1b 02 cinematica
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1 CINEMÁTICA Física y química 1º Bachillerato Física y química 1º Bachillerato
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CINEMÁTICA
Física y química 1º BachilleratoFísica y química 1º Bachillerato
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EL MOVIMIENTOEL MOVIMIENTO1 Movimiento y sistemas de referencia
Un cuerpo se mueve, si cambia su posición respecto a un punto de observación
Si está en movimiento, es relativo•
Si dicho punto está en reposo, el movimiento es absoluto•
El viajero se equivoca al pensar que se mueve el vagón de enfrente.
Al mirar al andén, comprueba que es su vagón el que se mueve
El conductor está en reposo respecto al pasajero que transporta, pero está en movimiento respecto al peatón.
Desde tierra el proyectil cae describiendo una parábola. Desde el avión cae en línea recta
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La Cinemática es una parte de la Mecánica, que estudia el movimiento sin tener en cuenta las causas que lo producen.
Decimos que un cuerpo está en movimiento cuando cambia su posición en el espacio con respecto a un determinado SISTEMA DE REFERENCIA, que normalmente se considera fijo, y decimos que está en reposo si su posición respecto a dicho sistema de referencia no cambia.
¿Qué es un sistema de referencia? realmente siempre que realizamos cualquier medida la hacemos respecto a algo y decimos por ejemplo "desde donde yo estoy hasta la puerta hay 2 m" al decir esto nos estamos tomando a nosotros mismos como referencia.
Entonces el reposo y el movimiento son conceptos relativos ya que dependen del sistema de referencia que tomemos, así una casa se encuentra en reposo respecto a nosotros y respecto a la Tierra que está en movimiento en torno al Sol, pero respecto al Sol estaría en movimiento junto con la Tierra y si vemos esta casa desde un tren en marcha parece que se mueve respecto a nosotros.
PARA DESCRIBIR PERFECTAMENTE UN MOVIMIENTO HACE FALTA INDICAR RESPECTO A QUÉ SISTEMA DE REFERENCIA SE HAN REALIZADO LAS MEDIDAS.
PARA DESCRIBIR PERFECTAMENTE UN MOVIMIENTO HACE FALTA INDICAR RESPECTO A QUÉ SISTEMA DE REFERENCIA SE HAN REALIZADO LAS MEDIDAS.
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Vector de posición y vector desplazamientoEl vector de posición de un móvil, es el
vector con origen en O y extremo en P1. r1
→
r 1
→OP1
→=Se representa por
•
X
YP1
P2
r→∆
s∆
r2
→
r1
→
Se denomina Trayectoria al camino seguido por el móvil en su movimiento. Es escalar El espacio (S) que recorre un cuerpo en su movimiento se define como la longitud de la trayectoria recorrida y es también un escalar. Se mide en metros
Se denomina Trayectoria al camino seguido por el móvil en su movimiento. Es escalar El espacio (S) que recorre un cuerpo en su movimiento se define como la longitud de la trayectoria recorrida y es también un escalar. Se mide en metros
y
x
desplazamiento
trayectoria
vectores de posición
Los vectores de posición determinan las diferentes posiciones del movimiento podemos llamarlos r1 y r2 si consideramos las posiciones como posición 1 y posición 2. Son vectores que van desde el origen del sistema de referencia a la posición que se mide.
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En general, r→∆| | ≠ ∆s
El vector (posición final menos posición inicial) se denomina vector desplazamiento. Su módulo representa la distancia entre dos posiciones que ocupa el cuerpo durante el movimiento.
12 rrr −=∆
Se define vector desplazamiento como la distancia en línea recta entre dos posiciones inicial y final del recorrido.Se calcula restando los vectores de posición final e inicial. Se mide en metrosEs vectorial.
Se define vector desplazamiento como la distancia en línea recta entre dos posiciones inicial y final del recorrido.Se calcula restando los vectores de posición final e inicial. Se mide en metrosEs vectorial.
Coinciden desplazamiento y trayectoria cuando el movimiento es rectilíneo
EL MOVIMIENTO DE CUALQUIER MÓVIL QUEDA PERFECTAMENTE DETERMINADO SI SE CONOCE COMO VARIAN LAS COMPONENTES DEL VECTOR DESPLAZAMIENTO EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
EL MOVIMIENTO DE CUALQUIER MÓVIL QUEDA PERFECTAMENTE DETERMINADO SI SE CONOCE COMO VARIAN LAS COMPONENTES DEL VECTOR DESPLAZAMIENTO EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
También coinciden cuando estudiamos desplazamientos muy pequeñitos , infinitesimales o diferenciales:
trayectoria
dSrd =
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Ambos vehículos salen y llegan a la vez, pero no han viajado juntos. Tienen en común su velocidad media
t
smv
∆∆=
trvm
∆∆=
→→
⇒ jtyi
txvm
→→→
∆∆+
∆∆= jviv ymxm
→→+=
Magnitud velocidad media escalar:•
Vector velocidad media: •
jyixr→→→
∆+∆=∆•
VELOCIDADVELOCIDAD
La velocidad es la magnitud física que estudia la variación de la posición de un cuerpo en función del tiempo respecto a un determinado sistema de referencia. Sus unidades por tanto son: m/s cm/s o Km / h etc...
La velocidad es la magnitud física que estudia la variación de la posición de un cuerpo en función del tiempo respecto a un determinado sistema de referencia. Sus unidades por tanto son: m/s cm/s o Km / h etc...
Se define velocidad media como el cambio de posición de un cuerpo en un intervalo de tiempo:
Se define velocidad media como el cambio de posición de un cuerpo en un intervalo de tiempo:
12
12
tt
rr
t
rVm −
−=∆∆=
Rapidez: espacio recorrido por intervalo de tiempo
Rapidez: espacio recorrido por intervalo de tiempo
12
12
tt
SS
t
SVm −
−=∆∆=
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4 Cuando ∆t → 0 el vector desplazamiento se sitúa tangente a la trayectoria
La velocidad instantánea es la que posee un móvil en un punto de su trayectoria
r→∆v
→=
∆tcuando ∆ t → 0
Se representa por un vector tangente a la trayectoria, cuyo origen es el punto considerado, y cuyo sentido es el de avance del móvil
X
Y
r1
→
r→∆
r2
→
r3
→
r4
→
r→∆
r→∆
La velocidad instantánea es el cambio de posición de un cuerpo en movimiento en cada instante.V - Lim ∆r - dr ∆ t →0 ∆ t dt
La velocidad instantánea es el cambio de posición de un cuerpo en movimiento en cada instante.V - Lim ∆r - dr ∆ t →0 ∆ t dt
Cuando el cambio es diferencial el módulo (valor numérico) de dr es igual que dS
V – dr - dS dt dt
V – dr - dS dt dt
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Física y Química
1º BACHILLERATO
ACELERACIÓN
ACELERACIÓN
La aceleración instantánea
v→
∆a→
=
∆tcuando ∆ t → 0
La aceleración media am→
= =
v→∆
∆tv2
→v1
→-
t2 - t1
r1
→
r2
→
v→
∆
v1
→v1
→
v 2
→
v 2
→
A A
X
Y
X
Y• •
• B
Se define la aceleración cómo la variación de la velocidad respecto al tiempo. Sus unidades por tanto serán m/s2 o Km/h2 etc... Siempre que un cuerpo varía su velocidad ya sea en módulo, dirección o sentido hay aceleración.
Se define la aceleración cómo la variación de la velocidad respecto al tiempo. Sus unidades por tanto serán m/s2 o Km/h2 etc... Siempre que un cuerpo varía su velocidad ya sea en módulo, dirección o sentido hay aceleración.
dt
Vda
=
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V
La aceleración media estudia el cambio de velocidad en un intervalo de tiempo. Es un vector con la misma dirección y sentido que el vector resultante de restar la velocidad inicial y final vectorialmente ,en cierto ∆t se define como :
Se trata por tanto de una magnitud vectorial con la dirección y sentido de ∆ .
La aceleración media estudia el cambio de velocidad en un intervalo de tiempo. Es un vector con la misma dirección y sentido que el vector resultante de restar la velocidad inicial y final vectorialmente ,en cierto ∆t se define como :
Se trata por tanto de una magnitud vectorial con la dirección y sentido de ∆ .
12
12
tt
VV
t
Vam −
−=∆∆=
V
1
2
∆ = 2 – 1 y en esa misma dirección y sentido sale
1
- 2V
V
VV
VVV
ma
La aceleración Instantánea mide el cambio de velocidad en un instante determinado del movimiento:
a - Lim ∆V - dV es también una magnitud vectorial ∆ t →0 ∆ t dt
La aceleración Instantánea mide el cambio de velocidad en un instante determinado del movimiento:
a - Lim ∆V - dV es también una magnitud vectorial ∆ t →0 ∆ t dt
Para conocer la aceleración en cada instante, necesitamos conocer intervalos de tiempo dt cada vez mas pequeños.
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COMPONENTES INTRÍNSECAS DE LA ACELERACIÓNCOMPONENTES INTRÍNSECAS DE LA ACELERACIÓN
Puesto que la velocidad instantánea es un vector tangente a la trayectoria en cada punto, cuyo sentido es el del movimiento, a partir de ella se podría obtener un vector unitario tangente a la trayectoria en cada punto y según el sentido del movimiento.
V
VuT
= VuV T
=.
Si usamos el sistema de referencia en función de la trayectoria podemos descomponer la aceleración en dos componentes:
uN
uT
eje perpendicular al movimiento
eje tangente al movimiento
aT
aN
a
trayectoria
dt
udVu
dt
Vd
dt
uVd
dt
Vda T
T
T
..).(
+===
aceleración tangencial (aT) :cambio del módulo de la velocidad respecto al tiempo
aceleración normal (a N):cambio de la dirección de la velocidad respecto al tiempo
NNTT uauaa
.. += 22NT aaa +=
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LA ACELERACIÓN TANGENCIAL ES UNA COMPONENTE DE LA ACELERACIÓN INSTANTÁNEA QUE ESTUDIA EL CAMBIO DEL MÓDULO DE LA VELOCIDAD RESPECTO AL TIEMPO. Es la responsable del cambio de la magnitud velocidad, es decir, del módulo de la velocidad. Si aT = 0 el módulo de la velocidad es constante; es decir el
movimiento es uniforme.
En movimientos Uniformes donde la velocidad es constante en módulo no existe la aceleración tangencial.
LA ACELERACIÓN NORMAL ES UNA COMPONENTE DE LA ACELERACIÓN INSTANTÁNEA QUE ESTUDIA EL CAMBIO DE DIRECCIÓN DE LA VELOCIDAD RESPECTO AL TIEMPO.
a N – V2 (m/s2)
R Se obtiene con la velocidad, en un instante dado, al cuadrado entre el radio de giro
a N – V2 (m/s2)
R Se obtiene con la velocidad, en un instante dado, al cuadrado entre el radio de giro
Existe siempre que el movimiento es curvilíneo. Es la responsable del cambio de dirección de la velocidad. Si el movimiento es rectilíneo esta componente se hace cero. O lo que es lo mismo si aN =0 la dirección del vector velocidad es constante, es decir, el movimiento es rectilíneo.
aT – d V (m /s2) dt Se obtiene derivando el módulo de la velocidad
aT – d V (m /s2) dt Se obtiene derivando el módulo de la velocidad
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6MOVIMIENTO RECTILÍNEO Y UNIFORME (MRU)MOVIMIENTO RECTILÍNEO Y UNIFORME (MRU)
Tiempo (s)
50 100 150 200 250
Posición A B C D E Distancia al hangar (m)
200 400 600 800 1000
r→
=→v r
→∆∆t
r 0
→
=-
t - t0
⇒ r 0
→=
→r + (t - t0)v
→ En forma escalar: s = s0 + v (t - t0)
••
••
•200
600
1000
50 150 250100 200 t (s)
s (m)
4
50 150 250100 200 t (s)
v (m/s)
Gráfica x-t Gráfica v-t
• • • • •
Como la trayectoria es recta, la velocidad no cambia en ningún momento de dirección y no hay aceleración normal.Como es un movimiento uniforme la velocidad no cambia de valor (módulo) por lo que tampoco existe aceleración tangencial.Luego este movimiento no tiene aceleración.
Al ser la trayectoria rectilínea el desplazamiento ( r ) y la trayectoria (S) coinciden.Como la velocidad es constante la velocidad media y la instantánea coinciden.
S=V.tS=V.t
Velocidad pendiente de la gráfica
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Física y Química
1º BACHILLERATOMOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE
ACELERADO (MRUA) MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE
ACELERADO (MRUA)
Sustituyendo v por su valor resulta:
S = S0 + v0 (t − t0) + a (t − t0)2 2
1
La aceleración media coincide con la aceleración instantánea ya que la aceleración es constante
•
t (s)
v (m/s)
Gráfica v-t
v
tt0
v0
αtg α a=
t (s)
v (m/s)
Gráfica v-t
v
tt0
v0
La ecuación se transforma en:v→
∆∆t
a→
=
⇒−−=
∆∆=
ttvv
tva
0
0 v = v0 + a (t - t0)
•
A =v0(t-t0) +
)tt(2
vv0
0 −+El área A bajo la gráfica velocidad-tiempo es el espacio recorrido
•
Al ser un movimiento rectilíneo no tiene aceleración normal, pero la velocidad va cambiando en módulo (aceleramos o frenamos) y por lo tanto hay aceleración tangencial.
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Ecuación del movimiento uniformemente acelerado: S = V0 .t + 1. a.t2 si hay espacio inicial S0 se añade 2Derivando se obtiene la velocidad V = dS V = V0 + a. t
dt
Ecuación del movimiento uniformemente acelerado: S = V0 .t + 1. a.t2 si hay espacio inicial S0 se añade 2Derivando se obtiene la velocidad V = dS V = V0 + a. t
dt
S(m)
S0
t (s)
S(m)
S0
t (s)
V(m/s)
V0
t (s)
V (m/s) V0
t (s)
ACELERACIÓN A FAVOR DEL MOVIMIENTO ACELERACIÓN EN CONTRA DEL MOVIMIENTO.(acelerar) (frenar)
La aceleración es la pendiente de la gráfica velocidad –tiempo.La aceleración es la pendiente de la gráfica velocidad –tiempo.
El signo de la aceleración y de la velocidad depende del sistema de referencia que tomemos no de que el cuerpo acelere o frene. Si consideramos positivo el sentido de avance del cuerpo una aceleración es negativa si va en contra del avance del cuerpo y positiva si va a favor. Pero si el avance va en sentido negativo una aceleración positiva lo frenaría.Un cuerpo frena si su aceleración va en sentido contrario a la velocidad y acelera si ambas van en el mismo sentido.
El signo de la aceleración y de la velocidad depende del sistema de referencia que tomemos no de que el cuerpo acelere o frene. Si consideramos positivo el sentido de avance del cuerpo una aceleración es negativa si va en contra del avance del cuerpo y positiva si va a favor. Pero si el avance va en sentido negativo una aceleración positiva lo frenaría.Un cuerpo frena si su aceleración va en sentido contrario a la velocidad y acelera si ambas van en el mismo sentido.
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MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME.mcu MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME.mcu
Al ser un movimiento uniforme el módulo de la velocidad es constante luego no hay aceleración tangencial. Su trayectoria es una circunferencia por lo que el desplazamiento y la trayectoria no coinciden.La velocidad va cambiando constantemente de dirección por lo que existe aceleración normal.
Si la única aceleración que existe es la normal y la aceleración es constante, la aceleración media es igual que la instantánea en su única componente en este caso que es la aceleración normal.
Ecuación del movimiento uniforme : S= V . t Si hay espacio inicial queda S = V . t + S0
Aceleración normal o centrípeta a N – V2 R
Ecuación del movimiento uniforme : S= V . t Si hay espacio inicial queda S = V . t + S0
Aceleración normal o centrípeta a N – V2 R
Las gráficas de este movimiento serán las mismas que las de cualquier movimiento uniforme luego A PARTIR DE LAS GRÁFICAS S/t Y V / t NO ES POSIBLE DISTINGUIR EL MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME DEL CIRCULAR UNIFORME YA QUE NO NOS PERMITEN SABER LA TRAYECTORIA, SOLO INFORMAN DE LAS RELACIONES DE PROPORCIONALIDAD ENTRE LAS DIFERENTES MAGNITUDES QUE DEFINEN EL MOVIMIENTO, PARA SABER LA TRAYECTORIA NECESITAMOS EL VECTOR DE POSICIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO Y REPRESENTARLO EN UN SISTEMA DE EJES DE REFERENCIA X,Y.
Es aquel movimiento que describe una trayectoria circular con velocidad constante en módulo
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P1
r 1
→
P2
r 2
→∆s
r i
→
v→•
v→
φ∆Magnitudes angulares
∆s = RR
R
∆φ = 1rad
•
• El vector velocidad es siempre tangente a la trayectoria y normal al vector
v→
r→
•
El vector de posición cambia de dirección. Cumple que = R
r→
r→
| |•Su trayectoria es una circunferencia de
radio R•
• Si ∆s = R, se dice que el ángulo ∆ mide un radián.
φ
Una circunferencia completa 360°≡ 2π rad•
Por definición •Rs∆=φ∆ Se mide en rad
t∆φ∆=ω (rad/s) ó bien 1 rpm = rad/s
602π
VELOCIDAD ANGULAR ω es el ángulo recorrido por unidad de tiempo. Como es lógico puede estudiar este cambio en un intervalo, velocidad angular media, o en un instante, velocidad angular instantánea.
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cteRtR
tsv =ω=
∆φ∆=
∆∆=
ω = cte (por ser R cte)
La ecuación del movimiento es: •
)tt(t 00−ω+φ=φ⇒∆ω=φ∆
Periodo T del movimiento, es el tiempo que tarda el móvil en dar una vuelta completa y se mide en segundos
•
Frecuencia f del movimiento, es el número de vueltas que que tarda el móvil por unidad de tiempo. Es la inversa del período. Se mide en seg-1 que también se llaman Herzios (Hz)
•
V=ω.RV=ω.R
El período y la frecuencia son inversos:Tiempo (s) número de vueltas T (periodo) 1 vuelta1 segundo f (frecuencia)despejando T= 1
f
La relación de estas dos magnitudes con la velocidad angular se puede determinar pensando que si el móvil da una vuelta completa recorre un ángulo de 2пrad y el tiempo que tardó en recorrerlo es el período T luego como la velocidad angular relaciona el ángulo recorrido con el tiempo empleado en recorrerlo :
ω = 2п T
ω = 2п T
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13EL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE
ACELERADO (MCUA)
EL MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORMEMENTE ACELERADO (MCUA)
t = 0 s
t = 1 s
t = 2 s
t = 3 s
t = 4 s
Es aquel movimiento que describe una trayectoria circular con velocidad, lineal y angular, que varían de forma constante con el tiempo
•
ω0 = 0 rad/s
ω1 = 2 rad/s
ω2 = 4 rad/s
ω3 = 6 rad/s
ω4 = 8 rad/s
α = 2 rad/s2α = 2 rad/s2
α = 2 rad/s2α = 2 rad/s2
•
La ecuación del movimiento es: t21t 2
00α+ω+φ=φ
t0 α+ω=ω
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14LA ACELERACIÓN EN LOS MOVIMIENTOS CURVILÍNEOSLA ACELERACIÓN EN LOS MOVIMIENTOS CURVILÍNEOS
• Un móvil tiene aceleración si varía al menos algún factor (módulo o dirección) del vector velocidad
a→
v→
• Sus componentes tangencial y normal se llaman intrínsecas, a→
a→
τ a→
η= +
v∆∆t
v→
| |cuando ∆ t → 0= está relacionada con la variación del móduloaτ
aη = Rv2
está relacionada con la variación de la dirección de la velocidad
a→
v→ a
→τP
•
r→
Z
YX
a→
a→
η
•
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Movimientos circulares
aN≠ 0 y R = cte
Movimientos rectilíneos
aN= 0
Movimiento rectilíneo uniforme
aτ = 0
Movimiento circular
uniforme
aτ = 0
Movimiento rectilíneo
uniformemente acelerado
aT ≠0
Movimiento circular
uniformemente acelerado
aτ = cteMovimiento
rectilíneo acelerado
aτ≠ cte
Movimiento circular
acelerado
aτ ≠ cte
magnitud lineal= magnitud angular por radio
S(espacio en metros)= ϕ( ángulo en rad ) .R
V(velocidad)= ω(velocidad angular ).R
aT (aceleración tangencial) =α (aceleración angula). R
Ecuación lineal del movimiento uniformemente acelerado: S = V0 .t + 1. a.t2 2 Ecuación angular del movimiento uniformemente acelerado: ϕ = ω 0 .t + 1.α .t2
2Derivando se obtiene la velocidad V = dS V = V0 + a. t dtDerivando se obtiene la velocidad ω= dϕ ω = ω 0 + α . t dt
Ecuación lineal del movimiento uniformemente acelerado: S = V0 .t + 1. a.t2 2 Ecuación angular del movimiento uniformemente acelerado: ϕ = ω 0 .t + 1.α .t2
2Derivando se obtiene la velocidad V = dS V = V0 + a. t dtDerivando se obtiene la velocidad ω= dϕ ω = ω 0 + α . t dt
α . R = aTα . R = aT
