CINEMATICA La cinemática es la parte de la fÃsica que se encarga
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CINEMATICA La cinemática es la parte de la fÃsica que se encarga
CINEMATICA La cinemática es la parte de la física que se encarga del estudio del movimiento sin importar las causas que lo originan. Lo primero que hacemos cuando decimos que un cuerpo se mueve es referirlo instintivamente a un objeto que consideramos en reposo. Es decir, elegimos un sistema de referencia que consideramos fijo. Si el cuerpo en estudio, a medida que pasa el tiempo, cambia de posición respecto al SR decimos que se está moviendo. Sin embargo, en el universo nada está en reposo y por tanto es imposible disponer de un sistema de referencia fijo, es por eso que todos los movimientos son relativos. VECTOR DE POSICIÓN Una vez elegido el sistema de referencia (SR), lo primero que nos interesa es conocer la posición del móvil en cada momento respecto de él. Para ello utilizaremos el vector de r posición. El vector de posición ( r ) va a ser un vector que siempre está centrado en el origen del SR y cuyo extremo esté allí donde lo está el móvil. Evidentemente si el extremo del vector de posición está siempre donde el móvil debe ser un vector que varíe con el tiempo: r r r r r ( t ) = rx ( t ) i + ry ( t ) j + rz ( t )k Por ejemplo, en dos instantes determinados el móvil puede encontrarse en las posiciones que indica la figura, el vector de posición en esos instantes será: Puesto que el vector de posición tiene siempre su extremo donde está el móvil, es evidente que la curva que describen los extremos de dicho vector coincidirá con la trayectoria del móvil, es decir: • • La trayectoria es la curva que describen los extremos del vector de posición Las componentes del vector de posición nos dan las coordenadas de la posición del móvil, por tanto son las ecuaciones paramétricas de la trayectoria Ejemplo: Un móvil se desplaza obedeciendo a las ecuaciones paramétricas x = t2 + 2 y = t2 a) ¿Qué representan dichas ecuaciones? b) ¿Cual es la ecuación de la trayectoria en forma normal? c) ¿Cuál es el vector de posición del móvil? a) Las ecuaciones paramétricas nos dan las coordenadas del móvil, es como cuando se juega a los barquitos y dándole valores al tiempo nos dan su posición en cada instante. b) Para obtener la ecuación de la trayectoria en forma normal no hay más que eliminar el parámetro, que en este caso es el tiempo, así que: t2 = x − 2 y = x−2 t =y 2 como puedes ver la ecuación de la trayectoria corresponde a la ecuación de una recta, por lo que el movimiento es rectilíneo. c) Puesto que las componentes del vector de posición son las ecuaciones paramétricas de la trayectoria, dicho vector será: r r r r = ( t 2 + 2) i + t 2 j Si representas la ecuación de la trayectoria y el vector de posición, por ejemplo en los instantes t=1 y t=2 podrás comprobar gráficamente que sus extremos están sobre la trayectoria: VELOCIDAD La velocidad es una magnitud física que nos mide como cambia el vector de posición en función del tiempo, lo que matemáticamente se expresa mediante la derivada del vector de posición con respecto al tiempo: r r dr v= dt Sabemos que la derivada de un vector es otro vector tangente a la curva que describen los extremos del vector sin derivar. Puesto que el vector sin derivar es el vector de posición y la curva que describen los extremos del vector de posición es la trayectoria, es evidente que el vector velocidad es un vector tangente a la trayectoria en cualquier momento. Las componentes del vector velocidad son las derivadas de las componentes del vector de posición: r r r dr r dry r v= x i+ j = vx i + vy j dt dt Si observas las figuras verás que para desplazamientos grandes el módulo del vector desplazamiento no coincide con el espacio recorrido sobre la trayectoria, pero para un desplazamiento infinitesimal sí que son iguales: r ∆ r ≠ ∆s pero r d r = ds La velocidad también puede obtenerse derivando la ecuación de la forma en que recorre el espacio en función del tiempo, pero en este caso solo obtendríamos el módulo de la velocidad: ds v= dt Puesto que en este caso solo obtenemos el módulo, si queremos escribirla en forma de vector tendremos que añadirle un vector unitario en la dirección y sentido de la velocidad: r ds r v = ⋅uv dt Ejemplo r r r El vector de posición de un móvil viene dado por: r = (3t 2 + 2) i + 4 t 2 j Sabiendo que parte del reposo y que el espacio inicial son 5 m. Calcular: a) El vector velocidad b) El módulo de la velocidad c) La ecuación de la trayectoria d) La ecuación del espacio e) En el instante t=2 seg. Calcular su posición, su velocidad y el espacio que habrá recorrido. a) El vector velocidad es la derivada del vector de posición, así que: r r r r dr v= = 6 t ⋅ i + 8t ⋅ j dt b) El módulo de la velocidad será: v= (6t )2 + (8t )2 = 10t c) Como sabemos, las componentes del vector de posición son las ecuaciones paramétricas de la trayectoria, de manera que no hay más que eliminar el tiempo entre ambas para obtenerla en forma normal: x = 3t 2 + 2 t 2 = (x − 2 ) / 3 y = 4t 2 t2 = y / 4 y= 4 8 x− 3 3 Corresponde a la ecuación de una recta, por lo que el movimiento es rectilíneo. d) Puesto que el módulo de la velocidad es igual a la derivada del espacio respecto al tiempo, despejando podemos obtener el espacio como integral de la velocidad: v= ds dt s = ∫ v ⋅ dt = ∫ 10 t ⋅ dt = 5t 2 + k ⇒ La k es la constante de integración y obviamente corresponde al espacio inicial, es decir es el valor del espacio, cuando t=0, por tanto, según los datos k=5 y la ecuación final de espacio será: s = 5t 2 + 5 e) Esta es la parte más fácil, puesto que una vez que tenemos todas las ecuaciones, simplemente se trata de sustituir el tiempo por el valor del instante que nos digan, así: ( ) r r r r r r t = 2 = 3 ⋅ 2 2 + 2 i + 4 ⋅ 2 2 j = 14 i + 16 j es decir estará en x=14 ; y=16 r r r r r v t = 2 = 6 ⋅ 2 i + 8 ⋅ 2 j = 12 i + 16 j Su módulo es: v t =2 = 10 ⋅ 2 = 20m / s La dirección, el ángulo que forma con el eje X es α = arctg El espacio recorrido será: s t =2 = 5 ⋅ 2 2 + 5 = 25m vy vx = arctg 8 = 53,1º 6 ACELERACIÓN La aceleración es una magnitud física que nos mide como cambia el vector velocidad en función del tiempo, por tanto, se define como la derivada del vector velocidad respecto al tiempo: v v r r r dv dv x r dv y r r dv a= a= = j = ax i + ay j i+ dt dt dt dt La aceleración, según se deduce de su definición, es un vector tangente a la curva que describen los extremos del vector velocidad. COMPONENTES INTRÍNSECAS DE LA ACELERACIÓN Que la aceleración sea un vector tangente a la curva que describen los extremos del vector velocidad no nos ayuda a dibujarlo, así que lo que vamos a hacer es decomponer al vector aceleración en dos vectores: Uno en la dirección de la velocidad y otro en dirección perpendicular, es decir normal, a la velocidad. Lo primero que haremos es definir dos vectores unitarios: r τ va a ser un vector unitario en la dirección a la velocidad, es decir un vector unitario tangente a la trayectoria en cada momento. r n va a ser un vector unitario normal a la velocidad Como sabemos, un vector puede expresarse como producto de su módulo por un vector unitario en la dirección y sentido del vector, así pues, la velocidad podemos expresarla como: r r v = v⋅τ derivando al vector velocidad respecto al tiempo obtendríamos la aceleración: r r r dv dv r dτ a= = ⋅τ+ v⋅ dt dt dt r El primer sumando es un vector en la dirección y sentido de τ es decir en la dirección y sentido de la velocidad. El segundo sumando se trata de la derivada de un vector unitario, y ya sabemos que la derivada de un vector que no varía en módulo (sólo en dirección) y el vector son perpendiculares, porque sus extremos describen una circunferencia, así que el r segundo sumando tiene la dirección perpendicular a τ o sea que tiene la dirección de r n . Puede demostrarse que su módulo es v2/r, así que: r dv r v 2 r a= ⋅τ+ ⋅n dt r r Al primer sumando se le llama aceleración tangencial ( at ) porque es un vector tangente a la trayectoria, es decir, en la dirección de la velocidad r El segundo sumando se llama aceleración normal ( a n ) porque es un vector normal a la velocidad. r dv r at = ⋅τ dt r v2 r an = ⋅n r Significado físico: • • La aceleración tangencial nos mide las variaciones del MÓDULO del vector velocidad. Por tanto, si at=0 eso quiere decir que el módulo de la velocidad no varía, es decir que el movimiento es uniforme. La aceleración normal nos mide las variaciones en DIRECCIÓN del vector velocidad. Por tanto si an=0 eso quiere decir que el vector velocidad no varia en dirección, es decir que se trata de un movimiento rectilíneo ( r = ∞ ). Hay que darse cuenta de que al ser el vector aceleración suma de dos vectores, uno tangente a la trayectoria y otro normal, en general la aceleración no tiene la dirección de la velocidad. Solamente cuando an=0 A estas componentes de la aceleración se las llama intrínsecas porque no dependen del sistema de referencia, sino de la propia trayectoria. Relación entre las magnitudes cinemáticas r a s v atang integrando v v = v 2x + v 2y derivando derivando r rr integrando vector Un cuerpo se mueve a lo largo del eje X de acuerdo con la ley: x = 2t3 + 5t2 + 5 Encontrar: a) El vector de posición b) El vector velocidad y el módulo de la velocidad c) Ecuación del espacio d) La aceleración tangencial, la aceleración normal y la aceleración total a) El vector de posición tiene como componentes las coordenadas del móvil:. r r r r r = x i + y j = (2 t 3 + 5t 2 + 5) i r r r dr b) = (6 t 2 + 10 t ) i v= dt v = v 2x + v 2y = (6 t 2 + 10 t ) 2 + (0) 2 = 6 t 2 + 10 t c) La ecuación del espacio se obtiene integrando el “módulo” de la velocidad, así que: s = ∫ v dt = ∫ (6 t 2 + 10 t )dt = 2 t 3 + 5t 2 + s o donde so es la constante de integración que representa al espacio inicial, es decir lo que ya había recorrido cuando t=0. Si tomamos un sistema de referencia centrado en (0,0) resulta que x t =0 = 2t 3 + 5t 2 + 5 t =0 = 5 por tanto la ecuación del espacio recorrido por el móvil sería: s = 2 t 3 + 5t 2 + 5 d) La aceleración tangencial es la derivada del módulo de la velocidad y por eso precisamente mide las variaciones en módulo de la velocidad: at = r r dv d (6 t 2 + 10 t ) = = 12 t + 10 en forma de vector a t = (12 t + 10) τ dt dt La aceleración normal mide los cambios en dirección de la velocidad. Como el movimiento es rectilíneo, porque se mueve a lo largo del eje X, la velocidad no cambia de dirección y su an=0 an = r r v2 = 0 en forma de vector a n = 0 n R La aceleración total es la suma vectorial de la aceleración tangencial y de la aceleración normal. El módulo de la aceleración total (como ambas aceleraciones son vectores perpendiculares porque la at tiene la dirección de la velocidad y la an es normal a la velocidad), aplicando el teorema de Pitágoras es: r r r r a = a t + a n = (12 t + 10) τ a = a 2t + a 2n = (12 t + 10) 2 + 0 2 = 12 t + 10 El vector aceleración total puede obtenerse también como derivada del vector velocidad, que es precisamente su definición: r r r r dv d (6 t 2 + 10 t ) i a = = = (12 t + 10) i dt dt CASOS PARTICULARES DE MOVIMIENTOS 1. Movimiento rectilíneo y uniforme (MRU) Es aquel en el que la trayectoria es rectilínea y la velocidad constante, por tanto la aceleración normal debe ser cero (para que no cambie en dirección) y la aceleración tangencial nula (para que la velocidad no cambie en módulo) an = 0 → rectilíneo at = 0 → uniforme, ya que dv = 0 ⇒ v = cte dt Recordando que el módulo de la velocidad es igual a la derivada del espacio con respecto al tiempo, tendremos que: v= ds td ⇒ s = ∫ v ⋅ dt = vt + s o so es la constante de integración, y como puede verse es el espacio cuando t=0, es decir el espacio inicial. 2. Movimiento rectilíneo y uniformemente acelerado (MRUA) Es aquel en el que la trayectoria es rectilínea y la velocidad varía uniformemente, por tanto la aceleración normal debe ser cero (para que no cambie en dirección) y la aceleración tangencial igual a una constante no nula (para que la velocidad varíe en módulo de manera constante, es decir uniformemente) an = 0 → rectilíneo at ≠ 0 → acelerado uniformemente Puesto que at = dv dt ⇒ v = ∫ a t ⋅ dt = a t t + v o y como: s = ∫ v ⋅ dt = ∫ (a t t + v o ) ⋅ dt = 1 2 a t t + vo t + so 2 Que corresponden con las fórmulas que recordamos para el MRUA de los cursos elementales: a = cte v = vo + a.t 1 s = s o + v o t + at 2 2 3. Movimiento circular y uniforme (MCU) Es el que describe un móvil con velocidad constante sobre una trayectoria circular. Eso quiere decir que la aceleración tangencial debe ser nula porque la velocidad no varía en módulo, pero la aceleración normal debe ser una constante distinta de cero, ya que describe una circunferencia y por tanto el vector velocidad varía constantemente en dirección: v2 an = → circular R at = 0 → uniforme Hay que darse cuenta de que en el MCU aunque la velocidad es constante en módulo, no es constante del todo, puesto que varía en dirección, de ahí que exista aceleración normal. El espacio recorrido por el móvil será: v= ds dt ⇒ s = ∫ v ⋅ dt = vt + s o En un movimiento circular uniforme, piensa en un disco que está girando, cada punto tiene una velocidad distinta dependiendo de su distancia al eje de giro, así el punto más alejado tiene una velocidad mayor que otro más cercano porque en el mismo tiempo recorre un espacio mayor. Sin embargo todos los puntos giran el mismo ángulo en el mismo tiempo, por eso nos interesa definir otras magnitudes más apropiadas al tipo de movimiento. De la misma manera que ds/dt nos mide la rapidez con que el móvil recorre el espacio dϕ/dt nos mide la rapidez con que describe los ángulos y se llama velocidad angular. ω= dϕ dt de ahí puede deducirse fácilmente la expresión del ángulo girado en función del tiempo, ya que: ϕ = ∫ ω ⋅ dt = ωt + ϕ o Recordando que, por definición el ángulo es la relación entre el arco y el radio, tenemos que: s = ϕ .R Si derivamos con respecto al tiempo y teniendo en cuenta que R es constante por tratarse de una circunferencia y su derivada nula: ds dϕ dR dϕ R+ϕ = = R dt dt dt dt v = ωR La velocidad angular es un vector que tiene de módulo dϕ/dt , su dirección es la perpendicular al plano del movimiento y el sentido viene dado por la regla del sacacorchos que gire como lo hace el móvil, por tanto: r r r v = ω∧ r El movimiento circular uniforme es periódico, porque el móvil tarda siempre el mismo tiempo en dar una vuelta, es decir, que a intervalos regulares de tiempo pasará por el mismo sitio y tiene los mismos valores cinemáticos. Al tiempo que tarda en dar una vuelta se le llama periodo (T) y puesto que una vuelta completa son 2π radianes, podemos poner que: 2π ω= = 2π ⋅ ν T donde se ha tenido en cuenta que la frecuencia (ν) que es el número de vueltas que da e 1 segundo es la inversa del periodo: ν=1/T 4. Movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) Es el que describe un móvil con aceleración constante sobre una trayectoria circular. Eso quiere decir que la aceleración tangencial es una constante al igual que la aceleración normal, ya que describe una circunferencia y por tanto el vector velocidad varía constantemente en módulo y en dirección: v2 an = → circular R at ≠ 0 → uniformemente acelerado La expresión de la velocidad y del espacio recorrido se obtienen exactamente igual que si el movimiento fuese rectilíneo: dv at = ⇒ v = ∫ a t ⋅ dt = a t t + v o dt ds 1 ⇒ s = ∫ v ⋅ dt = ∫ (a t t + v o ) ⋅ dt = a t t 2 + v o t + s o v= dt 2 Y las magnitudes angulares de forma similar, pero antes vamos a definir la aceleración angular, puesto que si la velocidad varía en módulo y como v=ω.R entonces ω también debe variar, así que debemos definir una aceleración angular que mida los cambios e módulo r de ω v = ω⋅ R Derivando respecto al tiempo: dv dω dR = ⋅ R + ω⋅ dt dt dt 0 porque R es constante así que nos queda que: at = α ⋅R donde hemos llamado aceleración angular (α) a la variación de la velocidad angular respecto al tiempo (por similitud con la at). Como el vector velocidad angular no cambia en dirección y siempre tiene la perpendicular al plano del movimiento, la aceleración angular que es su derivada tiene la misma dirección, ya que un vector que no varía en dirección y su derivada son paralelos. r r r at = α ∧ r Para deducir las expresiones de las magnitudes angulares procedemos de la misma forma, solo que teniendo en cuanta que en lugar de espacio, velocidad lineal y aceleración tangencial tendremos respectivamente ángulo, velocidad angular y aceleración angular, por tanto: α= ω= dϕ dt ⇒ dω dt ⇒ ω = ∫ α ⋅ dt = α ⋅ t +ω 0 ϕ = ∫ ω ⋅dt = ∫ (α ⋅ t + ω0 ) ⋅ dt = 1 α ⋅ t 2 + ωo t + ϕ o 2 Ejemplo Un niño tiene un tren con una pista circular de 1m de diámetro. Cuando pone en marcha el tren, éste tarda medio segundo en adquirir su velocidad de régimen, que es de 4 m/s. Calcular: a) La aceleración tangencial, normal y angular del tren en todo momento b) La aceleración total del tren en el momento t=0,2 seg. c) La velocidad angular de régimen d) El periodo y la frecuencia e) Espacio que recorre en 10 segundos y el ángulo que habrá girado f) Si, después de jugar un rato, el niño desconecta el tren y se para en 1 segundo, ¿cuál es la aceleración de frenado? a) En la primera fase, de 0,5 seg de duración, el movimiento es acelerado y por tanto habrá aceleración normal, tangencial y angular no nulas. La velocidad en esta fase viene dada por: v = vo + a t t Teniendo en cuenta que parte del reposo (vo=0) y que a los 0,5 seg la velocidad es de 4 m/s, sustituyendo tenemos que: 4 = a t ⋅ 0,5 ⇒ at = 8 m/s2 La aceleración normal durante la primera fase no es constante, ya que depende de la velocidad y esta varía: v = 8⋅ t v 2 (8 t ) = = 128 t 2 R 0,5 2 an = La aceleración angular: at = α ⋅R ⇒ α= at 8 = = 16rad / seg 2 R 0,5 Pasados los 0,5 seg de la primera fase el tren se mueve con movimiento uniforme de 4 m/s, por tanto at =0 y α=0 la única aceleración que no es nula es la an porque es la que mide los cambios en dirección del la velocidad, que valdrá: an = v2 42 = = 32m / seg 2 R 0,5 Resumiendo tenemos que: (Observa que los valores de la velocidad y de la an dependen del tiempo) 1ª fase MCUA v=8t an = 128 t2 at = 8 m/s2 ω = 16 t α = 16 rad/s2 2ª fase MCU v = 4 m/s an = 23 m/s2 at = 0 m/s2 ω = 8 rad/s α = 0 rad/s2 b) En el instante t=0,2 seg la aceleración total será la suma vectorial de la at y an para t=0,2 seg ⇒ at = 8 m/s2 an = 128.0,22 = 5,12 m/s2 r r r a = at + an a = a t + a n = 8 2 + 5,12 2 = 9,50m / s 2 2 2 c) La velocidad lineal de régimen es 4 m/s, así que la angular será: v = ω⋅ R ⇒ ω= v 4 = = 8rad / seg R 0,5 d) Como en un MCU ω = ϕ / t y el periodo es el tiempo que tarda en dar una vuelta, o sea 2π radianes: 2π 2π 2π π ω= ⇒ T= = = seg. T ω 8 4 y la frecuencia, que mide el número de vueltas que el tren da en un segundo, que es la inversa del periodo sería: 1 4 ν = = seg. T π e) Para calcular el espacio recorrido en 10 segundos habrá que tener en cuenta que los primeros 0,5 los recorre con movimiento acelerado y los 9,5 restantes con movimiento uniforme: 1 1 Fase acelerada ⇒ s = s o + v o t + a t t 2 = 8 ⋅ 0,5 2 = 1m 2 2 Fase uniforme ⇒ s = s o + vt = 4 ⋅ 9,5 = 38m El espacio total será la suma, es decir 39 m. El ángulo girado, teniendo en cuenta la relación entre el espacio y el ángulo: s = ϕ⋅R ⇒ ϕ= s 39 = = 78 radianes R 0,5 Al mismo resultado se habría llegado si hubiésemos calculado el ángulo girado en cada uno de los dos tramos con las expresiones correspondientes: 1 ϕ = ϕ o +ωo t + α ⋅ t 2 2 ϕ = ϕo + ω ⋅ t (1ª fase ) (2ª fase) Por cierto, que como sabemos una vuelta son 2π radianes, pues entonces el número de vueltas que da el tren en esos 10 segundos es: 78rad = 12,41vueltas 2π La parte entera son vueltas completas y el resto es la fracción de vuelta, es decir que el tren ha dado 12 vueltas completas y 0,41*2π=2,6 radianes. f) Ahora tenemos un movimiento circular uniformemente retardado, es decir que tanto la aceleración tangencial tiene sentido contrario a la velocidad, como la aceleración angular tiene sentido contrario a la velocidad angular: v = vo + a t t ⇒ 0 = 4 + a t ⋅1 ⇒ a t = −4 m / s 2 El signo menos nos indica que at tiene sentido contrario a la velocidad lineal at = α ⋅R α= ⇒ at − 4 = = −8rad / s 2 R 0,5 El signo menos nos indica que α tiene sentido contrario a la velocidad angular. El espacio que recorre en 1 seg. Que tarda en pararse será: 1 1 s = s 0 + v o t + a t t 2 = 4 ⋅ 1 − 4 ⋅ 12 = 2m 2 2 y el ángulo girado: ϕ= s 2 = = 4 rad R 0,5 o bien mediante 1 1 ϕ = ϕ o + ω o t + α ⋅ t 2 = 8 ⋅ 1 − 8 ⋅ 12 = 4 rad 2 2 COMPOSICIÓN DE MOVIMIENTOS Ejemplo Se lanza un cuerpo verticalmente hacia abajo con una velocidad inicial de 7 m/s. a) ¿Cuál será su velocidad después de 3 s de haberlo lanzado?. b) ¿Qué distancia habrá descendido en esos 3 s?. c) ¿Cuál será su velocidad después de haber descendido 14 m?. d) Si el cuerpo se lanzó desde una altura de 200 m, ¿en cuánto tiempo alcanzará el suelo?. e) ¿Con qué velocidad lo hará?. Siempre que en un movimiento exista aceleración constante se trata de movimiento uniformemente acelerado (MUA). No importa si se mueve sobre una trayectoria recta o una trayectoria circular o de cualquier otra forma. En este caso, se trata de un movimiento rectilíneo (porque cae en línea recta y su trayectoria es rectilínea) y uniformemente acelerado porque la aceleración es constante. La de la gravedad, que vale 10 m/s2. COMO LO RESOLVÍAMOS EN CURSOS ANTERIORES: Identificando el tipo de movimiento (Rectilíneo Uniformemente Acelerado) y aplicando las fórmulas del tipo de movimiento. Siempre las fórmulas son las mismas y solo hay dos, únicamente 2, que son: v = vo + a.t 1 s = vo t + a ⋅ t 2 2 Con esas dos se pueden resolver todos los ejercicios que se pueden presentar, por muy difíciles que sean. Sin embargo, dependiendo de los datos, algunas veces es más sencillo utilizar otra ecuación, que no es una ecuación nueva, sino que es una combinación lineal de estas que se obtiene eliminando el tiempo entre ellas.: v = v o2 + 2 ⋅ a ⋅ s Esta tercera ecuación, como ya hemos dicho, no es necesaria pero a veces ayuda a que las operaciones sean más sencillas. El siguiente paso, muy importante, elegir un sistema de referencia (el que quieras). Lo más sencillo siempre es tomar el centro del sistema de referencia en el lugar donde comienza el movimiento y con uno de los ejes en la dirección del movimiento. En ese caso el centro del sistema de referencia será arriba de esa torre o de ese acantilado desde donde se tiró la piedra: Fíjate en dos cosas muy importantes, y en las que a menudo nunca reparas: • Hemos creado un sistema de referencia centrado en el lugar del disparo. • Hemos asignado sentido positivo al sentido en que se va a mover la piedra. (tanto una cosa como otra podría haberse elegido de otra forma y eso no cambia las soluciones del problema.) En ese sistema de referencia lo que va hacia abajo lo tomaremos como positivo y lo que va hacia arriba negativo, así que la velocidad inicial será +7 m/s y la aceleración +10 m/s2. Las ecuaciones de un movimiento uniformemente acelerado son: v = vo + a.t v = 7 + 10*t v = 7 +10*t 1 s = vo t + a ⋅ t 2 2 1 s = 7 ⋅ t + 10 ⋅ t 2 2 s = 7 ⋅ t + 5⋅ t2 Estas son las ecuaciones de “este movimiento” en concreto. Fíjate, si le das un valor al tiempo obtienes lo que vale la velocidad y el espacio en ese instante. Y al contrario, si le damos un valor a la velocidad o al espacio podremos despejar el tiempo que necesita para tener esa velocidad o recorrer ese espacio. Estas son las ecuaciones de todos los movimientos uniformemente acelerados • Fíjate que tanto la ecuación de la velocidad como la del espacio nos dicen lo que valen en cada momento. No hay más que darle un valor a t para saber su velocidad en ese momento y el espacio recorrido en ese tiempo. • Y al contrario, si le damos un valor a la velocidad o al espacio podremos deducir el tiempo que tarda en alcanzar esa velocidad o el que tarda en estar en esa posición. a) Si se lanza una piedra con una velocidad inicial de 7 m/s, ¿Cuál será su velocidad luego de haber descendido 3 s?. Como ya hemos dicho, una vez que sabemos la ecuación de la velocidad basta con dar un valor al tiempo para conocer la velocidad en ese instante: v = 7 +10*t → v = 7 +10*3 = 37 m/s b) Y lo mismo para conocer el espacio recorrido en un tiempo dado: s = 7 ⋅ t + 5⋅ t2 → s = 7 ⋅ 3 + 5 ⋅ 3 2 = 66 m Vamos a resolver el mismo ejercicio pero desde otro sistema de referencia y verás como los resultados son los mismos. Ahora vamos a elegir un SR centrado en el lugar del disparo (que es lo normal) pero el valor positivo va a ser hacia arriba, como es normal en los ejes cartesianos: de acuerdo a ese sistema de referencia la velocidad inicial será –7 m/s y la aceleración – 10 m/s2. Las ecuaciones de un movimiento uniformemente acelerado son: v = vo + a.t v = –7 – 10*t 1 s = vo t + a ⋅ t 2 2 s = −7 ⋅ t + v = –7 –10*t 1 ( −10) ⋅ t 2 2 s = −7 ⋅ t − 5 ⋅ t 2 y la velocidad y el espacio a los 3 segundos sería: v = –7 –10*t → v = –7 –10*3 = –37 m/s s = −7 ⋅ t − 5 ⋅ t 2 → s = −7 ⋅ 3 − 5 ⋅ 3 2 = –66 m Quiere decir que la velocidad vale 37 m/s y el signo menos nos indica que de acuerdo al SR elegido va hacia abajo. Que el espacio resulta –66m quiere decir que transcurridos 3 segundos el móvil ha recorrido 66m, y está en la posición (0,–66) del SR c) ¿Cuál será su velocidad después de haber descendido 14 m?. Es casi igual. Simplemente ahora primero calculamos el tiempo que tarda en recorrer 14m y luego, igual que antes, calculamos el valor de la velocidad en ese instante: s = 7 ⋅ t + 5⋅ t2 → 14 = 7 ⋅ t + 5 ⋅ t 2 → t = 1,114 seg El otro valor del tiempo no vale porque es negativo. Ahora que sabes lo que tarda en recorrer esos 3 metros, podemos calcular la velocidad que tendrá sustituyendo en la primera ecuación: v = 7 + 10*t → v = 7 + 10*1,114 = 18,14 m/s Fíjate como hemos resuelto el apartado con las dos única fórmulas de siempre, pero para eso ha sido necesario resolver un sistema de ecuaciones. Cuando te ocurra eso, si no quieres hacerlo acuérdate entonces de esa tercera fórmula que te dije, que aunque como ves no es imprescindible, pero sí que te ayuda a hacerlo más fácil. Verás: v = v o2 + 2 ⋅ a ⋅ s = 7 2 + 2 ⋅ 10 ⋅ 14 = 18,14 m/s d) Se lanza un cuerpo verticalmente hacia abajo con una velocidad inicial de 7 m/s desde una altura de 200 m, ¿en cuánto tiempo alcanzará el suelo?. Pues exactamente igual, porque se trata de saber qué tiempo tarda en recorrer 200m: s = 7 ⋅ t + 5⋅ t2 → 200 = 7 ⋅ t + 5 ⋅ t 2 → t = 5,663 seg e) Con que velocidad llega al suelo?. Es como decir que velocidad tiene después de recorrer 200m , que ya sabemos que para ello tarda 5,663 seg, así que de la primera ecuación: v = 7 + 10.t → v = 7 + 10.5,663 = 63,63 m/s También podía haberlo hecho con esa tercera fórmula: v = v o2 + 2 ⋅ a ⋅ s = 7 2 + 2 ⋅ 10 ⋅ 200 = 63,63 m/s y ahora que sabes la velocidad con que llega al suelo podrías calcular el tiempo que tarda en caer aplicando la primera ecuación: v = 7 + 10.t → 63,63 = 7 + 10.t → t= 63,63 − 7 = 5,663 seg 10 COMO LO DEBEMOS RESOLVER SIGUIENDO UN MÉTODO GENERAL: Elegimos un SR centrado en el lugar del disparo y dibujamos todas las magnitudes que intervienen (por ejemplo todas las velocidades que intervienen). • Una vez que hayamos dibujado todas las velocidades las sumamos para obtener la velocidad resultante y esa será la fórmula de la velocidad para ese movimiento. • Integrando el vector velocidad obtendremos el vector de posición • Derivando el vector velocidad obtendremos el vector aceleración Cualquiera de los dos esquemas es perfecto, pero debes tener en cuenta que o bien etiquetas los vectores que dibujes con sus módulos o con en su forma vectorial, pero procura no r mezclar y mucho menos disparates como escribir v o = −7 j . Sobre el cuerpo hay dos velocidades: La velocidad inicial que le comunicamos y la velocidad debida a la aceleración de la gravedad (gt). (Recuerda que la gravedad es una aceleración y no una velocidad) Una vez identificadas las velocidades sobre el cuerpo obtenemos la velocidad total sumándolas (teniendo en cuenta de que sumamos vectores). En este caso como todos los vectores tienen la misma dirección simplemente hay que sumar sus módulos (o restarlos si tuviesen sentidos opuestos). r r v o = −7 j r r v grav = −10 t j −−−−−−−−−−−−−−−−− r r v = (−7 − 10 t ) j Una vez que conocemos el vector velocidad podemos obtener: * el vector de posición, integrando el vector velocidad * el vector aceleración, derivando el vector velocidad r r r r = ∫ v dt = (−7 t − 5t 2 ) j r r r dv a= = −10 j dt Esas son las ecuaciones de éste movimiento y con ellas podremos contestar a cualquiera de las preguntas. Conviene que observes algunas cosas que te pueden resultar bastante obvias, pero que se deducen de las expresiones: r • La velocidad, valga el tiempo lo que valga, siempre tiene la dirección − j o lo que es igual siempre hacia abajo. • El vector de posición (como sabes sus componentes son las coordenadas del móvil en función del tiempo) solamente tiene componente jota, así que se mueve sobre el eje Y. r r • Fíjate bien que tanto v como r son dos funciones del tiempo. Claro, la velocidad y la posición van variando continuamente y solo se convierten en números concretos cuando le damos al tiempo un valor concreto. Acostúmbrate a que a la pregunta r r ¿Cuánto vale la velocidad? la respuesta sería v = (−7 − 10 t ) j y no un número. a) La velocidad a los 3seg, se obtiene simplemente sustituyendo ese valor del tiempo en la ecuación de la velocidad: r r r v t =3 = (−7 − 10 ⋅ 3) j = −37 j quiere decir que la velocidad vale 37m/s y que tiene la dirección del vector jota y el menos indica que es hacia abajo, como era de suponer. b) La posición que tendrá el móvil al cabo de t=3seg nos la da el vector de posición sin más que particularizar para ese valor del tiempo: r r r r t =3 = (−7 ⋅ 3 − 5 ⋅ 3 2 ) j = −66 j Quiere decir que en el momento t=3 el cuerpo tiene de coordenadas , respecto al SR elegido), (0,–66) o lo que es igual, que se encuentras sobre el eje Y y que ha descendido 66 metros. c) La velocidad cuando ha descendido 14 metros. Como ya hemos dicho en las observaciones la velocidad es una función del tiempo y no del espacio, pero la posición es también una función del tiempo y eso nos permite calcular el tiempo para el que la posición es (0,–14) y luego poder calcular la velocidad en ese instante. Teniendo en cuenta que las componentes del vector de posición son las coordenadas tenemos que: x=0 y = −7 t − 5t 2 Cuando esté en la posición (0,–14) → r Y la velocidad en ese momento será: v t =1,114 − 14 = −7 t − 5t 2 → t=1,114 seg r r = (−7 − 10 ⋅ 1,114) j = −18,14 j d) En llegar al suelo, es decir en estar en la posición (0,–200) el tiempo que tarda es: x=0 y = −7 t − 5t 2 Cuando esté en la posición (0,–200) → − 200 = −7 t − 5t 2 → t=5,663 seg e) La velocidad cuando llegue al suelo, es decir cuando esté en la posición (0–200) será la velocidad que tiene en el momento t=5,663 seg: r r r v t =5, 663 = (−7 − 10 ⋅ 5,663) j = −63,63 j Ejemplo Se lanza una pelota desde lo alto de una torre de 20 m de altura con una velocidad hacia arriba de 15 m/s. Calcular: a) La altura máxima que alcanza y el instante en que ocurre b) La velocidad con que llega al suelo y el tiempo que tarda en llegar. La pelota está sometida a la velocidad que le damos, vo, y además a la que le propina la gravedad, que vale gt. Vamos a elegir un SR centrado en el lugar del disparo y referido a él tendríamos: En primer lugar observa bien los dibujos. En el de la izquierda hemos reflejado las velocidades como vectores. En el de la derecha hemos dibujado su sentido y simplemente el módulo. Ambos esquemas son absolutamente correctos y equivalentes. Lo que no debes r hacer es escribir las expresiones mezcladas, por ejemplo v o = 15 sería un disparate ya que si a un lado de la expresión hay vector al otro lado también debe haberlo. Otra cuestión a la que el alumno no presta la debida atención es a la elección del SR. No obstante la elección del SR es lo primero que hay que hacer y tenerlo muy en cuenta para hacer el dibujo y para hacer el planteamiento. Al final vamos a resolver este mismo ejercicio para otro SR, pero ahora lo vamos a elegir, como casi siempre, centrado en el lugar del disparo, es decir, que para nuestro SR en el momento t=0 las coordenadas son (0,0), el suelo tiene de coordenadas (0,−20) y la altura máxima alcanzada (0,ymáx) estará medida desde donde disparamos. La velocidad resultante sobre la pelota es la suma vectorial de todas las velocidades sobre la pelota, es decir, la suma vectorial de la velocidad inicial y la debida a la gravedad: r r v = (15 − 10 t ) j y la posición de la pelota en cada instante, que viene dada por su vector de posición, se obtiene integrando: r r r r = ∫ v ⋅ dt = (15t − 5t 2 ) j El movimiento, obviamente, es en una dimensión, como indica que el vector velocidad y de posición tengan una sola componente. Observa en la expresión de la velocidad que: • para valores del tiempo pequeños, la velocidad es positiva, tiene la dirección y r sentido de + j lo que indica que sube. • • hay un valor del tiempo para el que deja de subir y la velocidad se hace nula, es cuando alcanza su altura máxima. para valores del tiempo más grandes la velocidad ya se hace negativa, es decir, baja y r tiene la dirección y sentido de − j Sobre los vectores: Muy a menudo los alumnos preguntan si un ejercicio hay que resolverlo con vectores o sin ellos. Cuando realmente empiezan a comprender la cinemática se dan cuenta de que tal pregunta es un absurdo porque un ejercicio donde intervienen magnitudes vectoriales siempre hay que resolverlo con vectores. No hay otra forma. Lo que pasa es que en los movimientos que transcurren en una sola dimensión, como es el caso, en lugar de r r r r indicar si va hacia arriba mediante v o = 15 j y cuando va hacia abajo v gravedad = 10 t (− j ) r podríamos simplemente dejar de escribir el vector j , y nos quedaría como vo=15 y v gravedad = −10 t . ¿No te das cuenta de que es lo mismo? Simplemente estás dando valor r positivo a lo que va hacia arriba (en sentido + j ) y le estás dando signo negativo a lo que ha r hacia abajo (en el sentido − j ). Así que simplemente en un movimiento en una sola dimensión se trata de literalmente escribir el vector o de sustituirlo por + o – para indicar su sentido. No obstante, cuando el movimiento tenga lugar en dos o más dimensiones no habrá más remedio que utilizar los vectores para facilitar la resolución. a) La altura máxima la alcanza cuando vy=0, por tanto ⇒ vy = 0 0 = 15 –10t ⇒ t = 1,5 seg en ese momento, la coordenada Y, que es precisamente la altura máxima (ymáx) vale: y máx = y t =1, 5 ( = 15t − 5t 2 ) t =1, 5 = 15 ⋅ 1,5 − 5 ⋅ 1,5 2 = 11,25m b) El momento en que la pelota toca el suelo es el momento en el que, en nuestro SR, ocupa la posición (0,−20) es decir que la coordenada Y vale –20, por tanto: − 20 = 15t − 5t 2 ⇒ t = 4 seg la velocidad en ese instante es: r v t =4 r r = (15 − 10 ⋅ 4) j = −25 j ⇒ v = 25 m/s r Su dirección − j indica que va hacia abajo como era de suponer. Observa como el módulo siempre es positivo (se obtiene elevando al cuadrado las componentes y extrayendo la raíz cuadrada), por tanto el módulo no nos da toda la información, el vector sí. Ahora vamos a plantear el mismo ejercicio pero vamos a elegir otro SR. Ahora lo vamos a centrar en el suelo. Para este SR el suelo tiene de coordenadas (0,0) y en el momento t=0, es decir cuando disparamos, las coordenadas son (0,20) y la altura máxima será (0,ymáx) medida desde el suelo: La velocidad será r r v = (15 − 10 t ) j y la posición de la pelota en cada instante, que viene dada por su vector de posición, se obtiene integrando: r r r r = ∫ v ⋅ dt = ( 20 + 15 t − 5t 2 ) j Observa que hemos debido tener en cuenta que para este SR la constante de integración vale 20 (valor de la coordenada Y cuando t=0). En el SR anterior era nula porque estaba centrado en el lugar del disparo y en el momento t=0, x=0 e y=0. Ya ves que el simple cambio de RS nos ha llevado a ecuaciones algo diferentes. Eso quiere decir que no se puede empezar a plantear un ejercicio sin antes concretar el SR, y mucho menos mezclar: hacer un dibujo a lo loco y escribir unas ecuaciones incongruentes con el mismo. a) La altura máxima la alcanza cuando vy=0, por tanto vy = 0 ⇒ 0 = 15 – 10t ⇒ t = 1,5 seg en ese momento, la coordenada Y, que es precisamente la altura máxima (ymáx) vale: y máx = y t =1,5 = (20 + 15 t − 5 t 2 ) t =1,5 = 20 + 15 ⋅ 1,5 − 5 ⋅ 1,5 2 = 31,25m b) El momento en que la pelota toca el suelo es el momento en el que, en nuestro SR, ocupa la posición (0,0) es decir que la coordenada Y vale –20, por tanto: 0 = 20 + 15 t − 5t 2 ⇒ t = 4 seg la velocidad en ese instante es: r r r v t =4 = (15 − 10 ⋅ 4) j = −25 j ⇒ v = 25 m/s Observa que todos los resultados son idénticos salvo la altura máxima, lo que es lógico dado que ahora está referida al suelo y por tanto serían 20 metros más. Ejemplo Una persona desea cruzar un río con una motora que desarrolla una velocidad de 4 m/s. Si la velocidad de la corriente es de 2 m/s ¿En qué dirección debe apuntar la motora para llegar al punto directamente opuesto? ¿Cuándo tardará en cruzar el río sabiendo que tiene 20 m de ancho? La velocidad total del barco será la suma vectorial de la que desarrolla el motor más la de la corriente: r r r v = v mot + v rio La expresión anterior de no escribirla vectorialmente no sería correcta. Para sumar los vectores lo primero es elegir un sistema de referencia, que normalmente lo centraremos siempre en el lugar del disparo. Después se descomponen los vectores en ese sistema y se suman: r r v r v mot = − v mot cos α ⋅ i + v mot senα ⋅ j r r v rio = v rio ⋅ i r r r v = (v rio − v mot cos α ) ⋅ i + v mot senα ⋅ j vx vy este es el vector velocidad del barco en todo momento. El que resulta de los dos movimientos a que está sometido. • Si queremos que llegue al punto opuesto al de partida será necesario que la componente X de la velocidad sea nula, por tanto: v rio 2 ⇒ α = arccos = 60 o v mot 4 El vector velocidad, puesto que su componente X es nula, es: v rio − v mot cos α = 0 cos α = ⇒ r r v = v mot sen 60 ⋅ j integrando al vector velocidad obtenemos el vector de posición: r r r r = ∫ v ⋅ dt = v mot t ⋅ sen 60 ⋅ j y Como vemos solo tiene componente Y, que como sabemos no es más que la coordenada Y en función del tiempo. Así que para y=20, tenemos: 20 = v mot t ⋅ sen 60 ⇒ t= 20 = 5,77seg 4 ⋅ sen 60 Ejemplo Desde lo alto de una torre de 50 m se dispara un proyectil con una velocidad inicial de 100 m/s y una inclinación de 30º sobre la horizontal. Calcular: a) La altura máxima que alcanza b) La velocidad y sus coordenadas a los 2 segundos de lanzarlo c) El tiempo que estará en el aire d) Alcance e) Ángulo que forma con el suelo en el momento del impacto f) tiempo que tardaremos en oír la explosión, sabiendo que la velocidad del sonido son 340 m/s g) Ecuación de la trayectoria Como en todos los problemas de proyectiles elegimos un SR centrado en el lugar del disparo, luego dibujamos las velocidades que actúan y las sumamos vectorialmente y por último integrando calculamos el vector de posición y ya está lo demás es muy sencillo. La velocidad total será la suma de la inicial del proyectil más la que le propina la gravedad: r r r v o = v o cos α ⋅ i + v o senα ⋅ j r r vg = − gt ⋅ j r r r v = v o cos α ⋅ i + (v o senα − gt ) j el vector de posición, integrando: ( ) r r r r r = ∫ v dt = v o t ⋅ cos α ⋅ i + v o t ⋅ senα − 5t 2 j Y ya está. Solamente hay que tener claro el significado de las componentes del vector velocidad y del de posición: r • La componente i de la velocidad es la que le hace desplazarse horizontalmente y la r componente j es la que le hace desplazarse sobre el eje Y, es decir subir o bajar. r • La componente i de la del vector de posición es la coordenada X en cada instante y r la componente j es la coordenada Y. a) La altura máxima es la que alcanza cuando la componente Y de la velocidad es nula (de ser positiva seguiría subiendo y de ser negativa bajaría), así que el tiempo en pararse es: v o senα − gt = 0 100sen 30 − 10 t = 0 ⇒ ⇒ t =5 seg y la altura máxima es la coordenada Y en ese instante, es decir: y max = v o t ⋅ senα − 5t 2 t = 5seg = 100 ⋅ 5 ⋅ sen 30 − 5 ⋅ 5 2 = 125m La altura, obviamente, está referida al SR, así que respecto al suelo sería de 175 m b) La velocidad y coordenadas a los 2 segundos del lanzamiento se obtienen sustituyendo t=2 en las expresiones de la velocidad y del vector de posición. r r r r r v = 100 cos 30 ⋅ i + (100sen 30 − 10 ⋅ 2 ) j = 86,6 i + 30 j r r r r 1 r r = 100 ⋅ 2 cos 30 ⋅ i + 100 ⋅ 2sen 30 − 10 ⋅ 2 2 j = 173,2 i + 80 j 2 las coordenadas son x=173,2m ; y=80m c) El tiempo que está en el aire, que también se llama tiempo de vuelo lo calculamos teniendo en cuenta que en el momento en que toca tierra la coordenada y=–50m, es decir que la componente j del vector de posición es –50 1 − 50 = 100 ⋅ t ⋅ sen 30 − 10 t 2 2 ⇒ Resolviendo: t = 10,92 y t = − 0,92 s La última solución, que es absurda porque el tiempo no puede ser negativo, corresponde al tiempo que el proyectil tardaría en tocar tierra si saliera por la culata. (Matemáticamente corresponde al otro punto de corte de la parábola con la recta y=–50) d) El alcance no es más que la coordenada X cuando el proyectil toca tierra, o sea la X máxima. Por tanto es la coordenada X cuando el tiempo vale 10,92 seg. x max = 100 ⋅ t ⋅ cos 30 t =19 , 92 = 100 ⋅ 10,92 ⋅ cos 30 = 945,70m e) El ángulo que forma con el suelo nos viene dado por el ángulo que forma el vector velocidad en el momento del impacto, así que si calculamos la velocidad en el momento t=10,92 seg: r v t =10 , 92 tgβ = ( ) r r r v = 100 cos 30 i + 100sen 30 − 10 ⋅ 10,92) j = 86,6 i − 59,2 j vy vx = − 59,2 = −0,68 ⇒ β = arctg(− 0,68) = −34,21o 86,6 f) El tiempo que tardaremos en oír la explosión será el que tarda el proyectil en tocar tierra más el que tarda el sonido en volver a nosotros. Teniendo en cuenta que el sonido viaja a una velocidad uniforme de 340 m/s y que podemos calcular el espacio que recorre aplicando el teorema de Pitágoras: s = 945,7 2 + 50 2 = 947 m t= s 947 = = 2,79seg v 340 t total = 10,92 + 2,92 = 13,71seg g) La ecuación normal de la trayectoria se obtiene eliminando el tiempo de las componentes del vector de posición, que como sabemos son las ecuaciones param´ñetricas de la trayectoria, así que: x = v o t ⋅ cos α 1 y = v o t ⋅ senα − gt 2 2 Despejando el tiempo en la primera ecuación y sustituyendo en la segunda se obtiene: y= v senα v o cos α x− g 2 v o cos α 2 2 x2 ⇒ y = 0,58x − 6,67 ⋅ 10 −4 x 2 Que como era de esperar corresponde a la ecuación de una parábola.