cinematica

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C 1 CINEMÁTICA Movimiento Mecánico. Bases para su estudio. Métodos vectorial, de coordenadas y natural. Magnitudes cinemáticas. Movimiento unidimensional. Movimiento rectilíneo uniformemente variado. Movimiento rectilíneo uniforme. Caída libre Ejemplos Bibliog. Sears, Física Universitaria

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Breve descripcion de la Cinematica

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Page 1: Cinematica

C 1 CINEMÁTICA

• Movimiento Mecánico. Bases para su estudio.

• Métodos vectorial, de coordenadas y natural.

• Magnitudes cinemáticas.

• Movimiento unidimensional.

• Movimiento rectilíneo uniformemente variado. Movimiento rectilíneo uniforme.

• Caída libre

• Ejemplos

Bibliog. Sears, Física Universitaria

Page 2: Cinematica

Mecánica de

los cuerpos

macroscópicos

Movimiento

mecánico

Page 3: Cinematica

Cinemática: Rama de la Mecánicaque se dedica a la descripción delmovimiento mecánico sin interesarsepor las causas que lo provocan.

Dinámica: Rama de la Mecánicaque se dedica a investigar las causasque provocan el movimientomecánico.

Page 4: Cinematica

Movimiento Mecánico: Cambio deposición de un cuerpo respecto a otros,tomados como referencia.

Carácter: Relativo

Definir sistema

bajo estudio

Definir

Sistema de

Referencia

(SR)

Page 5: Cinematica

Bases para el estudio del movimiento mecánico

• Definición del Sistema de Referencia (SR)

• Utilización de magnitudes físicas apropiadas y

relaciones entre ellas.

• Empleo de modelos para el sistema físico:

Modelo de cuerpo rígido y Modelo de partícula.

• Utilización del principio de independencia de

los movimientos de Galileo así como del

principio de superposición.

Page 6: Cinematica

SR: Cuerpos que se toman como referencia para

describir el movimiento del sistema bajo estudio.

Bases para el estudio del movimiento mecánico

x(t)

y(t)

z(t)

Se le asocia

• Observador

• Sistema de Coordenadas

y

x

z

• Reloj

Page 7: Cinematica

Bases para el estudio del movimiento mecánico

SRI: Es aquel para el cual el

sistema bajo estudio en

ausencia de la acción de otros

cuerpos, se mueve con MRU.

Page 8: Cinematica

Bases para el estudio del movimiento mecánico

Magnitudes Físicas

Cinemáticas

Posición,

Velocidad,

Aceleración

Dinámicas

Fuerza, Torque

Page 9: Cinematica

Bases para el estudio del movimiento mecánico

Modelos

de Partícula: el cuerpo puede serconsiderado como un objeto puntual.

de Cuerpo Rígido: Las distanciasentre los diferentes puntos delcuerpo no varían.

Page 10: Cinematica

Traslación pura

Page 11: Cinematica

Rotación pura de cuerpo

sólido

Es aplicable el modelo del cuerpo

rígido pero no el de partícula

Page 12: Cinematica

Objetivo

Determinación de las Leyes del

Movimiento

Posición (t), Velocidad (t), Aceleración (t)

Describir el

Movimiento

mecánico

Page 13: Cinematica

Métodos•Vectorial (conciso, elegante)

•de Coordenadas Mayor número de ecuaciones

•Natural Coordenadas curvilíneas

Problemas de la cinemática

Posición (t)

Velocidad (t)

Aceleración (t)

P.D

irecto

P.In

vers

o

Co

nd

.In

icia

les

Page 14: Cinematica

ttr

tr

)(: trposición

ttV

tV

dt

dr

t

rtVvelocidad

t

lim

0

)(:dt

dVtanaceleració )(:

mV r

t

rVmediavelocidad m

:

r

)()(: trttrrentodesplazami

t

tVttVanaceleració m

:

media

Vectorialdr

Page 15: Cinematica

)(tx

)(ty

)(tz)(),(),(: tztytxposición

,)(:dt

dxtVvelocidad x

dt

dytVy )(

dt

dztVz )(

dt

dVtanaceleració x

x )(:

dt

dVta

y

y )(

dt

dVta z

z )(

De Coord.

y

x

zzyxentodesplazami ,,:

Page 16: Cinematica

,)(: Vdt

dstVvelocidad

dt

dVtaT )(

Ta

a

22

TNaaa

n

0s0s

nV

dt

dVtanaceleració N

2

)(:

Na

Natural

)()(: Vdt

d

dt

dVtanaceleració

n

)(: tsposición

0s

Page 17: Cinematica

Metodología

• Identificar sistema físico

• Selección del SRI (Ubicación del Observador)

• Selección del método o métodos (vectorial, decoordenadas o natural)

• Resolver el problema directo (derivando) o elindirecto (integrando) o ambos: Hallaranalíticamente la dependencia temporal de laposición, la velocidad y la aceleración; yDibujar las gráficas

Page 18: Cinematica
Page 19: Cinematica

y

x

t1

t2

A

B

r

r(t1)

r(t2)

r(t1) Vector posición en el instante t1

r(t2) Vector posición en el instante t2

Page 20: Cinematica

Vector desplazamiento

El vector desplazamiento en el intervalo de

tiempo [t1 , t2] esta dado por:

¿Es importante conocer la trayectoria

del móvil para hallar el vector

desplazamiento?

)t()t( 12rrr

Page 21: Cinematica

B

t1

t2No es necesario conocer la trayectoria para determinar el

vector desplazamiento en el intervalo de tiempo deseado, solo

es necesario conocer las posiciones en dichos instantes de

tiempo

A

r

Page 22: Cinematica

Vector velocidad media

Se define el vector velocidad media

en el intervalo de tiempo [t1 , t2]

como:

s

m

tt

rr

t

rV

12

ttm

12

Page 23: Cinematica

y

x

t1

t2

A

B

rmV

r//Vm

)(t1r

)(t 2r

La velocidad media apunta en la

misma dirección del vector

desplazamiento

Page 24: Cinematica

Y(m)

x(m)

t1

t2Δl

:Δl Distancia total recorrida en el

intervalo de tiempo [t1 , t2]

r

Page 25: Cinematica

Rapidez media

La rapidez media es igual a la

distancia total recorrida entre

el tiempo total empleado

t

l

empleadotiempo

recorridadistanciav~m

• La rapidez media no es un vector

• la rapidez media no es igual al modulodel vector velocidad media (para el mismointervalo de tiempo)

mm Vv

Page 26: Cinematica
Page 27: Cinematica

t2

t'2

t"2

t1

B

A

Y(m)

x(m)

v

r1

r

r2

mV

r2'

r'

mV

r2"

r"

mV

Page 28: Cinematica

t3

A

Y(m)

x(m)

El vector velocidad

instantánea es

tangente a la

trayectoria que

describe la partícula

t2

t1

)v(t1 )v(t2)v(t3

vv

Page 29: Cinematica

La velocidad instantánea es la

derivada del vector posición

respecto del tiempo

Velocidad instantánea

dt

dr

t

rlimv(t) 0t

Page 30: Cinematica

Esta expresión podemos

expresarla en función de sus

componente rectangulares

dt

dx(t)vx

dt

dy(t)vy

dt

dz(t)vz

dt

dr

t

rlimv(t) 0t

Page 31: Cinematica

Rapidez instantánea

t

lv

(t)

0

~t

lim

Si 0Δtr

t1

t2

Δl

rl dr

vtd

dr

Page 32: Cinematica

Rapidez instantánea

La rapidez instantánea es igual al

modulo de la velocidad instantánea

dt

dr

t

rlimv~ 0t(t)

)t((t) vv~

Al modulo de la velocidadinstantánea se le conoce comorapidez instantánea

Page 33: Cinematica
Page 34: Cinematica

A

Y(m)

x(m)

t2t1

12

12m

tt

)V(t)V(ta

)v(t1

)v(t2

Page 35: Cinematica

Aceleración media

Se define la aceleración media como la

rapidez de cambio de la velocidad

instantánea en un determinado intervalo

de tiempo

212

12m

s

m

tt

)V(t)V(ta

Page 36: Cinematica
Page 37: Cinematica

Y(m)

x(m)

La aceleración en este

pequeño intervalo de tiempo

apunta hacia la concavidad

de la trayectoria

t)v(t

t1 )v(t1

v

v at

Vlima ot(t)

a

Page 38: Cinematica

dt

ˆdv

dt

dvˆa

La aceleración instantánea es igual ala derivada del vector velocidadinstantánea respecto del tiempo t

(t)a dt

ˆvd

dt

dV

nv

v

ˆdt

dva

naˆaa n

dt

dva

2

nv

a

2n

2 aaa

Page 39: Cinematica

Na

Ta

Es la aceleración normal , responsable

del cambio de dirección de la velocidad

Es la aceleración tangencial responsable

del cambio del modulo de la velocidad

Page 40: Cinematica

dt

(t)dva x

x dt

(t)dva

y

y dt

(t)dva z

z

Expresado en componentes rectangulares

dt

dVa

Page 41: Cinematica

Resumen:

Si se conoce la posición de la partícula con el

tiempo r(t) podemos determinar su velocidad y

aceleración instantánea por simple derivación

dt

drv

(t)(t)

2

(t)2

(t)(t)

dt

rd

dt

dva naa

Problema directo

Page 42: Cinematica

Así mismo si se conoce la aceleración con el tiempo

es posible encontrar la posición y la velocidad usando

el camino inverso, es decir integrando:

dtadvdt

dva (t)

(t)(t)

t

t

(t))(t(t)

O

Odtavv

t

t

(t))(t(t)

O

Odtavv

dtvdrdt

drv (t)

(t)(t)

t

t

(t))(t(t)

O

Odtvrr

Son los vectores posición y velocidad en el instante to

Problema inverso

Page 43: Cinematica

Ejemplo 1:Si el vector posición de una partícula esta dada por:

ktj1)2t(ti1)(2tr 423

(t)ˆˆˆ

Hallar:

1) el vector posición para t= 0 y 2 s

2)El vector desplazamiento en el intervalo [0,2]s

3) su velocidad media en el intervalo [0,2]s

su velocidad instantánea en t = 0 y t=2 s

5) su aceleración media en el intervalo [0,2]s

6) su aceleración instantánea en t = 0 y 2s

Page 44: Cinematica

Movimiento en una

dimensión

Page 45: Cinematica

Podemos aplicar lo discutido

anteriormente al caso de una

partícula moviendose en una

sola dimensión, por ejemplo

a lo largo del eje x

Page 46: Cinematica

ivvix(t)r (t)(t)(t)

iaa )t()t(

x

)(tov

(t)v

)(tor

(t)r

Para el movimiento en el eje X las ecuaciones

se reducen a:

0ta

Page 47: Cinematica

Movimiento rectilíneo variado

va Movimiento rectilíneo acelerado

v y a igual signo

va

)t(a)t(vtx

Movimiento rectilíneo retardado

v y a signos opuestos

Page 48: Cinematica
Page 49: Cinematica

X(t)

t

p

Q

R 0v

0v

0v

dt

dxv (t)

Velocidad instantánea

Page 50: Cinematica

tti tf

t

a > 0

a = 0

a < 0

Aceleración instantánea

dt

dva

(t)

Page 51: Cinematica

tti tf

t

En toda gráfica v versus t el área bajo la

curva es igual al desplazamiento del móvil

curvalabajoarea 2

1

t

t

vdtΔx

vdt

dx

Page 52: Cinematica

Ejemplo 1:

En la gráfica velocidad versus

tiempo, haga un análisis del tipo de

movimiento e indique en que tramos

el movimiento es acelerado o

desacelerado

Page 53: Cinematica

2 4 8 12 16t(s)

V(t)

Page 54: Cinematica
Page 55: Cinematica

Diremos que un movimiento

rectilíneo es uniforme variado si la

aceleración del móvil permanece

constante en todo momento.

Supongamos que una partícula

parte de la posición xo en el

instante t0=0 , con una velocidad vo

Page 56: Cinematica

x

t

0

v

v

adtdvo

a

ov (t)

vo

x

(t)x

t=0

Como a= cte. entonces dv/dt=a es fácil de

integrar

tvvo(t)

a Velocidad

instantánea

Problema inverso

Page 57: Cinematica

Podemos ahora determinar la posición de la

partícula en cualquier instante de tiempo t

t

0

(t)dtvdx

x

xo

t

0

ot)dtvdx a

x

xo

(

tvvo(t)

a

2

oo(t)t

2

1tvxx a

Page 58: Cinematica

x

a

ov (t)

vo

x

(t)x

t=0

Hallaremos ahora una expresión para

determinar la velocidad media en el intervalo de

tiempo [0, t]:

Δt

ΔxV

m

t

x-xV o(t)

m

Page 59: Cinematica

x

a

ov (t)

vo

x

(t)x

t=0

t

x-xV o(t)

m

2

oo(t)t

2

1tvxx a

t

v-va o(t)

Y usando las ecuaciones

anteriormente deducidas

Page 60: Cinematica

x

a

ov (t)

vo

x

(t)x

t=0

2

vv

t

x-xV o(t)o(t)

m

Finalmente obtenemos

Page 61: Cinematica

x

a

ov (t)

vo

x

(t)x

t=0

Δx2vv 2

0

2

(t)a

También se puede demostrar:

Donde :0(t)

xxΔx

Es el desplazamiento en el intervalo de tiempo

[0 , t]

Page 62: Cinematica

Δx2vv 2

0

2

(t)a

Resumen

0(t)xxΔx

[0 , t]

tvvo(t)

a

2

oo(t)t

2

1tvxx a

2

vv

t

x-xV o(t)o(t)

m

2

vv

tt

x-xV )(t)(t

12

)(t)(t

m1212

[t1 , t2 ]

ctea MRUADespejando t en la

1ra y sustituyendo

en la 2da, se

obtiene la 3ra

Page 63: Cinematica

Movimiento Uniformemente Acelerado

tvvo(t)

a

0 0

at

O tt

xo

x(t)

t

Pendiente = v0

pendiente = v(t)

2

oo(t)t

2

1tvxx a

O t

a

aPendiente = 0

a

Page 64: Cinematica

Movimiento Rectilíneo Uniforme MRU

datoa :

0

atVV 0

0

2

2

00

attVxx

0

a

V

x

t

t

t

x0

V0

Movimiento Parabólico0xa

xx VV 0

tVxx x00

MRU

Eje x

gay

gtVVyy 0

2

2

00

gttVyy y

MRUV

Eje y

Page 65: Cinematica
Page 66: Cinematica

v0 -v0

V =0

Haga click en la bolita verde

Page 67: Cinematica

jga jvv

00

y

0

gtvv0

2gt2

1tvyy

00

yg2vv 20

2

Page 68: Cinematica

av

x

t t

t

v0

-v0-g

tvtv/2

tv

H

jga

gtvv0

2gt2

1tvyy

00

Page 69: Cinematica

Problema 7

Una partícula de 2 kg es lanzada verticalmente

hacia arriba con una rapidez de 100 m/s,

determine:

a) El tiempo que permanece en el aire.

b) Su posición en el instante t = 5 s.

c) La altura máxima alcanzada.

d) Su desplazamiento entre 5 y 15 s

e) El tiempo que demora en cambiar la velocidad

de 60 m/s a -60m/s