I \ alpha [/ matemática], donde [matemáticas] I [/ matemáticas] es el momento de inercia y [matemáticas] \ alfa [/ matemáticas] es la aceleración angular.

Es bien sabido que el momento de inercia para barras sólidas con masa [matemática] m [/ matemática] y longitud [matemática] 2r [/ matemática] es [matemática] \ frac {mr ^ 2} {3}, [/ matemática] entonces tenemos [math] \ alpha = \ frac {3rF} {mr ^ 2} = \ frac {3F} {mr} [/ math].

Entonces podemos encontrar [math] \ theta [/ math] integrando [math] \ alpha [/ math] dos veces: [math] \ theta (t) = \ frac {3Ft ^ 2} {2mr} [/ math] ( asumiendo que la velocidad angular inicial y el ángulo inicial son ambos 0).

Finalmente, podemos usar la ley de Newton en el centro de masa: [math] F \ cos (\ theta) = F_ {x} = ma_ {x} [/ math] (en [math] x [/ math] -direction) y [math] F \ sin (\ theta) = F_ {y} = ma_ {y} [/ math] (en la dirección [math] y [/ math]). Al conectar lo que encontramos para [math] \ theta (t) [/ math], tenemos

[matemáticas] a_ {x} = \ frac {F \ cos (\ frac {3Ft ^ 2} {2mr})} {m} [/ matemáticas] y [matemáticas] a_ {y} = \ frac {F \ sin ( \ frac {3Ft ^ 2} {2mr})} {m}. [/ math]

Luego puede integrar cada uno de estos para encontrar el movimiento del centro de masa de la barra. Sin embargo, tenga en cuenta que las expresiones de forma cerrada probablemente no serán muy agradables (podría estar equivocado, pero no creo que existan integrales elementales para [math] \ cos (t ^ 2) [/ math] y [math ] \ sin (t ^ 2) [/ math]).

Debido a que la barra está (presumiblemente) en reposo, el cohete producirá inicialmente una combinación de aceleración en la dirección inicial de su empuje y una rotación de la barra alrededor del centro de masa de la estructura combinada. Luego, dependiendo de los detalles del par relativo al centro de masa y la inercia rotacional de la estructura, la aceleración neta en la dirección original o la aceleración promedio adicional en cualquier dirección irá a cero, el ensamblaje continuará, en promedio, se aleja en su dirección inicial, pero girará alrededor de su centro de gravedad a un ritmo creciente hasta que el cohete se queme. Estos son efectos que se ven a menudo en las pantallas del 4 de julio.