1. características generales del movimiento




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título1. características generales del movimiento
fecha de publicación07.04.2016
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TEMA 1. DESCRIPCIÓN DE LOS MOVIMIENTOS.


. CINEMÁTICA: parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos, independientemente de sus causas.
Estudia cómo se mueven los cuerpos pero no por qué. Describe el movimiento y calcula las características del mismo pero no lo explica.
* Es una parte casi completamente matemática de la Física y carece casi de contenido físico.
. Un cuerpo se mueve cuando cambia su posición respecto a unas referencias determinadas.
En Física para determinar la posición de un cuerpo se utiliza generalmente un sistema de referencia cartesiano.
. Movimiento absoluto y relativo.
El estado de movimiento o reposo de un cuerpo depende siempre del sistema de referencia que elijamos para estudiarlo.
No se conoce ningún sistema de referencia absoluto. Todos los movimientos son relativos.


1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MOVIMIENTO.
1. Posición.
En todo el estudio de la Cinemática y Dinámica de este curso vamos a utilizar la aproximación del punto material: consideraremos a los cuerpos que estudiamos como puntos (objetos sin dimensiones) dotados de masa. Si esto es así para dar la posición de un cuerpo nos basta con indicar el punto que ocupa.
Una vez fijado el sistema de referencia que vamos a utilizar la posición de un cuerpo se determina mediante el vector posición, r: vector que va desde el origen de coordenadas hasta el punto en el que se encuentra el cuerpo.
Se mide en metros (SI).
2. Trayectoria.
Es la línea formada por todos los puntos recorridos por el cuerpo en su movimiento.
3. Vector desplazamiento (Δr).
Se define como el vector que une el punto inicial (r1) y el final (r2) del moviendo de un cuerpo.
Δr = r2r1 (1)
Indica cómo (cuánto y en qué dirección y sentido) ha cambiado la posición del cuerpo.
Se mide en metros (SI).

4. Espacio recorrido (s).
Distancia recorrida por el cuerpo en su movimiento medida sobre su trayectoria.
Es un escalar, no un vector. Se mide en metros (SI)
Solo coincide con el módulo del vector desplazamiento si el cuerpo se ha movido en línea recta y sin cambiar de sentido.
* Una característica muy importante del movimiento de un cuerpo es su velocidad que es una medida de la rapidez con que cambia la posición del mismo. Hay dos tipos de velocidad, la media (referida a un intervalo de tiempo) y la instantánea (referida a un instante). Cuando hablemos de velocidad, sin especificar más, nos referiremos por lo general a la velocidad instantánea.
5. Velocidad media (vm).
La velocidad media (vm) de un cuerpo en un intervalo de tiempo (Δt) se define como:
(2)
donde Δr es el desplazamiento del cuerpo en ese intervalo de tiempo.
Representa la velocidad constante que debería haber tenido el móvil durante el intervalo de tiempo Δt para realizar el desplazamiento Δr.
Es un vector y se mide en m/s (SI).
6. Velocidad instantánea (v).
Intuitivamente se puede decir que es la velocidad que tiene un cuerpo en un instante dado.
Matemáticamente se define como el límite de la velocidad media (en un intervalo de tiempo que contiene el instante indicado) cuando el intervalo de tiempo tiende a cero (y por tanto se convierte en ese instante):

Matemáticamente ese último límite es una operación denominada derivada y se dice que la velocidad instantánea es la derivada de la posición respecto al tiempo.
(3)
La velocidad es un vector y como tal tiene módulo, dirección y sentido. Si cambia cualquiera de estos tres elementos se dice que la velocidad ha cambiado.
Se puede demostrar que el vector velocidad es tangente a la trayectoria en cada punto de la misma y que su sentido es el del movimiento del cuerpo.
El módulo de la velocidad instantánea, v, se denomina rapidez o celeridad del móvil y coincide con el concepto de velocidad en nuestra vida cotidiana. Se puede demostrar que es igual a la derivada del espacio recorrido respecto al tiempo.

Tanto la velocidad instantánea como la celeridad se miden en m/s (SI).
. Si la velocidad de un cuerpo cambia con el tiempo decimos que el cuerpo tiene aceleración.
. La aceleración es una medida de la rapidez con que cambia la velocidad. Hay dos tipos de aceleración, la aceleración media en un intervalo de tiempo y la aceleración instantánea.
.Hay que tener cuidado con dos ideas de nuestra vida cotidiana que pueden conducirnos a error cuando tratamos con la magnitud física aceleración:


  1. En Física hay aceleración siempre que un cuerpo cambie de velocidad, sea en módulo, dirección o sentido. Por tanto un coche que toma una curva con una celeridad constante de 80 km/h tiene aceleración, pues está cambiando la dirección en que se mueve aunque no cambie su rapidez.




  1. En Física decimos que un cuerpo tiene aceleración no solo cuando un cuerpo aumenta la rapidez de su movimiento sino también cuando disminuye y, a veces, aunque no cambie. No distinguiremos entre movimientos acelerados y decelerados.



7. Aceleración media (am).
Se define la aceleración media de un cuerpo en un intervalo de tiempo como el cociente entre la variación de velocidad en ese intervalo de tiempo v y el intervalo de tiempo t.

(4)
La acelaración media, como la instantánea, se mide, en el S.I., en m/s2.
8. Aceleración instantánea (a).
Intuitivamente se puede decir que es la aceleración que tiene un cuerpo en un instante dado.
Matemáticamente se define como el límite de la aceleración media (en un intervalo de tiempo que contiene el instante indicado) cuando el intervalo de tiempo tiende a cero (y por tanto se convierte en ese instante):

La aceleración instantánea es la derivada de la velocidad respecto al tiempo.
(5)


9. Componenentes intrísecas de la aceleración: aceleración tangencial y aceleración normal.
Se denominan componentes intrínsecas de la aceleración aquellas que tendría la aceleración en un sistema de referencia situado sobre el móvil y que se mueve con él de forma que uno de los ejes tenga la dirección y sentido de la velocidad del móvil, eje tangencial (por ser tangente a la trayectoria) y el otro, eje normal, sea perpendicular a él (y a la trayectoria; suponemos movimiento plano).
Este es un sistema de referencia intrínseco, asociado al mismo móvil y no externo a él.
La aceleración tangencial, at, es la proyección (componente) de la aceleración sobre el eje tangencial. Un cuerpo tiene aceleración tangencial si y solo está cambiando la rapidez con que se mueve. La aceleración tangencial tiene la misma dirección que la velocidad. Si el cuerpo se está moviendo más rápido cada vez at tiene el sentido de la velocidad; si su rapidez disminuye, sentido contrario.
La aceleración normal, an, es la proyección (componente) de la aceleración sobre el eje normal. Un cuerpo tiene aceleración normal sí y solo sí está cambiando la dirección en que se mueve. La aceleración normal tiene siempre el sentido que va hacia la parte interior (cóncava) de la curva de la trayectoria.
Se puede demostrar que la aceleración tangencial (componente) es igual a la derivada del módulo del vector velocidad respecto al tiempo:


Para un cuerpo que se mueva en círculos, el módulo de la aceleración normal se puede calcular como:
(6)
donde v es el módulo de la velocidad del cuerpo y R el radio de la circunferencia que describe. El vector an apunta hacia el centro de la circunferencia en cada instante.1
El módulo de la aceleración está relacionado con las componentes de las aceleraciones normal y tangencial de acuerdo con la fórmula:


2. ESTUDIO DE ALGUNOS CASOS PARTICULARES DE MOVIMIENTO.
2.1. Movimiento rectilíneo uniforme (m.r.u.)

Un cuerpo tiene m.r.u. si su velocidad es constante. Por tanto no cambia ni su dirección (movimiento rectilíneo), ni su sentido, ni su rapidez (recorre la misma distancia cada segundo)
Si la velocidad es constante, la velocidad media coincide con la instantánea y por tanto:

Suponiendo que t0 = 0 s para simplificar la notación2 y despejando r (posición final) de la fórmula anterior, tenemos la ecuación característica del m.r.u.:
(7)
Si elegimos el eje x de nuestro sistema de referencia de forma que coincida con la recta por la que se mueve el cuerpo, el vector posición tiene una única componente, x, y esta ecuación vectorial se convierte en una ecuación escalar:
(8)
donde x es la posición del cuerpo en el instante t, xo la velocidad inicial y v la velocidad del cuerpo.
Cuando los vectores son unidimensionales (una componente) se pueden representar gráficamente la posición y la velocidad respecto al tiempo. La gráfica x-t será una línea recta ascendente o descendente. La gráfica v-t es una gráfica horizontal.

2.2. Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.)
Si un cuerpo tiene una aceleración constante decimos en general que tiene un movimiento uniformemente acelerado, m.u.a. Se puede demostrar que su trayectoria ha de ser una recta o una parábola.
Si además su trayectoria es una recta, decimos que tiene un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, m.r.u.a.
m.r.u.a.  a = cte y trayectoria recta

Si la aceleración de un cuerpo es constante ha de ser igual a la aceleración media, y por tanto:
(9)
Si como hemos hecho en el m.r.u. tomamos to = 0 s y luego despejamos v de la anterior expresión tenemos:
(10)
donde vo es la velocidad inicial del móvil.
Se puede demostrar que en todo m.u.a., la posición del cuerpo viene dada por:
(11)

donde ro es la posición inicial.



Las ecuaciones vectoriales 9, 10 y 11 son las que nos dan la aceleración, velocidad y posición en un m.u.a.
En el caso de que el movimiento sea rectilíneo y el eje x (o el y) coincida con la trayectoria del móvil, el vector correspondiente tiene una única componente y obtenemos un conjunto equivalente de ecuaciones escalares:
(12)

(13)
(14)
Despejando el tiempo de las ecuaciones 13 y 14, se puede obtiene que:
(15)
donde Δx es el desplazamiento del cuerpo.3
Al representar gráficamente las funciones 13 y 14 se observa que en un m.r.u.a. la gráfica x-t es una parábola y la gráfica v-t una recta con pendiente. La gráfica a-t sería, por definición de m.r.u.a., una recta horizontal.

2.3 Movimiento circular uniforme m.c.u.
m.c.u.  rapidez constante y trayectoria circular
Decimos que un móvil tiene un movimiento circular uniforme si se mueve con rapidez constante y su trayectoria es un círculo.
Aunque se pueden aplicar todas las magnitudes generales del movimiento explicadas en el apartado 1 para estudiar los movimientos circulares, es más cómodo a veces utilizar unas magnitudes diferentes y específicas de ellos (que no tendrían sentido, por ejemplo, en un movimiento rectilíneo). En un m.c.u. esas magnitudes son:
1. Ángulo girado (). Es el ángulo que ha girado el cuerpo en su movimiento. En el S.I. se mide(suponiendo que no ha habido un cambio en el sentido de giro, cosa que no sucede nunca en el m.c.u.) en radianes (rad) aunque muchas veces se expresa también como número de vueltas.
De acuerdo con la definición de radián y suponiendo que no ha habido un cambio en el sentido de giro (cosa que no sucede nunca en el m.c.u.) el angulo girado y el espacio recorrido (s) están relacionados por la fórmula:
(16)
donde R es el radio de la circunferencia.
2. Velocidad angular4 (). Es una medida de la rapidez con que gira el móvil. Se expresa como ángulo girado por unidad de tiempo y su unidad en el S.I. es el rad/s. Sobre todo en el ámbito técnico se utilizan mucho otras unidades como las revoluciones (vueltas) por minuto, r.p.m., o las revoluciones/ciclos por segundo, r.p.s. o c.p.s.
Como sucede con la velocidad lineal, se puede definir tanto una velocidad angular media (m = ángulo girado partido por tiempo) como una velocidad instantánea ( = derivada del ángulo respecto al tiempo). Si la velocidad angular es constante, como sucede en el m.c.u., ambas velocidades coinciden. Por tanto, en el m.c.u.:
(17)
La velocidad angular está relacionada con la rapidez del móvil por la siguiente expresión:
(18)
Combinando las fórmulas (6) y (18) podemos obtener otra expresión para la aceleración normal en los movimientos circulares:
(19)
La fórmula 17 es característica del m.c.u, pero las fórmulas 18 y 19 son válidas para cualquier movimiento circular, no solo para el m.c.u.
En un m.c.u. hay dos magnitudes importantes, que son comunes a todos los fenómenos períodicos, que son el periodo y la frecuencia del mismo.
Se define periodo, T, de un m.c.u. como el tiempo que tarda el móvil en dar una vuelta completa. Su unidad en el S.I. es el segundo.
Como una vuelta corresponde a un ángulo de 2.π, despejando el tiempo de la fórmula 17 obtenemos una expresión para el periodo en función de la velocidad angular:
(20)
Se define frecuencia de un m.c.u. como el número de vueltas que da el móvil en la unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. son los ciclos por segundo, o herzio (Hz), aunque en el caso particular de un m.c.u. es más lógico hablar de vueltas por segundo, r.p.s.
La frecuencia es el inverso del periodo, y al revés:
(21)
y por tanto, su relación con la velocidad angular vendrá dada, de acuerdo con 20, por:
(22)

1 Si el movimiento no es circular, la expresión es la misma pero ahora R es algo conocido como radio de curvatura de la trayectoria en ese punto y que, para una curva no circular, no sabemos calcular.

2 Si t0 no es igual a 0, en las ecuaciones correspondientes se debería escribir Δt en lugar de t.

3 Cualquier problema de m.r.u.a. puede solucionarse empleando exclusivamente las ecuaciones 13 y 14 (la 12 y la 13 son en realidad la misma ecuación), pero conocer y emplear la fórmula 15 hace que los cálculos sean a veces más rápidos y sencillos.

4 En realidad la velocidad angular es también una magnitud vectorial, como lo es la velocidad lineal. Su dirección indica el plano en el que se produce el giro y su sentido el sentido del giro. Sin embargo en este curso no vamos a tener en cuenta ese carácter vectorial, pues en realidad trabajaremos solo con el módulo de ω.




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