Diapositiva 1 - OCW

CURSO CERO DE FÍSICA
CINEMÁTICA DEL PUNTO
Ángel Muñoz Castellanos
Departamento de Física
CURSO CERO DE FÍSICA.UC3M
CINEMÁTICA DEL PUNTO
CONTENIDO
• Movimiento unidimensional
•Posición, velocidad, aceleración
•Movimiento rectilíneo uniforme
•Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado
•Movimiento en el espacio
•Vectores posición, velocidad y aceleración
•Ecuación de la trayectoria
•Componentes intrínsecas de la aceleración
•Movimiento circular
Ángel Muñoz Castellanos
Dpto. de Física
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CINEMÁTICA DEL PUNTO
Movimiento unidim. : posición, velocidad, aceleración
En un movimiento unidimensional la partícula se mueve a lo largo de una recta. Para describir el
movimiento es necesario escoger un origen, O, en el que situar el sistema de referencia. La posición de un
punto en la recta está dado mediante un número x. El número es positivo si está situado a la derecha de O
y negativo si está situado a la izquierda de O.
t2
t1
x1
O
x2
x
Si la posición de la partícula en el instante t1 es x1 y en t2 es x2, conviene recordar:
•
•
•
El desplazamiento se define como: x=x2-x1
La distancia recorrida en el intervalo de tiempo t=t2-t1 es: d=|x2-x1|
La velocidad media de la partícula entre los instantes t2 y t1 es:
vm
x2 x1
t2 t1
x
t
La velocidad media no nos da información de cómo varía la posición de la partícula con el tiempo. La
magnitud que sí nos da tal información es la velocidad instantánea, v, que se define como:
v
dx
dt
La velocidad instantánea es la derivada de la posición con respecto al tiempo
Para saber más: Proyecto Newton,
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Dpto. de Física
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Movimiento unidimen. : posición, velocidad, aceleración
La velocidad de la partícula también puede variar con el tiempo. Si en t1 la velocidad es v1 y en t2 la
velocidad es v2, se define la aceleración media en el intervalo t=t2-t1:
am
v2 v1
t 2 t1
v
t
Sin embargo la aceleración media no nos dice como va variando la velocidad de la partícula con el
tiempo. La magnitud adecuada para ello es la aceleración instantánea, que se define como:
a
dv
dt
La aceleración instantánea es la derivada de la velocidad con respecto del tiempo
Dos representaciones gráficas importantes:
v
x
dx
dt
v
La velocidad instantánea
es la tangente de la
curva x=x(t)
a
t
t
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dv
dt
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La aceleración
instantánea es la tangente
de la curva v=v(t)
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Movimiento rectilíneo uniforme
El movimiento es rectilíneo uniforme si la velocidad de la partícula es constante
Ecuaciones fundamentales del movimiento rectilíneo uniforme:
v
cte
a
Por otro lado: v
dv
dt
cte v0
x
t
dx
x0
d (cte)
0
dt
dx
v
v0
dt
dx v0 dt
t
v0 dt
0
v0 dt
x x0
v0t
0
x
Por tanto, las ecuaciones fundamentales del movimiento son:
Las curvas x=x(t) y v)v(t) son:
x
v v0
v
v0
Para saber más: MRU,
EDUCAPLUS
x0
t
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x0 v0t
t
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Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado
El movimiento rectilíneo es uniformemente acelerado si la aceleración es constante
Ecuaciones fundamentales del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado:
dv
dt
a
Como:
a
cte
v
dv adt
t
dv
v0
v v0
at
t
adt a dt
0
0
v v0 at
Por otro lado:
v
dx
dt
x
v0
at
t
dx v0 dt a tdt
dx (v0 at)dt
x0
Por tanto, las ecuaciones fundamentales del movimiento son:
x
0
v v0 at
x x0 v0t
v0
t
6
x
0
v
x0
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t
t
1 2
at
2
x0 v0t
1 2
at
2
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Vectores posición, velocidad y aceleración
Para describir el movimiento de una partícula en tres dimensiones es necesario considerar un sistema de
referencia tridimensional. En general se considera un sistema de ejes cartesianos.
z
P
El vector posición de la partícula, r, es un vector cuyo origen
está en el origen de coordenadas y su extremo en la partícula:
v

r
r
k
i
x
O j

xi
 
y j zk
El vector velocidad de la partícula, v, es la derivada de vector
posición respecto al tiempo:
y

v

dr
dt
dx 
i
dt
dy 
j
dt
dz 
k
dt



vx i v y j vz k
Importante: La dirección del vector velocidad cuando la partícula está en el punto P es paralela a la
tangente a la trayectoria en dicho punto, P.
El vector aceleración, a, es la derivada de vector velocidad respecto al tiempo:

a

dv
dt
dvx 
i
dt
dvy 
j
dt
dvz 
k
dt
d 2x 
i
dt 2
Ejemplo: el vector posición de un partícula es:

r

 
2t i (4t 1) j 3k
2
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

d 2z 
k
a
i
a
x
y j
dt 2

 
 dr
v
4t i 4 j
dt


 dv
a
4i
dt
d2y
j
dt 2

az k
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Ecuación de la trayectoria
La partícula al moverse en el espacio va pasando por diversos puntos. Si unimos dichos puntos mediante
una línea obtenemos la trayectoria de la partícula.
z
¿Cómo podemos obtener la expresión matemática de la ecuación de la
trayectoria?
P
r
k
i
x
El vector posición es:
Trayectoria
O j
y

r

x(t )i


y(t ) j z (t )k
x(t), y(t), z(t) son las coordenadas de la posición de la partícula en función
del tiempo.
x(t )
y (t )
z (t )
Ecuaciones
horarias del
movimiento
Eliminando el parámetro tiempo, t, obtenemos
una ecuación f=f(x,y,z) que constituye la
ecuación de la trayectoria
x(t ) 2t




Ejemplo: el vector posición de una partícula es: r 2t i t j 3k
y (t ) t
x 2t 2 y Luego: y x
y t
z (t ) 3
2
x
y
2 Se corresponde con una recta, y=x/2, que se encuentra en
La ecuación de la trayectoria es:
el plano z=3
z 3
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Componentes intrínsecas de la aceleración
Ya hemos visto que la velocidad es un vector cuya dirección es paralela a la tangente de la trayectoria en
cada punto. La aceleración también es una magnitud vectorial. En coordenadas cartesianas la aceleración
se expresa como:


dvx 
i
dt

a
dvy 
j
dt
dvz
k
dt

ax i

ay j
az k
¿Cuál es la dirección de la aceleración con respecto a la trayectoria de la partícula?
at
ut
un
r
an
a

a

at ut

anun
El vector aceleración, en cada punto de la
trayectoria, se descompone en dos componentes
La componente tangencial, at: es paralela a la tangente a la
trayectoria
La componente normal, an: es perpendicular a la trayectoria.
Dirigida hacia el interior de la curvatura de la trayectoria.
Nota importante: La aceleración da cuenta de cómo varía la velocidad en el tiempo. Al ser la velocidad
un vector puede variar su módulo y/o su dirección:

La componente tangencial, at: da cuenta de cómo varía el módulo de la velocidad at
La componente normal, an: da cuenta de cómo varía la dirección de la velocidad

a
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
dv 
ut
dt
v2 
un
r
an
dv
dt
v2
r
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Movimiento circular
En un movimiento circular la trayectoria descrita por la partícula es una circunferencia

ut
y

u
n
r
Si se utiliza un sistema de referencia cartesiano: se trataría de un movimiento
en el plano, y necesitaríamos dos coordenadas: x e y
s
x
Sin embargo, la posición de la partícula a lo largo de su trayectoria puede
determinarse sólo con el radio, r, y el desplazamiento angular .
y
x r cos
rsen
Magnitudes importantes en el movimiento circular:
[s]=m
Distancia recorrida sobre la trayectoria, s (arco de la circunferencia): s
Velocidad angular:
Velocidad de la partícula:
v

v
r
y

rut
v
ut
d
dt
(rad/s)
at
r
v2
r
an
x
d
(rad/s2)
dt
Aceleración angular:
Aceleración de la partícula:
2
r

a
y

rut
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10
2
at 
ut
an
Para saber más: CINEMATICA
r
x

run
[ ]=rad