Cinemática del movimiento rectilíneo (GIE)

De Laplace

Revisión a fecha de 12:49 9 oct 2012; Antonio (Discusión | contribuciones)

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Contenido

1 Introducción
2 Posición
3 Velocidad
4 Aceleración
5 Ejemplos de movimiento rectilíneo
6 Problemas

1 Introducción

Antes de considerar el problema completo del movimiento de una partícula en el espacio de tres dimensiones, examinaremos el problema unidimensional, más simple, de una partícula que realiza un movimiento rectilíneo

2 Posición

Cuando tenemos una partícula cuyo movimiento se ciñe a una recta, no necesitamos el álgebra vectorial para identificar las diferentes posiciones de la partícula. Nos basta con una etiqueta $x$ que designa la posición a lo largo de la recta. Si anotamos entonces las sucesivas posiciones en instantes determinados podemos construir una tabla de posiciones frente al tiempo, por ejemplo

t (s)	0.0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
x (m)	1.000	1.268	1.304	1.156	0.872	0.500	0.088	-0.316	-0.664	-0.908	-1.000

La posición tiene un signo que indica si nos encontramos a la izquierda o a la derecha de la posición a lo largo de la recta que hayamos etiquetado como $x = 0$ .

En el caso unidimensional podemos representar la posición frente al tiempo, colocando el tiempo en el eje de abscisas y la posición en el de ordenadas. Esta posibilidad no existe en el caso tridimensional. Así, para la tabla anterior, quedaría

Puesto que las partículas no se teletransportan de un sitio a otro, podemos admitir que, uniendo los puntos medidos, existe una función continua $x (t)$ que nos da la posición en cualquier instante de tiempo. Esta función puede conocerse a menudo analíticamente, dando una fórmula, pero en otras proviene de medidas experimentales, con lo que debe interpolarse a partir de los datos conocidos.

Cuando una partícula cambia de posición pasando de encontrarse en $x 1$ en el instante $t 1$ a una posición $x 2$ en el instante $t 2$ se dice que en el intervalo de tiempo

$\Delta t = t_2-t_1\,$

ha experimentado un desplazamiento

$\Delta x = x(t_2) - x(t_1) = x_2-x_1\,$

El desplazamiento que, como la posición, se mide en unidades de distancia (m, en el SI), posee la propiedad de que es independiente de que punto se toma como origen de posiciones.

3 Velocidad

3.1 Velocidad media

Si una partícula realiza un desplazamiento $Δ x$ en un intervalo $Δ t$ , se define la velocidad media (en una dimensión) como el cociente entre el desplazamiento y el intervalo empleado en realizarlo

$v_m = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{x(t_2)-x(t_1)}{t_2-t_1}$

Así, para la tabla anterior tendríamos que la velocidad media entre $t=0.0\,\mathrm{s}$ y $t = 0.4\,\mathrm{s}$ vale

$v_m = \frac{1.304-1.000}{0.4-0.0}\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} = 0.76\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$

y entre $t=0.6\,\mathrm{s}$ y $t = 1.0\,\mathrm{s}$ vale

$v_m = \frac{0.500-1.156}{1.0-0.6}\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} = -1.64\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$

De la definición se desprende que:

Posee unidades de distancia dividida por tiempo, que en el sistema internacional serán m/s.
La velocidad media depende del desplazamiento neto entre dos puntos, por tanto si al final del intervalo la posición es la misma que al principio, la velocidad media es 0, independientemente de las idas y vueltas que se hayan dado.
La velocidad media tiene un signo que nos indica el sentido del desplazamiento neto sobre la recta.
La velocidad no es igual a espacio partido por tiempo, sino a un desplazamiento dividido por un intervalo, esto es, lo que cuenta no es el valor absoluto de la distancia o la hora que marca el reloj, sino cuánto ha cambiado la posición y cuánto tiempo se ha empleado en realizar dicho desplazamiento.
En la gráfica de la posición frente al tiempo, la velocidad media representa la pendiente de la recta secante que pasa por los puntos $(t 1, x 1)$ y $(t 2, x 2)$ . En particular si la posición inicial y la final son la misma, resulta una recta horizontal de pendiente nula.

La velocidad media es lo que miden, por ejemplo, los nuevos radares de tramo de la DGT, que no son realmente radares. Toman fotografías a la entrada de un túnel y a la salida de un túnel, por ejemplo, leyendo la matrícula de cada vehículo y anotando el instante en que se toma la foto. La velocidad media la calculan dividiendo la longitud del túnel (conocida) por la diferencia entre las horas de las dos fotos del mismo vehículo. Si la diferencia entre estos dos instantes es demasiado pequeña, se comete una infracción.

3.2 Velocidad instantánea

El concepto de velocidad media no es especialmente útil, ya que solo nos informa del ritmo promedio, pero un movimiento concreto puede hacerse de forma irregular y normalmente interesa definir la velocidad en un momento dado, conocida como velocidad instantánea. Hoy día, con la presencia de velocímetros en los automóviles, el concepto de velocidad instantánea es intuitivo y todos tenemos una experiencia directa de la magnitud. Se trata de precisar matemáticamente el concepto.

Cuando decimos que en un instante dado la velocidad es de 120 km/h, ¿qué estamos diciendo exactamente? Evidentemente, no que durante la última hora se han recorrido 120 km, ya que igual sólo se llevan 10 minutos de marcha. Podríamos decir que durante el último minuto se han recorrido 2 km. ya que

$\frac{120\,\mathrm{km}}{1\,\mathrm{h}} = \frac{2\,\mathrm{km}}{1\,\mathrm{min}}$

Esto ya es más preciso, pero aun no es del todo satisfactorio, ya que en un minuto hay tiempo suficiente a acelerar o frenar. Una mejor aproximación sería afirmar que en el último segundo se ha recorrido (1/30) km = 33.3 m. O podríamos decir que en la última décima de segundo se han recorrido 3.33 m,…

$\frac{120\,\mathrm{km}}{1\,\mathrm{h}} = \frac{2\,\mathrm{km}}{1\,\mathrm{min}}= \frac{33.3\,\mathrm{m}}{1\,\mathrm{s}}=\frac{3.33\,\mathrm{m}}{0.1\,\mathrm{s}}=\cdots$

En todos los casos la velocidad es de 120 km/h, pero cuanto más pequeño es el intervalo de tiempo considerado, más nos acercamos al ideal de medir la velocidad en un instante dado.

Definimos entonces la velocidad instantánea en una dimensión como el límite de la velocidad media cuando el intervalo de tiempo tiende a cero (se reduce a un instante)

$v\equiv\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=\lim_{\Delta t\to 0}\frac{\Delta x}{\Delta t}$

Matemáticamente, esto quiere decir que la velocidad instantánea es la derivada respecto al tiempo de la posición instantánea. En mecánica, una derivada respecto al tiempo suele representarse con un punto sobre la magnitud

$v=\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = \dot{x}$

De esta definición se deduce que:

Las unidades de la velocidad instantánea son la de una distancia dividida por un tiempo, en el SI m/s, aunque otras unidades como km/h son de uso frecuente.
La velocidad tiene un signo: es positiva si el valor de $x$ está aumentando (nos movemos hacia la derecha del punto de referencia) y es negativa si está disminuyendo (nos movemos hacia la izquierda).
La velocidad puede ser nula. En ese caso se dice que la partícula se encuentra en un estado de reposo instantáneo.
La velocidad no es igual al espacio partido por tiempo. Es la derivada de la posición respecto al tiempo.
En la gráfica de la posición frente al tiempo, la velocidad representa la pendiente de la recta tangente a la curva $x (t)$ en el punto $(t, x (t))$ .
Si el estado es de reposo instantáneo esta tangente es horizontal. En ese momento usualmente la posición alcanza un máximo o un mínimo.

Conocida la velocidad en cada instante y la posición inicial, puede hallarse la posición instantánea, sumando los desplazamientos infinitesimales. Tenemos que la distancia recorrida en un intervalo muy pequeño será igual a

$\mathrm{d}x = v(t)\,\mathrm{d}t$

y el desplazamiento neto (suma de todos los pequeños desplazamientos) será la integral

$\int_{x_0}^x\mathrm{d}x = \int_0^tv(t)\,\mathrm{d}t\qquad\Rightarrow\qquad x-x_0=\int_0^tv(t)\,\mathrm{d}t$

Despejando

$x =x_0+\int_{x_0}^x \mathrm{d}x = x_0+\int_0^t v\,\mathrm{d}t$

Gráficamente, si trazamos la curva de la velocidad como función del tiempo, el desplazamiento desde la posición inicial es el área bajo la curva $v = v (t)$ .

¿Qué ocurre si lo que conocemos es la velocidad como función de la posición? Podemos también hallar la posición como función del tiempo, pero de una forma ligeramente diferente. Si invertimos la relación entre diferenciales

$\mathrm{d}x = v\,\mathrm{d}t\qquad\Rightarrow\qquad \mathrm{d}t=\frac{\mathrm{d}x}{v(x)}$

Esta relación nos da el tiempo necesario para recorrer una distancia dada. Sumando todos los intervalos nos da el tiempo total necesario

$\int_0^t \mathrm{d}t = \int_{x_0}^x\frac{\mathrm{d}x}{v(x)}\qquad \Rightarrow\qquad t = \int_{x_0}^x \frac{\mathrm{d}x}{v(x)}$

Técnicamente esto nos da el tiempo como función de la posición. Para hallar la posición como función del tiempo es necesario invertir la ecuación, lo que no siempre es posible.

Rapidez: La velocidad instantánea posee un signo que indica el sentido de movimiento a lo largo de la recta. Sin embargo, a menudo este dato no es necesario, sino que simplemente cómo de rápido se mueve la partícula, independientemente de hacia donde. Para este caso se define la celeridad o rapidez (en inglés speed, que no es lo mismo que velocity), como el valor absoluto de la velocidad, $| v |$ . Cuando se habla de “iba a 150 km/h” se habla en realidad de la rapidez, no de la velocidad.

3.3 Unidades

La velocidad posee unidades de una distancia dividida por un tiempo. La unidad SI es el m/s, aunque otras unidades son de uso frecuente:

	m/s	km/h	mph	nudos
1 m/s =	1	3.600	2.2369	1.9438
1 km/h =	0.2778	1	0.6214	0.5400
1 mph =	0.4470	1.6093	1	0.8690
1 nudo =	0.5144	1.8520	1.1508	1

Una rapidez de uso frecuente en Física es la velocidad de la luz

$c = 299\,792\,458 \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \simeq 3\times 10^8\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$

de forma que la velocidad de una partícula elemental suele expresarse como, por ejemplo, $v = 0.01 c$ , con lo que la velocidad de la luz funciona también como unidad de medida de velocidades.

4 Aceleración

La aceleración de un movimiento rectilíneo se define como la derivada de la velocidad instantánea, y por tanto, como la segunda derivada de la posición

$a = \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = \frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2}$

Usando la notación de puntos para indicar la derivada respecto al tiempo

$a = \dot{v}=\ddot{x}$

De la definición se tiene que

La aceleración tiene dimensiones de longitud dividida por tiempo al cuadrado, siendo su unidad en el SI el m/s²
Una magnitud con dimensiones de aceleración que es especialmente importante es la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre, cuyo valor estándar es, por definición,

$g = 9.80665\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}$

de manera que muchas aceleraciones se expresan como múltiplos de esta unidad, aunque dichas aceleraciones no estén relacionadas con la gravedad. Así, por ejemplo, para medir las aceleraciones laterales de un piloto de Fórmula 1 en una curva se dice, por ejemplo, “está sometido a 3 fuerzas G”, que quiere decir que

$a = 3g = 29.42\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}$

Por tanto, g aquí funciona como unidad de medida de la aceleración.

En la gráfica $x (t)$ , la aceleración está asociada a la concavidad de la curva. Donde la aceleración es positiva la gráfica es cóncava hacia arriba, y donde es negativa es cóncava hacia abajo.

Al estudiar numerosos movimientos, como el de un automóvil a lo largo de una carretera, no se suele conocer la velocidad como función del tiempo, sino como función de la posición. Se sabe qué velocidad se tenía en un determinado punto (una entrada a una ciudad, un radar de la Guardia Civil,...) pero no la hora a la que esto ocurre. ¿Cómo se calcula en ese caso la aceleración? Lo hacemos empleando la regla de la cadena.

$a(x)= \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x}\,\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}$

pero la derivada de la posición respecto al tiempo es la propia velocidad, por lo que

$a(x) = \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x}v = \frac{\mathrm{d}\ }{\mathrm{d}x}\left(\frac{1}{2}v^2\right)$

esto es, hallamos el cuadrado de la velocidad y la mitad de su derivada respecto a la posición, es la aceleración, también como función de la posición.

Conocida la aceleración en cada instante y la velocidad inicial, se puede hallar la velocidad en cada instante por integración de la aceleración

$v(t) = v_0 + \int_0^t a(t)\,\mathrm{d}t$

y la posición mediante la segunda integración

$x= x_0 + v_0 t + \int_0^t\left(\int_0^t a\,\mathrm{d}t\right)\mathrm{d}t$

5 Ejemplos de movimiento rectilíneo

Dentro de los movimientos rectilíneos existen infinitos casos posibles, ya que cualquier función continua puede representar el movimiento de una partícula.

Existen, no obstante, algunos casos particulares de interés:

5.1 Uniforme

Un movimiento rectilíneo y uniforme (M.R.U.) es aquel que posee aceleración nula en todo instante. Integrando una vez obtenemos que la velocidad es constante y que la posición varía linealmente con el tiempo

$v = v_0\,$ $x =x_0 + v_0 t\,$

La gráfica de la posición frente al tiempo es una recta cuya pendiente es igual a la velocidad.

La gráfica de la velocidad frente al tiempo es una recta horizontal. El área bajo esta recta es un rectángulo cuya área va aumentando linealmente con el tiempo.

5.2 Uniformemente acelerado

Un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (M.R.U.A.) es aquel que posee una aceleración constante, $a 0$ . La integración produce una velocidad que varía linealmente y una posición que lo hace cuadráticamente

$v = v_0+a_0t\,$ $x =x_0 + v_0 t+\frac{1}{2}a_0t^2\,$

Gráficamente $x (t)$ posee forma parabólica, mientras que $v (t)$ es una recta de pendiente $a 0$

Hay que recalcar, porque es causa frecuente de errores, que esta fórmula solo se aplica al caso de que la aceleración sea constante. Si $a = a (t)$ habrá que hacer la integral y el resultado no será de esta forma.

Asimismo, si lo único que se conoce es la aceleración en un momento dado, tampoco se podrán aplicar estas fórmulas, ya que para poder integrar necesitamos conocer la aceleración durante todo un intervalo, no en un solo instante.

En el caso del movimiento uniformemente acelerado se cumple la relación

$v^2 - v_0^2 = 2a_0(x-x_0)\quad\Rightarrow\quad a_0 = \frac{v^2-v_0^2}{2(x-x_0)}$

Esta expresión permite hallar la aceleración si lo que se conoce es la velocidad en dos puntos de posición conocida y se sabe que la aceleración es constante.

5.3 Armónico simple

El movimiento armónico simple (M.A.S.) es un caso particular de movimiento rectilíneo, caracterizado por la ecuación de movimiento

$a = \ddot{x} = -\omega^2(x-x_0)$

siendo $ω$ una constante de proporcionalidad y $x 0$ otra constante, conocida como posición de equilibrio. En la mayoría de las situaciones se puede medir la posición respecto a la posición de equilibrio $x' = x - x 0$ y reducir la ecuación a

$a = \ddot{x} = -\omega^2x$

La solución de esta ecuación diferencial debe ser una función cuya segunda derivada sea proporcional a ella misma cambiada de signo. Las funciones que verifican esto son los senos y los cosenos.

$x_1 = \cos(\omega t)\qquad \dot{x}_1 = -A\omega\,\mathrm{sen}(\omega t)\qquad\ddot{x}_1 = -A\omega^2\cos(\omega t) = -\omega^2x_1$ $x_2 = \mathrm{sen}(\omega t)\qquad \dot{x}_2 = A\omega\cos(\omega t)\qquad\ddot{x}_2 = -A\omega^2\mathrm{sen}(\omega t) = -\omega^2x_2$

La expresión general de un posible desplazamiento que verifique esta ecuación es una combinación de estas dos soluciones

$x = c_1\cos(\omega t) + c_2\,\mathrm{sen}(\omega t)$

con $c 1$ y $c 2$ dos constantes que se pueden deducir de la posición y velocidad iniciales. Imponiendo que la posición inicial valga $x 0$ obtenemos

$x_0=x(t=0) = c_1\overbrace{\cos(0)}^{=1}+c_2\overbrace{\mathrm{sen}(0)}^{=0}=c_1\qquad\Rightarrow\qquad c_1 = x_0$

Derivando e imponiendo que la velocidad inicial valga $v 0$

$v_0=\dot{x}(t=0) = -c_1\omega\overbrace{\mathrm{sen}(0)}^{=0}+c_2\omega\overbrace{\cos(0)}^{=1}=c_2\omega\qquad\Rightarrow\qquad c_2 = \frac{v_0}{\omega}$

y queda la solución en función de las condiciones iniciales

$x = \displaystyle x_0\cos(\omega t) + \frac{v_{0}}{\omega}\mathrm{sen}(\omega t)$

Podemos combinar las dos funciones en una sola si definimos las cantidades $A$ y $\varphi$ tales que

$c_1 = A\cos(\varphi)\qquad c_2 = A\,\mathrm{sen}(\varphi)$

de manera que la solución general puede reescribirse como

$x = A\cos(\omega t -\varphi)\,$

siendo $A$ y $\varphi$ dos constantes que también se pueden calcular a partir de la posición y la velocidad iniciales. La equivalencia entre las dos expresiones se demuestra desarrollando el coseno de la diferencia.

En función de las condiciones iniciales queda

$A=\sqrt{c_1^2+c_2^2}=\sqrt{x_0^2+\frac{v_0^2}{\omega^2}}\qquad \varphi = \mathrm{arctg}\left(\frac{c_2}{c_1}\right)=\mathrm{arctg}\left(\frac{v_0}{\omega}\right)$

La velocidad y la aceleración instantáneas se calculan derivando la expresión de $x (t)$ :

$v = \dot{x} = -A\omega\,\mathrm{sen}\,(\omega t-\varphi)$ $a = \ddot{x}=-A\omega^2\cos(\omega t-\varphi)=-\omega^2 x\,$

Si representamos la posición a lo largo del eje X como función del tiempo obtenemos una función periódica

$x(t+T) = x(t)\,$

con $T$ el periodo de oscilación. La forma de la función es sinusoidal. Este movimiento se caracteriza por los siguientes variables y constantes:

Elongación, $x (t)$: es la posición instantánea, considerada como distancia (con signo) respecto a la posición central del movimiento.
Fase, $\phi=\omega t -\varphi$: Indica en que punto del ciclo se encuentra el sistema. Para un periodo varía entre 0 y 2π rad.
Amplitud, $A$: es la máxima elongación del movimiento. Se mide en m en el SI.
Frecuencia angular, $ω$: En el SI se mide en rad/s.
Periodo, $T$: Es el intervalo necesario para una oscilación completa. Se calcula a partir de la frecuencia angular como

$T = \frac{2\pi}{\omega}$

En el SI el periodo se mide en s.

Frecuencia natural, $f$: mide el número de oscilaciones que el sistema realiza en la unidad de tiempo. Es la inversa del periodo

$f=\frac{1}{T}=\frac{\omega}{2\pi}$

En el SI se mide en hercios, Hz, equivalentes a 1 ciclo/s o simplemente a 1 s⁻¹.

Constante de fase, $\varphi$: También llamada fase inicial. Es proporcional al adelanto (fracción de período transcurrida) entre el instante de máxima elongación (que corresponde a una fase $φ = 0$ ) y el instante inicial (t=0).

La velocidad y la aceleración de este movimiento son también funciones oscilatorias, con el mismo periodo pero desfasadas, un cuarto de periodo la velocidad y medio periodo la aceleración. En un periodo de oscilación, cuando la elongación es máxima, la velocidad es nula y la aceleración es máxima (pero de signo contrario a la elongación). En el punto central la elongación y la aceleración son nulas, mientras que la velocidad es máxima.

El valor extremo de la velocidad corresponde a una fase de $π / 2$ o $3π / 2$

$v(t) = \dot{x}=-A\omega\,\mathrm{sen}(\omega t -\varphi)\qquad\Rightarrow\qquad |v|_\mathrm{max} =A\omega = \sqrt{v_0^2+\omega^2x_0^2}$

El valor máximo de la aceleración lo da la propia ecuación de movimiento del oscilador armónico

$a = -\omega^2x\qquad\Rightarrow\qquad |a|_\mathrm{max} = \omega^2A$

5.4 Rozamiento viscoso

Tal como se ve en los temas de Dinámica, una forma común de rozamiento es el llamado rozamiento viscoso, que ocurre cuando una partícula se mueve en el interior de un fluido. En un modelo sencillo de este rozamiento, puede suponerse que es proporcional a la velocidad (cuanto más rápido vaya la partícula, mayor es la oposición que encuentra). Si tenemos una partícula que comienza a moverse en un medio viscoso, por ejemplo, un proyectil que penetra en el agua, su movimiento verifica

$a = -\gamma v\qquad\qquad v(t=0) = v_0\qquad\qquad x(t=0) = 0$

siendo γ una constante.

Nuestro objetivo es determinar cómo se mueve la partícula como función del tiempo $x = x (t)$ . Esto es una ecuación diferencial, que relaciona la derivada de una función con la propia función. Existen diferentes formas de integrar esta ecuación.

Una de ellas consiste en observar que ambos miembros representan una derivada respecto al tiempo,

$\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = -\gamma\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}$

con lo que puede ser integrada una vez respecto al tiempo

$\int_0^t \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\mathrm{d}t = -\gamma\int_0^t\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\mathrm{d}t\qquad\Rightarrow\qquad \int_{v_0}^v \mathrm{d}v = -\gamma\int_0^x\mathrm{d}x\qquad\Rightarrow\qquad v - v_0 = -\gamma x$

Despejando

$v = v_0 -\gamma x\,$

Esta ecuación nos da la velocidad como función de la posición, que ya sabemos como integrar

$\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} = v_0-\gamma x \qquad\Rightarrow\qquad \frac{\mathrm{d}x}{v_0-\gamma x} = \mathrm{d}t$

Integrando cada miembro

$\int_0^x \frac{\mathrm{d}x}{v_0-\gamma x} = -\frac{1}{\gamma}\ln\left(\frac{v_0-\gamma x}{v_0}\right)\qquad \qquad \int_0^t\mathrm{d}t = t$

lo que nos da finalmente la ley horaria

$-\frac{1}{\gamma}\ln\left(\frac{v_0-\gamma x}{v_0}\right) = t \qquad \Rightarrow\qquad x = \frac{v_0}{\gamma}\left(1-\mathrm{e}^{-\gamma t}\right)$

Siendo la velocidad y la aceleración como funciones del tiempo

$v = \dot{x}=v_0\mathrm{e}^{-\gamma t}\qquad \qquad a = \ddot{x} = -\gamma v_0\mathrm{e}^{-\gamma t}$

Nos resulta que la velocidad decae exponencialmente, y la partícula tarda (idealmente) un tiempo infinito en pararse. La partícula, no obstante, no recorre una distancia infinita, sino que se se va aproximando gradualmente a un valor límite