Conceptos básicos de física
Introducción
¡Hola!
¿Cómo estás? Espero que de maravilla. Te cuento que es una satisfacción enorme ser parte de tu formación académica. Y para continuar te comparto un nuevo tema de sumo interés.
En esta segunda clase digital, conocerás una división importante de la física que se aplica al movimiento de algún objeto. En física, se entiende por movimiento de un objeto o cuerpo al cambio de posición que experimenta en el espacio en un determinado periodo de tiempo. El movimiento dependerá del sistema de referencia desde el cual será observado para un análisis.
El movimiento de los cuerpos se estudia mediante la cinemática
y la dinámica y ambas se integran dentro de la mecánica.
El movimiento es uno de los fenómenos físicos más evidentes, al ser fácilmente observable. Su estudio nos permite entender la circulación de objetos con los que estás familiarizado, como trenes, coches y aviones. Pero también nos sirve de base para el estudio de otros menos comunes, como satélites, planetas, estrellas y muchos más; además, este comportamiento de movimiento se puede aplicar a otros objetos que son comunes y de los que se tiene acceso en tu contexto, como pelotas, canicas, cajas, juguetes que puedan mantener un movimiento por un tiempo determinado.
Al adentrarte en el estudio de la física, comprenderás los aspectos que se vinculan al movimiento de los objetos, también entenderás que existen factores externos que pueden contribuir a que se dé el movimiento, o en otros casos, pueda interferir para que el mismo se pueda desplazar. Este movimiento puede estudiarse respecto de un punto de referencia, ya sea para un desplazamiento en sentido horizontal o vertical, según sea el caso particular para analizar.
Entonces comencemos a adentrarnos en esta emocionante parte de la física.
Desarrollo del tema
Conceptos básicos de física
2.1 Clasificación de la Física
La física es una ciencia teórica y experimental. Es posible distinguir dos ramas o clasificaciones de la física: la física clásica y la física moderna. De ellas derivan otras ramas de la física que nos permiten comprender mejor nuestra realidad, de acuerdo a lo representado en el siguiente esquema:
1. Mecánica clásica (estudia el comportamiento de los cuerpos)
La mecánica es una de las principales ramas de la física, se encarga del estudio del movimiento de los cuerpos y las fuerzas que actúan sobre estos. Para ello recurre a las leyes de Newton y se puede aplicar en el estudio de lanzamiento de cohetes. La mecánica clásica dio origen a dos ramas de la física: cinemática y estática.
2.2 Conceptos fundamentales de la cinemática
Los elementos esenciales de la cinemática son tres: espacio, tiempo y el objeto que se mueve.
La cinemática se encarga de la descripción del movimiento sin considerar las causas que lo originan. La velocidad o rapidez (es la variación de la posición con respecto al tiempo) se define como la razón entre el espacio recorrido en metros (distancia desde la posición x1 hasta la posición x2) y el tiempo transcurrido, en segundos.
Ejemplo 1
¿A qué velocidad debe avanzar un automóvil de carreras para recorrer 50km en un cuarto de hora? Ya que la distancia es en kilómetros, vamos a referir el tiempo en unidades de hora para tener la velocidad en km/h.
El tiempo que dura el movimiento corresponde a:
La distancia recorrida por el objeto es:
Por tanto, su velocidad es:
Ejemplo 2
Una bicicleta avanza en línea recta a una velocidad de 15km/h durante 45 minutos. ¿Qué distancia recorrerá?
La velocidad de la bicicleta es:
El tiempo que dura el movimiento es:
Siendo que las unidades de velocidad son kilómetros por hora y el tiempo está en minutos, tenemos que pasar el tiempo t de minutos a horas:
Así obtenemos la distancia que recorre la bicicleta:
Ejemplo 3
Si Alejandro recorre con su patineta una pista de 300 metros en un tiempo de 1 minuto, ¿a qué velocidad circula?
La distancia durante el movimiento es:
Y el tiempo es 1 minuto:
La velocidad a la que circula Alejandro es:
Ejemplo 4
¿A qué velocidad circula el objeto cuya gráfica de velocidad en función del tiempo es la siguiente? ¿Qué distancia recorre el móvil si el movimiento dura 1 minuto?
La velocidad del móvil es:
Si el movimiento dura 1 minuto (60 segundos), la distancia que recorre es 900 metros:
Ejemplo 5
La velocidad de la luz en el vacío es, aproximadamente, c= 300.000 km/s. ¿Cuánto tarda en llegar la luz del Sol al planeta Tierra si éstos recorren unos 149,6 millones de kilómetros?
La fórmula para calcular el tiempo es:
Sustituimos los datos:
Por tanto, la luz del Sol tarda unos 8,31 minutos en llegar a la Tierra.
La aceleración
Es la variación de la velocidad con respecto al tiempo. En otras palabras, es la tasa de variación de la velocidad, lo que es el cambio de la velocidad dividido entre el tiempo en que se produce el movimiento. Por tanto, la aceleración tiene magnitud (valor numérico), dirección y sentido, y se mide en m/s², gráficamente se representa con un vector.
Para comprender mejor las diferencias entre velocidad y aceleración, te invito a ver el siguiente video:
2.3.1 Distancia, desplazamiento, rapidez, velocidad, aceleración
La rapidez y la velocidad son dos magnitudes de movimiento de objetos que pueden confundirse con mucha frecuencia y en ocasiones pueden usarse indistintamente (de acuerdo al caso particular de estudio). La distancia que recorre un cuerpo y el desplazamiento efectuado por un mismo objeto corresponde a cosas diferentes; cuando estas relaciones se hacen con el tiempo, también se obtienen dos magnitudes diferentes.
La rapidez es una magnitud escalar (de manera indistinta se puede representar con un valor numérico con unidades correspondientes), que relaciona la distancia recorrida por el objeto con el tiempo. La velocidad corresponde a una magnitud vectorial (además de considerarse a través de un valor numérico con unidades correspondientes, deberá asignársele dirección y sentido), que relaciona el cambio de posición (desplazamiento) con el tiempo.
Rapidez media
La rapidez media de un objeto es la relación que existe entre la distancia que recorre y el tiempo que tarda en recorrerla. Si la rapidez media de un automóvil es 95 km/h, esto quiere decir que el automóvil recorre una distancia de 95 km en cada hora.
Al decir que la rapidez media corresponde a la relación entre la distancia y el tiempo, es equivalente a decir que es el cociente o división entre la distancia y el tiempo. Por ejemplo, si un automóvil recorre 450 km en 9 horas, su rapidez media es:
La velocidad media relaciona el cambio de la posición con el tiempo que tarda en efectuar dicho movimiento.
Velocidad media =desplazamiento/tiempo=posición/tiempo
Hay movimientos fáciles de describir. El primero es aquél en el que la velocidad es constante. En el caso más simple, la velocidad podría ser nula, y la posición no cambiaría en el intervalo de tiempo considerado. Si la velocidad es constante, la velocidad media (o promedio) es igual a la velocidad en cualquier instante determinado. Si el tiempo “t” se mide desde t = 0, la distancia “d” recorrida a velocidad constante “v” será igual al producto de la velocidad por el tiempo. En el movimiento rectilíneo uniforme la velocidad es siempre constante y la aceleración es nula.
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) es el movimiento de una partícula o cuerpo por una línea recta con una aceleración constante.
vemos como el objeto de la imagen anterior, va aumentando su velocidad uniformemente conforme pasa el tiempo (se puede considerar de acuerdo al tamaño de la flecha que indica su desplazamiento) y avanza por una trayectoria lineal.
Retomando, la aceleración se podrá calcular: a=Δv/t=(Vf-Vo)/t
Ejemplo 1
Un leopardo inicia desde el reposo y aumenta su rapidez de manera uniforme hasta 12 metros por segundo en un tiempo de 3 segundos. ¿Cuál fue la magnitud de la aceleración promedio del leopardo?
Ejemplo 2
Un halcón está volando hacia a la izquierda con una rapidez de 34 metros por segundo cuando una ráfaga de viento sopla contra él, provocando que disminuya su rapidez con una aceleración constante cuya magnitud es de 8 metros por segundo cuadrado. ¿Cuál será la rapidez del halcón después de que el viento sople durante 3 segundos?
2.3.2 Movimiento de los cuerpos: rectilíneo, parabólico y circular
Movimiento circular
Un cuerpo realiza un movimiento circular uniforme (MCU) cuando la trayectoria es una circunferencia con rapidez constante. La velocidad cambia continuamente de dirección y siempre es tangente a la trayectoria, siendo que la rapidez es siempre la misma, esto implica que describe ángulos iguales en tiempos iguales.
- La frecuencia (f): corresponde al número de vueltas que da un cuerpo por unidad de tiempo. Las unidades son vueltas/segundo, revoluciones por minuto (rpm) o revoluciones por segundo (rps).
- El periodo (T): es el tiempo empleado por un objeto en dar una sola vuelta, su unidad de tiempo es el segundo.
- La velocidad lineal o tangencial (Vt): Es una magnitud vectorial tangente a la trayectoria, su valor se obtiene calculando el arco recorrido en la unidad de tiempo. como se muestra en el esquema siguiente:
La pelota va a una velocidad de 20 m/s, esto indica que en un segundo, la pelota recorre una longitud de arco de 20 metros. Cuando la pelota da una vuelta completa, recorre un arco igual a la longitud de la circunferencia y emplea un tiempo igual a un periodo. Por lo tanto:
La velocidad angular (ω), corresponde al ángulo recorrido por una unidad de tiempo:
además:
Ejemplo 1
Calcular la frecuencia y el periodo de un móvil que da 36 vueltas en 8 segundos.
Un objeto recorre una circunferencia de 6 m de diámetro dando 240 vueltas en un minuto. Calcular la velocidad tangencial.
Movimiento parabólico
Se trata de un movimiento que podemos apreciar de manera cotidiana, pues se presenta entre los deportes más populares arrojando pelotas o balones, ya sea con la mano, con el pie o con algunos instrumentos como una raqueta o un bate, por ejemplo.
Para lograr el estudio, el movimiento o tiro parabólico se puede descomponer en dos movimientos simultáneos y superpuestos: uno horizontal sin aceleración, y el otro vertical con aceleración constante, de la gravedad hacia abajo. Ambos movimientos tienen una velocidad inicial, lo que podremos apreciar en la siguiente imagen:
Consideramos que el movimiento horizontal transcurre a lo largo del eje x y el vertical a lo largo del eje y, además, cada uno de estos movimientos es independiente del otro.
Para entender más sobre el movimiento parabólico te invito a revisar el siguiente video:
Ejemplo 1
Un portero saca el balón desde el césped a una velocidad de 26 m/s. Si la pelota sale del suelo con un ángulo de 40° y cae sobre el campo sin que antes lo toque ningún jugador, calcular: a) La altura máxima del balón, b) la distancia desde el portero hasta el punto donde caerá en el campo y c) el tiempo en que la pelota estará en el aire.
Descomponemos la velocidad inicial en sus componentes. La componente horizontal de la velocidad será:
La componente vertical de la velocidad inicial será:
La altura máxima será:
El alcance del saque del portero será:
Calcularemos el tiempo de vuelo de la pelota:
En el punto en que el balón alcanza la altura máxima, su componente de velocidad vertical será Vy = 0 m/s, ya que deja de subir y empieza a descender
Como Vy=0:
Tiempo que tarda en llegar el balón a su punto más alto. Ahora aplicamos la ecuación para averiguar la altura máxima, sabiendo el tiempo que ha invertido en llegar a ella:
Como el tiro parabólico es simétrico, tardará lo mismo en llegar al punto más alto que luego, desde allí, bajando llegar a tocar el césped, es decir 1,7·2=3,4 s.
Aplicamos la fórmula:
Conclusión
Dentro de la física existen ramas que estudian el movimiento de un objeto, en específico podemos mencionar a la cinemática, que a través de sus conceptos, es posible determinar las características durante el movimiento de un objeto. Además, se puede verificar que la velocidad y la rapidez se aplican de manera distinta en el movimiento de un objeto, siempre debiendo contar con los elementos para su determinación. También la aceleración es parte de este desplazamiento y se refiere a una cantidad vectorial en la que interviene la velocidad y el tiempo. Considerando la velocidad, el desplazamiento y la aceleración, se puede interpretar un movimiento que puede estar de manera circular, además de un tiro parabólico.
Has terminado la segunda clase. ¡Continúa esforzándote vas muy bien! Para continuar con el tema siguiente del curso, primero debes realizar la actividad correspondiente y mandarla como se te pide. Te espero con mucho gusto en tu tercera clase.