Análisis de ecuación horaria
De Laplace
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Línea 1: | Línea 1: | ||
==Enunciado== | ==Enunciado== | ||
- | Una partícula se mueve por el espacio de forma que su | + | Una partícula se mueve por el espacio de forma que su velocidad, en las unidades fundamentales del SI, viene dada por la ecuación horaria |
- | <center><math>\vec{ | + | <center><math>\vec{v}=2t\vec{\imath}+\vec{\jmath}+2t^2\vec{k}</math></center> |
+ | |||
+ | Inicialmente la partícula se encuentra en <math>\vec{r}=-\vec{\imath}+\vec{\jmath}</math>. | ||
+ | |||
+ | # Calcule la posición en función del tiempo y el desplazamiento entre <math>t=0\,\mathrm{s}</math> y <math>t=3\,\mathrm{s}</math>. ¿Cuánto vale la velocidad media en dicho intervalo? | ||
+ | # Halle la rapidez en cada instante, así como la distancia que recorre la partícula en el mismo intervalo de tiempo. ¿Cuánto vale la rapidez media en este intervalo? | ||
+ | # Halle las componentes intrínsecas de la aceleración en <math>t=1\,\mathrm{s}</math>, como escalares y como vectores. | ||
+ | # Halle el triedro de Frenet en <math>t=1\,\mathrm{s}</math>. | ||
+ | # Calcule el radio de curvatura en <math>t=1\,\mathrm{s}</math> así como el centro de curvatura en ese instante. | ||
+ | |||
+ | ==Posición y desplazamiento== | ||
+ | ===Posición instantánea=== | ||
+ | Calculamos la posición instantánea integrando la velocidad | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{r}=\vec{r}_0+\int_0^t\vec{v}\,\mathrm{d}t</math></center> | ||
+ | |||
+ | lo que nos da | ||
- | + | <center><math>\vec{r}=(-1+t^2)\vec{\imath}+(t+1)\vec{\jmath}+\frac{2}{3}t^3\vec{k}</math></center> | |
- | + | ||
- | + | ||
- | |||
===Desplazamiento=== | ===Desplazamiento=== | ||
El desplazamiento lo da la diferencia (vectorial) entre la posición final y la inicial | El desplazamiento lo da la diferencia (vectorial) entre la posición final y la inicial | ||
- | <center><math>\Delta \vec{r}=\vec{r}(3\,\mathrm{s})-\vec{r}( | + | <center><math>\Delta \vec{r}=\vec{r}(3\,\mathrm{s})-\vec{r}(0\,\mathrm{s})</math></center> |
Sustituyendo en la ecuación horaria | Sustituyendo en la ecuación horaria | ||
- | <center><math>\vec{r}( | + | <center><math>\vec{r}(0\,\mathrm{s})=\left(-\vec{\imath}+\vec{\jmath}\right)\,\mathrm{m}\qquad\qquad \vec{r}(3\,\mathrm{s})=(8\vec{\imath}+4\vec{\jmath}+18\vec{k})\,\mathrm{m}</math></center> |
resulta el desplazamiento | resulta el desplazamiento | ||
- | <center><math>\Delta \vec{r}=\left( | + | <center><math>\Delta \vec{r}=\left(9\vec{\imath}+3\vec{\jmath}+18\vec{k}\right)\mathrm{m}</math></center> |
El módulo de este desplazamiento vale | El módulo de este desplazamiento vale | ||
- | <center><math>\left|\Delta\vec{r}\right|= | + | <center><math>\left|\Delta\vec{r}\right|=\sqrt{414}\mathrm{m}=20.3\,\mathrm{m}</math></center> |
- | === | + | La velocidad media en este intervalo vale |
+ | |||
+ | <center><math>\vec{v}_m=\frac{\Delta \vec{r}}{\Delta t}=\frac{9\vec{\imath}+3\vec{\jmath}+18\vec{k}}{3}=\left(3\vec{\imath}+\vec{\jmath}+6\vec{k}\right)\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center> | ||
+ | |||
+ | siendo su módulo 6.78 m/s. | ||
+ | |||
+ | ==Rapidez y distancia== | ||
+ | ===Rapidez=== | ||
Para hallar la distancia recorrida debemos calcular en primer lugar la rapidez, ya que | Para hallar la distancia recorrida debemos calcular en primer lugar la rapidez, ya que | ||
<center><math>\Delta s = \int_{t_i}^{t_f}\left|\vec{v}\right|\mathrm{d}t</math></center> | <center><math>\Delta s = \int_{t_i}^{t_f}\left|\vec{v}\right|\mathrm{d}t</math></center> | ||
- | + | Tenemos la velocidad | |
<center><math>\vec{v}=2t\vec{\imath}+\vec{\jmath}+2t^2\vec{k}</math></center> | <center><math>\vec{v}=2t\vec{\imath}+\vec{\jmath}+2t^2\vec{k}</math></center> | ||
- | + | Y a partir de esta la rapidez | |
- | <center><math>\left|\vec{v}\right| = \sqrt{ | + | <center><math>\left|\vec{v}\right| = \sqrt{(2t)^2+1+(2t^2)^2} = \sqrt{4t^4+4t^2+1}</math></center> |
- | + | Simplificamos esta expresión si reconocemos en ella un cuadrado de un binomio | |
- | <center><math>\Delta s=\ | + | <center><math>4t^4+4t^2+1 = (2t^2)^2 + 2(2t^2)\cdot 1 + 1^2 = (2t^2+1)^2\,</math></center> |
+ | |||
+ | y por tanto | ||
+ | |||
+ | <center><math>|\vec{v}|=\sqrt{(2t^2+1)^2} =2t^2+1</math></center> | ||
+ | |||
+ | ===Distancia=== | ||
+ | La distancia recorrida la hallamos integrando la rapidez o celeridad entre el instante inicial y el final | ||
+ | |||
+ | <center><math>\Delta s=\int_0^3 (2t^2+1)\mathrm{d}t=\left.\left(\frac{2}{3}t^3+t\right)\right|_0^3 = 21\,\mathrm{m}</math></center> | ||
La distancia recorrida es superior al módulo del desplazamiento, ya que la trayectoria es una curva, mientras que el módulo del desplazamiento se mide en línea recta, que siempre es una distancia más corta. | La distancia recorrida es superior al módulo del desplazamiento, ya que la trayectoria es una curva, mientras que el módulo del desplazamiento se mide en línea recta, que siempre es una distancia más corta. | ||
+ | |||
+ | La rapidez media en este intervalo es | ||
+ | |||
+ | <center><math>|\vec{v}|_m=\frac{\Delta s}{\Delta t}=7\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center> | ||
+ | |||
+ | que también es mayor que el módulo de la velocidad media. | ||
==Componentes intrínsecas de la aceleración== | ==Componentes intrínsecas de la aceleración== | ||
Línea 50: | Línea 85: | ||
<center><math>\vec{a}=\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}=2\vec{\imath}+4t\vec{k}</math></center> | <center><math>\vec{a}=\frac{\mathrm{d}\vec{v}}{\mathrm{d}t}=2\vec{\imath}+4t\vec{k}</math></center> | ||
- | En <math>t= | + | En <math>t=1\,\mathrm{s}</math> la velocidad, la rapidez y la aceleración valen |
- | <center><math>\vec{v}( | + | <center><math>\vec{v}(1\,\mathrm{s})=(2\vec{\imath}+\vec{\jmath}+2\vec{k})\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\qquad\qquad |\vec{v}| = 3\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\qquad\qquad \vec{a}(1\,\mathrm{s})=(2\vec{\imath}+4\vec{k})\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
===Aceleración tangencial=== | ===Aceleración tangencial=== | ||
A partir de ellas podemos calcular la aceleración tangencial proyectando la aceleración sobre la velocidad | A partir de ellas podemos calcular la aceleración tangencial proyectando la aceleración sobre la velocidad | ||
- | <center><math>a_t = \frac{\vec{v}\cdot\vec{a}}{|\vec{v}|}=\frac{2\ | + | <center><math>a_t = \frac{\vec{v}\cdot\vec{a}}{|\vec{v}|}=\frac{2\cdot2+0\cdot 1+4\cdot 8}{3}=4\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
y, en forma vectorial | y, en forma vectorial | ||
- | <center><math>\vec{a}_t = \frac{(\vec{v}\cdot\vec{a})\vec{v}}{|\vec{v}|^2}= \frac{ | + | <center><math>\vec{a}_t = \frac{(\vec{v}\cdot\vec{a})\vec{v}}{|\vec{v}|^2}= \frac{4}{3}(2\vec{\imath}+\vec{\jmath}+2\vec{k})\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
También podemos hallar la aceleración tangencial derivando la rapidez respecto al tiempo | También podemos hallar la aceleración tangencial derivando la rapidez respecto al tiempo | ||
Línea 67: | Línea 102: | ||
<center><math>a_t=\frac{\mathrm{d}|\vec{v}|}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\ }{\mathrm{d}t}(2t^2+1) = 4t</math></center> | <center><math>a_t=\frac{\mathrm{d}|\vec{v}|}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}\ }{\mathrm{d}t}(2t^2+1) = 4t</math></center> | ||
- | que en <math>t= | + | que en <math>t=1\,\mathrm{s}</math> produce el resultado ya conocido |
- | <center><math>a_t= | + | <center><math>a_t=1\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
===Aceleración normal=== | ===Aceleración normal=== | ||
Una vez que tenemos la aceleración completa y la tangencial, podemos hallar la normal restando | Una vez que tenemos la aceleración completa y la tangencial, podemos hallar la normal restando | ||
- | <center><math>\vec{a}_n = \vec{a}-\vec{a}_t = \left(2-\frac{ | + | <center><math>\vec{a}_n = \vec{a}-\vec{a}_t = \left(2-\frac{8}{3}\right)\vec{\imath}+\left(0-\frac{4}{3}\right)\vec{\jmath}+\left(2-\frac{8}{3}\right)\vec{k}=\frac{-2\vec{\imath}-4\vec{\jmath}+4\vec{k}}{3}\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
La aceleración normal escalar es el módulo de este vector | La aceleración normal escalar es el módulo de este vector | ||
- | <center><math>a_n = |\vec{a}_n|= \frac{\sqrt{ | + | <center><math>a_n = |\vec{a}_n|= \frac{\sqrt{2^2+4^2+4^2}}{3}=2\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center> |
- | De hecho, operando con las funciones del tiempo, sin sustituir t por | + | De hecho, operando con las funciones del tiempo, sin sustituir t por 1 s, puede demostrarse que <math>a_n=2\,\mathrm{m}/\mathrm{s}^2</math> en todo instante. |
La aceleración normal también puede hallarse sin pasar por la aceleración tangencial mediante la fórmula | La aceleración normal también puede hallarse sin pasar por la aceleración tangencial mediante la fórmula | ||
<center><math>\vec{a}_n = \frac{(\vec{v}\times\vec{a})\times\vec{v}}{|\vec{v}|^2}</math></center> | <center><math>\vec{a}_n = \frac{(\vec{v}\times\vec{a})\times\vec{v}}{|\vec{v}|^2}</math></center> | ||
+ | |||
+ | ==Triedro de Frenet== | ||
+ | Ya tenemos dos de los tres vectores que lo forman: el vector tangente | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{T}=\frac{\vec{v}}{|\vec{v}|}=\frac{2}{3}\vec{\imath}+\frac{1}{3}\vec{\jmath}+\frac{2}{3}\vec{k}</math></center> | ||
+ | |||
+ | y el vector normal | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{T}=\frac{\vec{a}_n}{a_n}=-\frac{1}{3}\vec{\imath}-\frac{2}{3}\vec{\jmath}+\frac{2}{3}\vec{k}</math></center> | ||
+ | |||
+ | El vector binormal lo hallamos como el producto vectorial de estos dos | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{B}=\vec{T}\times\vec{N}=\frac{2}{3}\vec{\imath}-\frac{2}{3}\vec{\jmath}-\frac{1}{3}\vec{k}</math></center> | ||
+ | |||
+ | Alternativamente, podemos hallar primero el vector binormal a partir de la velocidad y la aceleración | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{B}=\frac{\vec{v}\times\vec{a}}{|\vec{v}\times\vec{a}|}</math></center> | ||
+ | |||
+ | y a partir del tangente y del binormal determinar el normal | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{N}=\vec{B}\times\vec{T}</math></center> | ||
==Radio y centro de curvatura== | ==Radio y centro de curvatura== | ||
El radio de curvatura en el mismo instante lo hallamos a partir de | El radio de curvatura en el mismo instante lo hallamos a partir de | ||
- | <center><math>R=\frac{|\vec{v}|^2}{a_n} = \frac{9 | + | <center><math>R=\frac{|\vec{v}|^2}{a_n} = \frac{9}{2}\,\mathrm{m}=4.5\,\mathrm{m}</math></center> |
Para el centro de curvatura necesitamos el vector normal, que es el unitario en la dirección de la aceleración normal | Para el centro de curvatura necesitamos el vector normal, que es el unitario en la dirección de la aceleración normal | ||
- | <center><math>\vec{N}=\frac{\vec{a}_n}{a_n}=\frac{- | + | <center><math>\vec{N}=\frac{\vec{a}_n}{a_n}=\frac{-\vec{\imath}-2\vec{\jmath}+2\vec{k}}{3}</math></center> |
y obtenemos la posición del centro de curvatura como | y obtenemos la posición del centro de curvatura como | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{r}_c = \vec{r}+R\vec{N}=\left(-\frac{3}{2}\vec{\imath}-\vec{\jmath}+\frac{11}{3}\vec{k}\right)\mathrm{m}</math></center> | ||
+ | |||
+ | donde hemos usado que | ||
+ | |||
+ | <center><math>\vec{r}(1\,\mathrm{s})=\left(2\vec{\jmath}+\frac{2}{3}\vec{k}\right)\mathrm{m}</math></center> | ||
[[Categoría:Problemas de cinemática tridimensional de la partícula (GIE)]] | [[Categoría:Problemas de cinemática tridimensional de la partícula (GIE)]] |
última version al 13:40 7 oct 2017
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1 Enunciado
Una partícula se mueve por el espacio de forma que su velocidad, en las unidades fundamentales del SI, viene dada por la ecuación horaria

Inicialmente la partícula se encuentra en .
- Calcule la posición en función del tiempo y el desplazamiento entre
y
. ¿Cuánto vale la velocidad media en dicho intervalo?
- Halle la rapidez en cada instante, así como la distancia que recorre la partícula en el mismo intervalo de tiempo. ¿Cuánto vale la rapidez media en este intervalo?
- Halle las componentes intrínsecas de la aceleración en
, como escalares y como vectores.
- Halle el triedro de Frenet en
.
- Calcule el radio de curvatura en
así como el centro de curvatura en ese instante.
2 Posición y desplazamiento
2.1 Posición instantánea
Calculamos la posición instantánea integrando la velocidad

lo que nos da

2.2 Desplazamiento
El desplazamiento lo da la diferencia (vectorial) entre la posición final y la inicial

Sustituyendo en la ecuación horaria

resulta el desplazamiento

El módulo de este desplazamiento vale

La velocidad media en este intervalo vale

siendo su módulo 6.78 m/s.
3 Rapidez y distancia
3.1 Rapidez
Para hallar la distancia recorrida debemos calcular en primer lugar la rapidez, ya que

Tenemos la velocidad

Y a partir de esta la rapidez

Simplificamos esta expresión si reconocemos en ella un cuadrado de un binomio

y por tanto

3.2 Distancia
La distancia recorrida la hallamos integrando la rapidez o celeridad entre el instante inicial y el final

La distancia recorrida es superior al módulo del desplazamiento, ya que la trayectoria es una curva, mientras que el módulo del desplazamiento se mide en línea recta, que siempre es una distancia más corta.
La rapidez media en este intervalo es

que también es mayor que el módulo de la velocidad media.
4 Componentes intrínsecas de la aceleración
Derivando de nuevo hallamos la aceleración en cada instante

En la velocidad, la rapidez y la aceleración valen

4.1 Aceleración tangencial
A partir de ellas podemos calcular la aceleración tangencial proyectando la aceleración sobre la velocidad

y, en forma vectorial

También podemos hallar la aceleración tangencial derivando la rapidez respecto al tiempo

que en produce el resultado ya conocido

4.2 Aceleración normal
Una vez que tenemos la aceleración completa y la tangencial, podemos hallar la normal restando

La aceleración normal escalar es el módulo de este vector

De hecho, operando con las funciones del tiempo, sin sustituir t por 1 s, puede demostrarse que en todo instante.
La aceleración normal también puede hallarse sin pasar por la aceleración tangencial mediante la fórmula

5 Triedro de Frenet
Ya tenemos dos de los tres vectores que lo forman: el vector tangente

y el vector normal

El vector binormal lo hallamos como el producto vectorial de estos dos

Alternativamente, podemos hallar primero el vector binormal a partir de la velocidad y la aceleración

y a partir del tangente y del binormal determinar el normal

6 Radio y centro de curvatura
El radio de curvatura en el mismo instante lo hallamos a partir de

Para el centro de curvatura necesitamos el vector normal, que es el unitario en la dirección de la aceleración normal

y obtenemos la posición del centro de curvatura como

donde hemos usado que
