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Movimiento en dos dimensiones
Curso de Física I
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Contenido Desplazamiento Velocidad promedio Velocidad instantánea Aceleración promedio Aceleración instantanea Aceleración constante Movimiento de proyectiles Movimiento circular Movimiento relativo
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El desplazamiento de la partícula cuando se mueve de P a Q en el intervalo de tiempo t = tf -ti es igual al vector r = rf - ri.
P, ti
Q, tf
rf
ri
r
x
y
Trayectoria de la partícula
O
Desplazamiento
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Vector de posición en 2D y 3D
Podemos separar el vector de posición en sus componentes en 2 y 3 dimensiones
r = x(t)i + y(t)j en 2D
r = x(t)i + y(t)j + z(t)k en 3D
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Ejemplo
Las coordenadas x, y de un carrito están dadas por:x(t) = 0.2t2 + 5.0t + 0.5 my(t) = –t2 + 10.0t + 2.0 mDeterminar los vectores de posición en t = 1.0s y 3.0 s y el vector desplazamiento entre estos dos tiempos.
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Ejemplo
En t = 1
x(1) = 0.2(1)2 + 5.0(1) + 0.5 = 5.7 my(1) = –(1)2 + 10.0(1) + 2.0 = 11 m
En t = 3
x(1) = 0.2(3)2 + 5.0(3) + 0.5 = 17.3 my(1) = –(3)2 + 10.0(3) + 2.0 = 23 m
r(1) = 5.7i + 11jr(3) = 17.3i + 23j
r = r(3) – r(1) = 11.6i + 12j
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La velocidad promedio de una partícula durante el intervalo de tiempo t es la razón entre el desplazamiento y el intervalo de tiempo.
La velocidad promedio es un vector paralelo al vector r.
t rv
rv
Velocidad promedio
ri
rf
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La velocidad instantánea, v, se define como el límite de la velocidad promedio, r/t, conforme t tiende a cero.
dtd
tt
rrv
lim
0
La velocidad instantánea tiene la dirección de la tangente a la trayectoria en el punto P.
QQ’
Q’’
r1
r3r2
P
Dirección de v en P
x
y
O
Velocidad instantánea
r1
r2r3
r
v
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continuación
v = vxi + vyj
o
v = vx + vy
jirvdtdy
dtdx
dtd
22yx vvv
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ejemplo
Determine la velocidad promedio e instantánea en t=3 con los datos del ejemplo anterior.r = r(3) – r(1) = 11.6i + 12j
m/s68.5s2
126.11 jijirv
t
m/s10252.02 jijiv ttdtdy
dtdx
En t = 3
v = (6.2i + 4j) m/s
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Tarea
Las coordenadas x, y de un carrito están dadas por:x(t) = 4t2 + 2t + 1 my(t) = –6t2 + 3 m
Determinar los vectores de posición en t = –1.0s y 4.0 s y el vector desplazamiento entre estos dos tiempos.
Encuentre la velocidad promedio en el intervalo
Encuentre la velocidad instantánea en t = 2.5 s
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La aceleración promedio de una partícula cuando se mueve de P a Q se define como la razón de cambio del vector velocidad instantánea, v, en el tiempo transcurrido t.
t va
v
-vivf
y
Ox
P
ri
rf
vi vf
Q
Aceleración promedio
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La acelarción de una partícula puede ocurrir de varias maneras.
•La magnitud del vector velocidad (la rapidez) puede cambiar con el tiempo como en el movimiento en línea recta.
•Sólo la dirección del vector velocidad puede cambiar con el tiempo cuando la magnitud permanece constante, como en una trayectoria curva.
•Tanto la magnitud como la dirección del vector velocidad pueden cambiar con el tiempo como en un péndulo.
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La aceleración instantánea, a, se define como el límite de la razón, v/t, cuando t tiende a cero:
dtd
tt
vva
lim0
Aceleración instantánea
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EjemploCalcule la aceleración instantánea en t =1 s y t = 3 s con los datos del ejemplo anterior. Calcule magnitud y dirección.
2m/s4.054.0 tdtd
dtdva x
x
2m/s2102 tdtd
dtdv
a yy
m/s10254.0 jiv tt
2m/s24.0 jia
Magnitud y ángulo
79
0.54.02tan
m/s04.216.424.0 22222
x
y
yx
aa
aaa
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Representación de trayectorias
v
a
ax
ay
y
x
v
aa
a
y
x
Componentes rectangulares Componentes paralela y perpendicular
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Tarea
Las coordenadas x, y de un carrito están dadas por:
x(t) = 4t2 + 2t + 1 my(t) = –6t2 + 3 m
Encuentre la aceleración instantánea. Encuentre la magnitud y dirección de la aceleración. Dibuje el vector que representa a la aceleración.
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Las ecuaciones de cinemática para la aceleración constante en forma vectorial son:
v = v0 + a t r = r0 + 1/2(v + v0)t r = r0 + v0t + 1/2 a t2
Aceleración constante
y
x
v
at
v0
ayt
vy0
vx0
axt
vy
vx
y
1/2at2
r
v0t
1/2ayt2
vy0t
vx0t1/2axt2
y
x
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Movimiento de proyectiles
Para el movimiento de proyectiles supondremos que la aceleración es constante y dirigida hacia abajo, además despreciaremos la resistencia del aire.
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Ecuaciones del movimientoLas ecuaciones del movimiento de un proyectil en cualquier tiempo son:
vx = vx0 = v0 cos 0 = const.
vy = vy0 – gt = v0 sen 0 – gt
x = vx0t = v0 (cos 0 )t
y = vy0t – ½gt2 = v0 (sen 0)t – ½ gt2
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Trayectoria de un proyectilTrayectoria de un proyectil arrojado con una velocidad inicial v0.
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Vector desplazamiento en el tiro parabólico
El vector desplazamiento r puede escribirse como: r = v0t + ½gt2
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Trayectoria
De las ecuaciones para x y y podemos obtener la ecuación de la trayectoria.
x = vx0t = v0 (cos 0 )t
y = vy0t – ½gt2 = v0 (sen 0)t – ½ gt2
00 cosvxt
2
000000 cos2
1cos
sen
vxg
vxvy
2
022
00 cos2
tan xv
gxy
Representa una parábola
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Algunos parámetros del tiro parabólico
gvh
2sen 0
220
g
vR 020sen2
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Máximo alcanceTrayectorias de un proyectil con diferente ángulo inicial
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EjemploUn golfista golpea una pelota en un acantilado a la orilla del mar con una velocidad de 48 m/s y un ángulo de 36°. El acantilado tiene una altura de 52 m. Encontrar la distancia total que avanza la pelota y el tiempo total de vuelo.
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Ejemplo (cont.)Podemos calcular la coordenada x en que la pelota choca con el mar resolviendo la ecuación de la trayectoria para y = –52 m, 0 = 36°, v0 = 48 m/s.
Sustituyendo obtenemos la siguiente ecuación:
–0.00325x2 + 0.72654x + 52 = 0
Las soluciones son:
x = –57.0272487 y x = 280.6225766
La raíz aceptable se la segunda. El tiempo de vuelo lo calculamos con:
t = 7.23 s
2
022
00 cos2
tan xv
gxy
00 cosvxt
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Tarea
Un cañón dispara una bala con una velocidad de 670 m/s. Si se apunta con un ángulo de 35° calcule a) la altura máxima que alcanza la bala, b) el alcance y c) el tiempo de vuelo. Si el ángulo se cambia a un ángulo mayor de 45° de tal manera que se tenga el mismo alcance, calcule d) el nuevo ángulo, e) el tiempo de vuelo en ese caso y f) la máxima altura.
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Movimiento circular
Existen muchos ejemplos de movimiento circular:
Discos de música de acetato (33, 45, 78)
Discos compactos y discos duros magnéticos
Rueda de la fortuna
Etc.
El movimiento circular uniforme se refiere a movimiento a rapidez constante.
En el movimiento circular se utilizan las coordenadas polares, estas se especifican mediante una distancia y un ángulo .
O
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Longitud de arco
La longitud de arco se define como:
Longitud de arco = (Circunferencia del círculo) x Ángulo formado por el arco
Ángulo alrededor del círculo total
totalánguloR 2
Cuando el ángulo se mide en radianes, el ángulo total es 2 y la longitud del arco es
RRarcodellongitud 2
2
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Movimiento alrededor de un círculo
Alrededor de un círculo = R y solo cambia. En un intervalo de tiempo dt se recorre un arco dado por
ds = R d
La velocidad es
dtdR
dtdsv
Definimos la rapidez angular como
dtd
Entonces
v = R
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Periodo y frecuencia
Al tiempo en que tarda un objeto en dar una vuelta completa se le llama periodo (T) está dado por
2R = vT
222 RR
vRT
La frecuencia es el recíproco del periodo
f = 1/T = /2
La frecuencia es el número de revoluciones por segundo, se mide en hertz (Hz) que se define como un ciclo por segundo (cps).
Otra unidad es las revoluciones por minuto rev/min o rpm.
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Aceleración radial
O
P
Q
A
BCr1
v
v(t+t) r vr v
Los triángulos OPQ y ABC son ambos triángulos isósceles con ángulos iguales. Así,
de donde se obtiene |v| = (v/r)|r| . Ya que |r| vt, vemos que |v|/t v2 /r. De la definición de , tenemos que la aceleración es
avrr
2
Esta es llamada aceleración centrípeta o radial.
v(t)
r(t+t)
r(t)v(t)v(t+t)
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Aceleración radialEl subíndice r indica que la aceleración es radial. Vectorialmente se escribirá como
a rrvr
2
En donde es el vector unitario en la dirección del radio del círculo. Este vector cambia de dirección conforme la partícula se mueve en la trayectoria circular.
La aceleración se puede expresar como
ar
Tr 4 2
2
r̂
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EjemploCalcule la rapidez angular, la rapidez, la frecuencia, el periodo y la aceleración correspondiente en un punto del ecuador de la tierra.
El periodo es 24 h o sea
T = 24h (60 min/h)(60 s/min) = 86,400 s
La frecuencia es
f = 1/T = 1.16 x 10–5 Hz
El radio de la tierra es R = 6.4 x 106 m, la velocidad es
v = 2R/T = (2)(6.4 x 106)/86,400 = 465 m/s
La rapidez angular es
= 2f = 2(1.16 x 10–5) = 7.3 x 10–5 Hz
La aceleración es
a = v2/R = (465)/(6.4 x 106) = 0.034 m/s2
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Tarea
El transbordador espacial sigue una órbita circular a 220 km de la superficie terrestre y hace una revolución alrededor de la Tierra cada 89 min. Calcule la rapidez angular, la rapidez y la aceleración.
avrr
2
Radio de la Tierra = 6.4 x 106 m
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MOVIMIENTO CIRCULAR NO UNIFORME
Si una partícula se mueve en una trayectoria curva (no necesariamente circular) experimenta una aceleración radial dada por
avrr
2
donde r es el radio de curvatura en el punto dado.Cuando la velocidad también varia habrá una aceleración a lo largo de la tangente a la trayectoria, dada por:
advdtt
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ContinuaciónLa aceleración resultante es la suma vectorial de las dos anteriores
a = ar + at
la magnitud de a es:
Si y son vectores unitarios en la dirección en que crece y en la dirección radial, la aceleración puede expresarse como:
a a ar t 2 21
2
r
a a a r r tvr
dvdt
2
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r
r
Vectores unitarios en coordenadas polares
O
Componentes radial y tangencial de la aceleración
O
at
ar
a
Aceleración radial y tangencial
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Movimiento de un péndulo
ar
at
a
g
r v 0
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Movimiento en una trayectoria curva
La aceleración se descompone en radial y tangencial.
La aceleración radial se debe al cambio de dirección del vector velocidad.
La aceleración tangencial proviene del cambio en la magnitud de la velocidad.at
aar
ar
a
at
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Movimiento relativoLa posición del punto P en relación al marco B es rPB y la relativa al marco A es rPA.
Estas están relacionadas por la ecuación
rPA = rPB + rBA
donde rBA es la posición del sistema B respecto al A.
yA
xA
yB
xBrBA
rPB
rPA
P
De la relación anterior:
r r rPA PB BA
t t t v v vPA PB BA
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Transformación galileanaEl marco S’ se mueve a velocidad constante u respecto al marco S. Los vectores posición de un punto P respecto a los dos marcos están relacionados por la expresión r’ = r - ut.
y
x
y'
x'ut
r'
r
PS
S’
O
O’
Si u = ui, las coordenadas del punto se relacionan porx’ = x - ut, y’ = y, z’ = z, t’ = t las expresiones anteriores se llaman transformación galileana de coordenadas.
y
x
y'
x'
ut x'
xP
S S’
z z'
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Principio de relatividad de Galileo
En la transformación galileana se cumple que
v’ = v - uy
a’ = a
principio galileano de relatividad postula que:
Las leyes de la mecánica tienen la misma forma en todos los marcos de referencia inerciales.