Es la parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos, aunque sin interesarse por las causas que originan dicho movimiento. Un estudio de las causas que lo originan es lo que se le conoce como Dinámica.
Definición
Estudia el movimiento de los cuerpos de un espacio, independientemente de las causas que lo producen. Por lo tanto se encarga del estudio de la trayectoria en función del tiempo.
Terminología
La palabra Cinemática proviene del griego “kineema”, que significa movimiento.
Elementos básicos
Lo primero que debes hacer es saber las magnitudes básicas:
- Posición
- Velocidad
- Aceleración
Posición: es el lugar en que se encuentra el móvil u objeto en cierto instante de tiempo. Dada la dependencia de ese vector con el tiempo, es decir, si os dan tenemos toda la información necesaria para los cálculos cinemáticos.
Velocidad: es la variación de la posición con el tiempo. Nos indica si el móvil se mueve, es decir, si varia su posición a medida que varía el tiempo. La velocidad en fisica se corresponde al concepto intuitivo y cotidiano de velocidad. Tomando los incrementos entre los instantes inicial y final que se presiden. Aunque es una medida de magnitud util, hay que destacar que en su cálculo deja mucha información sin precisar.
Aceleración: es la variación de la velocidad en la unidad de tiempo. Se puede definir una aceleración media entre dos instantes, inicial y final, como y, de manera analógica a la velocidad, puede definirse una aceleración instantánea llevando estos instantes inicial y final muy cerca uno del otro, hasta tener así que la aceleración instantánea es la derivada de la velocidad repecto al tiempo.
Consecuencias
La dirección va a ser siempre tangente a la trayectoria. El módulo puede calcularse, además de operando sobre el vector, sabiendo que siendo la distancia que el móvil a recorrido sobre la trayectoria.
Clasificación de movimientos
Los movimientos se pueden clasificar según las componentes intrínsecas de su aceleración.
- Movimiento Rectilíneo Uniforme
- Movimiento Circular Uniforme
Caída libre
Se le llama caída libre al movimiento que se debe únicamente a la influencia de la gravedad.
- Todos los cuerpos con este tipo de movimiento tienen una aceleración dirigida hacia abajo cuyo valor depende del lugar en el que se encuentren. En la Tierra este valor es de aproximadamente 9.8 m/s2, es decir que los cuerpos dejados en caída libre aumentan su velocidad (hacia abajo) en 9.8 m/s cada segundo.
- En la caída libre no se tiene en cuenta la resistencia del aire.
La aceleración a la que se ve sometido un cuerpo en caída libre es tan importante en la Física que recibe el nombre especial de aceleración de la gravedad y se representa mediante la letra g.
g= 9.81m/s²
Para la caída libre, la gráfica posición tiempo tiene la siguiente apariencia:
Recuerda que en las gráficas posición-tiempo, una curva indicaba la existencia de aceleración.
La pendiente cada vez más negativa nos indica que la velocidad del cuerpo es cada vez más negativa, es decir cada vez mayor pero dirigida hacia abajo. Esto significa que el movimiento se va haciendo más rápido a medida que transcurre el tiempo.
Esta gráfica v-t corresponde a un movimiento de caída libre.
Su forma recta nos indica que la aceleración es constante, es decir que la variación de la velocidad en intervalos regulares de tiempo es constante.
La pendiente negativa nos indica que la aceleración es negativa. En la tabla anterior podemos ver que la variación de la velocidad a intervalos de un segundo es siempre la misma (-9.8 m/s). Esto quiere decir que la aceleración para cualquiera de los intervalos de tiempo es:
g = -9.8 m/s / 1s = -9.8 m/s/s = -9.8 m/s2
Ecuaciones para la caída libre
Recuerda las ecuaciones generales del movimiento:
e=v0⋅t+12⋅a⋅t2e=v0⋅t+12⋅a⋅t2
vf=v0+a⋅tvf=v0+a⋅t
Podemos adaptar estas ecuaciones para el movimiento de caída libre. Si suponemos que dejamos caer un cuerpo (en lugar de lanzarlo), entonces su velocidad inicial será cero y por tanto el primer sumando de cada una de las ecuaciones anteriores también será cero, y podemos eliminarlos:
e=12⋅a⋅t2e=12⋅a⋅t2
vf=a⋅tvf=a⋅t
Por otro lado, en una caída libre la posición que ocupa el cuerpo en un instante es precisamente su altura h en ese momento.
Como hemos quedado en llamar g a la aceleración que experimenta un cuerpo en caída libre, podemos expresar las ecuaciones así:
h=12⋅g⋅t2h=12⋅g⋅t2
vf=g⋅t
Registro de movimientos
Un ejemplo de ello es este tipo de tabla, ya que es de gran utilidad tener todo bien organizado por tiempos.
Tipos de movimiento
Movimiento rectilíneo
El movimiento rectilíneo uniforme (MRU) es el movimiento que describe un cuerpo o partícula a través de una línea recta a velocidad constante. Es decir:
- El movimiento es lineal en una única dirección
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) es el movimiento de una partícula o cuerpo por una línea recta con una aceleración constante. Es decir:
- La partícula se desplaza por el eje de coordenadas.
- La velocidad aumenta (o disminuye) de manera lineal respecto al tiempo. Es decir, la aceleración es constante.
En este ejemplo vemos como el objeto va aumentando su velocidad uniformemente conforme va pasando el tiempo y avanza por su trayectoria.
El movimiento rectilíneo con aceleración variada es el movimiento de una partícula o cuerpo sólido por una línea recta a velocidad y aceleración no constantes.
El movimiento circular es el que recorre una partícula o cuerpo por una circunferencia. Este movimiento tiene un eje y todos los puntos por los que pasa la partícula se encuentran a una distancia constante (r) del eje.
- Radio: distancia a la que gira el punto P sobre el eje O (en nuestro caso r).
- Velocidad tangencial: es el módulo de la velocidad en cualquier punto del giro y viene definido como el recorrido, en unidades de longitud, que describe P por unidad de tiempo (vt).
- Aceleración centrípeta: componente que va dirigida hacia el centro de la circunferencia. Representa el cambio de dirección del vector velocidad (acen).
- Frecuencia: número de vueltas f que recorre la partícula en una unidad de tiempo. Se expresa en ciclos/seg o hertzios.
El movimiento circular uniforme (MCU) es el movimiento que describe una partícula cuando da vueltas sobre un eje estando siempre a la misma distancia (r) del mismo y desplazándose a una velocidad constante.
El movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) se presenta cuando una partícula o cuerpo sólido describe una trayectoria circular aumentando o disminuyendo la velocidad de forma constante en cada unidad de tiempo. Es decir, la partícula se mueve con aceleración constante.
En el dibujo se observa un ejemplo en donde la velocidad aumenta linealmente en el tiempo. Suponiendo que el tiempo en llegar del punto P1 a P2 sea una unidad de tiempo, la partícula viaja con una aceleración tangencial uniforme v, incrementándose esa cantidad en cada unidad de tiempo.
El movimiento parabólico es el movimiento de una partícula o cuerpo rígido describiendo su trayectoria una parábola. Por ejemplo, el balón de fútbol cuando es chutado por un jugador y cae al suelo es un movimiento parabólico.
El movimiento parabólico se puede analizar como la unión de dos movimientos. Por un lado, la trayectoria en la proyección del eje de las x (el eje que va paralelo al suelo) describirá un movimiento rectilíneo uniforme. Por otro lado, la trayectoria de la partícula al elevarse o caer verticalmente (en proyección sobre el eje de las y) describirá un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, donde la aceleraciónes la gravedad.
Nota: la gravedad normalmente se considera g = 9.81 m/s2.
Para hacernos una idea visual de los dos componentes del movimiento parabólico, imaginemos un lanzamiento de peso de atletismo.
Si pudiésemos seguir el recorrido de la bola verticalmente desde arriba, en el mismo plano vertical de la trayectoria, desde esa posición privilegiada veríamos la bola avanzar a una velocidad constante, desde la salida de la mano del atleta hasta que la bola toca el césped. Apreciaríamos un movimiento rectilíneo uniforme (velocidad constante).
Pero si nos pudiésemos situar sobre el césped, detrás de donde se ubican los jueces y que estuviésemos también justo en el plano vertical de la trayectoria (es decir, que lanzase hacia nosotros) nos daría la impresión de que la bola sube y baja como si se tratase de un lanzamiento vertical hacia arriba (movimiento rectilíneo uniformemente acelerado).
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