Este documento presenta una introducción a la cinemática, incluyendo definiciones de cantidades cinemáticas como posición, velocidad y aceleración. También describe diferentes tipos de movimiento como movimiento rectilíneo uniforme, movimiento rectilíneo uniformemente variado y movimientos parabólicos. Finalmente, presenta ejemplos de problemas cinemáticos y sus soluciones.
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Cap 1 2 Cinematica De Una Particula 1 31 2009 I
1. Cuaderno de Trabajo: Física I
1) Cinemática de una Partícula
1
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
2. Cuaderno de Trabajo: Física I
1) Cinemática de una Partícula
Fenómeno → Movimiento
… Teoría de la relatividad (TR)…A Einstein
En la descripción del Fenómeno Movimiento debemos de considerar lo
siguiente,
a) El observador, referencia, O
→ Descriptor del movimiento
τ “La trayectoria es función
O
del estado del observador”, τ ≡ τ
(O)
Por ejemplo, si se deja caer una pelota, la caída es descrita por O y O’, tal
como se muestra a continuación,
1°
2°
O (reposo)
O’ (v=cte)
τ τ’
Por lo tanto, la trayectoria es una función de estado del observador.
2
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
3. Cuaderno de Trabajo: Física I
b) El móvil, representado por el punto P usando el Modelo de Partícula, el
cual se usa cuando del movimiento del cuerpo solo nos interesa la
componente trasnacional.
Modelo de Partícula:
Móvil P
≡
Definición de Cinemática: La cinemática describe el fenómeno movimiento
usando las cantidades cinemáticas (cc):
r
r : vector posición
r
v : vector velocidad
r
a : vector aceleración
1,1) Cantidades Cinemáticas, cc
r
r
Vector Posición,
i)
Describe la posición del móvil en el tiempo. Es el problema fundamental de la
cinemática,
rr
r ≡r ( t ) → ( O)
τ
r r
∆r : Describe como cambia la r ,
Vector desplazamiento,
∆r ≡ rf − ri ≡ r ( t f ) − r ( ti )
rrrr r
r r
≡ r ( t ) − r ( 0)
ti → tf : ∆t = tf - ti
3
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
4. Cuaderno de Trabajo: Física I
r
v ( ti )
tan
r
vm
r r
r ( ti ) ∆r
v ( tf )
r
r ( tf )
r
τ sec
r
v
Vector velocidad,
ii)
Describe los cambios de la posición respecto del t,
r
r dr
v≡
dt
r
∆r
r
v ≡ lim
∆t →0 ∆t
}
r
vmedia
r
Definición de Vector velocidad media, vm
r
∆r 1 r
r
vm ≡ ≡ ∆r
∆t ∆t
4
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
5. Cuaderno de Trabajo: Física I
r
v
Definición de rapidez,
r
v : rapidez
¿? Describa que es el tiempo según la lectura de “Breve historia del
tiempo” de Stephen Hawking.
¿? Describa, de igual forma, que es el tiempo según la lectura de
“Brevísima historia del tiempo” también de Stephen Hawking.
¿? Cual es el último trabajo de divulgación de este brillante científico y
propalador de las ciencias.
r
a
Vector Aceleración,
iii)
Describe los cambios de la velocidad respecto del t.
r
r r ∆v
r
r dv d 2 r ← a ≡ lim r r
a≡ ≡ { → a // ∆v
∆t →0 ∆t
dt dt 2 am
r
r
da
¿? Será importante definir . Existirá alguna rama de la tecnología
dt
donde interese conocer esta cantidad.
1,2) Tipos de Movimientos
Movimiento Rectilíneo, MR
i)
Definición: τ → (ℜ)
5
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
6. Cuaderno de Trabajo: Física I
j) Movimiento Rectilíneo Uniforme, MRU
k) Condición
r ˆ ˆ
v ≡ vx i ≡ v i ≡ cte
v = cte
kk) Ecuaciones
v = cte
l)
rr
r ≡r ( t)
II)
r t f =t
r dr rr r r
dt ∫
r ≡r ( t ) ≡ r ( ti ) +v (t −ti )
v≡ →
:
ti
r r r
v ( t ) → r ≡ ∫ v dt
r
r ( t) ≡ x( t) i
r r r ˆ
r ( t ) ≡ r ( 0 ) + vt ←ti = 0 ∧t f = t
x ( t ) ≡ x ( 0 ) + vt
6
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
7. Cuaderno de Trabajo: Física I
v
0 x
x(t)
kkk) Graficas
l) v-t
v
A(t)=x(t)
AA
0 t
ll) x-t
x
A
0 t
No da información cinemática
jj) Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)
k) Condiciones
r
τ → ℜ ∧ a ≡ ax i ≡ a iˆ ≡ cte
ˆ
a = cte
kk) Ecuaciones
7
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
8. Cuaderno de Trabajo: Física I
a = cte
l)
rr
v ≡v ( t)
II)
r tf
r dv rr r r
dt ∫
v ≡v ( t ) ≡ v ( ti ) + a (t −ti )
a≡ :→
ti
r r r
v ( t ) → v ≡ ∫ a dt
r
v ( t) ≡ v( t) i
r r r ˆ
v ( t ) ≡ v ( 0 ) + a t ←ti = 0 ∧t f = t
v ( t ) ≡ v ( 0 ) + at
rr
r ≡r ( t)
IlI)
r tf
r dr
:∫ →
v≡
dt ti
1r
rr r r
r ≡ r ( t ) ≡ r ( ti ) + v ( ti ) (t − ti ) + a (t f − ti ) 2
2
r r r
v ( t ) → r ≡ ∫ v dt
1r
rr r r
r ≡ r ( t ) ≡ r ( 0 ) + v ( 0 ) t + a t 2 ←ti = 0 ∧ t f = t
2
8
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
9. Cuaderno de Trabajo: Física I
r 12
r ( t) ≡ x( t) i → x ( t ) ≡ x ( 0 ) + vt +
ˆ at
2
a(t)
v(t)
0 x
x(t)
kkk) Gráficas
l) a-t
a
A(t)=v(t)
AA
0 t
ll) v-t
v
A(t)=x(t)
A
0 t
lll) x-t
x
A: no proporciona información
t
cinemática.
9
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10. Cuaderno de Trabajo: Física I
jjj) Movimientos Generales
a ≡ a(t) → v ≡ v(t) → x ≡ x(t)
dv
∫ adt
de a ≡ →v≡
dt
→ a ≡ a(t) : “fácil”
→ a ≡ a(v) : Regla de la cadena, definición de diferencial exacta o
cambio de variable
→ a ≡ a(x) : Idem
dx
→ x = ∫ vdt
de v ≡
dt
→x = x(t)
¿? Encuentre casos reales donde la aceleración dependa de la velocidad
o posición.
S1P14) La posición de una partícula que se mueve a lo largo del eje X esta
dada por x = t3 - 12t2 + 36t + 30 con x en metros y t en segundos.
Determine:
La velocidad media entre 2 s ≤ t ≤ 6 s.
a)
La aceleración media entre 0 s ≤ t ≤ 4 s.
b)
Los intervalos de tiempo de movimiento desacelerado.
c)
Los intervalos de tiempo de movimiento acelerado.
d)
Solución:
P
0 X(t) x
x(t) = t3 -12t2 +36t + 30
a) vm :2→ 6
10
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11. Cuaderno de Trabajo: Física I
∆x x ( 6 ) − x ( 2 )
vm ≡ = =?
∆t 6−2
b) am : 0→ 4
∆v v ( 4 ) − v ( 0 )
am ≡ = =?
∆t 4−0
3t 2 − 24t + 36
dx
≡ 3 ( t 2 − 8t + 12 )
v≡
dt
3 ( t − 4 ) − 12
2
c) ∧ d)
Movimientos acelerados:
r r
r
DEF: v ↑← v ↑↑ a
v+ a+
0 x
−v −a
Movimientos desacelerados:
r r
r
DEF: v ↓ ← v ↑↓ a
v- a+
x
v+ a-
11
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
12. Cuaderno de Trabajo: Física I
a→
v→
a
v + - - + t
0 2 4 6
dv
a ≡ 6t − 24 ≡ a ( t ) ≡
dt
v ≡ v(t) → P v
4
t
2 6
12
0 → 2
c) ∆t
4 → 6
2 → 4
d) ∆t
6 →
ii) Movimientos Planares o Bidimensionales
Las trayectorias están contenidas en un plano.
12
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13. Cuaderno de Trabajo: Física I
τ → ℜ2 ( )
j) Movimiento Parabólico, MP
r
Caso a ≡ cte .
Los movimientos parabólicos con raceleración constante son determinados
cuando la v(0) no es paralela a la a . El plano del movimiento es determinado
r r
por los vectores velocidad inicial v (0) y aceleración a . El eje de la parábola es
r
paralelo a la a ≡ cte . Estos movimientos también presentan simetría de
rapideces y tiempos a un mismo nivel.
rr
a≡g
y Z
r
v ( 0)
A A’
r
v ( 0) P
ta td
0 x 0 Y
X
r
y→ a : simplifica la descripción:
: MRU → ax ≡ 0
x
: MRUV → ay = a ≡ g (por lo general)
y
Esto es debido al “carácter” vectorial de la Física → Cinemática.
Mov Parab ≡ MRUx “+” MRUVy
MRUVx “+” MRUVy (caso general, x e y en cualquier dirección)
Simetrías
ξ
r
a ≡ cte
P
13
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14. Cuaderno de Trabajo: Física I
Proporcionalidad de la trayectoria a ambos lados del eje
Para todo nivel
va ≡ vd
ta ≡ td
Aplicación importante del MP: Movimiento de proyectiles
Como ha de suponerse, este movimiento no toma en cuenta alturas superiores
a 20 km, existencia de aire ni rotación de la tierra. El movimiento de proyectiles
constituye un caso interesante de la ciencia donde determinados campos de
investigación, el desarrollo de proyectiles, por ejemplo, resultan favorecidos por
motivos impropios. El desarrollo de la cohetería efectuado desde finales del
siglo XIX hasta mediados del siglo XX, jugo un papel preponderante en las 2
guerras mundiales así como en la conquista del espacio…
El movimiento de proyectiles suele describirse usando ciertos parámetros como
tiempo de vuelo, tv, alcance o rango, R y altura máxima, H. Si consideramos la
siguiente geometría,
rr
a≡g
y Z
rr
a≡g
Ti
i)
e
m
r
v ( 0)
po
r
v ( 0)
de
θ
θ
0 x 0 Y
X
vuelo, tv
14
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15. Cuaderno de Trabajo: Física I
2v(0) sen(θ )
tv ≡
g
Alcance o Rango, R
ii)
v 2 (0) sen(2θ )
R≡
g
Altura máxima, H
iii)
v 2 (0) sen 2 (θ )
H≡
2g
¿? Conceptos de simetría. Como debo entender su manifestación en la
naturaleza. Simetría en la física. Simetría en las matemáticas.
r
¿? Qué otros tipos de MP que no guarden la condición de a cte se
desarrollan en el universo.
¿? Busque 5 ejemplos reales de MP.
¿? Como se vinculan el desarrollo de las computadoras y de la cohetería
con la carrera espacial.
¿? Que opina de la discrepancia acerca de la paternidad de la cohetería:
Werner von Braun- Pedro Paulet.
¿? 2009: Año internacional de la astronomía.
¿? Asteroide 2009 DD45: eventos de colisión-extinción.
S1P16) Un cañón está colocado para que dispare sus proyectiles con una
rapidez inicial v0 directamente hacía una colina,
cuyo ángulo de elevación es α ¿cuál será el R
ángulo respecto de la horizontal al que deberá v0
θ
apuntarse el cañón, para obtener el mayor
α
alcance R posible a lo largo de la colina?
Solución:
θ / Rmáx =?
15
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
16. Cuaderno de Trabajo: Física I
τ → x, y → P: y ≡ a + bx + cx2
y
P
R
θ
r
v (0)
α
0 x
x: MRU
x(t) ≡ x(0) + vx (0) t → x ≡ 0 + v(0) cosθ t …. (1)
y: MRUV
g2
r
y ≡ 0 + v(0) senθ t −
y(t) ≡ y(0) + vy (0) t – (1/2)g t2 , g = 10, → t …. (2)
2
De (1):
x
t= …(1’)
v ( 0 ) cos θ
x2
x 1
1’ → 2: y ≡ v ( 0 ) senθ −
v ( 0 ) cos θ 2 v 2 ( 0 ) cos 2 θ
16
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
17. Cuaderno de Trabajo: Física I
2
g
y ≡ { tgθ} x − 2 x
P:
2v ( 0 ) cos θ
2
P – P: xp ≡ Rcosα
yp ≡ Rsenα
→ Rsenα ≡ {tgθ} Rcosα - g R2cos2α
2v2(0)cos2θ
gR 2 cos 2 α
1
Rsenα ≡ (tgθ ) R cos α − 2
2v ( 0 ) cos θ
R cos α 2
gR (θ ) cos α
tgα ≡ tgθ − ...( I )
2v 2 ( 0 ) cos 2 θ
g cos α d R(θ )
d
: 0 = sec 2 θ − 2
2v ( 0 ) dθ cos 2 θ
dθ
}0
dR
cos 2 θ + R { 2 senθ cos θ }
d R ( θ ) dθ
=
dθ cos 2 θ cos 4 θ
g cos α 2 Rsenθ
0 = sec 2 θ − cos3 θ
2v 2 ( 0 )
g cos α tgθ
0 = 1− R
v2 ( 0)
v2 ( 0)
R≡ ...( II )
g cos α tgθ
II → I
v2 ( 0)
g cos α
tgα ≡ tgθ − x
g cos α tgθ
2 v 2 (0) cos 2 θ
17
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
18. Cuaderno de Trabajo: Física I
sec 2 θ 2tg 2θ − sec 2 θ
tgα ≡ tgθ − ≡
2tgθ 2tgθ
tg 2θ − 1 1
tgα = = −ctg 2θ
≡−
2tgθ 2tgθ
tg 2θ − 1
−tgα = ctg 2θ
π πα
ctg + α = ctg 2θ ⇒ θ = +
2 42
jj) Movimiento Circular, MC
La trayectoria será de una circunferencia.
Y t
n
R t
s
θ
x t=0
0
La descripción del MC se realiza frecuentemente usando las variables s o θ,
esto es, usando variables lineales o angulares.
k) Cantidades Cinemáticas del MC
l) Posición
m) Lineal: s= s(t)
mm) Angular: θ =θ(t)
18
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19. Cuaderno de Trabajo: Física I
mmm) Relación: s= Rθ
ll) Velocidad
m) Velocidad Lineal, v=vt
La llamada velocidad tangencial es la velocidad definida en las cantidades
cinemáticas iniciales, se relaciona con s mediante la rapidez,
r ds
rr
v = vt → v =
dt
mm) Velocidad Angular, ω
Describe los cambios de θ respecto del tiempo. Se define de la siguiente forma,
dθ rrr
ω= → ω = r × vt u[ω]= rad/s
dt
mmm) Relación entre | v| y ω
r
vt = ω R
lll) Aceleración
m) Aceleración, a
El vector aceleración suele descomponerse en dos direcciones adecuadas,
tales como la radial y la tangencial, resultando,
r r r vt2 d 2s
a = ar + at = en + 2 et
ˆ ˆ
R dt
19
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
20. Cuaderno de Trabajo: Física I
A la componente radial de la aceleración se le denomina aceleración
centrípeta, acp.
mm) Aceleración Angular, α
Describe los cambios de la ω respecto del tiempo,
r
r dω
α= u[α]= rad/s2
dt
mmm) Relación entre at y α
at = α R
kk) Tipos de movimientos Circulares
Al igual que en el caso de los MR podrían ser MCU, MCUV o generales.
¿? De 5 ejemplos concretos de movimientos circulares.
¿? Los planetas hacen MC.
jjj) Movimientos Planares Generales: Coordenadas Polares (r,θ)
Este sistema se usa para describir movimientos planares (→ MC). En particular
es usado para los movimientos planetarios.
y
t
ˆ
eθ ˆ
er
y
r
θ
j
i x x
20
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
21. Cuaderno de Trabajo: Física I
ˆ
r, er
ˆ
θ, eθ
{ }
{ r ,θ , er , eθ } ↔ x, y, i , ˆ ¿?
ˆj
ˆˆ
x = r cos θ r ≡ r ( t )
y = r s enθ θ ≡ θ ( t )
()
er = er i , ˆ e ≡ cos θ i + senθ ˆ
ˆ ˆ ˆj ˆ ˆ j
r
()
eθ = eθ i , ˆ eθ ≡ − s enθ i + cosθ ˆ
ˆ
ˆ
ˆ ˆj j
ˆ
k) Cantidades cinemáticas en (r,θ)
r
l) r
r = r( t)
r
r ( r , θ) = r er
ˆ
er = er ( t )
ˆˆ
r
ll) v
r
ˆ
r dr d (rer )
ˆ&
v≡ ≡ ≡ rer + r (er )
&ˆ
dt dt
d d
{ }
cos θ i + senθ ˆ
ˆ
ˆ&
er ≡ (er ) ≡
ˆ j
dt dt
{ }
≡ θ − senθ i + cos θ ˆ
ˆ
& j
&ˆ
er = θ eθ
ˆ
21
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
22. Cuaderno de Trabajo: Física I
r
v ( r , θ) ≡r er +rθ eθ
&ˆ
&ˆ
r
iii) a
r
r dv d
{ }
&ˆ
rer + rθ eθ
a≡ ≡ &ˆ
dt dt
≡ &&ˆr + r (er & + (rθ & eθ + rθ (eθ &
re & ˆ ) {&) ˆ & ˆ)
{ {
re & & ˆ & & ˆ &&ˆ &ˆ
≡ &&ˆr + rθ eθ + rθ eθ + rθ eθ − rθ 2 er
{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ && −rθ2 er + rθ +2rθ eθ
&ˆ && && ˆ
r
¿? Aplicación de las coordenadas polares al movimiento planetario.
¿? En particular el movimiento de la Tierra es problema CAOS. Leer “El
reloj de Newton”.
kk) Movimiento Circular en (r,θ)
r ≡ R ≡ cte!
r r
r ≡ rer → r ≡ R ≡ cte
i)
r
v ( r , θ ) ≡ rθ eθ → vt ≡ ω R,θ& = w
&ˆ
ii)
r
iii) a ( r , θ ) ≡ −rθ er + rθ eθ
&2 ˆ &&ˆ
{} { }
≡ Rθ eθ + Rθ 2 { −er }
&& ˆ & ˆ
{{{
{
ˆ ˆ
≡ atT + an N
{{
rrr
at an ≡ acp
22
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23. Cuaderno de Trabajo: Física I
S1P17) Una partícula se mueve en un plano sobre una trayectoria dada por
r = 10 µ r y θ = 2π t , en donde r está en metros, θ en radianes y t
ˆ
en segundos, a) Describa el movimiento, b) Halle el vector velocidad
V = dr / dt por derivación directa de r , c) Como la distancia sobre la
trayectoria es s = rθ, halle la celeridad hallando ds/dt. ¿Tiene el mismo
valor que el módulo de V hallado en la parte (b)?, d) Halle el vector
aceleración a en función de los vectores unitarios µ r y µθ .
ˆ ˆ
Solución:
r
r ≡ 10 µr , µ r = er
ˆˆ ˆ
θ = 2πt
a) r ≡ 10 → R ≡ 10 → MC
r
r dr rd
→ v = { 10er } = 10(er ) = 10θ eθ
ˆ& &ˆ
v= ˆ
b)
dt dt
rr
v ≡ vt ≡ 20π eθ
ˆ
c) MC: s, variable lineal!
s → vt → at
θ, variable angular
θ, → ω → α
MC ≡ MC (variables lineales, v angulares)
s≡θR
vt ≡ ωR
at ≡ αR
ds &
≡ s ≡ Rθ ≡ 10 x 2π ≡ 20π
&
dt
rr
a ≡ a ( r ,θ )
d)
…
23
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24. Cuaderno de Trabajo: Física I
{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ r −rθ2 er + rθ +2rθ eθ , µ r = er y µθ = eθ
ˆ ˆ ˆ ˆ
&ˆ && && ˆ
&&
S1P11) Un punto M tiene durante su movimiento dos ˆ
er
ˆ
eθ
y M
velocidades constantes en modulo. La primera
permanece siempre perpendicular al eje X y la
V2
segunda perpendicular al radio vector. Halle la
r V1
ecuación de la trayectoria si parte del punto (r0,
θ0) y calcule la aceleración de M. θ
0 x
Solución:
y
ˆ ˆ
eθ er
M
θ
V1r v1θ
V2
V1
θ
x
a) Ec τ / t ≡ 0 : (r0, θ0)?
b) aM ≡ ?
--------------------------------
a) Descomponiendo las velocidades en el sistema polar, tenemos
24
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
25. Cuaderno de Trabajo: Física I
r r
vM ≡ v ( r , θ ) ≡ −v1senθ er − { v1 cos θ + v2 } eθ
ˆ ˆ
Ahora, comparando componentes,
r
v ( r , θ ) ≡ rer + rθ eθ
&ˆ
&ˆ
r : r ≡ −v1senθ
& … (I)
&
θ : rθ ≡ −v1 cos θ − v2 …(II)
dr dr dθ dr &
()
θ
En I aplicando regla de la cadena: r ≡ ≡ ≡
&
dt dθ dt dθ
&
Despejando θ de II y reemplazando,
−v1 cos θ − v2
dr
≡ −v1senθ
r≡
&
dθ
r
Separando variables para poder integrar,
v senθ
1 dr d
{ ln r} ≡ 1
≡
r dθ dθ v1 cos θ + v2
v1senθ
d
∫ : ∫ dθ { ln r} dθ ≡ ∫ v cos θ + v dθ
2
1
ln(r ) = − ln { v1 cos θ + v2 } + c
Aplicando ci para determinar c:
ln(r0 ) + ln { v1 cos θ 0 + v2 } = c
c = ln r0 { v1 cos θ 0 + v2 }
v cos θ 0 + v2
→ ( r ,θ ) → τ
r ≡ r0 1
v1 cos θ + v2
b) Para la a de M,
{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ r −rθ2 er + rθ +2rθ eθ
&ˆ && && ˆ
&&
25
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
26. Cuaderno de Trabajo: Física I
c
%
r ≡ ? → r (θ ) ≡ , c ≡ ec
& %
v1 cos θ + v2
& &
r ≡ f (θ )θ → θ ≡ ?
&
De II,
v cos θ 0 + v2 &
θ ≡ − { v1 cos θ + v2 }
&
rθ ≡ r0 1
v1 cos θ + v2
& ≡ g (θ ) → r ≡ f (θ ) g (θ ) ≡ r (θ )
θ & &
&& &&
r ≡ &&(θ ), θ ≡ θ (θ )
&& r
rr
a ≡ a (θ )
iii) Movimientos Espaciales: Caso General
Los casos generales de movimiento podrían considerarse en el espacio.
Por muy complicado que parezca siempre es posible, usando el Principio de
Superposición, expresarlo en función de movimientos mas sencillos, de ello ya
hemos revisado algunos casos, por ejemplo,
MP → {MRU}x + {MRUV}y
M Helicoidal → {MRU}z + {MC}xy
M Cicloidal → {MRU}xy + {MC}xy
¿? Podría indicar 3 casos similares. Cree que es un tema de simetría.
La descripción del movimiento debe efectuarse usando un sistema de
coordenadas que comparta la simetría del movimiento.
→ x, y, z Rectangulares
→ r, θ Polares
→ ρ, φ, z Cilíndricas
→ r, θ, φ Esféricas
→ s Coordenada de sobre la curva, vectores tangencial, normal y binormal.
De no ser así, el desarrollo también ya se ha descrito,
rr r r r r
a ≡ a ( t ) → v ≡ ∫ adt → r = ∫ vdt
26
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
27. Cuaderno de Trabajo: Física I
r rr
a ≡ a( v)
r r r técnicas de ∫
a ≡ a( r)
Regla de la cadena
Diferencial exacta
Cambio de variable
Sistema de coordenadas sobre la curva
Es el sistema general. Este sistema que “viaja” con el móvil, está definido por la
ˆ
ˆ
llamada coordenada sobre la curva s, y los vectores, T , tangente unitario, N ,
ˆ
normal principal, y B , binormal, los cuales son mutuamente perpendiculares.
rr
i) r ≡ r ( t )
r
r ˆ ˆˆ
ii) v ≡ vT , T : u en la dirección de v
r
iii) a ≡ ?
r
{}
r dv d &
ˆ &ˆ ˆ
a≡ ≡ vT ≡ vT + vT
dt dt
&r
ˆ
T ≡?
ˆ ˆ
& dT dT ds
ˆ
T≡ ≡
dt ds {
dt
v
ˆ
T: tangente unitario
ˆ
T =1
2
ˆ
T =1
ˆˆ
T .T = 1← derivando respecto a s
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28. Cuaderno de Trabajo: Física I
ˆ
ˆ ⋅ dT = 0
T
ds
P
ˆ ˆ
T T
O R=ρ
1
k≡ : curvatura
ρ
dT
ˆ
r
&ˆ
a ≡ vT + v v
ds
{
kN
ˆ
v2 ˆ
r
&ˆ
a ≡ vT + N ; ρ ≡ R: radio de curvatura
R
¿? Que información da la binormal.
¿? Podría construir ecuaciones para el radio de curvatura.
28
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29. Cuaderno de Trabajo: Física I
S1P21) Un muchacho en A arroja una pelota B
directamente a una ardilla parada
sobre una rama en B. Si la rapidez h
inicial de la pelota es de 16 m/s y la
ardilla, en vez de asustarse, se deja A 5.5 m
caer del reposo en el instante en que
se lanzo la pelota, demuestre que la 1.5 m
ardilla puede atrapar la pelota y
determine la longitud h que la ardilla 10 m
cae antes de hacer la captura.
Solución:
B
h g
H2 - H1
v(0) C
θ
y A
H2
x
H1
A’ D
t ≡ 0: Pelota en A y Ardilla en B
r
v ( 0) “directamente” hacia B:
D
H 2 − H1 cosθ ≡
{ }
tgθ ≡ → 1/ 2
D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
D
29
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30. Cuaderno de Trabajo: Física I
Sea t: Pelota en C y ardilla en C
Usando xy en A’:
x p ( t ) ≡ 0 + v px ( 0 ) t ≡ { v ( 0 ) cosθ } t ≡ D
Para la pelota,
D
→t ≡
v ( 0 ) cos θ
2
g
{ }
g D D
y p ( t ) ≡ H1 + v py ( 0 ) t − t 2 ≡ H1 + v ( 0 ) senθ × −
v ( 0 ) cosθ 2 v ( 0 ) cosθ
2
gD 2 gD 2
≡ H 1 + ( H 2 − H1 ) −
≡ H1 + Dtgθ −
2v 2 ( 0 ) cos 2 θ 2
D
2v 2 ( 0 ) × 1/ 2
{ }
{ }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
yp ( t ) ≡ H2 −
2v 2 ( 0 )
1
y A ( t ) ≡ H 2 + { 0} t − gt 2
Para la Ardilla,
2
2
2
1
1 D D
≡ H2 − g × ≡ H2 − g
v ( 0 ) cosθ
2 2
v ( 0) ×
D
{ }
2 1/ 2
D + [ H1 − H 2 ]
2
{ }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
yA ( t ) ≡ H 2 −
2v 2 ( 0 )
y p ( t ) ≡ y A ( t ) → la ardilla puede coger la pelota!
a) Como en t
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Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo
31. Cuaderno de Trabajo: Física I
{ } ≡ 10 × { 10 + 42 }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
2
h ≡ H 2 − yA ( t ) ≡ ≡ 2,3
b)
2v ( 0 ) 2 × 16
2 2
h ≡ 2,3
¿? Ocurre lo mismo si XY en A
S1P) La aceleración de un móvil, en función de su posición, está dada por:
a(x) = 3x – 2x3; para t = 0 se cumple que x = 0 y v = 0. Halle: (a) su
velocidad cuando x = 0,5, (b) su posición cuando su velocidad es
máxima, (c) la aceleración para esta velocidad máxima.
Solución:
a ( x ) ≡ 3x − 2 x3 , t ≡ 0: x ≡ 0∧v ≡ 0
v ≡ v ( x ≡ 0,5 ) ∧
x / vmax a / vmax ?
a) b) c)
d 1
dv dv dx dv
a ( x) ≡ ≡ ≡ v ≡ 3 x − 2 x3 ≡ v 2
dx 2
dt dx dt dx
1 3 1
→ ∫ : v 2 ≡ x 2 − x 4 + c v 2 ≡ 3 x 2 − x 4 → v ≡ ± 3 − x 2 x
→
c.i .
2 2 2
2
1 1 1 11
a) v x ≡
≡ ± 3− ≡±
2 2 2 4
b)
3x − 2 x3 3 − 2x2
d dv dv 3
: 2v ≡ 6 x − 4 x → ≡ ≡ ≡ 0 → x ≡* ±
3
dx dx dx ± 3 − x 2 x ± 3 − x 2 2
x≡+ 3
Aparentemente, el movimiento se realiza desde x=0 hasta
x≡0 y permaneciendo allí ∀ t posterior. Este problema es
regresando a
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32. Cuaderno de Trabajo: Física I
inconsistente desde su planeamiento: t ≡ 0, a ≡ 0, v ≡ 0 ∧ x ≡0?! Si se le da
cierta v (0) ≠ 0 ,
→ xMAX ≡ + ∨−
3 3
2 2
La partícula “mágicamente” se empieza a mover hacia la derecha (+) s ∨
*
hacia la izquierda (-)s.
** ¿? Analizar mediante gráficos.
3 3 3 3
a x ≡ ≡ 3× −2× × ≡0→a≡0
c)
2 2 22
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33. Cuaderno de Trabajo: Física I
y
2.- La figura adjunta representa a un -gsenα
α
campesino irrigando un sistema de andenes, r
v0 g x
indicados por rayas horizontales, separados 3
m; la pendiente del cerro esta dado por α = 30º : P
A
a) El campesino desea averiguar cuantos
andenes podrá irrigar con v0 = 15 m/s y β R
variando de 30º a 45º.Considere que el
primer andén dista 3 m de “0”. β
α
b) Encuentre el valor de β que nos permita
irrigar el máximo número de andenes. ¿Cuál 0 x
es ese número máximo?. Tome g = -10 m/s2.
j
SOLUCION:
g
P : y ≡ { tgθ } x − x2 ← θ ≡ β
2v( 0 ) cos θ
2 2
y : y ≡ { tgα } x → x →≡ k cos α , y ≡ ksenα
( )
g R
P : P ≡ L : R senα ≡ { tg β } ( R cos α ) − R cos 2 α R
2v(20 ) cos 2 β
senβ cos α cos β g cos 2 α
senα ≡ −2 R
2v ( 0 ) cos 2 β
cos 2 β
g cos 2 α senβ cos α − cos β senα
≡ sen { β − α }
R≡
2v 2 ( 0 ) cos 2 β cos β
2v 2 ( 0 )
cos β sen { β − α }
R≡ ..…(ρ)
g cos α
2
− senβ sen { β − α } + cos β cos { β − α }
dR
→ ≡C
cos { 2 β − α }
dβ
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34. Cuaderno de Trabajo: Física I
π π
dR
≡ cos { 2β − α } ≡ 0 → 2β − α ≡ ≡ 60º ≡
dβ 4 3
b) de lo anterior β ≡ 60º
2 × 152 1 1 15 × 15
R≡ ××≡ → R ≡ 15
322 15
En (ρ) :
510 ×
4
∴ Podrá irrigar 5 ANDERES
a) En (ρ) usando β ≡ 45º
2 × 152 1
R≡ × × 0,26 ≡ 11,1 → R ≡ 11,1
3 2
10 ×
4
∴ Solo podrá irrigar 3 ANDERES
* Hacer la variante de calcular R con x’
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