CAPÍTULO 5 / TEMA 1

Características del movimiento

Todo movimiento presenta características particulares que pueden ser definidas por las leyes que postuló Sir Isaac Newton. La cinemática es la rama de la ciencia que estudia este fenómeno físico observable en todo el universo. 

Todo ser vivo está en constante movimiento.

Las leyes de Newton

En 1687, el físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés Isaac Newton, publico su famosa obra Philosophiæ naturalis principia mathematica (Principios matemáticos de la filosofía natural), donde dio a conocer al mundo sus descubrimientos sobre mecánica y cálculo matemático. En este libro, que es considerado el más importante de la historia científica, Newton estableció las tres leyes que rigen los movimientos. Estas son: la ley de inercia, el principio fundamental de la dinámica y el principio de acciónreacción.

¿Sabías qué?
El primero en estudiar el movimiento fue Aristóteles, quien formuló la teoría de la caída de los cuerpos en la que postulaba que un cuerpo pesado cae más rápido que uno ligero.

Primera ley de Newton o ley de inercia

La primera ley de Newton o ley de inercia establece que: “todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él”. Es decir, todo cuerpo permanece en reposo a menos de que se aplique una fuerza neta sobre él.

Cuando se habla de reposo se tiene en cuenta un sistema de referencia.

Segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica

La segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica señala que: “el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”. Esto quiere decir que la aceleración de un cuerpo es proporcional a la fuerza neta aplicada sobre él e inversamente proporcional a su masa.

La energía generada a través de los molinos de viento depende del movimiento del aire.

Tercera ley de Newton o principio de acción-reacción

La tercera ley de Newton o principio de acciónreacción establece que: “con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”. Esto quiere decir que cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, este último ejercerá una fuerza de igual magnitud pero en sentido contrario a la primera.

Ver infografía

Sistema de referencia

Para describir un movimiento es preciso tener un sistema de referencia, es decir, unos ejes coordenados respecto a los cuales se pueda fijar la posición del móvil en cada instante.

Un sistema de referencia mide posición y otras magnitudes físicas de un sistema físico y de mecánica.

Un sistema de referencia puede ser fijo o móvil. Si queremos describir el movimiento de un pasajero que camina por el pasillo de un vagón de tren mientras éste avanza en línea recta a 100 km/h, puede ser útil tomar un eje de abscisas ligado al vagón y, respecto a ese eje, diríamos que el pasajero se mueve, por ejemplo, a 5 km/h; pero podría interesarnos más tomar un eje de abscisas ligado a la vía del tren, y respecto a ese sistema de referencia la velocidad del pasajero sería de 105 km/h.

De hecho, los ejes ligados a la vía tampoco son fijos, ya que la propia Tierra también se mueve. Así pues, en realidad todos los movimientos son relativos. Pero en los problemas de cinemática corrientes, cuando no se especifica otra cosa, se sobreentiende que el movimiento se ha referido  un sistema O(xyz) ligado a la Tierra y, por lo tanto, en reposo con respecto a ésta.

¿Sabías qué?
La trayectoria descrita por un objeto depende del sistema de referencia usado, que se elige de forma arbitraria por el observador y casi siempre el ojo del observador es el origen del sistema de coordenadas usado en el sistema de referencia.

Si describimos un movimiento respecto a dos sistemas de referencia distintos, la ecuación de la curva de la trayectoria será distinta y, si además se trata de dos sistemas de referencia que están en movimiento relativo uno respecto a otro, también la propia curva será en general distinta.

Respecto a un sistema de referencia, la posición del móvil en cada instante está fijada por su vector de posición, que es variable en función del tiempo.

Si expresamos ese vector mediante sus componentes, éstas también serán funciones del tiempo:

Para cada valor de t tendremos la posición del móvil en ese instante y la trayectoria es la curva que describe el extremo del vector:

Ejemplo: el vector desplazamiento desde el punto P 0 al punto P se puede expresar como la diferencia de dos vectores: el vector de posición de P y el vector de posición de P 0, esto es:

Existen dos tipos de sistemas de referencia: sistema de referencia inercial y sistema de referencia no inercial.

Sistema de referencia inercial

El sistema de referencia es inercial cuando se cumplen las leyes de movimiento establecidas por Newton. Es decir, cuando la variación del momento lineal del cuerpo o del objeto es igual a la sumatoria de las fuerzas aplicadas sobre él.

Sistema de referencia no inercial

El sistema de referencia es no inercial cuando no se cumplen las leyes de Newton. Esto quiere decir que la variación del momento lineal del cuerpo o del objeto no es proporcional a la sumatoria de las fuerzas aplicadas sobre él.

Trayectoria y desplazamiento de un móvil

Se denomina trayectoria al camino recorrido por un móvil a lo largo del tiempo. Es decir, la trayectoria es el conjunto de las sucesivas posiciones ocupadas por el móvil. La medida de la longitud de esa trayectoria es lo que se denomina espacio. Así pues, el espacio es una magnitud escalar.

Es importante no confundir estos dos conceptos con el de desplazamiento. El desplazamiento de un móvil desde un punto P0 a un punto P1 es un vector que tiene su origen en el punto P0 y su extremo en el punto P1. El desplazamiento es independiente de la trayectoria: sólo depende de los puntos inicial y final.

Clasificación del movimiento

El movimiento se clasifica según trayectoria, rapidez y orientación.

Según la trayectoria, los movimientos son:

Movimiento rectilíneo: en el movimiento rectilíneo, la trayectoria del móvil es recta y la velocidad siempre lleva la misma dirección. Este se clasifica en:

  • Movimiento rectilíneo uniforme (MRU): trayectoria recta, velocidad constante y aceleración nula porque no hay cambio de velocidad.  Por ejemplo: ciclistas que avanzan en línea recta a velocidad constante. La aceleración es nula porque la velocidad no varía, siempre van a 20 km/h.
En el MRU el móvil se desplaza en un solo sentido, con trayectoria constante.
  • Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV): trayectoria recta, velocidad variada y aceleración constante.

Debido a que la velocidad varía, por ejemplo de 20 km/h a 28 km/h, aparece otro concepto que se llama aceleración, que nos indica cuán rápido cambia la velocidad un móvil. Está relacionada con el cambio de velocidad y el tiempo empleado en realizar ese cambio.

Por ejemplo, la caída libre o el lanzamiento vertical.  En el caso de la caída libre, el movimiento es provocado por la atracción gravitatoria de la Tierra (9,8 m/s2). Por lo tanto, la velocidad del cuerpo en caída libre aumentará 9,8 m/s por cada segundo transcurrido.

El lanzamiento de paracaídas es un MRUV.

Movimiento curvilíneo: el movimiento curvilíneo se llama de esta manera ya que su trayectoria es una línea curva que puede  ser circular, parabólica, elíptica y ondulatoria.

  • Movimiento circular: en el movimiento circular la trayectoria siempre es una circunferencia, varía el desplazamiento y el sentido del móvil, repite su trayectoria al pasar por los mismos puntos. Un ejemplo de este movimiento lo observamos en las ruedas de una bicicleta en movimiento y en una piedra unida a una cuerda que gira, entre otros.
Aunque parezca simple, en el movimiento de un ciclista se pueden medir una gran cantidad de magnitudes.
  • Movimiento parabólico: en este tipo de movimiento la trayectoria siempre es una parábola, un arco con sentido variable, es decir, un arco en el que el móvil realiza su recorrido sin pasar por los mismos puntos. Un ejemplo del movimiento curvilíneo parabólico se observa en una chorro de agua que sale de un conducto.
El chorro de agua describe un movimiento curvilíneo parabólico.
  • Movimiento elíptico: este movimiento debe su nombre a que la trayectoria es una elipse, es decir, una curva cerrada y simétrica como la que se forma por la órbita de la Tierra alrededor el Sol. El desplazamiento y el sentido se mantienen constantes, el móvil pasa por los mismos puntos del recorrido.
El movimiento de la Tierra alrededor del Sol es elíptico y produce las estaciones del año.
  • Movimiento oscilatorio: este movimiento se da cuando la trayectoria, en este caso una curva, se repite pero varía el sentido sucesivamente, y es  constante en la dirección o desplazamiento del móvil. Un ejemplo de este movimiento se ve en el vaivén de un columpio, en donde el movimiento está impulsado por el peso del móvil.
Este movimiento de un columpio se produce en torno a un punto de equilibrio estable.
  • Movimiento ondulatorio: es aquel en donde una oscilación se propaga de un punto a otro, por lo que se transporta energía con trayectoria rectilínea, mientras que el desplazamiento y sentido permanecen hasta que la onda disminuye o presenta un obstáculo. El movimiento ondulatorio puede definirse también como un movimiento vibratorio por lo que puede darse en los diferentes estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Un ejemplo de este movimiento se da al caer una gota de agua en un espacio acuático en reposo.
En movimiento ondulatorio la energía se propaga sin transferencia de materia.

Según su rapidez, un movimiento puede ser:

Uniforme: sucede cuando el móvil recorre distancias iguales en tiempos iguales.

Variado: sucede cuando el móvil recorre distancias iguales en tiempos distintos.

Esto puede demostrarse al comparar el recorrido constante de las manecillas de un reloj al dar la vuelta completa siempre a los 60 minutos, y el recorrido irregular de los atletas de 100 metros planos en las Olimpíadas, en donde todos tienen récords de tiempo diferente a una misma distancia.

En el movimiento uniforme la velocidad es constante.

La rapidez o velocidad en el movimiento es una magnitud escalar que permite determinar mediante una comparación si un movimiento es rápido o lento con respecto a otro, por lo que dependerá de la distancia y el tiempo que el móvil tarda en realizar el recorrido. En el movimiento variado la velocidad no es constante mientras que en el uniforme sí lo es, por ello la trayectoria en éste último siempre será rectilínea mientras que en el variado será rectilínea y curvilínea.

La característica principal del movimiento variado es el cambio de la velocidad y dirección.

Según su orientación, un movimiento puede ser:

De traslación pura: la traslación es el movimiento en el cual se modifica la posición de un objeto en contraposición a la rotación. 

De rotación pura: es el cambio de orientación de un cuerpo sobre un eje de referencia, de manera que el eje permanece fijo y el objeto gira sobre sí mismo cuando pasa por su centro de gravedad.

¿Sabías qué?
La Tierra tarda 23 horas y 56 minutos en dar una vuelta completa sobre su propio eje.
RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo “Leyes y teorías astronómicas”

El siguiente artículo proporciona más información sobre los científicos y sus tratados sobre el movimiento.

VER

Artículo “Dinámica”

Este artículo profundiza la información sobre la dinámica y las leyes postuladas por Isaac Newton.

VER

 

CAPÍTULO 5 / REVISIÓN

MOVIMIENTOS| ¿qué aprendimos?

Características del movimiento

Para describir un movimiento, es preciso tener un sistema de referencia, es decir, unos ejes coordenados respecto a los cuales se pueda fijar la posición del móvil en cada instante. Este sistema puede ser fijo o móvil, y mide posición y otras magnitudes físicas de un sistema físico y de mecánica. Se denomina trayectoria al camino recorrido por un móvil a lo largo del tiempo, mientras que el desplazamiento de un móvil desde un punto P0 a un punto P1 es un vector que tiene su origen en el punto P0 y su extremo en el punto P1. Los movimientos se clasifican según su trayectoria, rapidez y orientación.

Todo ser vivo está en constante movimiento.

Rapidez, velocidad y aceleración

La rapidez, la velocidad y la aceleración son magnitudes cinemáticas con propiedades diferentes. La rapidez indica la cantidad de distancia que logra recorrer un móvil en un intervalo de tiempo. La velocidad proporciona la rapidez y agrega también la dirección y el sentido en el cual se desplaza el móvil. El análisis de la velocidad se divide en dos partes importantes: la velocidad media y velocidad instantánea. La velocidad constante es aquella donde el modulo y la dirección no cambian a través del tiempo y sólo aplica para el Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).  La aceleración se define como el aumento de velocidad durante un intervalo de tiempo.

La rapidez es una magnitud escalar, la velocidad es una magnitud vectorial.

Tipos de movimientos

Se dice que un cuerpo está en movimiento cuando cambia de posición, pero depende de su trayectoria el tipo de movimiento que realice. El movimiento rectilíneo debe su nombre a que su trayectoria es una línea recta, y son constantes la trayectoria y la dirección. El movimiento rectilíneo uniforme (o simplemente movimiento uniforme) es el que tiene un móvil que se mueve en línea recta con velocidad constante. En el movimiento variado la velocidad no es constante, mientras que en el uniforme sí lo es, por ello la trayectoria en éste último siempre será rectilínea mientras que en el variado será rectilínea y curvilínea. En la caída libre el móvil cae de forma vertical desde cierta altura sin ningún obstáculo. El movimiento curvilíneo se llama de esta manera ya que su trayectoria es una línea curva, que puede ser circular, parabólica, elíptica y ondulatoria.

Los movimientos se diferencian de acuerdo a la trayectoria que el cuerpo haya tomado.

CAPÍTULO 5 / EJERCICIOS

movimientos

Características del movimiento

1. Investiga sobre la frase “El movimiento es relativo” y explica lo que significa con tus propias palabras.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

2. Escribe el  nombre del término al que corresponde cada definición.

  • ______________________________: punto o posición desde donde comienza el movimiento.
  • ______________________________: representación gráfica del movimiento.
  • ______________________________: eje de las coordenadas representado con la letra Y.
  • ______________________________: eje de las abcisas representado con la letra X.

rapidez, velocidad y aceleración

1. En las siguientes oraciones, responde con una V si es verdadero o F si es falso. En caso de ser falso, justifica la respuesta.

  • Cuando decimos que un vehículo viaja a 100 km/h nos referimos a su trayectoria.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

  • La velocidad incluye la rapidez y la dirección de un móvil.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

  • La medida de la velocidad se conoce como vectorial, ya que dispone de un valor escalar y una dirección.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

  • En la velocidad media, la dirección y el sentido son diferentes.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

2. Realiza con tus propias palabras una definición para cada una las siguientes opciones y explica de qué manera se puede graficar.

  • Velocidad instantánea: _______________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________.

  • Aceleración: _______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________.

3. Resuelve los siguientes ejercicios:

  • Un automóvil tiene una velocidad inicial de 30 m/s y 10 segundos más tarde alcanza una velocidad final de 60 m/s ¿Cuál es su aceleración?

Solución:

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Una pelota rueda hacia la derecha en línea recta y recorre una distancia de 15 m en 10 s. Calcular la rapidez.

Solución:

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

tipos de movimientos

1. Completa las siguientes oraciones:

  • En el movimiento rectilíneo el móvil se desplaza en un solo sentido, con _____________ y _____________ constante, y no pasa por los mismos puntos del recorrido.
  • Todos los cuerpos en caída libre tienen un movimiento _____________.
  • En el _________________________ la velocidad en la que se mueve el vector es invariable en módulo, dirección y sentido.
  • Al movimiento en el que el móvil cae en forma vertical desde cierta altura y sin obstáculos se lo llama ____________________.

2. Describe con un ejemplo los diferentes tipos de movimientos y dibuja su trayectoria.

  • Movimiento rectilíneo uniforme

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

  • Movimiento rectilíneo uniformemente variado

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

  • Caída libre

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

  • Movimiento parabólico

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

  • Movimiento circular

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

  • Movimiento ondulatorio

Ejemplo: ___________________________________________________________________________________.

Trayectoria:

 

 

CAPÍTULO 5 / TEMA 3

Tipos de movimiento

Se dice que un cuerpo está en movimiento cuando cambia de posición, pero depende de su trayectoria el tipo de movimiento que realice. En la física hay varios tipos de movimientos que a continuación estudiaremos.

Ver infografía

Descripción del movimiento

A diario somos parte de un entorno que se encuentra en movimiento, lo que se evidencia en nuestras horas de luz y oscuridad por los movimientos del planeta Tierra en su eje de rotación, así como los movimientos de traslación en torno al Sol durante el año y las diferentes estaciones; por lo que todo lo que está en el planeta se mueve y de allí la formación de diferentes fenómenos, como las mareas, las corrientes marinas, el viento, los terremotos y la deriva continental.

¿Sabías qué?
El movimiento de una bala es parabólico, es el ojo del observador quien le da el nombre de Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV).

Este proceso físico también se demuestra a niveles microscópicos, en el movimiento de los cromosomas durante la división celular y en el movimiento de los electrones que orbitan los núcleos de los átomos. Sin embargo, a pesar de saber que ningún objeto, factor abiótico o ser vivo está inmóvil, se debe partir de un punto o posición para poder facilitar el estudio del movimiento, este punto se conoce como sistema de referencia, por lo que se dice que el movimiento de un cuerpo se da al cambiar su posición con respecto a un sistema de referencia.

El punto medio del sistema de coordenadas es cero.

Imaginemos que se deja caer un balón desde una altura de 1 metro y que se necesita estudiar el recorrido del movimiento. Para ello se hace una representación gráfica del movimiento a través del sistema de ejes de coordenadas, el cual consta de dos rectas perpendiculares que convergen en un punto denominado origen. La recta vertical corresponde al eje de las coordenadas descrito con la letra Y; y la recta horizontal corresponde al eje de las abscisas descrito con la letra X. Al representar gráficamente el ejemplo anterior podemos conocer la naturaleza del movimiento, es decir, que la dirección del movimiento es vertical, de arriba hacia abajo, por lo que el movimiento es rectilíneo.

El balón está en movimiento.

MOVIMIENTOS RECTILÍNEOS

El movimiento rectilíneo debe su nombre a que su trayectoria es una línea recta, es decir, cuando el móvil se desplaza en un solo sentido, con constante trayectoria y dirección, y no pasa por los mismos puntos del recorrido. Todos los cuerpos en caída libre tienen un movimiento rectilíneo.

Una carrera de 100 metros planos es un movimiento rectilíneo.

Movimiento rectilíneo uniforme (MRU)

Existe un movimiento en el que el vector velocidad es invariable en módulo, dirección y sentido: el movimiento rectilíneo uniforme (o simplemente movimiento uniforme), que es el que tiene un móvil que se mueve en línea recta con velocidad constante.

Si tenemos los puntos P0 y P de la trayectoria que recorre un móvil con movimiento uniforme y tomamos esa recta como eje x, esos puntos quedarán fijados con una única coordenada: su abscisa. Los vectores:

 

Serán:

Y la velocidad media entre P0 y P será:

Como la velocidad instantánea es constante, podemos escribir:

De donde X= X0  + v. (t – t 0)                                                                                                                                                                                                                                                                   

Si empezáramos a medir los tiempos cuando el móvil se halla en el punto P0, sería t0 = 0, y por lo tanto, x = x0 + v·t. Y si además tomásemos el origen de abscisas en el punto P0, se reduciría a x = v·t.

Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)

Según la naturaleza de los movimientos pueden ser regulares o irregulares. El movimiento uniforme se refiere a cuando el móvil recorre distancias iguales en tiempos iguales, mientras que el movimiento variado es el caso contrario. Esto puede demostrarse al comparar el recorrido constante de las manecillas de un reloj al dar la vuelta completa siempre a los 60 minutos, y el recorrido irregular de los atletas de 100 metros planos en las Olimpíadas, en donde todos tienen récords de tiempo diferente a una misma distancia.

La rapidez o velocidad en el movimiento es una magnitud escalar que permite determinar mediante una comparación si un movimiento es rápido o lento con respecto a otro, por lo que dependerá de la distancia y del tiempo que tarda en realizar el recorrido. Si se repitiese el ejemplo del balón de básquet, el móvil, es decir el balón, realiza desplazamientos iguales en diferentes tiempos con cambios constantes en la rapidez, por lo que el movimiento es variado. En el movimiento variado la velocidad no es constante, mientras que el uniforme sí lo es, por ello la trayectoria en éste último siempre será rectilínea mientras que en el variado será rectilínea y curvilínea.

Un vehículo realiza un MRUV ya que su velocidad no es constante.

La caída libre

En este movimiento, el móvil cae de forma vertical desde cierta altura sin ningún obstáculo. Es un tipo de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV) porque su aceleración es constante y coincide con el valor de la gravedad.

El lanzamiento de paracaídas es una caída libre y además un MRUV.

La gravedad

Al encontrarse cerca de la superficie terrestre, los cuerpos experimentan una fuerza de atracción que les confiere una aceleración. Cuando una manzana cae de un árbol, lo hace por acción de dicha fuerza. En el caso de la Tierra, la gravedad puede considerarse constante y su dirección es hacia abajo. Generalmente se designa con la letra g y sus valores aproximados para algunos sistemas de medición son:

Sistema M.K.Sg = 9,8 m/s²

Sistema c.g.sg = 980 cm/s²

Sistema inglésg = 32 ft/s² (pies por segundo)

¿Sabías qué?
En 1687, el físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés Isaac Newton propuso la ley de gravitación universal o teoría de la gravedad.

MOVIMIENTO CURVILÍNEO

El movimiento curvilíneo se llama de esta manera ya que su trayectoria es una línea curva, que puede ser circular, parabólica, elíptica y ondulatoria.

Movimiento circular: en el movimiento circular la trayectoria siempre es una circunferencia, y son variables el desplazamiento y el sentido del móvil, que repite su trayectoria al pasar por los mismos puntos. Un ejemplo de este movimiento lo observamos en las ruedas de una bicicleta en movimiento o una piedra unida a una cuerda girando.

Aunque la rapidez y la magnitud de la velocidad son constantes, a cada momento cambia de dirección.

Movimiento parabólico: en este tipo de movimiento la trayectoria siempre es una parábola, un arco con sentido variable; un ejemplo del movimiento curvilíneo parabólico se observa en un chorro de agua que sale de un conducto.

Este movimiento es realizado por un objeto en dos dimensiones o sobre un plano.

Movimiento elíptico: debe su nombre a que la trayectoria es una elipse, es decir, una curva cerrada y simétrica como la que se forma por la órbita que se observa de la Tierra alrededor el Sol. El desplazamiento y sentido se mantienen constantes, pasa por los mismos puntos del recorrido.

El movimiento de la Tierra alrededor del Sol es elíptico y produce las estaciones del año.

Movimiento oscilatorio: este movimiento se da cuando la trayectoria, en este caso una curva, se repite mientras varía el sentido sucesivamente. Un ejemplo se ve en el vaivén de un columpio, en donde el movimiento está impulsado por el peso del móvil.

Este movimiento se produce en torno a un punto de equilibrio estable.

Movimiento ondulatorio: es aquel en donde una oscilación se propaga de un punto a otro, por lo que se transporta energía, siendo su trayectoria rectilínea, mientras que el desplazamiento y sentido permanecen hasta que la onda disminuye o presenta un obstáculo. El movimiento ondulatorio puede definirse también como un movimiento vibratorio, por lo que puede darse en los diferentes estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Un ejemplo de este movimiento se da al caer una gota de agua en un espacio acuático en reposo.

RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo “Dinámica”

Artículo destacado donde se diferencia la cinemática de la dinámica.

VER

Artículo “Lanzamiento vertical”

Artículo destacado con más información sobre este movimiento inverso a la caída libre.

VER

CAPÍTULO 1 / TEMA 3

MOVIMIENTO

SI MIRAMOS A NUESTRO ALREDEDOR NOS DAMOS CUENTA DE QUE MUCHAS COSAS SE MUEVEN: LOS AUTOS EN LAS CALLES, LOS NIÑOS QUE CORREN EN EL PARQUE, LAS HOJAS DE LOS ÁRBOLES Y LAS AVES QUE VUELAN DE UN ÁRBOL A OTRO. CUANDO ALGO CAMBIA DE POSICIÓN SE DICE QUE ESTÁ EN MOVIMIENTO, Y ESE MOVIMIENTO LO VEMOS DESDE DONDE NOS ENCONTRAMOS, ESE PUNTO DESDE EL QUE VEMOS SE LLAMA “SISTEMA DE REFERENCIA”. 

¿CÓMO PERCIBIMOS EL MOVIMIENTO?

PARA PODER DECIR SI ALGO SE MUEVE O ESTÁ QUIETO NECESITAMOS TENER UN PUNTO O UN SISTEMA DE REFERENCIA. PARA EXPLICARLO MEJOR, VEAMOS EL SIGUIENTE EJEMPLO:

¡VIAJE EN TREN!

CUANDO UN TREN VA EN MOVIMIENTO, PODEMOS VER COMO SE MUEVE PORQUE LAS VÍAS, EL PAISAJE Y LO QUE LO RODEA ESTÁ QUIETO A SU LADO.

LOS PASAJEROS QUE ESTÁN DENTRO SE MUEVEN JUNTO CON ÉL.

PERO SI EN VEZ DE ESTAR ABAJO ESTAMOS DENTRO DEL TREN, NOTAREMOS QUE LOS PASAJEROS ESTÁN QUIETOS, ENTONCES NOS HACEMOS LA PREGUNTA ¿SE MUEVEN O NO SE MUEVEN LOS PASAJEROS? LA RESPUESTA ES SÍ O NO, DEPENDE DE DÓNDE ESTEMOS PARADOS.

AL LUGAR DESDE DONDE OBSERVAMOS LOS CUERPOS MOVERSE LO LLAMAMOS SISTEMA DE REFERENCIA.

EL MOVIMIENTO ES TODO CAMBIO DE POSICIÓN AL TENER EN CUENTA UN SISTEMA DE REFERENCIA.
REPOSO

CUANDO UN OBJETO ESTÁ QUIETO, ES DECIR, QUE NO TIENE UN MOVIMIENTO APARENTE SE DICE QUE ESTÁ EN REPOSO.

TIPOS DE MOVIMIENTO

NINGÚN MOVIMIENTO ES IGUAL A OTRO, Y PARA PODER ESTUDIAR CADA UNO DE ELLOS ES NECESARIO CONOCER SU TRAYECTORIA.

PERO ¿QUÉ ES LA TRAYECTORIA? LA TRAYECTORIA NO ES MÁS QUE EL RECORRIDO QUE HACE UN CUERPO DE UN PUNTO A OTRO.

TODOS LOS CUERPOS QUE SE MUEVEN SE LLAMAN MÓVILES.

LA TRAYECTORIA PUEDE SER:

  • CERRADA: CUANDO EL MÓVIL PASA SIEMPRE POR LOS MISMOS PUNTOS. POR EJEMPLO EN UNA CARRERA TODOS CORREN EN LA MISMA PISTA, Y DAN VUELTAS UNA Y OTRA VEZ.
UN BUEN EJEMPLO DE TRAYECTORIA CERRADA ES EL RECORRIDO QUE HACEN LOS ATLETAS EN LA PISTA DE CARRERAS.
  • ABIERTA: CUANDO EL MÓVIL RECORRE VARIAS PUNTOS Y NUNCA VUELVE AL MISMO SITIO. POR EJEMPLO, UN AVIÓN VUELA Y HACE UNA VEZ UN RECORRIDO, NO PASA POR EL MISMO LUGAR NI DA LA VUELTA.
EL RECORRIDO QUE HACEN LOS AVIONES PARA DESPEGAR O ATERRIZAR ES UN EJEMPLO DE TRAYECTORIA ABIERTA.
  • ALEATORIA:CUANDO LOS MOVIMIENTOS SE REALIZAN DE FORMA DESORDENADA. EN ESTE CASO NO SE PUEDE SABER HACIA DÓNDE VA EL CUERPO QUE SE MUEVE. ESTO PODEMOS VERLO CUANDO SE NOS ESCAPA UN GLOBO, POR MUCHO QUE QUERAMOS PERSEGUIRLO, EL VIENTO LO LLEVA DE MANERA DESORDENADA.
LA TRAYECTORIA DE LOS GLOBOS CUANDO LOS SOLTAMOS AL AIRE ES ALEATORIA.
¿Sabías qué?
AUNQUE NO LO VEAMOS, NUESTRO PLANETA SE ENCUENTRA EN CONSTANTE MOVIMIENTO.

MOVIMIENTO RECTILÍNEO

ES EL RECORRIDO DE UN MÓVIL EN LÍNEA RECTA. ESTE TIPO DE MOVIMIENTO PUEDE SER HORIZONTAL, COMO SUCEDE EN LAS VÍAS DE UN TREN, O VERTICAL COMO CUANDO CAE LA FRUTA DE UN ÁRBOL.

MOVIMIENTO CURVILÍNEO

ES EL RECORRIDO DE UN MÓVIL EN UNA LÍNEA CURVA. POR EJEMPLO CUANDO UN NIÑO VA EN SU BICICLETA Y DOBLA EN LA ESQUINA DEL PARQUE.

¡a PRACTICAR!

1. EL MOVIMIENTO QUE ESTÁ REALIZANDO ESTE COHETE ¿ES RECTO O CURVO?

2. ¡RELACIONA LOS ELEMENTOS! TRAZA UNA LÍNEA DESDE LA COLUMNA A HASTA LA RESPUESTA CORRECTA EN LA COLUMNA B.

 

A B
MOVIMIENTO RECTILÍNEO AUTOS EN UNA PISTA DE CARRERAS
TRAYECTORIA ALEATORIA UNA HORMIGA QUE CAMINA ALREDEDOR DE UNA BOTELLA
MOVIMIENTO CURVILÍNEO UN VASO QUE SE CAE DESDE ARRIBA DE LA MESA
TRAYECTORIA CERRADA HOJAS QUE CAEN DE LOS ÁRBOLES

 

 

3. ESCRIBE EN CADA CARTEL 1 PALABRA RELACIONADA CON ESTE TEMA.

RECURSOS PARA DOCENTES

Infografía “Movimientos y tipos de movimientos”

Explicación ilustrada sobre el movimiento y los diferentes tipos de movimientos que se realizan en la vida cotidiana.

VER

Video “Los movimientos de la Tierra”

Recurso audiovisual que explica que nuestro planeta se encuentra en constante movimiento, así como también los diferentes movimientos que realiza.

VER

 

MRU y MRUV

Los movimientos rectilíneos se caracterizan por tener una trayectoria en forma de línea recta respecto al observador y son el tipo de movimiento más sencillo en mecánica. Pueden ser uniformes, designados bajo el acrónimo MRU; o uniformemente variados, conocidos por el acrónimo MRUV.

Movimiento rectilíneo uniforme (MRU) Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)
Trayectoria Línea recta. Línea recta.
Velocidad Constante. Variada. Puede ser acelerada y retardada.
Ecuación de velocidad \overrightarrow{V} = \frac{\Delta\overrightarrow{X}}{\Delta t}

 

Donde:

ΔX: desplazamiento.

Δt: intervalo de tiempo.

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)

\overrightarrow{V} = \overrightarrow{V_{0}} + a.t

 

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUR)

\overrightarrow{V} = \overrightarrow{V_{0}} - a.t

Aceleración Nula. Constante. Puede ser positiva o negativa.
Ecuación de aceleración a = 0 a = \frac{V_{f} - V_{0}}{t}
Desplazamiento Puede ser positivo o negativo. Puede ser positivo o negativo.
Ecuación de desplazamiento X = \overrightarrow{V}.t

 

Donde:

V: velocidad

t: tiempo

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA)

X = V_{0}.t + (0,5)at^{2}

 

Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUR)

X = V_{0}.t - (0,5)at^{2}

 

Conceptos fundamentales de cinemática: trayectoria, espacio y desplazamiento 

Trayectoria y desplazamiento

Se denomina trayectoria al camino recorrido por un móvil a lo largo del tiempo. Es decir, la trayectoria es el conjunto de las sucesivas posiciones ocupadas por el móvil. La medida de la longitud de esa trayectoria es lo que se denomina espacio. Así pues, el espacio es una magnitud escalar.

Es importante no confundir estos dos conceptos con el de desplazamiento. El desplazamiento de un móvil desde un punto P0 a un punto P1 es un vector que tiene su origen en el punto P0 y su extremo en el punto P1. El desplazamiento es independiente de la trayectoria: sólo depende del punto inicial y final.

Ejemplo

En relación a la trayectoria, un movimiento puede ser rectilíneo, si su trayectoria es una línea recta, o curvilíneo, si es una curva. Entre los movimientos curvilíneos, tiene especial interés el movimiento circular, en el que el móvil se mueve describiendo una circunferencia.

Sistemas de referencia

Para describir un movimiento es preciso tener un sistema de referencia, es decir, unos ejes coordenados respecto a los cuales se pueda fijar la posición del móvil en cada instante.

Siempre se puede elegir el sistema de referencia a voluntad, de manera que lo escogeremos en función de las características del problema. Por ejemplo, para describir un movimiento rectilíneo lo más cómodo es hacerlo respecto a un eje que coincida con la dirección de ese movimiento, y para describir un movimiento circular lo más cómodo es tomar unos ejes que se corten en el centro de la circunferencia que recorre el móvil.

Un sistema de referencia puede ser fijo o móvil. Si queremos describir el movimiento de un pasajero que camina por el pasillo de un vagón de tren mientras éste avanza en línea recta a 100 km/h, puede ser útil tomar un eje de abscisas ligado al vagón y, respecto a ese eje, diríamos que el pasajero se mueve, por ejemplo, a 5 km/h; pero podría interesarnos más tomar un eje de abscisas ligado a la vía del tren, y respecto a ese sistema de referencia la velocidad del pasajero sería de 105 km/h. De hecho, los ejes ligados a la vía tampoco son fijos, ya que la propia Tierra también se mueve. Así pues, en realidad todos los movimientos son relativos. Pero en los problemas de cinemática corrientes, cuando no se especifica otra cosa, se sobreentiende que el movimiento se ha referido a un sistema O(xyz) ligado a la Tierra y, por lo tanto, en reposo con respecto a ésta.

Si describimos un movimiento respecto a dos sistemas de referencia distintos, la ecuación de la curva de la trayectoria será distinta y, si además se trata de dos sistemas de referencia que están en movimiento relativo uno respecto a otro, también la propia curva será en general distinta.

Respecto a un sistema de referencia, la posición del móvil en cada instante está fijada por su vector de posición, que es variable en función del tiempo. 

Si expresamos ese vector mediante sus componentes, éstas también serán funciones del tiempo:

Para cada valor de t tendremos la posición del móvil en ese instante y la trayectoria es la curva que describe el extremo del vector

Ejemplo

El vector desplazamiento desde el punto P 0 al punto P se puede expresar como la diferencia de dos vectores: el vector de posición de P y el vector de posición de P 0, esto es, como

Conceptos fundamentales de cinemática: componentes de la aceleración 

En un movimiento curvilíneo, el vector velocidad está situado sobre la recta tangente a la trayectoria en el punto considerado. En general, es imposible hacer una afirmación de la misma sencillez sobre la dirección del vector aceleración, pero si éste se descompone según dos ejes, uno tangente a la trayectoria y otro normal a éste (componentes intrínsecas de la aceleración) es fácil comprender la variación que la aceleración impone a la velocidad.

Ejemplo

La utilidad de esta descomposición estriba en que, en el caso general, en un movimiento curvilíneo, la aceleración tiene dos efectos:

  1. Cambia el módulo del vector velocidad
  2. Curva la trayectoria o, lo que es lo mismo, cambia la dirección del vector velocidad.

La primera de estas dos acciones se debe a la aceleración tangencial at, que es la componente de la aceleración sobre la recta tangente a la trayectoria en el punto considerado. Esta aceleración, por tener la misma línea de acción que la velocidad, no afecta a la dirección de ésta, sino sólo a su módulo. La segunda acción de la aceleración se debe a la aceleración normal a, que, por ser perpendicular a la dirección del vector velocidad, no afecta a su módulo, pero sí a su dirección.

Mediante métodos propios de la geometría diferencial es posible hallar fórmulas que dan los módulos de at, y apara un movimiento según una trayectoria cualquiera. Dichas fórmulas son:

Cuando 

Donde ρ es el radio de curvatura de la trayectoria en el punto considerado.

Conceptos fundamentales de cinemática: movimiento uniforme

Sólo existe un movimiento en el que el vector velocidad es invariable en módulo, dirección y sentido: el movimiento rectilíneo uniforme (o simplemente movimiento uniforme), que es el que tiene un móvil que se mueve en línea recta con velocidad constante.

Si tenemos dos puntos, P0 y P, de la trayectoria que recorre un móvil con movimiento uniforme y tomamos esa recta como eje x, esos puntos quedarán fijados con una única coordenada: su abscisa. Los vectores

 serán:

y la velocidad media entre P0 y P será:

Como la velocidad instantánea es constante, podemos escribir:

Si empezáramos a medir los tiempos cuando el móvil se halla en el punto P0, sería t0 = 0, y por lo tanto, x = x0 + v·t. Y si además tomásemos el origen de abscisas en el punto P0, se reduciría a x = v·t.

Caída libre

Es el movimiento que posee un cuerpo que únicamente se encuentra sometido a la acción de la fuerza de la gravedad.

Fuerza de la gravedad

Resultante de la atracción gravitatoria y de la fuerza centrífuga debida a la rotación de la Tierra.

Instante inicial de un movimiento

Instante en el que empieza a contarse el tiempo en la descripción de un movimiento, es decir, instante en el cual es t = 0. Asimismo, se denomina velocidad inicial a la velocidad que tiene el móvil en ese instante y aceleración inicial a su aceleración en ese mismo instante.

Dinámica

Existe una rama de la física que se encarga de estudiar y analizar el movimiento en relación con las causas que lo originan, la dinámica. Los conocimientos en este campo han permitido realizar diversos descubrimientos como la descripción del movimiento de los planetas.

La dinámica se enfoca en estudiar y describir la evolución a través del tiempo de un sistema físico (un conjunto de objetos ordenados que obedecen ciertas leyes y que en cuyas partes se evidencia una conexión de tipo causal). Para estudiar las alteraciones que se producen en este tipo de sistemas, la dinámica emplea ecuaciones de movimiento.

Las leyes de Newton

El primer estudioso en formular leyes fundamentales en el campo de la dinámica fue Isaac Newton. Su aporte fue tan importante que hasta la fecha sus leyes representan las bases para la mayoría de problemas que involucran cuerpos en movimiento.

Isaac Newton fue un físico británico que nació el 4 de enero de 1643 en el condado de Lincolnshire en Inglaterra.

Primera ley: Ley de la inercia

Establece que un cuerpo permanecerá en estado de reposo o en movimiento rectilíneo uniforme a no ser que se vea sujeto a cambiar su condición por una o varias fuerzas externas.

Segunda ley: Principio fundamental de la dinámica

Plantea que el cambio de movimiento es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre un cuerpo y se produce en línea recta a lo largo de la fuerza que imprime. De este modo, la aceleración a la cual se encuentra sometido un cuerpo es proporcional a fuerza neta aplicada sobre éste.

Tercera ley: Principio de acción-reacción

Esta ley propone que con toda acción siempre se produce una reacción igual y en sentido opuesto, es decir, cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste último imprime sobre el primero una fuerza de igual magnitud pero de sentido contrario.

Las leyes de Newton revolucionaron los conceptos básicos de la física y ampliaron los conocimientos relacionados con los movimientos de los cuerpos en el universo.
Diferencia entre cinemática y dinámica

Tanto la cinemática como la dinámica son ramas de la mecánica clásica que se dedican al estudio del movimiento de los cuerpos, sin embargo; son muy diferentes. La cinemática se enfoca a estudiar los cuerpos en movimiento sin considerar las causas que originan el movimiento y se limita únicamente a la trayectoria que se describen respecto al tiempo. Por otra parte, la dinámica se concentra en las causas que originan el movimiento de los cuerpos y los cambios que se producen en el estado de movimiento de dichos cuerpos.

En resumen, la cinemática responde a la incógnita: ¿cómo se mueven los cuerpos?, mientras que la dinámica se enfoca en responder ¿por qué se mueven los cuerpos?

Problemas de dinámica

Los problemas de dinámica son diversos al igual que las aplicaciones de las leyes de Newton. En este artículo nos enfocaremos en problemas en los cuales se aplica la segunda ley de Newton. Dicha ley puede expresarse en términos de ecuación de la siguiente forma:

Dónde:

F: fuerza

m: masa

a: aceleración

La expresión anteriormente planteada es válida únicamente para cuerpos en los que su masa es constante.

En los casos en los que la masa no es constante como sucede con los cohetes que queman combustible a lo largo del trayecto, la ecuación F = m.a no es válida.
El Newton

La unidad de fuerza empleada en el sistema internacional de unidades es el Newton y se representa con el símbolo N. De esta manera 1 N se define como la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo que tenga una masa de 1 kg para desplazarlo a una aceleración de 1 m/s².

Lo anteriormente expuesto quiere decir que 1 N puede expresarse en unidades fundamentales como:

Es importante que al resolver problemas de este tipo las unidades sean equivalentes para que el sistema sea homogéneo, de lo contrario, se deberán transformar las unidades para que así lo sean.
  1. Calcular la masa de un cuerpo que al recibir una fuerza de 80 N adquiere una aceleración de 10 m/s².

Datos:

F = 80 N

a= 10 m/s².

Solución:

Debido a que en el problema piden determinar la masa, se despeja esta variable de la ecuación de fuerza:

Se sustituyen los datos en la ecuación despejada:

La masa del cuerpo es de 8 kilogramos.

  1. Se aplica una fuerza de 82 N a un cuerpo de 15.000 g. Calcular la aceleración que adquiere el cuerpo:

Datos:

F = 82 N

m = 15.000 g

Solución:

Lo primero es transformar la masa a kilogramo (recordemos que el kilogramo forma parte de las unidades que conforman a la unidad de fuerza Newton).

Para la transformación se sabe que 1 kg contiene 1.000 g:

Debido a que en el problema nos solicitan la aceleración despejamos dicha variable de la ecuación:

Se reemplazan los datos en la ecuación despejada:

De manera que la aceleración que adquiere el cuerpo es de 5,46 m/s².

  1. Calcular la fuerza que debe ser ejercida en un cuerpo de 14,2 kg para que adquiera una aceleración de 12 m/s².

Datos:

m = 14,2 kg

a = 12 m/s²

Solución:

Se sustituyen los valores en la ecuación de fuerza:

Para que un cuerpo de 14,2 kg de masa pueda adquirir una aceleración de 12 m/s² se debe aplicar una fuerza de 170,4 N.

Los cuerpos no pueden ejercer una fuerza sobre sí mismos, siempre hay otros agentes que los mueven.