RAPIDEZ, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN

RAPIDEZ, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN
reflexiona
Observa la imagen de las personas corriendo por el
campo. ¿Qué palabras vienen a tu mente? Tal vez
pienses en la palabra velocidad para describir qué
tan rápido corren las personas. Puedes pensar en
la palabra aceleración para describir la manera en
que los corredores ganan rapidez. Algunas personas
incluso pueden usar la palabra velocidad para
explicar la dirección en que corren las personas.
Pero, ¿qué significan realmente estas palabras?
Todas se relacionan con el movimiento, pero, ¿cuál
es la diferencia entre rapidez, aceleración y velocidad?
Marco de referencia
Cuando estudiamos términos relacionados con el movimiento, es importante comenzar
por debatir a qué se le llama marco de referencia. El movimiento describe un cambio en la
posición, la dirección o la ubicación de un objeto. La rapidez, la velocidad y la aceleración
describen el movimiento de un objeto en relación con algún otro punto. Este punto es el
marco de referencia.
Por ejemplo, imagina que estás sentado en un
vehículo inmóvil mirando por la ventanilla a otro
vehículo inmóvil. Uno de los vehículos comienza
a moverse, y, por un instante, no puedes decir
qué vehículo se está moviendo. La experiencia es
especialmente confusa en el caso de dos trenes
que están uno al lado del otro. Puedes resolver la
confusión mirando por las ventanillas del otro lado
del vagón y observando la estación de tren. En este
caso, la estación de tren es el marco de referencia.
Cuando miras pasar un tren
Sin un marco de referencia, es imposible determinar
desde la ventanilla de otro tren,
cuál de los dos objetos se mueve. Simplemente se
es difícil afirmar qué tren se está
mueven uno respecto del otro. En general, nuestro
moviendo, a menos que tengas
marco de referencia es la superficie de la Tierra.
un marco de referencia.
Si estás sentado en una silla, estás inmóvil porque
la superficie de la Tierra está inmóvil. Pero, ¿qué
sucede si eliges el Sistema Solar como tu marco
de referencia? Ahora te desplazas en órbita alrededor del eje de la Tierra a medida que te
desplazas alrededor del Sol en una órbita más grande.
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Rapidez
La rapidez se usa para medir qué tan rápido se mueve un objeto. Se calcula por la
distancia que recorre un objeto dividida entre el tiempo que demora el objeto en recorrer
esa distancia. La fórmula para la rapidez es s = d/t, donde la s representa la rapidez, la d
representa la distancia y la t representa el tiempo.
En Estados Unidos, la rapidez (o velocidad, a veces se manejan como sinónimos) por
lo general se mide en millas por hora (mph) o pies por segundo (pies/s). El símbolo “/”
representa la palabra “por”. Para fines científicos, usaremos unidades métricas para la
distancia: metros (m) y kilómetros (km). Para tener una perspectiva, 1 m/s = 2.24 mph y 1
km/hr = 0.62 mph.
El movimiento por lo general se produce con rapidez que varía. En estos casos, la rapidez
promedio se puede calcular si se conocen la distancia recorrida y el tiempo transcurrido.
Imagina que conduces un carro por la ciudad en tráfico pesado. La distancia recorrida fue
de 40 km, y el recorrido duró 2 hr. La rapidez promedio del carro fue de 40 km dividido por
2 hr o 20 km/hr.
Rapidez promedio del carro = distancia/tiempo
= 40 km/2 hr
= 20 km/hr
Por lo general, se usan gráficas para representar la rapidez. La distancia normalmente
se traza sobre el eje de las y, y el tiempo se traza sobre el eje de las x. Cuanto más
pronunciada es la línea de la gráfica, mayor es la rapidez o velocidad del objeto. La línea
horizontal representa un objeto que ha dejado de moverse ya que su distancia en la gráfica
no cambia. Observa la gráfica a continuación. Esta gráfica representa la rapidez de un
carro que recorre la ciudad. La parte más pronunciada de la línea se encuentra entre los
puntos D y E. Esto representa el momento en que el carro se movía con mayor velocidad.
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¿qué piensas?
Si un carro se desplaza con una rapidez constante de 100 km/hr, ¿qué distancia recorre el
carro cada hora? Si el carro se mueve durante tres horas, ¿cuál es la distancia total que
recorrerá? Puedes verificar tus respuestas más adelante.
Velocidad
La velocidad se mide en las mismas unidades
que la rapidez, pero también se conoce la
dirección del movimiento. La dirección se
puede describir, por ejemplo, como norte, sur,
este, oeste, izquierda o derecha. Se dice que
la velocidad es una magnitud vectorial, lo que
significa que tanto la magnitud (distancia de un
punto a otro) como la dirección se especifican.
Se dice que la rapidez es una magnitud escalar,
lo que significa que es un número que no indica
la dirección. La magnitud vectorial a menudo se
representa con una flecha sobre una cuadrícula.
La longitud de la flecha indica la magnitud y el
punto de la flecha indica la dirección; el vector a
la derecha de la gráfica indica que un carro se
dirige hacia el noreste a 80 km/hr.
¡atención!
Si la rapidez de un objeto en movimiento cambia, su velocidad también cambia. Sin
embargo, la afirmación opuesta no es verdadera. La velocidad puede cambiar mientras
que la rapidez sigue siendo la misma. Esto es cierto ya que un cambio en la dirección a
una rapidez constante es un cambio en la velocidad. Un carro que dobla una esquina con
una rapidez constante cambia su velocidad.
Aceleración
La aceleración es la tasa de variación de la velocidad durante un determinado período
de tiempo. Como la unidad para la velocidad tiene el tiempo en el denominador (m/s por
ejemplo), y la velocidad se divide por unidades de tiempo (s por ejemplo), para calcular la
aceleración la unidad de tiempo se especifica dos veces en el denominador. Por lo tanto,
las unidades para la aceleración son m/s2, que se indica como “metros por segundo por
segundo” o “metros por segundo al cuadrado”. En general, la aceleración se considera
un cambio en la rapidez. Sin embargo, es importante recordar que la aceleración es un
cambio en la velocidad. Por lo tanto, aun cuando un objeto esté moviéndose a una rapidez
constante, si cambia de dirección, el objeto está acelerando.
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La mayoría de las personas piensan que la aceleración es un aumento de la rapidez.
Sin embargo, disminuir la velocidad también se considera una aceleración. En términos
generales, esto se llama desaceleración, pero el término científico es aceleración negativa.
Un objeto que se desplaza en un círculo perfecto a una rapidez constante tiene una
aceleración uniforme, llamada aceleración radial. El objeto cambia constantemente de
dirección a medida que se desplaza.
La aceleración se puede calcular si se conocen el cambio en la velocidad y el tiempo para
que la velocidad cambie. Por ejemplo, si un carro que se dirige hacia el sur acelera de 25
m/s a 50 m/s durante un período de tiempo de 10 segundos, el cambio en la velocidad es
de 25 m/s (50 m/s – 25 m/s) y el período de tiempo es de 10 segundos. Divide 25 m/s entre
10 s, y la aceleración del carro es 2.5 m/s2.
Aceleración del carro = cambio en la velocidad/período de tiempo del cambio de
velocidad
= (50 m/s – 25 m/s) / 10 s
= 25 m/s / 10s
= 2.5 m/s2
¿qué piensas?
La gráfica de la derecha muestra la aceleración
de una estudiante a medida que caminaba hacia
su casa después de una práctica de fútbol.
¿Durante qué marco de tiempo la estudiante se
desplazó con aceleración positiva? ¿Cuándo
se desplazó con aceleración negativa? Puedes
verificar tu respuesta más adelante.
Perspectiva técnica: Velocidad de escape
Los cohetes se inventaron mucho antes de que se lanzara
el primer satélite al espacio. ¿Por qué fue así? La respuesta
se relaciona con la velocidad de escape, que hace referencia
a la velocidad mínima que debe alcanzar un objeto antes de
escapar de la fuerza gravitatoria de la Tierra. Un objeto que
viaja a velocidad de escape puede orbitar la Tierra a la misma
velocidad o ingresar al espacio.
Este timbre conmemora
el Luna 1, el primer objeto
hecho por el hombre en
alcanzar la velocidad de
escape.
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La velocidad de escape para la Tierra es aproximadamente
11,100 m/s (25,000 mph) en dirección contraria a la
superficie de la Tierra. Esto significa que un objeto, como
un cohete, debe alejarse de la superficie de la Tierra a una
velocidad de al menos 11,100 m/s para ingresar al espacio.
El principal factor que retrasó la exploración espacial fue
la cantidad de tiempo que se necesitó para desarrollar un
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cohete que pudiera ejercer la fuerza suficiente para acelerar un objeto a una velocidad tan
grande. En 1959, el satélite ruso Luna 1 fue el primer objeto hecho por los seres humanos en
alcanzar la velocidad de escape. ¡Fue el comienzo de la era espacial!
¿qué piensas?
Verifica las respuestas de los problemas anteriores:
1.Un carro que se desplaza a una rapidez constante de 100 km/hr (km por hr) recorre
100 kilómetros cada hora. En 3 horas, el carro habrá recorrido 100 km/hr × 3 hr =
300 km.
2.La estudiante se desplazó con aceleración positiva de 0 a 4 min; durante este
intervalo, su rapidez aumentó de manera continua. La estudiante se desplazó con
aceleración negativa de 4 a 7 min; durante este intervalo, su rapidez disminuyó de
manera continua.
¿Qué tanto sabes?
La tabla a continuación enumera ejemplos de diferentes tipos de movimiento. De los
siguientes términos, elige el que mejor describe cada ejemplo. Ten en cuenta que puede
haber más de una respuesta posible, pero solo puedes usar cada palabra una sola vez.
•Aceleración negativa
•Velocidad
•Rapidez promedio
•Rapidez constante
Movimiento
Un camión viajó hacia el sur sobre una ruta
a 60 km/hr.
Una estudiante salió en bicicleta hacia la
casa de una amiga. Recorrió 30 metros en 5
minutos y se detuvo una vez en el trayecto.
Un perro corrió con una rapidez de 5 m/s
durante 5 min. Luego, cambió su rapidez a
3 m/s.
Un carro se desplazó con la misma rapidez
de 110 km/hr alrededor de una pista
ovalada.
Descripción correspondiente
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conéctese con su hijo
Diseñar un experimento de velocidad
Para ayudar a su hijo a aprender más
acerca de la rapidez, la velocidad y la
aceleración, trabajen juntos para diseñar
un experimento que se pueda usar
para analizar los factores que afectan la
velocidad de un objeto.
Comiencen haciendo una lluvia de ideas
para el experimento, enfocándose en
equipos cotidianos que puedan usar.
Elabore una pregunta para que usted y su
hijo traten de responderla. Las sugerencias
incluyen: “¿De qué manera la masa de
un carro de juguete afecta su velocidad?”
o “¿De qué manera la superficie de una
rampa afecta la velocidad de una pelota de
plástico?”.
Una vez que hayan completado el
experimento, pida a su hijo que escriba una
conclusión, como: “Los objetos con mayor
masa se mueven con mayor velocidad”.
Estas son algunas preguntas sobre las que
puede comentar con su hijo después del
experimento:
1.¿Cómo calculaste la velocidad de los
objetos en tu experimento?
2.¿Qué otros factores puedes analizar
para determinar su efecto en la
velocidad?
3.¿De qué manera estos tipos de
experimentos con la velocidad
pueden ser útiles para los ingenieros
y otros científicos?
Una vez que han elegido una pregunta,
hagan una lista de los materiales que
necesitan y pida a su hijo que haga una
predicción. Por ejemplo, si analizarán el
efecto de la masa sobre la velocidad, su hijo
debe predecir con qué magnitud la masa
afectará la velocidad.
Luego, reúnan los materiales y hagan
el experimento. Asegúrense de cambiar
únicamente una variable de su experimento.
Por ejemplo, si analizan el efecto de la
masa sobre la velocidad usando carros de
juguete y una rampa, asegúrense de que la
única cosa que cambie en el experimento
sea la masa del carro. Mantengan la rampa
y todos los otros factores iguales. En lo
posible, hagan varias pruebas y averigüen
la velocidad promedio para cada masa que
analicen.
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