Tiro vertical

Los objetos lanzados verticalmente hacia arriba o hacia abajo, describen un movimiento denominado “tiro vertical” que se estudia en la cinemática y, al igual que los demás, se encuentra muy influenciado por la fuerza de gravedad. En este artículo abordaremos sus principales características.

Tiro vertical

Todos los cuerpos lanzados en el vacío sobre la Tierra en puntos próximos a su superficie caen con la misma aceleración, es la aceleración de la gravedad.

El valor aproximado de la gravedad es de 9,81 m/s².

Se denomina tiro vertical al movimiento hacia arriba o hacia abajo que describe una trayectoria vertical influenciada por la fuerza de gravedad. Los hay de dos tipos, de acuerdo a la orientación del móvil respecto a la gravedad.

Tiro vertical hacia abajo

Es aquel que se origina al lanzar un cuerpo hacia abajo con una velocidad inicial vdiferente de 0 y describe un movimiento uniformemente acelerado. Dicho movimiento se describe a continuación:

En la imagen se considera positiva a la dirección OA del eje del sistema de referencia usado y a partir de este las ecuaciones a utilizar en el tiro vertical hacia abajo son:

Dónde:

v= velocidad en cualquier punto de la trayectoria.

v0= velocidad inicial

g= gravedad

t= tiempo

y= altura

Las ecuaciones 1 y 2 permiten calcular la velocidad en cualquier punto, sin embargo, la primera depende del tiempo y la segunda de la altura.

Tiro vertical hacia arriba

Es una suma de dos movimientos, uno de subida que sería el tiro vertical hacia arriba en sentido estricto y otro hacia abajo que obedece al movimiento de caída libre. El tiro vertical hacia arriba describe un movimiento uniformemente retardado porque la aceleración va en el sentido opuesto al movimiento. Siempre tiene una velocidad inicial y a continuación se describen sus elementos principales:

Si se considera la dirección OA como positiva en nuestro sistema de referencia, la gravedad será negativa por ir en sentido contrario. De manera que las ecuaciones en función a este sistema de referencia quedarán expresadas para el tiro vertical de la siguiente manera:

El doble signo de la quinta ecuación (5) se refiere a que el valor de la velocidad que tiene el cuerpo al subir (v>0) es el mismo que cuando el cuerpo baja (v>0) en el mismo punto su trayecto. Lo mismo se cumple para el tiempo, es decir, el tiempo que el móvil tarda en alcanzar un punto del trayecto, es igual al tiempo que emplea en bajar desde dicho punto.

En la parte del tiro vertical hacia arriba en donde se describe el movimiento de caída libre se cumplen las ecuaciones:

Dónde:

h = altura de caída por efecto de la gravedad

 

En el movimiento de caída libre se cumple que  V0 = 0.

Altura máxima

En el caso del tiro vertical hacia arriba, desde el momento en el que el cuerpo es lanzado con una velocidad inicial, su velocidad descenderá gradualmente hasta llegar a 0, como resultado de la fuerza de gravedad. En el punto donde el móvil alcanzará su altura máxima.

En sentido si se sustituye el valor de en la cuarta ecuación (4) se tiene que:

Si se despeja tiempo de la ecuación que se acaba de despejar se tiene:

Al sustituir la ecuación de tiempo despejada en la sexta ecuación (6) se obtiene:

Al resolver los términos semejantes se llega a la siguiente ecuación:

La ecuación obtenida corresponde a la ecuación de la altura máxima, para diferenciarla de otras alturas se expresa como hmax

De la ecuación anterior se obtiene la ecuación para calcular la velocidad inicial en función de la altura máxima del móvil:

Mientras mayor sea la velocidad inicial de un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba, mayor será su altura máxima.

Problemas resueltos

Una persona lanza una moneda verticalmente hacia abajo con una velocidad inicial de 8 m/s. Determinar:

  1. Su velocidad a los 3 segundos.
  2. La distancia que habrá descendido a esos 3 segundos.
  3. La velocidad después de haber descendido 13 metros.
  4. El tiempo en el que alcanzará el suelo, si la altura desde donde fue lanzada la moneda fue de 200 m.
  5. La velocidad con la que tocará el suelo.

Datos:

  1. Su velocidad a los 3 segundos.

Debido a que en el enunciado dicen que la moneda fue lanzada hacia abajo con una velocidad inicial mayor a cero, se trata de un problema de tiro vertical hacia abajo, por lo tanto se empleará la primera ecuación (1)v= v0+g.t para cuando t=3 s.

2. La distancia que habrá descendido a esos 3 segundos.

Se emplea la tercera ecuación (3) y=v0.t+ 1/2.g.t² donde se relaciona la distancia o altura del móvil respecto al punto desde donde es lanzado el móvil. En este caso v0 se calculó en el paso anterior y t es igual a 3 s.

3. La velocidad después de haber descendido 13 metros.

Se emplea la segunda ecuación de velocidad (2) v= v0²+ 2.g.y  porque es la que relaciona la altura con la velocidad.

4. El tiempo en el que alcanzará el suelo, si la altura desde donde fue lanzada la moneda fue de 200 m.

Se aplica la tercera ecuación (3), en este caso, el valor de y será de 200 m debido a que será la distancia total que recorrerá la moneda hasta caer al suelo, el tiempo que tarde en recorrer dicha distancia será el tiempo que empleará en alcanzar el suelo.

Para efectos de cálculos se omitirán las unidades, de manera que se obtiene la siguiente ecuación de segundo grado:

Al resolver la ecuación de segundo grado se obtienen dos raíces. Como el tiempo nunca es negativo, se toma la raíz positiva.

Por lo tanto el tiempo en el que la moneda alcanzará el suelo será a los 5,621 s.

Para saber más sobre cómo resolver una ecuación de segundo grado puedes visitar el siguiente enlace: http://elbibliote.com/resources/Temas/html/468.php

5. La velocidad con la que tocará el suelo.

Se aplica la primera ecuación (1) v = v0+g.t pero se debe considerar el tiempo igual al tiempo que tarda la moneda en alcanzar el suelo y que se calculó en el paso anterior.

Un beisbolista lanza la pelota verticalmente hacia arriba, si tardó 2,40 s en alcanzar su máxima altura. Determinar:

  1. La rapidez inicial.
  2. La altura máxima que alcanza en ese tiempo.
  3. La velocidad en el primer segundo.
  4. La velocidad en t=3 s

Datos:

  1. La rapidez inicial.

Para calcular la rapidez inicial o velocidad inicial se emplea las ecuaciones de tiro vertical hacia arriba, específicamente la cuarta ecuación (4). En este pudo se debe considerar que al encontrarse la pelota en su máxima altura su velocidad es 0, por lo tanto v = 0 m/s.

Al sustituir la ecuación se obtiene:

Se despeja de la ecuación:

2. La altura máxima que alcanza en ese tiempo.

Se aplica la ecuación de altura máxima (11)  Y se obtiene:

3. La velocidad en el primer segundo.

Como piden la velocidad al primer segundo, se debe aplicar la cuarta ecuación (4) v= v0-g.t para t=1 s

4. La velocidad en t=3 s

Como la pelota alcanza su altura máxima a los 2,40 s, para tiempo posterior a este la pelota describirá un movimiento de caída libre como se explicó anteriormente. Por lo tanto, para calcular la velocidad a los 3 s se emplea la novena ecuación v = g.t. Se debe considerar que el tiempo será medido a partir del punto en donde alcanza la altura máxima. Por tal motivo, el tiempo a usar será igual a los 3 s menos 2,40 s, es decir, 0,6 s

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