Este documento describe los conceptos básicos de la cinemática del movimiento rectilíneo y curvilíneo. Explica elementos como posición, velocidad, aceleración y sus componentes para movimiento en línea recta y curva. También presenta ecuaciones para calcular estas cantidades en diferentes situaciones y gráficas que representan el movimiento rectilíneo.
DE LAS OLIMPIADAS GRIEGAS A LAS DEL MUNDO MODERNO.ppt
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1. MOVIMIENTO RECTILINEO Y CURVILINEO
MSC. Grimaldo Edwin Calderón Díaz
DINAMICA
Semana 2-3 2023 - I
2. CINEMATICA DE LA PARTICULA
Elementos del movimiento
x
y
z
⃗
𝑟
⃗
𝑎
𝑉
trayectoria
partícula
masa puntual
Punto material
⃗
𝑟 : Vector posicional m, cm, pies…….
⃗
𝑣 ∶ Velocidad 𝑚
𝑠
𝑐𝑚
𝑠
𝑝𝑖𝑒𝑠
𝑠
, , Siempre es tangente a la
trayectoria
⃗
𝑎 ∶ Aceleración
𝑚
𝑠!
𝑐𝑚
𝑠!
𝑝𝑖𝑒𝑠
𝑠!
, , ……
3. DESPLAZAMIENTO ( Δ𝑟 )
Se define como el cambio de posición si la partícula se mueve de posición 1 a 2. Debido a
que el desplazamiento de una partícula es una cantidad vectorial, deberá distinguirse de la
distancia que recorre la partícula. De manera especifica, la distancia recorrida es un escalar
positivo que representa la longitud total de la trayectoria que recorre la partícula.
x
y
z
𝑟$
𝑟!
Δ⃗
𝑟
𝑡$
𝑡!
Δ⃗
𝑟 𝑟! 𝑟$
= -
𝑟$
𝑟!
Δ⃗
𝑟
1
2
s
S : longitud
(espacio recorrido)
4. VELOCIDAD (𝑣)
Si la partícula experimenta un desplazamiento Δ⃗
𝑟 de la posición 1 a 2 durante un intervalo de tiempo Δ𝑡,
La velocidad media de la partícula durante dicho intervalo de tiempo es:
⃗
𝑣0 =
Δ⃗
𝑟
Δ𝑡
Velocidad
Media
⃗
𝑣! =
𝑟" − 𝑟#
𝑡" − 𝑡#
⃗
𝑣 = Lim ⃗
𝑣0
Δt → 0
=
d⃗
𝑟
d𝑡
=
d⃗
𝑟
d𝑡
⃗
𝑣
𝑣$ 𝑣!
𝑟$
𝑟!
x
y
z
⃗
𝑣$, ⃗
𝑣! 𝑠𝑜𝑛 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑎𝑠
En la figura
Δ⃗
𝑟
Rapidez o Celeridad : Es la magnitud de la velocidad
⃗
𝑣 = 𝑣
5. ACELERACIÓN ( ⃗
𝑎)
Si se conoce la velocidad de la partícula en dos puntos 1 y 2, la aceleración media de la partícula
durante el intervalo de tiempo Δ𝑡:
⃗
𝑎0 =
78
79
Aceleración
Media
⃗
𝑎! =
𝑣" − 𝑣#
𝑡" − 𝑡#
𝑣$
𝑣!
𝑣%
−
𝑣&
𝑣!
𝑣$
⃗
𝑎#
⃗
𝑎"
x
y
z
= Lim
Δt → 0
⃗
𝑎 ⃗
𝑎!
=
;8
;9
=
⃗
𝑎 𝑑!
⃗
𝑟
d𝑡!
Aceleración Instantánea
7. MOVIMIENTO RECTILINEO
Se estudian los aspectos geométricos del movimiento de una partícula que se mide
con marcos de referencia fijos y variables. La trayectoria se describirá usando
diferentes tipos de sistemas de coordenadas y se determinaran las componentes
del movimiento a lo largo de los ejes de coordenadas
El uso de la palabra partícula no implica que se limita al estudio a pequeños
corpúsculos, se estudiara el movimientos de los cuerpos posiblemente tan grandes
como automóviles, aviones etc. Sin importar su tamaño. Una partícula tendrá una
masa que no será tomada en consideración, es decir se desprecia su tamaño y
forma; objetos con dimensiones finitas serán consideradas partículas, suponiendo
que su movimiento se caracteriza por el desplazamiento de su centro de masa,
despreciando cualquier tipo de rotación del cuerpo
8. El centro de masa de un sistema discreto o continuo es el punto geométrico que
dinámicamente se comporta como si en el estuviera aplicada la resultante de las
fuerzas externas al sistema. De manera análoga, se puede decir que el sistema
formado por toda la masa concentrada en el centro de masa es un sistema
equivalente al original
El centroide, el centro de gravedad y el centro de masas pueden bajo ciertas
circunstancias coincidir entre si. En estos caso se suele utilizar los términos de
manera intercambiables aunque designan conceptos diferentes. El centroide es un
concepto puramente geométrico que depende de la forma del sistema, el centro de
masa depende de la distribución de materia, mientras que el centro de gravedad
depende del campo gravitatorio.
9. CINEMATICA RECTILINEA
Una partícula puede desplazarse sobre una trayectoria recta o curva. Con objeto de
explicar la cinemática del movimiento de una partícula, se empezara con el
movimiento rectilíneo. La cinemática en este movimiento, se caracterizara por
especificar, en un momento determinado, la posición, velocidad y aceleración de la
partícula.
𝑉' 𝑉
𝑠+
Δ𝑠
𝑠
𝑎+ 𝑎
𝑡+ 𝑡
0
origen
Movimiento Rectilíneo
MRU
MRUV
acelerado
desacelerado
MRV 𝑉 =
𝑑𝑠
𝑑𝑡
a=
,-
,.
derivadas
integrales
10. ⃗
𝑣 =
d⃗
𝑠
d𝑡
𝑣i =
𝑑(𝑠𝑖)
𝑑𝑡
𝑣 =
𝑑𝑠
𝑑𝑡
S=
X ó
Y ó
Z
Δ𝑠 = 𝑠 -𝑠% Δ𝑠 = 𝑒 = 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜
modulo del desplazamiento
Casos
a) Conocida x(t)
Si se da la posición en función del tiempo, se hallara la velocidad y la aceleración sin mas que derivar
11. b) Conocida V(t)
Cuando se da la velocidad en función del tiempo, puede hallarse la aceleración por derivación. La posición se
Obtiene integrando la ecuación
12. c) Conocida a(t)
Cuando se da la aceleración en función del tiempo, la velocidad se obtiene integrando:
La posición se halla, como antes, integrando la velocidad
13. d) Conocida a(x)
Cuando se da la aceleración en función de la posición, hay que aplicar la regla de la cadena de la derivación a
La definición de la aceleración:
14. Una vez conocida la velocidad en función del tiempo, podemos integrarla como en el apartado b) para obtener la
Posición en función del tiempo.
De otra manera se puede hallar la velocidad en función de la posición integrando la ecuación:
15. Ahora se reconoce la velocidad en función de la posición y podemos hallar esta en función del tiempo integrando
La ecuación :
e) Conocida a(v)
Cuando se da la aceleración en función de la velocidad, esta puede hallarse en función del tiempo integrando
La ecuación:
16. f) Conocida a= constante
En el estudio anterior esta incluido el caso de aceleración constante ( llamado uniformemente acelerado) ya que
Si la aceleración es constante se puede tratar como función del tiempo, de la posición o de la velocidad, según
Convenga. Sin embargo, el caso particular del movimiento uniformemente acelerado (y el caso particular de éste
Movimiento uniforme en el cual a=0 aparece tan a menudo en mecánica que vale la pena tratarlo aparte.
Si la aceleración es constante, las integraciones del apartado c) son inmediatas y dan :
Analogamente, la integración del apartado d) da
17. g) También :
𝑽𝟎 + 𝒗𝒇
𝟐
. t
e =
𝑒7 = 𝑣8 ± 𝑎 2𝑛 − 1
Espacio en el enésimo segundo
18. EJERCICIOS :
1. El movimiento de una partícula a lo largo de una línea recta está definido por
s= 0,10t3-10,08t.
a) Determine la aceleración promedio durante el cuarto segundo.
b) Cuando la partícula invierte su sentido, ¿cuál es su aceleración?
19. 2. Un carrito esta sujeto entre dos resortes cuyas espiras están muy separadas y su aceleración viene
dada por : a(x) = -x-3x2 (m/s2 ) . Determine la posición máxima del carrito si tiene una velocidad V= 2 m/s
cuando x= - 1m .
20.
21. 6.. Una esferita cae en el aire tiene una aceleración dada por: 9,81 – 0,003 v2 m/s2 Determinar la
Velocidad de la bola en función de la altura si lleva una velocidad hacia abajo de 3m/s cuando y=0.
Considerar que el sentido positivo es hacia abajo.
22. GRAFICAS DEL MOVIMIENTO RECTILINEO
a) Posición – tiempo (x-t)
MRUV
x
t
acelerado
parabola
MRU
t
x
m < 0 (-)
𝜃
MRU
x
t
m > 0
𝜃
23. t
x
𝑡$
𝑚& = 𝑣&
𝑚% = 𝑣%
𝑡!
t
x
MRUV
desacelerado
parábola
m = pendiente = velocidad instantánea =
d𝑥
d𝑡
m = cte (MRU)
24. b) Velocidad – tiempo (v – t )
t
v
V < 0
MRU
t
v
V > 0
MRU
v
t
v
MRUV (acelerado)
m > 0
𝜃
25. t
(-) m < 0
MRUV (desacelerado)
v
t
𝑡$ 𝑡!
v
𝑚&
= 𝑎&
𝑚%
=
𝑎%
AREA
m = pendiente = aceleración instantánea
𝐴𝑅𝐸𝐴 = 𝑥 − 𝑥+ = Δx
v - t
26. c) aceleración - tiempo
t
MRU
a = 0
t
a
MRU
(desacelerado)
a = cte (-)
t
a
a = cte (+)
MRU
(acelerado)
a
28. DESCRIPCIÓN DEL MOVIMIENTO
CURVILINEO
- COMPONENTES RECTANGULARES
- COMPONENTES NORMALES Y TANGENCIALES
- COMPONENTES CILINDRICAS
COMPONENTES RECTANGULARES
Las componentes x, y, z son funciones del
tiempo
X = X(t)
Y = Y(t)
Z = Z(t)
𝑟 = 𝑟 𝑡
Magnitud de ⃗
𝑟 = r = 𝑥! + 𝑦! + z!
Dirección de ⃗
𝑟 ∶ 𝑢K =
⃗
K
K
Vector unitario
Vector posición : ⃗
𝑟 = 𝑥⃗
𝚤 + 𝑦⃗
𝚥 + 𝑧𝑘
⃗
𝚤 ⃗
𝚥
𝑘 ⃗
𝑟
P(x,y,z)
S
Trayectoria
x
y
z
z
x
y
POSICIÓN :
31. COMPONENTES RECTANGULARES
MOVIMIENTO DE UN PROYECTIL
Eje x : MRU e = v.t
X = 𝑣+ cos 𝜃+ 𝑡
𝑡 =
𝑥
𝑣+ cos 𝜃+
…… 1
Eje y : MRUV
e = 𝑣+𝑡 +
1
2
𝑎𝑡!
ℎ = ℎ+ + 𝑉+1
𝑡 +
1
2
⃗
𝑔𝑡!
𝑣()
= 𝑣' cos 𝜃'
𝑣
*
)
=
𝑣
'
se
n
𝜃
'
𝑣'
𝑉&
𝑉%
(x,y)
x
y
𝑦+
x
y
𝜃'
Parábola
(trayectoria)
a = g
⃗
𝑔
⃗
𝑎 = −𝑔⃗
𝚥
34. ⃗
𝑎 = ⃗
𝑎9 + ⃗
𝑎e
⃗
𝑎 = 𝑎9 ⃗
𝑒9 + 𝑎e ⃗
𝑒e
⃗
𝑒9 ∶ 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜𝑛 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙
⃗
𝑒e ∶ 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
𝑣 = ⃗
𝑣 = rapidez
𝑎e =
𝑉<
𝜑
Aceleración normal o
centrípeta
𝑎9 = 𝑎. 𝑒9 =
> .8
8
𝑎e = ⃗
𝑎 ⋅ 𝑒e =
⃗
𝑎𝑥 ⃗
𝑣
𝑣
𝜑 =
𝑣<
⃗
𝑎𝑥 ⃗
𝑣
radio de curvatura
1 + 𝑓C(𝑥+ )!
⁄
* !
𝑓E!
CC
𝜑 h =
radio de curvatura en
el plano xy
𝑥+
𝜑 E!
x
y
y = f(x)
35. 4) El pasador P de la figura se desliza por ranuras (una horizontal y otra vertical) unidas a los collares A y B.
El collar A corre horizontalmente según: x(t) = 10 cos 3t mm , mientras que el collar B lo hace
verticalmente según: y(t) = 10 sen 4t mm.
Calcular la velocidad y aceleración del pasador en el instante t=5s.
36. 5) El muchacho en O lanza al aire una pelota con una rapidez Vo y un ángulo Ѳ1. Si después lanza otra
pelota con la misma rapidez Vo y un ángulo Ѳ2 < Ѳ1, determine el tiempo entre lanzamientos de
modo que las pelotas choquen en el aire en el punto B.
37. La bajada de la figura tiene forma hiperbólica dada por f(x) = 6/(5 – x)2 . Una esferita que rueda
descendiendo la bajada pasa por el punto A ( xo = 3m) con una rapidez de 2 m/s que aumenta a razón
De 3 m/s2 . Determine :
a) Las componentes normal y tangencial de la aceleración cuando la esferita pasa por el punto A.
b) E l ángulo que forma en el punto A los vectores velocidad y aceleración del móvil.
38.
39. MOVIMIENTO EN EL PLANO: COORDENADAS POLARES
⃗
𝑟 = 𝑟𝑢K
𝑢?
𝑢>
⃗
𝑟
𝜃
r
𝜃 (+)
Coordenada radial
Eje r
Coordenada
transversal eje 𝜃
Línea de referencia
POSICIÓN
40. VELOCIDAD ⃗
𝑣 = ̇
⃗
𝑟 =
d
d𝑡
𝑟𝑢K
̇
𝑢K= ??
⃗
𝑣 = ̇
𝑟𝑢K + 𝑟 ̇
𝑢K
d𝜃 =
ST"
T" U T"
# UV
𝜃 =
𝑆
R
𝑢I
𝑢
J
C
d𝑢J
𝑢J
d𝜃
R R
S
𝑢J
𝑢I
𝑢J
C
𝜃
d𝜃
0
d𝑢K= d𝜃 (magnitud) d𝑢K= d𝜃 𝑢i (vector) ̇
𝑢K = ̇
𝜃. 𝑢i
41. ⃗
𝑣 = ̇
𝑟𝑢K + 𝑟 ̇
𝜃𝑢i 𝑣i = 𝑟 ̇
𝜃 𝑉 = 𝑉
?
" + 𝑉>
"
r
𝑉I
𝑉
J
⃗
𝑣
⃗
𝑟
𝜃
o
Tangente a la trayectoria
Aumento o reducción de ls
Longitud de la coordenada
radial
Rapidez del movimiento a
lo largo de un circulo de
radio “r”
⃗
𝑣
𝑣K = ̇
𝑟
𝑣K
𝑣i
45. COORDENADAS CILINDRICAS
Hasta ahora solamente se han utilizado coordenadas rectangulares con sus vectores unitarios constantes.
Sin embargo, hay muchos problemas que se pueden enunciar y resolver mejor por medio de otros sistemas
Coordenados.
El primero de ellos es el de las coordenadas cilíndricas, en las cuales la localización de un punto P, se
especifica por medio de tres cantidades r,𝜃,z cuyas definiciones se muestran en la figura mostrada, esta figura
muestra también el vector de posición r del punto.
Si al partícula P se desplaza a lo largo de una curva espacial, es posible describir su ubicación por medio de
tres coordenadas r, Ɵ y Z. La coordenada Z es idéntica a la que se emplea en XYZ. Como el vector unitario 𝑢S
Es constante, la derivada temporal es cero.
La relación entre las coordenadas cilíndricas y las rectangulares para un punto P son :
𝑥 = 𝑟 cos 𝜃 y= 𝑟 sen 𝜃 z = z
𝑟 = 𝑥" + 𝑦" ⁄
# " tan 𝜃 =
𝑦
𝑥
De manera que
47. En la figura el brazo del robot esta programado de manera que el punto P describa la trayectoria
r = 1 – 0,5 cos 2πt m,
Ɵ = 0,5 – 0,2sen 2πt rad.
En t= 0,8 s, determine: a) la velocidad de P en términos de las componentes radial y transversal; b) las
Componentes cartesianas de la velocidad de P.
Ejercicios
48.
49. Un pequeño anillo se mueve en un cerco circular de radio r. Una varilla OA pasa atravez del anillo y gira
Alrededor del punto fijo en la circunferencia del anillo a la velocidad angular constante φ. Encontrar la
Aceleración absoluta del anillo.
50. La guía ranurada vertical se mueve a lo largo de su árbol horizontal con velocidad constante ̇
𝑥 = 1,2 m/s
Antes de invertir el sentido de su movimiento en x = 12,5 cm. El vástago P vine así obligado a moverse en
Las guías vertical y circular simultáneamente. Determinar la aceleración angular ̈
𝜃 de la línea OP en el
Instante en que x = 7,5 cm.
51.
52. El automóvil desciende de un estacionamiento por una rampa Cilíndrica espiral con rapidez constante V = 1,5
m/s. Si la rampa desciende una distancia de 12 m en cada revolución completa 𝜃 = 2π rad, determine la
magnitud de la aceleración del automóvil a medida que desciende por la rampa; r= 10 m