7 jun 2020

[A110] Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)

COMIENZO DE LA CLASE: MRUV

En MRU cada artículo o video indicaba cuál era su predecesor y donde debíamos continuar. Para MRUV el artículo donde estamos funcionará como integrador o resumen de la clase, derivando hacia otras notas o videos. De esta manera puede ocurrir algún solapamiento de temas, pero explicados de manera diferente para facilitar su comprensión.

En MRU insistimos hasta el cansancio en que solo analizábamos un tramo del movimiento donde el móvil/partícula recorría un tramo recto con velocidad constante (velocidad crucero, piloto automático, etc.), pero no los tramos donde el móvil/partícula inicia un movimiento (arranca), termina un movimiento (frena hasta detenerse), o cambia de velocidad para realizar alguna maniobra (sobrepaso, etc.). Ahora bien, es frecuente que en la vida cotidiana se presenten situaciones prácticas donde el móvil/partícula cambia su velocidad con cierta relación, lo que nos permite definir un nuevo movimiento:

Una partícula o un objeto desarrolla un movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV) si al desplazarse en línea recta en un sentido, su velocidad varía cantidades iguales en tiempos iguales.

En esta definición no utilizamos el concepto de aceleración porque todavía no lo definimos, luego de hacerlo podremos reconsiderar o complementar el concepto recién enunciado.
El MRUV es muy habitual y cotidiano: un micro que inicia su recorrido desde la terminal, el carreteo de un avión al despegar, una moto que detiene su marcha al observar la luz roja en el semáforo, y muchos otros.


Como se trata de un movimiento rectilíneo no hay cambio de dirección, por lo tanto la diferencia de vectores de velocidad se transforma en la diferencia entre los valores numéricos de las velocidades final e inicial (con el signo correspondiente al sistema de referencia adoptado). No obstante siempre debemos tener presente que la velocidad es una magnitud vectorial y que el signo asignado a ella indica la dirección y no se refiere a la magnitud.
En los videos cuyo enlace figura a continuación se analizan 2 casos de móviles que cumplen con la definición de MRUV, y paralelamente se van graficando la posición, velocidad y cambio de velocidad en función del tiempo.


En los 2 casos analizados la uniformidad de la variación de la velocidad permitió definir una nueva magnitud: la aceleración. Y junto con ella la unidad en que la mediremos.

              
                      



Unidad del SI: [m/seg2]


A medida que avanzábamos con los gráficos fuimos deduciendo las ecuaciones horarias, comenzando por la aceleración, luego la velocidad y finalmente la posición, obteniendo el siguiente “paquete” de fórmulas:

X = X0+V0.(t-t0)+½.a.(t-t0)2             Posición
            V = V0+a.(t-t0)                                   Velocidad
            a = constante                                      Aceleración


Con las ecuaciones horarias podemos resolver analíticamente cualquier ejercicio de MRUV, tal como ocurría en MRU. En realidad para MRUV tenemos 2 fórmulas propiamente dichas (la otra es una constante), y en MRU teníamos una sola fórmula. En los siguientes 4 videos se analizan distintos casos, se resuelven analíticamente, y finalmente se utiliza un simulador gráfico.


En otra instancia veremos como resolver de manera gráfica las problemáticas de móviles que se desplazan con MRUV, para lo cual primero analizaremos con más detalle los gráficos.


Siguen a continuación otros 3 videos para completar la práctica de ejercicios, ahora aplicando las ecuaciones horarias en sucesiones de movimientos y en movimientos verticales.


Finalmente, al agregar otro móvil, se presentan casos que se resuelven como problemas de encuentro, donde uno o los 2 vehículos se desplazan con MRUV.

Ampliar con:
[S616] Gráficos Encuentro MRUV

Fuentes:
Adaptación de Imagen1.

FIN DE LA CLASE MRUV

[A111] Velocidad media e instantánea

Previamente ver:
[A110] Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)

Rapidez y Velocidad media (o promedio)
Cualquiera sea el móvil/objeto/persona que consideremos (utilitario para el reparto de medicamentos, nave espacial, maratonista, coche de Fórmula 1, etc.), uno de los aspectos más interesantes de su movimiento es la rapidez con que lo hace (recordemos la diferencia entre rapidez y velocidad).

Leer también:
[M11] (González y ot.) Fisica ES.4 [2007] Cap2 (Material obligatorio)



El concepto rapidez se refiere a la distancia que recorre en un intervalo de tiempo dado, sin importar la dirección del movimiento (ej. si un auto recorrió 240 km en 3 h su rapidez promedio fue de 80 km/h). Por lo tanto la definición para su promedio será:

La rapidez media de un objeto es la distancia total recorrida a lo largo de su trayectoria, dividida por el tiempo necesario para recorrer esa distancia.

 

Si bien los términos velocidad y rapidez suelen utilizarse como sinónimos en el lenguaje cotidiano, para la Física tienen significados diferentes. Mientras la rapidez es solamente un número positivo con unidades, la velocidad se define como:

La velocidad es una magnitud vectorial que indica tanto el módulo (valor numérico) de lo rápido que se desplaza un objeto, así como la dirección y sentido en la que se mueve.

También podríamos resaltar una segunda diferencia entre rapidez y velocidad, ya que la velocidad promedio se define en términos de desplazamiento, en lugar de distancia total recorrida.

La velocidad media es una magnitud vectorial que indica el desplazamiento de un móvil (diferencia de posición) respecto del tiempo empleado.


La rapidez promedio y la velocidad promedio tienen la misma magnitud cuando todo el movimiento se da en una sola dirección, ya que en otros casos será diferente (ej. si para llegar a un destino debemos dar un rodeo o esquivar un lago o montaña). Esta diferencia entre la rapidez y la magnitud de la velocidad ocurre cuando se calculan valores promedio y la trayectoria no es recta (Giancoli; 2006:21).

Rapidez y Velocidad instantánea
Hay ocasiones en que la velocidad media es lo único que necesitamos conocer del movimiento de un objeto (ej. en una carrera pedestre se premia al que recorrió el circuito en menor tiempo). Pero la velocidad media de una partícula durante un intervalo de tiempo no informa la rapidez y la dirección para cada instante del intervalo. Para describir el movimiento con mayor detalle necesitamos conocer la velocidad en cualquier instante específico del camino, por ello definimos:

La velocidad instantánea en cualquier instante de tiempo es la velocidad promedio durante un intervalo de tiempo infinitesimalmente corto (tendiente a cero).

La rapidez instantánea de una partícula es la magnitud de su velocidad instantánea. 

La velocidad instantánea puede ser positiva, negativa o cero. Así como la rapidez promedio no tenía dirección asociada, tampoco la tiene la rapidez instantánea (Serway, Jewett; 2008:24).
Es importante destacar que la rapidez instantánea siempre es igual a la magnitud de la velocidad instantánea, porque la distancia y la magnitud del desplazamiento se igualan cuando son infinitesimalmente pequeños.
Cuando un automóvil recorre 100 km por un camino recto en una determinada dirección durante 2 h, la velocidad promedio será de 50 km/h, pero probablemente esa velocidad no sea la misma en cada instante de tiempo, de allí la necesidad del concepto de velocidad instantánea, que es la velocidad para un instante específico de tiempo.
Solo en MRU la velocidad instantánea en cualquier instante es la misma que su velocidad promedio.
La velocidad instantánea, igual que la velocidad media, es una magnitud vectorial.

Responder antes de continuar: ¿Los velocímetros de los vehículos (motos, autos, camiones, etc.) miden rapidez, velocidad o ambas? ¿Es más preciso un velocímetro de un automóvil o un GPS? ¿Qué velocidad informa el piloto de un avión a los pasajeros?

Indicador mecánico de la
velocidad real de vuelo.
Velocímetro
programable















Un velocímetro mecánico de auto convierte la rapidez angular de las ruedas a rapidez lineal del auto, suponiendo que los neumáticos son de tamaño estándar y no hay deslizamiento sobre el
pavimento (Sears; Zemansky; 2009:348). Mientras que un velocímetro electrónico recoge los datos de un sensor (imán) que se ubica en la caja de cambios y envía impulsos eléctricos que una computadora procesa y muestra un valor en el dial. A mayor rapidez de giro de la transmisión se transmitirán más señales eléctricas y se leerá una velocidad mayor. Actualmente los velocímetros electrónicos son muy fiables, mientras que los mecánicos requieren una calibración muy fina que no suele perdurar en el tiempo.
El velocímetro mide el valor de la rapidez media de un vehículo, pero como el intervalo de tiempo generalmente es muy pequeño, la medición se aproxima mucho a la magnitud de la rapidez instantánea.


Apuntes curiosos:
  • El velocímetro del auto miente un poquito, ya que los fabricantes de automóviles se cubren legalmente ante la posibilidad de demandas por accidentes (por eso marcan una velocidad algo menor a la real). Suele ser más precisa la medición con un buen GPS o una app de smartphone.
  • Velocímetro, odómetro y tacómetro son conceptos diferentes. El odómetro indica la distancia recorrida (datos parciales y acumulados), obteniendo la información del mismo lugar que el velocímetro, pero sin error inducido.              
Fuentes:
Giancoli (2006). Física Vol. 1. Edic. 6°.
Sears; Zemansky (2009). Física Universitaria. Vol. 1. Edic. 12°.
Serway; Jewett (2008). Física para ciencias e ingenieria Vol. 1. Edic. 7°.
Imagen1: Tippens (2011). Física: Conceptos y Aplicaciones. Edic. 7°.
Imagen2. Imagen3.

Continuamos con:
[A112] Aceleración en el MRUV

6 jun 2020

[V343] Dinámica. Resolución de ejercicios con rozamiento (fuerzas oblícuas)

Si tuviera que subir una máquina metálica muy pesada a un camión ¿de qué material convendría que sea la rampa?
¿El rozamiento siempre se opone al movimiento?
¿Cómo hacen en el sector industrial para disminuir el rozamiento (ej. el eje de un ventilador que gira en un buje)?
Para que resulte más fácil sacar a un cuerpo del reposo ¿conviene que las superficies en contacto sean lisas y firmes, o rugosas y con material suelto?
Luego de sacar del reposo al cuerpo y por más que la fuerza de empuje o tracción aumente, ¿qué pasa con la fuerza de rozamiento?


El presente video es una continuación de [V342] y se debe complementar con el. En este caso, ya incorporado el rozamiento, agregamos fuerzas oblícuas y planos inclinados de desplazamiento.

Cuando intervienen fuerzas que no tienen la misma dirección que los ejes de referencia, se dificulta la aplicación de las Leyes de la Dinámica, y la manera más sencilla de resolverlo es proyectar todas las fuerzas sobre los ejes y luego aplicar las Leyes sobre cada uno de ellos.
Para ilustrar estas situaciones veremos 2 ejercicios, insistiendo siempre en una misma metodología de trabajo:

Ejercicio 1: Fuerza que tira de manera oblícua respecto del desplazamiento horizontal de un cuerpo (considerando el rozamiento).
Ejercicio 2a: Cuerpo que asciende con aceleración constante por un plano inclinado (con rozamiento) por acción de una fuerza paralela u oblícua respecto de la rampa.
Ejercicio 2b: Cuerpo que asciende con velocidad constante por un plano inclinado (con rozamiento) por acción de una fuerza paralela u oblícua respecto de la rampa.


5 jun 2020

[V342] Dinámica. Resolución de ejercicios con rozamiento

¿Podemos utilizar la misma metodología de trabajo que empleamos al abordar ejercicios de Dinámica sin rozamiento?
¿Con qué herramientas contamos para resolver los ejercicios?
¿En qué momento podemos decir que el sistema de ecuaciones obtenido tiene solución?


El procedimiento es siempre el mismo, ya lo vimos cuando trabajamos en la resolución de problemáticas sin rozamiento en [V330] y [V331]. Un resumen de los pasos se ve en la siguiente figura. Luego vienen los pasos puramente matemáticos, y finalmente la interpretación de la solución.


En los casos más sencillos bastará aplicar alguna de las Leyes de la Dinámica junto a la relación Peso y masa, y alguna de las ecuaciones de rozamiento. Luego habrá que despejar, reemplazar por los datos, y obtener la solución. En otros casos podemos tener que utilizar varias ecuaciones, e incluso caer en un sistema de 2 ecuaciones con 2 incógnitas.

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