Espiral logarítmica
De Laplace
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\displaystyle\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}\theta} = b(-\,\mathrm{sen}\,\theta\vec{\imath}+\cos\theta\vec{\jmath})\mathrm{e}^{-k\theta}-bk(\cos\theta\vec{\imath}+\,\mathrm{sen}\,\theta\vec{\jmath})\mathrm{e}^{-k\theta}</math></center> | \displaystyle\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}\theta} = b(-\,\mathrm{sen}\,\theta\vec{\imath}+\cos\theta\vec{\jmath})\mathrm{e}^{-k\theta}-bk(\cos\theta\vec{\imath}+\,\mathrm{sen}\,\theta\vec{\jmath})\mathrm{e}^{-k\theta}</math></center> | ||
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Podemos simplificar esta expresión definiendo dos vectores unitarios | Podemos simplificar esta expresión definiendo dos vectores unitarios | ||
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<center><math>\frac{\mathrm{d}\vec{u}_1}{\mathrm{d}\theta}=\vec{u}_2</math>{{qquad}}{{qquad}}<math>\frac{\mathrm{d}\vec{u}_2}{\mathrm{d}\theta}=-\vec{u}_1</math></center> | <center><math>\frac{\mathrm{d}\vec{u}_1}{\mathrm{d}\theta}=\vec{u}_2</math>{{qquad}}{{qquad}}<math>\frac{\mathrm{d}\vec{u}_2}{\mathrm{d}\theta}=-\vec{u}_1</math></center> | ||
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+ | El vector <math>\vec{u}_1</math> es el unitario en la dirección del vector de posición instantáneo de la partícula, y <math>\vec{u}_2</math> el ortogonal a él. Estos dos vectores van rotando a medida que la partícula se mueve. | ||
Con ayuda de estos vectores, la posición se expresa | Con ayuda de estos vectores, la posición se expresa | ||
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que es la expresión que ya teníamos, pero más concisa. | que es la expresión que ya teníamos, pero más concisa. | ||
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<center><math>v_0 = b\,\mathrm{e}^{-k\theta}\left|\vec{u}_2-k\vec{u}_1\right|\dot{\theta}=b\sqrt{1+k^2}\,\mathrm{e}^{-k\theta}\dot{\theta}</math></center> | <center><math>v_0 = b\,\mathrm{e}^{-k\theta}\left|\vec{u}_2-k\vec{u}_1\right|\dot{\theta}=b\sqrt{1+k^2}\,\mathrm{e}^{-k\theta}\dot{\theta}</math></center> | ||
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Este es el tiempo en llegar al centro. | Este es el tiempo en llegar al centro. | ||
- | Nótese que este valor de <math>t</math> corresponde a un valor de <math>\theta\to\infty</math>. Puesto que <math>\theta</math> representa el ángulo que el vector de posición forma con el eje X y que una circunferencia completa significa aumentar <math>\theta</math> en <math>2\pi</math>, vemos que la partícula da infinitas vueltas antes de llegar al origen, aunque para ello requiere un tiempo finito. Igualmente, aunque | + | Nótese que este valor de <math>t</math> corresponde a un valor de <math>\theta\to\infty</math>. Puesto que <math>\theta</math> representa el ángulo que el vector de posición forma con el eje X y que una circunferencia completa significa aumentar <math>\theta</math> en <math>2\pi</math>, vemos que la partícula da infinitas vueltas antes de llegar al origen, aunque para ello requiere un tiempo finito. Igualmente, aunque dé infinitas vueltas, la distancia recorrida por la partícula es finita e igual a |
<center><math>\Delta s = v_0 t = \frac{b\sqrt{1+k^2}}{k}</math></center> | <center><math>\Delta s = v_0 t = \frac{b\sqrt{1+k^2}}{k}</math></center> | ||
- | Esto es posible porque las | + | Esto es posible porque las sucesivas vueltas son cada vez más pequeñas. |
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+ | ===Variación de la distancia al origen=== | ||
+ | Otra posibilidad para hallar el tiempo en llegar al origen es considerar la variación en el tiempo de la distancia al centro | ||
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+ | <center><math>r = |\vec{r}| = b\mathrm{e}^{-k\theta}</math></center> | ||
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+ | Derivando aquí respecto al tiempo | ||
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+ | <center><math>\dot{r}=\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}r}{\mathrm{d}\theta}\,\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} =-kb\mathrm{e}^{-k\theta}\dot{\theta}=-\frac{kv_0}{\sqrt{1+k^2}}</math></center> | ||
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+ | Obsérvese que la derivada del módulo de la posición '''no''' coincide con el módulo de la velocidad. | ||
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+ | Vemos que la distancia al origen disminuye a ritmo constante (proporcionalmente a, pero no igual a, la celeridad). Inicialmente vale <math>b</math>, así que el tiempo en llegar al centro es | ||
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+ | <center><math>t_f = \frac{b}{|\dot{r}|}= \frac{b\sqrt{1+k^2}}{kv_0}</math></center> | ||
==Aceleración== | ==Aceleración== | ||
===Forma vectorial=== | ===Forma vectorial=== | ||
- | Para el cálculo de la aceleración tenemos un problema similar al de la velocidad. La cuestión es que la aceleracion no es la derivada de la velocidad respecto a <math>\theta</math>, sino respecto al tiempo, con lo que hay que tener mucho cuidado con qué | + | Para el cálculo de la aceleración tenemos un problema similar al de la velocidad. La cuestión es que la aceleracion no es la derivada de la velocidad respecto a <math>\theta</math>, sino respecto al tiempo, con lo que hay que tener mucho cuidado con qué se deriva y respecto a qué. |
Partimos de las expresiones que ya conocemos para la velocidad | Partimos de las expresiones que ya conocemos para la velocidad | ||
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<center><math>b\,\mathrm{e}^{-k\theta}\sqrt{1+k^2}\dot{\theta}=v_0</math>{{tose}}<math>\theta=-\frac{1}{k}\ln\left(\frac{v_0kt}{b\sqrt{1+k^2}}\right)</math></center> | <center><math>b\,\mathrm{e}^{-k\theta}\sqrt{1+k^2}\dot{\theta}=v_0</math>{{tose}}<math>\theta=-\frac{1}{k}\ln\left(\frac{v_0kt}{b\sqrt{1+k^2}}\right)</math></center> | ||
- | Una posibilidad sería entonces sustituir <math>\theta(t)</math> en la expresión de la velocidad y derivar lo que salga respecto al tiempo. Sin embargo debido a que en esta fórmula aparecen | + | Una posibilidad sería entonces sustituir <math>\theta(t)</math> en la expresión de la velocidad y derivar lo que salga respecto al tiempo. Sin embargo debido a que en esta fórmula aparecen senos y cosenos de logaritmos, la posibilidad de equivocarse al derivar es muy alta. |
La solución consiste en aplicar de nuevo la regla de la cadena. Vamos a considerar la velocidad como función del ángulo <math>\theta</math> y calcular la aceleración como | La solución consiste en aplicar de nuevo la regla de la cadena. Vamos a considerar la velocidad como función del ángulo <math>\theta</math> y calcular la aceleración como | ||
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<center><math>|\vec{v}|=v_0</math>{{tose}}<math>\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=0</math>{{tose}}<math>\vec{a}_t=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\vec{T}=\vec{0}</math></center> | <center><math>|\vec{v}|=v_0</math>{{tose}}<math>\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=0</math>{{tose}}<math>\vec{a}_t=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\vec{T}=\vec{0}</math></center> | ||
- | == | + | |
+ | Podemos demostrarlo también a partir de las expresiones vectoriales de la velocidad y la aceleración | ||
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+ | <center><math>\vec{v}=v_0\frac{-k\vec{u}_1+\vec{u}_2}{\sqrt{1+k^2}}</math>{{qquad}}{{qquad}}<math>\vec{a}=-\frac{v_0^2\mathrm{e}^{k\theta}}{b(1+k^2)}\left(\vec{u}_1+k\vec{u}_2\right)</math></center> | ||
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+ | Multiplicando la una por la otra | ||
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+ | <center><math>\vec{a}\cdot\vec{v}=-\frac{v_0^3\mathrm{e}^{k\theta}}{b(1+k^2)^{3/2}}\left(-k\vec{u}_1+\vec{u}_2\right)\cdot\left(\vec{u}_1+k\vec{u}_2\right)</math></center> | ||
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+ | pero, teniendo en cuenta que <math>\vec{u}_1</math> y <math>\vec{u}_2</math> forman una base ortonormal | ||
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+ | <center><math>\left(-k\vec{u}_1+\vec{u}_2\right)\cdot\left(\vec{u}_1+k\vec{u}_2\right)=-k+k = 0</math></center> | ||
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+ | y si la aceleración es perpendicular a la velocidad, la aceleración tangencial, por definición, es nula. | ||
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+ | ===Aceleración normal=== | ||
+ | Si la aceleración tangencial es nula, la aceleración normal es toda la aceleración | ||
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+ | <center><math>\vec{a}_n=\vec{a}=-\frac{v_0^2\mathrm{e}^{k\theta}}{b(1+k^2)}\left(\vec{u}_1+k\vec{u}_2\right)</math></center> | ||
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+ | Esto nos permite calcular el vector normal a la trayectoria como | ||
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+ | <center><math>|\vec{a}_n| = \frac{v_0^2\mathrm{e}^{k\theta}}{b(1+k^2)}\sqrt{1+k^2}</math>{{tose}}<math>\vec{N}=\frac{\vec{a}_n}{a_n} = -\frac{\vec{u}_1+k\vec{u}_2}{\sqrt{1+k^2}}</math></center> | ||
==Centros de curvatura== | ==Centros de curvatura== | ||
- | [[Categoría:Problemas de cinemática | + | ===Radio de curvatura=== |
+ | Una vez que tenemos la aceleración normal y la celeridad, hallamos el radio de curvatura en cada punto de la trayectoria | ||
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+ | <center><math>R = \frac{v^2}{a_n}=\frac{v_0^2 b\sqrt{1+k^2}}{v_0^2\mathrm{e}^{k\theta}} = b\sqrt{1+k^2}\mathrm{e}^{-k\theta}</math></center> | ||
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+ | Vemos que a medida que aumenta <math>\theta</math>, el radio de la curvatura se reduce, lo que corresponde a que la curva es cada vez más cerrada. | ||
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+ | ===Centros de curvatura=== | ||
+ | Una vez que tenemos el radio de curvatura y el vector normal, podemos localizar los centros de curvatura | ||
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+ | <center><math>\vec{r}_c = \vec{r}+R\vec{N}=b\vec{u}_1\mathrm{e}^{-k\theta}+ b\sqrt{1+k^2}\mathrm{e}^{-k\theta}\left(-\frac{\vec{u}_1+k\vec{u}_2}{\sqrt{1+k^2}}\right)=-bk\mathrm{e}^{-k\theta}\vec{u}_2</math></center> | ||
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+ | Esto quiere decir que el conjunto de los sucesivos centros de curvatura (lo que se denomina técnicamente la ''evoluta'') forma otra espiral logarítmica. | ||
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+ | [[Categoría:Problemas de cinemática del punto material (G.I.T.I.)]] | ||
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última version al 18:11 4 oct 2012
Contenido |
1 Enunciado
Una partícula recorre la espiral logarítmica de ecuación
donde b y k son constantes. El movimiento es uniforme a lo largo de la curva, con celeridad constante v0. En el instante inicial la partícula se encuentra en θ = 0
- Determine la ley horaria θ = θ(t).
- Calcule el tiempo que tarda en llegar a . ¿Cuántas vueltas da para ello?
- Halle el vector aceleración y sus componentes intrínsecas en cada punto de la trayectoria.
- Determine la posición de los centros de curvatura de este movimiento.
2 Ley horaria
Para hallar la ley horaria θ = θ(t) aplicamos que el movimiento es uniforme y por tanto
Sin embargo, lo que se nos da es la trayectoria como función de la coordenada θ y la velocidad no es la derivada de la posición respecto a θ, sino respecto al tiempo. Para relacionar las dos cosas aplicamos la regla de la cadena
Aquí es una función que debemos determinar.
Tomando módulos
Derivando en la ecuación de la trayectoria
Podemos simplificar esta expresión definiendo dos vectores unitarios
Estos vectores verifican que son unitarios y ortogonales
y tienen por derivadas
El vector es el unitario en la dirección del vector de posición instantáneo de la partícula, y el ortogonal a él. Estos dos vectores van rotando a medida que la partícula se mueve.
Con ayuda de estos vectores, la posición se expresa
y la derivada respecto al ángulo θ
que es la expresión que ya teníamos, pero más concisa.
Imponiendo ahora que la celeridad es queda
Para integrar esta ecuación separamos los diferenciales
e integramos, teniendo en cuenta que para t = 0, θ = 0
lo que nos da
Despejando de aquí
3 Tiempo en llegar al origen
El tiempo que tarda la partícula en llegar al origen lo obtenemos exigiendo que . La posición para cada valor de θ es igual a
Este vector se anulará en
Este es el tiempo en llegar al centro.
Nótese que este valor de t corresponde a un valor de . Puesto que θ representa el ángulo que el vector de posición forma con el eje X y que una circunferencia completa significa aumentar θ en 2π, vemos que la partícula da infinitas vueltas antes de llegar al origen, aunque para ello requiere un tiempo finito. Igualmente, aunque dé infinitas vueltas, la distancia recorrida por la partícula es finita e igual a
Esto es posible porque las sucesivas vueltas son cada vez más pequeñas.
3.1 Variación de la distancia al origen
Otra posibilidad para hallar el tiempo en llegar al origen es considerar la variación en el tiempo de la distancia al centro
Derivando aquí respecto al tiempo
Obsérvese que la derivada del módulo de la posición no coincide con el módulo de la velocidad.
Vemos que la distancia al origen disminuye a ritmo constante (proporcionalmente a, pero no igual a, la celeridad). Inicialmente vale b, así que el tiempo en llegar al centro es
4 Aceleración
4.1 Forma vectorial
Para el cálculo de la aceleración tenemos un problema similar al de la velocidad. La cuestión es que la aceleracion no es la derivada de la velocidad respecto a θ, sino respecto al tiempo, con lo que hay que tener mucho cuidado con qué se deriva y respecto a qué.
Partimos de las expresiones que ya conocemos para la velocidad
Conocemos también la ley horaria
Una posibilidad sería entonces sustituir θ(t) en la expresión de la velocidad y derivar lo que salga respecto al tiempo. Sin embargo debido a que en esta fórmula aparecen senos y cosenos de logaritmos, la posibilidad de equivocarse al derivar es muy alta.
La solución consiste en aplicar de nuevo la regla de la cadena. Vamos a considerar la velocidad como función del ángulo θ y calcular la aceleración como
Para ello necesitamos, en primer lugar la velocidad como función de θ, que es algo que aun no tenemos. En la expresión de arriba aparece la velocidad como función de θ y de , que no es lo mismo. Debe aparecer solo θ, no las dos cosas.
Despejamos como función de θ
y sustituimos en la expresión de la velocidad
Esta ya sí solo depende del ángulo θ. Podría parecer que no lo hace, puesto que no aparece en la expresión, pero si está, escondido dentro de los vectores y , que no son vectores constantes, sino dependientes de la posición (y, por tanto, del tiempo).
Esta expresión nos dice también que el unitario tangente a la trayectoria es
Aplicando ahora la regla de la cadena para hallar la aceleración tenemos
Sustituyendo aquí las derivadas de los vectores unitarios llegamos a
4.2 Aceleración tangencial
La aceleración tangencial es nula, pues el movimiento es uniforme y su celeridad es constante
Podemos demostrarlo también a partir de las expresiones vectoriales de la velocidad y la aceleración
Multiplicando la una por la otra
pero, teniendo en cuenta que y forman una base ortonormal
y si la aceleración es perpendicular a la velocidad, la aceleración tangencial, por definición, es nula.
4.3 Aceleración normal
Si la aceleración tangencial es nula, la aceleración normal es toda la aceleración
Esto nos permite calcular el vector normal a la trayectoria como
5 Centros de curvatura
5.1 Radio de curvatura
Una vez que tenemos la aceleración normal y la celeridad, hallamos el radio de curvatura en cada punto de la trayectoria
Vemos que a medida que aumenta θ, el radio de la curvatura se reduce, lo que corresponde a que la curva es cada vez más cerrada.
5.2 Centros de curvatura
Una vez que tenemos el radio de curvatura y el vector normal, podemos localizar los centros de curvatura
Esto quiere decir que el conjunto de los sucesivos centros de curvatura (lo que se denomina técnicamente la evoluta) forma otra espiral logarítmica.