La física es una ciencia que puede resultar fácil de aprender y hasta puede ser muy divertida. Pero antes de entrar de lleno en las formulas físicas del movimiento rectilíneo uniforme y de otros movimientos, vamos a definir qué es la cinemática.
En este artículo pretendemos ayudarte a entender y a practicar ejercicios fáciles de física, y que manejes información valiosa y curiosidades sobre la cinemática.
La definición de cinemática, es la rama de la física que estudia el movimiento de los objetos sólidos y su trayectoria en función del tiempo, sin tomar en cuenta el origen de las fuerzas que lo motivan.
Para esto, se debe tomar en consideración la velocidad y la aceleración del objeto que se mueve.
Entonces, en principio establezcamos que la velocidad es el cambio en el desplazamiento por unidad de tiempo y que la aceleración es el cambio de velocidad.
La cinemática se estudia desde tiempos remotos, en los orígenes de la astronomía antigua. Cuando astrónomos como Galileo Galilei, observaban el movimiento de esferas en planos inclinados y en caída libre, para entender el movimiento de los astros celestes.
Muchos astrónomos como los franceses Jean Le Rond d’Alembert, Leonhard Euler y André-Marie Ampère, fueron piezas clave en el establecimiento de esta disciplina.
Fue Ampère quien nombró esta ciencia como cinemática, que proviene del griego kinéin, desplazar o mover.
Otras contribuciones a la física como la de Nicolás Copérnico, Tycho Brahe y Johannes Kepler, hicieron estudios que sirvieron de referencia a Sir Isaac Newton, para formular las tres Leyes del movimiento, que fundaron la cinemática moderna.
Las Leyes de Newton
Los principios de las leyes de Newton sirven para describir el movimiento de los cuerpos, basados en un sistema de referencias inerciales, que son las fuerzas reales con velocidad constante.
Las tres leyes de Newton son:
- Primera ley o ley de la inercia.
- Segunda ley o ley fundamental de la dinámica.
- Tercera ley o principio de acción y reacción.
En estas leyes se relacionan la fuerza, la velocidad y el movimiento de los cuerpos, que son la base de la mecánica clásica y la física.
Primera ley de Newton: ley de la inercia
La primera ley o ley de la inercia, dice que un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento recto con una velocidad constante, a menos que se aplique una fuerza externa.
Por lo que no es posible que un cuerpo cambie su estado inicial, bien sea de reposo o en movimiento, a menos que intervengan una o varias fuerzas.
La fórmula de la primera ley de Newton es: Σ F = 0 ↔ dv/dt = 0
Si la fuerza neta (Σ F) aplicada sobre un cuerpo es igual a cero, la aceleración del cuerpo que resulta de la división entre velocidad y tiempo (dv/dt), también será igual a cero.
Un clásico ejemplo de la primera ley de Newton, es una pelota que se encuentra en estado de reposo.
Para que la pelota pueda desplazarse, necesita que alguien le aplique fuerza externa, como por ejemplo patearla; en caso contrario, la pelota permanecerá en reposo.
Por otra parte, la ley también dice que toda vez que la pelota está en movimiento, otra fuerza también debe intervenir para que pueda detenerse y regresar a su estado de reposo.
Segunda ley de Newton: ley fundamental de la dinámica
La segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica, dice que la fuerza neta que es aplicada sobre un cuerpo, es proporcional a la aceleración que adquiere en su trayectoria.
La fórmula de la segunda ley de Newton es: F= m.a
En donde: F = fuerza neta / m = masa, expresada en Kg / a = aceleración, expresada en m/s2).
Tercera ley de Newton: principio de acción y reacción
La tercera ley de Newton o ley de principio de acción y reacción, también conocida como ley de acción y reacción, indica que toda acción genera una reacción igual, pero en sentido opuesto.
La fórmula de ley de acción y reacción es: F1-2 = F2-1
La fuerza de acción del cuerpo 1 sobre el cuerpo 2 (F1-2), es igual a la fuerza de acción del cuerpo 2 sobre el cuerpo 1 (F2-1).
La fuerza de reacción tendrá la misma dirección y magnitud que la fuerza de acción, pero en sentido contrario.
Un ejemplo de la tercera ley de Newton, podemos caracterizarla si movemos cualquier objeto pesado. La fuerza de acción que aplicamos sobre el objeto, hace que este se desplace, pero al mismo tiempo genera una fuerza de reacción en dirección opuesta que percibimos como una resistencia del objeto.
Posteriormente, la relatividad de Albert Einstein le daría un vuelco a esta disciplina y fundaría la cinemática relativista.
Elementos de la cinemática
La cinemática tiene tres elementos básicos que son espacio, tiempo y un móvil.
Tenemos que considerar que en la mecánica clásica, los primeros dos elementos que son el tiempo y el espacio son dimensiones absolutas, independientes del móvil y previos a su existencia.
El espacio se describe mediante la geometría euclidiana, el tiempo se considera único en cualquier parte del universo y un móvil puede ser un cuerpo cualquiera en movimiento.
Los móviles más simples son las partículas que se estudian en el campo de la cinemática de partículas, pero más frecuentemente se considera a los sólidos rígidos que conocemos como cuerpos u objetos.
En este sentido, la cinemática clásica contempla los siguientes tipos de movimientos:
Movimiento rectilíneo y movimiento circular
Existen varios tipos de movimiento, según la trayectoria que describa la partícula.
En el movimiento rectilíneo uniforme, un cuerpo se desplaza a una velocidad constante (v), con aceleración nula en línea recta.
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, implica que un cuerpo se desplaza a una velocidad que varía linealmente, dado que su aceleración es constante conforme avanza el tiempo.
El movimiento armónico simple es un movimiento periódico de vaivén, en el cual un cuerpo oscila alrededor de un punto de equilibrio en una dirección determinada y en unidades regulares de tiempo.
El movimiento parabólico es la composición de dos movimientos rectilíneos distintos, uno horizontal y de velocidad constante, y el otro vertical y uniformemente acelerado.
El movimiento circular uniforme es el movimiento que traza círculos perfectos en su recorrido, manteniendo invariable el módulo de su velocidad en el tiempo.
El movimiento circular uniformemente acelerado, es el movimiento que traza círculos perfectos en su recorrido, pero con una velocidad que varía en módulo en el tiempo.
El movimiento armónico complejo, trata de la combinación de diversos movimientos armónicos simples, en direcciones distintas.
Movimiento rectilíneo y uniforme
El movimiento rectilíneo uniforme, es el movimiento más sencillo que podemos encontrar como aproximación en la naturaleza, como por ejemplo un automóvil que se desplaza por una autopista con velocidad constante de 100 Km/Hr.
Las características del movimiento rectilíneo uniforme son las siguientes:
- La aceleración es cero
- La velocidad es constante tanto en sentido, magnitud y dirección, si alguna de ellas cambia, el vector velocidad no es constante.
- Siempre viaja en una trayectoria recta.
Velocidad:
En el movimiento rectilíneo uniforme (MRU), la velocidad del cuerpo es constante y por tanto igual a la velocidad inicial.
La unidad en el Sistema Internacional, es el metro por segundo (m/s).
V = v0 = cte / donde v es la velocidad y v0 es la velocidad inicial
Posición:
Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.), es el metro (m) y se obtiene por medio de la siguiente expresión:
x=x0+v⋅t
Donde (x0) es la posición inicial / (v) es la velocidad que tiene el cuerpo a lo largo del movimiento / (t) es el intervalo de tiempo durante el cual se mueve el cuerpo.
El intervalo de tiempo a veces es representado por “t” y otras por “∆t”. En cualquiera de los casos, t=∆t = tf – ti siendo tf y ti los instantes de tiempo inicial y final respectivamente del movimiento que estamos estudiando.
La inclinación de la recta de la gráfica depende de la velocidad. A mayor pendiente, mayor velocidad.
Aceleración:
Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el metro por segundo al cuadrado (m/s2). Su valor a lo largo del movimiento siempre es cero.
En aquellos casos en los que la posición inicial es cero ( x0 = 0 ), la distancia recorrida y la posición coinciden, y su valor es:
s=v·t
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