📚 Resumen Completo de Cinemática
Física I - Ingeniería | UNSJ
1. Conceptos Fundamentales
1.1 Magnitudes Físicas
Según su Definición
Fundamentales: Se definen por sí mismas, tienen dimensión propia y patrón de medida.
Ejemplos: tiempo, masa, longitud
Derivadas: Se obtienen a partir de otras magnitudes.
Ejemplos: velocidad, aceleración
Según su Naturaleza
Escalares: Se determinan por un valor numérico y unidad.
Ejemplos: tiempo, masa, temperatura
Vectoriales: Se determinan con vectores.
Ejemplos: posición, velocidad, aceleración
1.2 Vectores
Vector
Segmento de recta orientado que posee: módulo (magnitud), dirección (ángulo θ), sentido (punta de flecha) y punto de aplicación.
Componentes de un Vector en el Plano (x,y)
Componentes rectangulares:
\(v_x = v \cdot \cos(\theta)\) | \(v_y = v \cdot \sin(\theta)\)
Módulo y dirección:
\(|\vec{v}| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\) | \(\theta = \tan^{-1}(v_y/v_x)\)
Operaciones con Vectores
- Suma: \(\vec{s} = \vec{v} + \vec{u} \rightarrow s_x = v_x + u_x ; s_y = v_y + u_y\)
- Producto por escalar K: \(\vec{u} = K \cdot \vec{v}\) (mismo sentido si K>0, opuesto si K<0)
- Producto escalar: \(\vec{u} \cdot \vec{v} = |\vec{u}||\vec{v}|\cos(\theta) = K\) (resultado escalar)
- Producto vectorial: \(\vec{u} \times \vec{v} = |\vec{u}||\vec{v}|\sin(\theta) = \vec{w}\) (resultado vector perpendicular)
2. Magnitudes Cinemáticas Fundamentales
🎯 Cinemática
Rama de la mecánica clásica que estudia el movimiento de objetos sin analizar las causas. Describe variaciones de posición, velocidad y aceleración en función del tiempo.
2.1 Posición (r⃗)
Posición [m]
Vector que indica el lugar donde se encuentra una partícula en un instante determinado. Origen en el sistema de coordenadas, fin en la partícula.
Notación polar: \(\vec{r} = (|r|, \theta)\)
2.2 Desplazamiento (Δr⃗)
Desplazamiento
Vector cambio de posición de la partícula en un intervalo de tiempo. Es la distancia más corta entre dos puntos (línea recta).
- Desplazamiento (Δr⃗): Magnitud vectorial, distancia más corta entre dos puntos
- Distancia recorrida (s): Magnitud escalar, longitud total de la trayectoria
2.3 Velocidad (v⃗)
Velocidad [m/s]
Magnitud vectorial que indica el cambio de posición en función del tiempo.
Velocidad Media
Misma dirección y sentido que \(\Delta\vec{r}\)
Velocidad Instantánea
Tangente a la trayectoria
Rapidez: Es la magnitud (módulo) de la velocidad → \(|\vec{v}| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2} \, [m/s]\)
2.4 Aceleración (a⃗)
Aceleración [m/s²]
Magnitud vectorial que indica el cambio de velocidad en función del tiempo. Una partícula está acelerada cuando su velocidad cambia en magnitud, dirección o ambas.
Aceleración Media
Aceleración Instantánea
3. Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)
MRU - Movimiento Rectilíneo Uniforme
La partícula se mueve en línea recta con velocidad constante en el tiempo.
Ecuación del MRU
$$x_f = x_0 + v \cdot \Delta t$$
Equivalente: \(\Delta x = v \cdot \Delta t\)
Características del MRU
- Desplazamientos iguales en intervalos de tiempo iguales
- El área bajo la curva v(t) = desplazamiento
Gráficas del MRU
| Gráfica | Forma | Interpretación |
|---|---|---|
| x(t) | Recta con pendiente | Pendiente = v (velocidad). Si v > 0, recta ascendente; si v < 0, recta descendente |
| v(t) | Línea horizontal | Velocidad constante. El área bajo la curva = desplazamiento Δx |
| a(t) | Línea sobre el eje t | a = 0 en todo instante |
4. Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV)
MRUV - Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado
La partícula se mueve en línea recta con aceleración constante. La rapidez varía uniformemente (aumenta o disminuye la misma cantidad cada segundo).
MRUA (Acelerado)
La rapidez aumenta
\(\vec{v}\) y \(\vec{a}\) tienen el mismo sentido
Ambos positivos o ambos negativos
→ \(\vec{a}\) → \(\vec{v}\) →
MRUD (Desacelerado)
La rapidez disminuye
\(\vec{v}\) y \(\vec{a}\) tienen sentidos opuestos
Uno positivo y otro negativo
← \(\vec{a}\) \(\vec{v}\) →
Ecuaciones del MRUV
Ecuación ③: Útil cuando no se conoce el tiempo
Estas ecuaciones SOLO son válidas cuando a = constante. Si la aceleración varía con el tiempo, se deben usar métodos de cálculo diferencial.
Interpretación Gráfica del MRUV
| Gráfica | MRUA | MRUD |
|---|---|---|
| x(t) | Parábola cóncava hacia arriba | Parábola cóncava hacia abajo |
| v(t) | Recta con pendiente positiva | Recta con pendiente negativa |
| a(t) | Línea horizontal (a > 0) | Línea horizontal (a < 0) |
- Pendiente de x(t) = velocidad instantánea
- Pendiente de v(t) = aceleración
- Área bajo v(t) = desplazamiento
- Área bajo a(t) = cambio de velocidad
5. Caída Libre y Tiro Vertical
5.1 Caída Libre
Caída Libre
Movimiento rectilíneo vertical de una partícula sujeta únicamente a la fuerza gravitatoria. Es un caso particular de MRUV con a = g.
La velocidad aumenta 9,8 m/s cada segundo
Características
- Todos los objetos caen con la misma aceleración, independientemente de tamaño o peso
- La aceleración es constante (g)
- Es un MRUV en dirección vertical
5.2 Tiro Vertical
Tiro Vertical
Caída libre donde la partícula es lanzada verticalmente hacia arriba o abajo (v₀ ≠ 0).
Considerar g negativo si el eje y positivo apunta hacia arriba
- \(v_y = 0\) (la velocidad vertical se anula)
- MRUD al subir → MRUA al bajar
- La aceleración siempre es g (nunca es cero)
6. Movimiento Parabólico
Movimiento Parabólico
Movimiento en dos dimensiones con aceleración constante (\(\vec{a} = \vec{g}\)), donde la trayectoria descrita tiene forma de parábola.
🎯 Idea Clave
El movimiento parabólico se analiza como dos movimientos simultáneos independientes:
Eje X: MRU (\(v_x = constante, a_x = 0\))
Eje Y: Tiro vertical MRUV (\(a_y = -g\))
Velocidad de Lanzamiento
\(\alpha\) = ángulo de lanzamiento respecto a la horizontal
Ecuaciones del Movimiento Parabólico
En el eje X (MRU)
En el eje Y (MRUV)
Magnitudes Características
Altura Máxima (ymax)
Se alcanza cuando \(v_y = 0\):
Tiempo de Vuelo (cuando \(y_f = y_0\))
Solo válido si altura inicial = altura final
Alcance Horizontal
Alcance Máximo (cuando \(y_f = y_0\))
Sustituyendo el tiempo de vuelo \(\Delta t = 2 \cdot v_0 \cdot \sin(\alpha)/g\) en la ecuación de posición horizontal:
$$R = \frac{v_0^2 \cdot \sin(2\alpha)}{g}$$
El alcance es máximo cuando \(\sin(2\alpha) = 1\), es decir cuando \(2\alpha = 90° \rightarrow \alpha = 45°\).
La condición de alcance máximo a 45° solo es válida cuando el punto de lanzamiento y el de caída están a la misma altura (\(y_0 = y_f\)).
- La velocidad instantánea es siempre tangente a la trayectoria
- En altura máxima: \(v_y = 0\), pero \(v \neq 0\) (existe \(v_x\))
- La rapidez es mínima en altura máxima (no nula)
- Los tiempos de subida y bajada son iguales solo si \(y_i = y_f\)
7. Movimiento Circular
Movimiento Circular
La partícula describe una trayectoria circular de radio R. La dirección de la velocidad siempre varía, por lo que la partícula siempre está acelerada (incluso si la rapidez es constante).
7.1 Sistema de Coordenadas Intrínsecas (n, t)
Sistema móvil que se establece para cada punto de la trayectoria:
- Eje tangencial (t): Tangente a la trayectoria, sentido positivo = sentido de v⃗
- Eje normal (n): Perpendicular a t, sentido positivo hacia el centro de curvatura
7.2 Componentes de la Aceleración
\(a_n\) (normal/centrípeta): Describe cambios en la dirección de \(\vec{v}\)
\(a_t\) (tangencial): Describe cambios en la magnitud de \(\vec{v}\) (rapidez)
Aceleración Normal (Centrípeta)
Siempre apunta hacia el centro
Aceleración Tangencial
Tangente a la trayectoria
7.3 Tipos de Movimiento Circular
| Tipo | Rapidez | aₜ | aₙ |
|---|---|---|---|
| MCU (Uniforme) | v = constante | \(a_t = 0\) | \(a_n = v^2/R\) = constante |
| MCUA (Acelerado) | v aumenta | \(a_t > 0\) (constante) | \(a_n = v^2/R\) (variable) |
| MCUD (Desacelerado) | v disminuye | \(a_t < 0\) (constante) | \(a_n = v^2/R\) (variable) |
7.4 Magnitudes Angulares
| Magnitud | Símbolo | Fórmula | Unidad |
|---|---|---|---|
| Desplazamiento angular | \(\theta\) | \(\theta = s/R\) | rad |
| Período | \(T\) | \(T = 2\pi R/v\) | s |
| Frecuencia | \(f\) | \(f = 1/T = v/(2\pi R)\) | Hz |
| Velocidad angular | \(\omega\) | \(\omega = 2\pi/T = 2\pi f\) | rad/s |
| Rapidez lineal | \(v\) | \(v = \omega \cdot R = 2\pi R/T = 2\pi R \cdot f\) | m/s |
| Aceleración centrípeta | \(a_n\) | \(a_n = v^2/R = \omega^2 \cdot R\) | m/s² |
Conversión: \(1 \text{ RPM} = 1 \text{ rev/min} = 2\pi \text{ rad} / 60 \text{ s} \approx 0{,}1047 \text{ rad/s}\)
Período (T)
Tiempo que tarda la partícula en completar una vuelta completa. Se mide en segundos [s].
Frecuencia (f)
Cantidad de vueltas completas por unidad de tiempo. Se mide en Hertz [Hz = 1/s]. Relación: \(f = 1/T\).
- Solo hay \(a_n\) (centrípeta), no hay \(a_t\)
- La aceleración siempre apunta al centro
- \(|\vec{a}| = a_n = v^2/R\) = constante
7.5 Movimiento Circular Uniformemente Variado (MCUV)
MCUV - Movimiento Circular Uniformemente Variado
Movimiento circular donde la aceleración tangencial es constante (aₜ = cte ≠ 0). La rapidez varía uniformemente y las ecuaciones son análogas a las del MRUV, pero en variables angulares.
Ecuaciones del MCUV
Donde \(\alpha\) = aceleración angular [rad/s²] (no confundir con ángulo de lanzamiento)
| MRUV (lineal) | MCUV (angular) |
|---|---|
| \(x \rightarrow \theta\) | Posición → Posición angular |
| \(v \rightarrow \omega\) | Velocidad → Velocidad angular |
| \(a \rightarrow \alpha\) | Aceleración → Aceleración angular |
Ejemplo Resuelto: MCUV
📝 Ejemplo
Enunciado: Una rueda parte del reposo y acelera uniformemente hasta alcanzar 300 RPM en 10 segundos. Calcular: a) la aceleración angular, b) el ángulo recorrido.
Datos: \(\omega_0 = 0 \text{ rad/s}, \omega = 300 \text{ RPM} = 300 \times 2\pi/60 = 10\pi \text{ rad/s}, t = 10 \text{ s}\)
a) Aceleración angular:
\(\alpha = (\omega - \omega_0)/t = (10\pi - 0)/10 = \pi \text{ rad/s}^2 \approx 3{,}14 \text{ rad/s}^2\)
b) Ángulo recorrido:
\(\theta = \omega_0 \cdot t + \frac{1}{2} \cdot \alpha \cdot t^2 = 0 + \frac{1}{2} \cdot \pi \cdot 100 = 50\pi \text{ rad} \approx 157{,}1 \text{ rad} \approx 25 \text{ vueltas}\)
8. Movimiento por Tramos
Movimiento por Tramos
Movimiento en el que la partícula cambia de tipo de movimiento a lo largo de su recorrido. Se divide en tramos, cada uno con sus propias ecuaciones y condiciones.
🎯 Idea Clave
La condición final de un tramo es la condición inicial del siguiente. Los tramos se resuelven en orden secuencial.
Ejemplo típico: vehículo con tres tramos
| Tramo | Tipo | Descripción |
|---|---|---|
| 1 | MRUA | Parte del reposo y acelera uniformemente |
| 2 | MRU | Se mueve a velocidad constante (la alcanzada en el tramo 1) |
| 3 | MRUD | Frena uniformemente hasta detenerse |
- Paso 1: Identificar los tramos y el tipo de movimiento de cada uno
- Paso 2: Resolver el primer tramo con sus condiciones iniciales
- Paso 3: Usar la posición y velocidad finales como iniciales del siguiente tramo
- Paso 4: Repetir hasta completar todos los tramos
- El desplazamiento total = suma de desplazamientos de cada tramo
- El tiempo total = suma de tiempos de cada tramo
9. Movimiento Relativo
Movimiento Relativo
El movimiento y el reposo son conceptos relativos al sistema de coordenadas elegido. Un mismo movimiento puede percibirse diferente por distintos observadores.
9.1 Posición Relativa
\(\vec{r}(P/T)\): Posición absoluta (partícula respecto a tierra/referencial fijo)
\(\vec{r}(P/C)\): Posición relativa (partícula respecto al sistema móvil)
\(\vec{r}(C/T)\): Arrastre (sistema móvil respecto a tierra)
9.2 Desplazamiento Relativo
\(\Delta\vec{r}(P/T)\): Desplazamiento absoluto (respecto a tierra)
\(\Delta\vec{r}(P/C)\): Desplazamiento relativo (respecto al sistema móvil)
\(\Delta\vec{r}(C/T)\): Desplazamiento de arrastre
9.3 Velocidad Relativa
\(\vec{v}(P/T)\): Velocidad absoluta
\(\vec{v}(P/C)\): Velocidad relativa
\(\vec{v}(C/T)\): Velocidad de arrastre
9.4 Aceleración Relativa
Si el sistema móvil se mueve con velocidad constante (\(\vec{a}(C/T) = 0\)):
\(\vec{a}(absoluta) = \vec{a}(relativa)\)
Dos observadores en reposo o en MRU miden la misma aceleración (Sistemas de Referencia Inerciales).
En 2 Dimensiones
10. 📋 Resumen de Fórmulas
Magnitudes Básicas
| Magnitud | Fórmula | Unidad SI |
|---|---|---|
| Posición | \(\vec{r} = (r_x, r_y)\) | m |
| Desplazamiento | \(\Delta\vec{r} = \vec{r}_f - \vec{r}_0\) | m |
| Velocidad media | \(\vec{v}_m = \Delta\vec{r}/\Delta t\) | m/s |
| Velocidad instantánea | \(\vec{v} = d\vec{r}/dt\) | m/s |
| Rapidez | \(|\vec{v}| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}\) | m/s |
| Aceleración media | \(\vec{a}_m = \Delta\vec{v}/\Delta t\) | m/s² |
| Aceleración instantánea | \(\vec{a} = d\vec{v}/dt\) | m/s² |
Ecuaciones de Movimiento
| Tipo | Ecuaciones |
|---|---|
| MRU | \(x_f = x_0 + v \cdot \Delta t \quad | \quad v = constante \quad | \quad a = 0\) |
| MRUV | \(x_f = x_0 + v_0 \cdot \Delta t + \frac{1}{2}a \cdot \Delta t^2\) \(v_f = v_0 + a \cdot \Delta t\) \(v_f^2 = v_0^2 + 2a \cdot \Delta x\) |
| MCU | \(a_n = v^2/R \quad | \quad a_t = 0 \quad | \quad v = \omega \cdot R = 2\pi R/T\) |
| MCUV | \(\theta = \theta_0 + \omega_0 \cdot t + \frac{1}{2}\alpha \cdot t^2\) \(\omega = \omega_0 + \alpha \cdot t\) \(\omega^2 = \omega_0^2 + 2\alpha \cdot \Delta\theta\) |