¿Qué tan rápido se puede rodar por una colina?

Es más difícil de responder para una persona, por lo tanto, tome una forma cilíndrica (como un rodillo). Y en lugar de una colina, tomemos una pendiente suave, para que no tengamos que preocuparnos por rebotes e irregularidades. Entonces puede calcular se basa en la energía, y es un problema de física universitaria de primer año.

Cuando el cilindro está en la parte superior de la pendiente, tiene una cierta cantidad de energía potencial basada en la altura de la colina. Cuando rueda hacia abajo, esa energía se convierte en energía cinética y rotacional. Para escribir la energía rotacional, necesitas saber el momento de inercia del cilindro. (¡es mucho más complicado para un cuerpo humano!) Los términos de energía te dan la velocidad.

Si luego desea saber cuánto tiempo lleva rodar de arriba a abajo, entonces obtiene la aceleración conectando la fórmula cinemática que relaciona la velocidad, el desplazamiento y la aceleración (tomando la longitud de la inclinación L como el desplazamiento). Y finalmente, como tienes x, v y a, puedes obtener el tiempo.

Puede encontrar un ejemplo para una bola, no un cilindro, aquí, solo necesita enchufar el momento de inercia para un cilindro: Esfera en inclinación. Justo después de eso, en el mismo sitio web, también te muestran un cilindro, pero sin las ecuaciones: Hoop and Cylinder Motion

Si realmente quieres la respuesta exacta para una persona y una colina, ¡eso es mucho más complicado! Pero, si conoce la pendiente de la colina, entonces el esquema de cilindro / plano debería darle la idea general.

La pregunta es qué tan rápido se puede rodar por una colina, que es una cuestión de simplicidad suficiente para que se pueda responder fácilmente. Si la colina tiene una altura h relativa al fondo de la colina en el campo local, la fuerza gravitacional [matemática] g [/ matemática] y el objeto tiene masa [matemática] m, [/ matemática], entonces la energía potencial es [matemática] U = mgh. [/ matemática] Aquí hay dos componentes de la energía cinética: la energía cinética del rodamiento, la energía cinética rotacional y la energía cinética del movimiento de un punto a otro, la energía cinética traslacional. La energía cinética traslacional está dada por [matemática] 1/2 mv ^ 2 [/ matemática] donde [matemática] v [/ matemática] es la velocidad del objeto. Si su cuerpo tiene algún momento de inercia [matemática] M, [/ matemática] el análogo a la masa en energía cinética traslacional, entonces la energía cinética rotacional es [matemática] 1/2 I \ omega ^ 2 [/ matemática] donde [matemática ] \ omega = v / R [/ math] es la velocidad angular del cuerpo (esto supone que el cuerpo tiene un radio). Si supone que no hay pérdidas por fricción, las energías se pueden equiparar con la conservación, de modo que

[matemáticas] U = K [/ matemáticas]

[matemáticas] mgh = \ frac {1} {2} mv ^ 2 + \ frac {1} {2} I \ omega ^ 2 [/ matemáticas]

[matemática] v = \ izquierda (\ frac {2mgh} {m + I / R ^ 2} \ derecha) ^ {1/2} [/ matemática]

Este es un buen problema porque ilustra la importancia de hacer el tipo correcto de pregunta. Puedo decirte que, a cualquier altura dada cuesta abajo, así de rápido vas. Si se le preguntara, cuál es la altura y la velocidad en un momento dado, tiene un problema más complicado. Esto se debe a que la velocidad y la altura se parametrizan con respecto al tiempo, y si intenta usar la ley de Newton, encontrará que la aceleración de la gravedad es en sí misma una función de la posición en la colina y su curvatura, ya que la aceleración debe ser tangente a La pendiente. El problema más difícil es uno que vale la pena preguntar (vea la curva de Brachistochrone), pero este es un excelente comienzo, especialmente porque sabe que cualquier solución más avanzada todavía tiene que cumplir con esta igualdad.

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