CINEMÁTICAa

CINEMÁTICAa

1. I. Introducción

   • El movimiento es el fenómeno físico más general y frecuente en la naturaleza, ya que todos los sucesos y procesos físicos están originados en primera instancia por él, constituyendo así las base fundamental de la mecánica.
   • La mecánica, define el movimiento como la variación de la posición de un cuerpo en el tiempo respecto a un SR concreto. La importancia de elegir un SR radica en que el movimiento es relativo.
   • Se distinguen entre SR inerciales y no inerciales. Los inerciales están fijos o se mueven con un MRU respecto a otro SR fijo. Los no inerciales están acelerados con respecto a otro SR fijo.
   • En el presente tema, se abordará el estudio de la cinemática, (del griego "kinema"=movimiento). Se estudiarán los elementos descriptores del movimiento y se analizarán los diferentes tipos de movimientos destacando el movimiento rectilíneo, el movimiento circular y el movimiento armónico simple. También se verán otro tipo de movimientos más complejos, como la composición de movimientos y el movimiento relativo. Finalmente se mostrarán métodos experimentales para el estudio del movimiento.

2. II. Desarrollo

   • 1. Cinemática
     • La cinemática es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos sin atender a las causas que lo producen, que son las fuerzas.
     • Para simplificar el estudio del movimiento, se utilizan modelos idealizados donde el estudio del movimiento de cualquier cuerpo, se reduce al de una partícula puntual de dimensiones despreciables en relación a la longitud del camino que recorre. Esta simplificación se realiza en base a los teoremas de la dinámica del sistema de partículas.
   • 2. Elementos descriptores del movimiento
     • Para llevar a cabo la descripción del movimiento, es necesario introducir diferentes magnitudes, cuya variabilidad en el tiempo permita caracterizar los diferentes tipos de movimiento. Además de SR inerciales y no inerciales anteriormente citados, también se pueden distinguir entre absolutos (fijos) o relativos ( en movimiento)
       • 2.1 Vector de posición
         • El movimiento se establece por una dependencia fundametal entre la variable tiempo "t", y la posición de la partícula, que vendrá dada por el vector de posición "r", trazado desde el origen de coordenadas hasta el punto "p".
         • El movimiento queda totalmente determinado conociendo las tres coordenadas cartesianas como funciones de tiempo "t".La ecuación vectorial del vector de posición, la cual está definida empleando de los vectores cartesianos unitarios "i,j,k", será:
           • r(t)=x(t)i + y(t)j +z(t)k
         • La partícula, en su movimiento, describe una curva (C) que se denomina trayectoria. Al camino recorrido por la partícula sobre dicha trayectoria se le denomina recorrido, (s). La ecuación asociada es la Ley horaria del movimiento: S=S(t)
       • 2.2 Vector velocidad
         • Se define como la variación de la posición con respecto al tiempo. Se distingue entre velocidad media (Vm) y Velocidad instantánea (V), en función de si el intervalo de tiempo medido ( t) es medible o es infinitesimal.
         • r y s son diferentes y no coincidentes. (dibujo de ambos). Es sencillo demostrar la relación entre la V vectorial y la V escalar. Demostrarlo.
           • Celeridad. Unidades (m/s)
       • 2.3 Vector aceleración
         • Cuando el movimiento de una partícula, tiene en cada punto de la trayectoria un vector velocidad diferente, indica una variación de la velocidad en su módulo, dirección y sentido. La variación de la velocidad en el tiempo viene dada por la aceleración.
           • Se distingue entre Am y A en función de si el intervalo de tiempo medible ( ) es medible o es infinitesimal.
             • La aceleración suele descomponerse en una componente tangente (a ) y otra perpendicular (a ), conocidas como componentes intrínsecas de la aceleración.
               • La aceleración tangencial indica como varía el módulo de la velocidad con el tiempo. La aceleración normal indica como varía la dirección de la velocidad con el tiempo.
                 • Ahora se analiza la dirección del Un, y para ello, se utilizan los vectores unitarios tangente y normal a la trayectoria:
                   • La aceleración puede expresarse:
   • 3. Diferentes tipos de movimiento
     • 3.1 Movimientos rectilíneos
       • MRU
       • MRUA
     • 3.2 Movimiento circular
       • MCU
       • MCUA
     • 3.3 MAS
       • Cuando un partícula que realiza un movimiento periódico, se mueve alternativamente en un sentido y en otro sobre una misma trayectoria, recibe el nombre de movimiento oscilatorio. El MAS es el más importante y describe numerosos fenómenos de la naturaleza, (cuando lanzamos una piedra al río, cada partícula describe un MAS
         • Por su desarrollo matemático, este movimiento puede verse como la proyección del MCU sobre uno de diámetros:
           • X: elongación A: amplitud(elongación máxima) W: fase del movimiento (Wt+&): fase inicial El MAS es el único movimiento donde la aceleración, y por tanto, la fuerza, es proporcional a la posición.
     • 3.4 Composición de movimientos
       • Tiro horizontal
         • Eje x: MRU Eje Y: MRUA
       • Helicoidal
         • Eje z: MRU Plano XY: MCU
       • Espiral
         • MRU y MCU en plano XY
       • Tiro parabólico
     • 3.5 Movimiento relativo
       • Traslación
       • Rotación
   • 4. Métodos experimentales

3. III. Conclusión

   • Fue A.M. Ampère en el s.XVIII el primer científico en definir como "Cinemática" al estudio del movimiento en el que se prescinde de las fuerzas que lo provocan. Sin embargo, la cinemática como tal lleva estudiándose desde decenas de siglos antes.
   • La trayectoria de los cañones utilizados en la época Medieval o el movimiento de los planetas, son ejemplos de sucesos y fenómenos estudiados en base a principios cinemáticos.
   • El movimiento ha sido estudiado por físicos ilustres como Aristóteles, Galileo, Copérnico, Kepler, Newton o Einstein, lo cual proporciona una idea de su importancia. La figura de Einstein marca un hito en la historia de la Cinemática, ya que como consecuencia de la Teoría de la Relatividad, seabrió un nuevo marco de estudio, donde ni el tiempo, ni la masa ni el espacio, son absolutos.
   • El estudio de la cinemática es fundamental, ya que sin él es imposible analizar el funcionamiento de cualquier cuerpo en movimiento (automóviles, satélites...), del mismo modo que su estudio por parte del alumnado es imprescindible para entender la mayor parte de los conocimientos de Física (Dinámica, Energía, Campos eléctrico y magnético...). He aquí la principal baza a resaltar sobre este tema ante un posible alumnado de Física y Química de ESO.

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