viernes, 28 de febrero de 2025

Dinámica de dos bloques en contacto en una superficie plana sin rozamiento al aplicar una fuerza a uno de ellos

Un bloque $B_1$ de masa $m_1$ y un segundo bloque $B_2$ de masa $m_2$ se encuentran en contacto y en reposo sobre una superficie horizontal. El rozamiento de ambos bloques con la superficie plana se considera despreciable. Se aplica a $B_1$ una fuerza $F$ en la cara opuesta a la enfrentada con el bloque $B_2$. Queremos calcular la aceleración $a$ del movimiento del conjunto formado por los dos bloques en la dirección de la fuerza aplicada, así como la fuerza con la que el bloque $B_1$ actúa sobre el bloque $B_2$.

Como el problema es unidemensional, omitiré la notación vectorial. Consideremos el subsistema (1) formado por el bloque $B_1$ en contacto con $B_2$, según la segunda ley de Newton se tiene que $F-f_{21}=m_1\,a$, donde $f_{21}$ representa la fuerza que $B_2$ ejerce sobre $B_1$, que tiene sentido opuesto a $F$; por otra parte, considerando el subsistema (2) formado por el bloque $B_2$ en contacto con $B_1$, es claro que actúa sobre $B_2$ una fuerza $f_{12}$ (de sentido opuesto a $f_{21}$) que le transmite el bloque $B_1$, luego aplicando la segunda ley de Newton en (2), podemos escribir $f_{12}=m_2\,a$.

Por la tercera ley de Newton, es claro que $f_{21}$ y $f_{12}$ son iguales en módulo, esto es, $f_{12}=f_{21}=:f$. Luego, tenemos que resolver el siguiente sistema de ecuaciones: $$\left\{\begin{matrix} F-f=m_1\,a \\ f=m_2\,a\end{matrix}\right.$$ de donde, muy fácilmente, se obtiene como solución la aceleración y la fuerza pedidas: $$\begin{matrix} a=\dfrac{F}{m_1+m_2} \\ \\ f=\dfrac{m_2}{m_1+m_2}\,F\end{matrix}$$ $\diamond$

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