Enunciado trabajado.
Dos atletas, Fiona y Lucy, compiten en 200 m rectos. Las velocidades (m/s) se modelan por:
\(v(t)=\dfrac{8.14\,t}{\sqrt{t^2+0.2}}\) y \(w(t)=\dfrac{8\,t}{\sqrt{t^2+0.3}}\), con \(t\ge 0\) (segundos).
a)
- Halla \(v(1)\).
- Halla el instante cuando \(v=5\).
(b) Halla el instante cuando la aceleración de Fiona es 4 m/s2.
c)
- Escribe \(\lim\limits_{t\to\infty} v(t)\).
- Explica por qué ese valor no es válido en el contexto.
(d) Fiona termina la carrera antes que Lucy. Halla a cuánta distancia de la meta está Lucy cuando Fiona completa los 200 m.
Se resuelve por apartados, aplicando las fórmulas necesarias y justificando cada cálculo antes de dar la respuesta final.
(a)(i) \(v(1)=\dfrac{8.14}{\sqrt{1.2}}\approx 7.43\ \text{m/s}.\)\(7.43\ \text{m/s}\)
(ii) \(\dfrac{8.14\,t}{\sqrt{t^2+0.2}}=5\Rightarrow \sqrt{t^2+0.2}=\dfrac{8.14}{5}t\).
Al cuadrar: \(t^2+0.2=\big(\tfrac{8.14}{5}\big)^2 t^2\Rightarrow t^2=\dfrac{0.2}{(8.14/5)^2-1}\approx 0.1212\),
\(t\approx 0.348\ \text{s}.\)\(0.348\ \text{s}\)
(b) \(a(t)=v'(t)=8.14\Big[(t^2+0.2)^{-1/2}-t^2(t^2+0.2)^{-3/2}\Big]=\dfrac{1.628}{(t^2+0.2)^{3/2}}\).
Igualando a 4: \((t^2+0.2)^{3/2}=0.407\Rightarrow t^2+0.2=0.407^{2/3}\Rightarrow t\approx 0.591\ \text{s}.\)\(0.591\ \text{s}\)
(c)(i) \(\displaystyle \lim_{t\to\infty} v(t)= 8.14\ \text{m/s}.\)\(8.14\ \text{m/s}\)
(ii) La carrera dura un tiempo finito; el límite es asintótico y no describe una velocidad alcanzable dentro de la prueba.
(d) Distancia de Fiona hasta el tiempo \(t\):
\[s_F(t)=\int_0^t \frac{8.14\,u}{\sqrt{u^2+0.2}}\,du=8.14\sqrt{t^2+0.2}-8.14\sqrt{0.2}.\]
Imponiendo \(s_F(t_F)=200\): \(\sqrt{t_F^2+0.2}=\frac{200+8.14\sqrt{0.2}}{8.14}\Rightarrow t_F\approx 25.013\,\text{s}.\)
Distancia de Lucy en ese instante:
\[s_L(t_F)=\int_0^{t_F}\frac{8\,u}{\sqrt{u^2+0.3}}\,du=8\sqrt{t_F^2+0.3}-8\sqrt{0.3}\approx 195.772\,\text{m}.\]
Por tanto, distancia a meta de Lucy: \(200-195.772= 4.23\ \text{m}.\)\(4.23\ \text{m}\)