Física I: Cinemática de Partículas

Cuaderno de Trabajo: Física I

1) Cinemática de una Partícula

1
Lic. Percy Víctor Cañote Fajardo


1) Cinemática de una Partícula

Fenómeno → Movimiento

… Teoría de la relatividad (TR)…A Einstein

En la descripción del Fenómeno Movimiento debemos de considerar lo
siguiente,

a) El observador, referencia, O

→ Descriptor del movimiento

τ “La trayectoria es función
O
del estado del observador”, τ ≡ τ
(O)

Por ejemplo, si se deja caer una pelota, la caída es descrita por O y O’, tal
como se muestra a continuación,

1°
2°

O (reposo)
O’ (v=cte)

τ τ’

Por lo tanto, la trayectoria es una función de estado del observador.

2


b) El móvil, representado por el punto P usando el Modelo de Partícula, el
cual se usa cuando del movimiento del cuerpo solo nos interesa la
componente trasnacional.

Modelo de Partícula:

Móvil P
≡

Definición de Cinemática: La cinemática describe el fenómeno movimiento
usando las cantidades cinemáticas (cc):
r
r : vector posición
r
v : vector velocidad
r
a : vector aceleración

1,1) Cantidades Cinemáticas, cc
r
r
Vector Posición,
i)

Describe la posición del móvil en el tiempo. Es el problema fundamental de la
cinemática,

rr
r ≡r ( t ) → ( O)
τ

r r
∆r : Describe como cambia la r ,
Vector desplazamiento,

∆r ≡ rf − ri ≡ r ( t f ) − r ( ti )
rrrr r
r r
≡ r ( t ) − r ( 0)

ti → tf : ∆t = tf - ti

3


r
v ( ti )
tan
r
vm
r r
r ( ti ) ∆r
v ( tf )
r

r ( tf )
r
τ sec

r
v
Vector velocidad,
ii)

Describe los cambios de la posición respecto del t,

r
r dr
v≡
dt
r
 ∆r 
r
v ≡ lim  
∆t →0 ∆t

}
r
vmedia

r
Definición de Vector velocidad media, vm

r
∆r  1  r
r
vm ≡ ≡   ∆r
∆t  ∆t 

4


r
v
Definición de rapidez,

r
v : rapidez

¿? Describa que es el tiempo según la lectura de “Breve historia del
tiempo” de Stephen Hawking.

¿? Describa, de igual forma, que es el tiempo según la lectura de
“Brevísima historia del tiempo” también de Stephen Hawking.

¿? Cual es el último trabajo de divulgación de este brillante científico y
propalador de las ciencias.

r
a
Vector Aceleración,
iii)

Describe los cambios de la velocidad respecto del t.

 r
r r  ∆v 
r
r dv d 2 r ← a ≡ lim   r r
a≡ ≡  {  → a // ∆v
∆t →0 ∆t

dt dt 2  am 
r

r
da
¿? Será importante definir . Existirá alguna rama de la tecnología
dt
donde interese conocer esta cantidad.

1,2) Tipos de Movimientos

Movimiento Rectilíneo, MR
i)

Definición: τ → (ℜ)

5


j) Movimiento Rectilíneo Uniforme, MRU

k) Condición
r ˆ ˆ
v ≡ vx i ≡ v i ≡ cte
v = cte
kk) Ecuaciones

v = cte
l)
rr
r ≡r ( t)
II)

r t f =t
r dr rr r r
dt ∫
r ≡r ( t ) ≡ r ( ti ) +v (t −ti )
v≡ →
:
ti

r r r
v ( t ) → r ≡ ∫ v dt

r
r ( t) ≡ x( t) i
r r r ˆ
r ( t ) ≡ r ( 0 ) + vt ←ti = 0 ∧t f = t

x ( t ) ≡ x ( 0 ) + vt

6


v

0 x
x(t)

kkk) Graficas

l) v-t

v

A(t)=x(t)
AA
0 t

ll) x-t

x

A

0 t

No da información cinemática

jj) Movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV)

k) Condiciones

r
τ → ℜ ∧ a ≡ ax i ≡ a iˆ ≡ cte
ˆ
a = cte

kk) Ecuaciones

7


a = cte
l)
rr
v ≡v ( t)
II)

r tf
r dv rr r r
dt ∫
v ≡v ( t ) ≡ v ( ti ) + a (t −ti )
a≡ :→
ti

r r r
v ( t ) → v ≡ ∫ a dt

r
v ( t) ≡ v( t) i
r r r ˆ
v ( t ) ≡ v ( 0 ) + a t ←ti = 0 ∧t f = t

v ( t ) ≡ v ( 0 ) + at

rr
r ≡r ( t)
IlI)

r tf
r dr
:∫ →
v≡
dt ti

1r
rr r r
r ≡ r ( t ) ≡ r ( ti ) + v ( ti ) (t − ti ) + a (t f − ti ) 2
2

r r r
v ( t ) → r ≡ ∫ v dt

1r
rr r r
r ≡ r ( t ) ≡ r ( 0 ) + v ( 0 ) t + a t 2 ←ti = 0 ∧ t f = t
2

8


r 12
r ( t) ≡ x( t) i → x ( t ) ≡ x ( 0 ) + vt +
ˆ at
2

a(t)
v(t)

0 x
x(t)

kkk) Gráficas

l) a-t

a

A(t)=v(t)
AA
0 t

ll) v-t

v

A(t)=x(t)
A

0 t

lll) x-t

x

A: no proporciona información
t
cinemática.

9


jjj) Movimientos Generales

a ≡ a(t) → v ≡ v(t) → x ≡ x(t)

dv
∫ adt
de a ≡ →v≡
dt

→ a ≡ a(t) : “fácil”

→ a ≡ a(v) : Regla de la cadena, definición de diferencial exacta o
cambio de variable
→ a ≡ a(x) : Idem

dx
→ x = ∫ vdt
de v ≡
dt
→x = x(t)

¿? Encuentre casos reales donde la aceleración dependa de la velocidad
o posición.

S1P14) La posición de una partícula que se mueve a lo largo del eje X esta
dada por x = t3 - 12t2 + 36t + 30 con x en metros y t en segundos.
Determine:

La velocidad media entre 2 s ≤ t ≤ 6 s.
a)
La aceleración media entre 0 s ≤ t ≤ 4 s.
b)
Los intervalos de tiempo de movimiento desacelerado.
c)
Los intervalos de tiempo de movimiento acelerado.
d)

Solución:

P

0 X(t) x

x(t) = t3 -12t2 +36t + 30

a) vm :2→ 6

10


∆x x ( 6 ) − x ( 2 )
vm ≡ = =?
∆t 6−2

b) am : 0→ 4

∆v v ( 4 ) − v ( 0 )
am ≡ = =?
∆t 4−0

3t 2 − 24t + 36
dx
≡ 3 ( t 2 − 8t + 12 )
v≡
dt
3 ( t − 4 ) − 12
2

c) ∧ d)

Movimientos acelerados:

r r
r
DEF: v ↑← v ↑↑ a

v+ a+

0 x
−v −a

Movimientos desacelerados:

r r
r
DEF: v ↓ ← v ↑↓ a

v- a+

x
v+ a-

11


a→
v→

a

v + - - + t

0 2 4 6

dv
a ≡ 6t − 24 ≡ a ( t ) ≡
dt

v ≡ v(t) → P v

4
t
2 6
12

0 → 2
c) ∆t 
4 → 6

2 → 4
d) ∆t 
6 →

ii) Movimientos Planares o Bidimensionales

Las trayectorias están contenidas en un plano.

12


τ → ℜ2 ( )

j) Movimiento Parabólico, MP
r
Caso a ≡ cte .

Los movimientos parabólicos con raceleración constante son determinados
cuando la v(0) no es paralela a la a . El plano del movimiento es determinado
r r
por los vectores velocidad inicial v (0) y aceleración a . El eje de la parábola es
r
paralelo a la a ≡ cte . Estos movimientos también presentan simetría de
rapideces y tiempos a un mismo nivel.

rr
a≡g
y Z

r
v ( 0)
A A’
r
v ( 0) P
ta td
0 x 0 Y

X

r
y→ a : simplifica la descripción:

: MRU → ax ≡ 0
x
: MRUV → ay = a ≡ g (por lo general)
y

Esto es debido al “carácter” vectorial de la Física → Cinemática.

Mov Parab ≡ MRUx “+” MRUVy

MRUVx “+” MRUVy (caso general, x e y en cualquier dirección)

Simetrías

ξ
r
a ≡ cte
P

13


 Proporcionalidad de la trayectoria a ambos lados del eje

 Para todo nivel
va ≡ vd
ta ≡ td

Aplicación importante del MP: Movimiento de proyectiles

Como ha de suponerse, este movimiento no toma en cuenta alturas superiores
a 20 km, existencia de aire ni rotación de la tierra. El movimiento de proyectiles
constituye un caso interesante de la ciencia donde determinados campos de
investigación, el desarrollo de proyectiles, por ejemplo, resultan favorecidos por
motivos impropios. El desarrollo de la cohetería efectuado desde finales del
siglo XIX hasta mediados del siglo XX, jugo un papel preponderante en las 2
guerras mundiales así como en la conquista del espacio…

El movimiento de proyectiles suele describirse usando ciertos parámetros como
tiempo de vuelo, tv, alcance o rango, R y altura máxima, H. Si consideramos la
siguiente geometría,

rr
a≡g
y Z
rr
a≡g
Ti
i)
e
m
r
v ( 0)
po
r
v ( 0)
de
θ
θ
0 x 0 Y

X

vuelo, tv

14


2v(0) sen(θ )
tv ≡
g

Alcance o Rango, R
ii)

v 2 (0) sen(2θ )
R≡
g

Altura máxima, H
iii)

v 2 (0) sen 2 (θ )
H≡
2g

¿? Conceptos de simetría. Como debo entender su manifestación en la
naturaleza. Simetría en la física. Simetría en las matemáticas.
r
¿? Qué otros tipos de MP que no guarden la condición de a cte se
desarrollan en el universo.

¿? Busque 5 ejemplos reales de MP.

¿? Como se vinculan el desarrollo de las computadoras y de la cohetería
con la carrera espacial.

¿? Que opina de la discrepancia acerca de la paternidad de la cohetería:
Werner von Braun- Pedro Paulet.

¿? 2009: Año internacional de la astronomía.

¿? Asteroide 2009 DD45: eventos de colisión-extinción.

S1P16) Un cañón está colocado para que dispare sus proyectiles con una
rapidez inicial v0 directamente hacía una colina,
cuyo ángulo de elevación es α ¿cuál será el R
ángulo respecto de la horizontal al que deberá v0
θ
apuntarse el cañón, para obtener el mayor
α
alcance R posible a lo largo de la colina?

Solución:

θ / Rmáx =?

15


τ → x, y → P: y ≡ a + bx + cx2
y

P

R

θ
r
v (0)
α
0 x

x: MRU

x(t) ≡ x(0) + vx (0) t → x ≡ 0 + v(0) cosθ t …. (1)

y: MRUV

g2
r
y ≡ 0 + v(0) senθ t −
y(t) ≡ y(0) + vy (0) t – (1/2)g t2 , g = 10, → t …. (2)
2

De (1):

x
t= …(1’)
v ( 0 ) cos θ

x2
x 1
1’ → 2: y ≡ v ( 0 ) senθ −
v ( 0 ) cos θ 2 v 2 ( 0 ) cos 2 θ

16


 2
 
g
y ≡ { tgθ} x −  2 x
P:
2v ( 0 ) cos θ 
2

 

P – P: xp ≡ Rcosα
yp ≡ Rsenα

→ Rsenα ≡ {tgθ} Rcosα - g R2cos2α
2v2(0)cos2θ

 gR 2 cos 2 α 
 
1
 Rsenα ≡ (tgθ ) R cos α − 2 
2v ( 0 ) cos θ 
R cos α 2

 

gR (θ ) cos α
tgα ≡ tgθ − ...( I )
2v 2 ( 0 ) cos 2 θ

g cos α d  R(θ ) 
d
: 0 = sec 2 θ − 2  
2v ( 0 ) dθ  cos 2 θ 
dθ

}0

dR
cos 2 θ + R { 2 senθ cos θ }
d  R ( θ )  dθ
=

dθ  cos 2 θ  cos 4 θ

g cos α  2 Rsenθ 
0 = sec 2 θ −  cos3 θ 
2v 2 ( 0 )  

g cos α tgθ
0 = 1− R
v2 ( 0)

v2 ( 0)
R≡ ...( II )
g cos α tgθ

II → I

v2 ( 0)
g cos α
tgα ≡ tgθ − x
g cos α tgθ
2 v 2 (0) cos 2 θ

17


sec 2 θ 2tg 2θ − sec 2 θ
tgα ≡ tgθ − ≡
2tgθ 2tgθ

tg 2θ − 1 1
tgα = = −ctg 2θ
≡−
2tgθ  2tgθ 
 tg 2θ − 1 
 

−tgα = ctg 2θ

π πα

ctg  + α  = ctg 2θ ⇒ θ = +
2  42

jj) Movimiento Circular, MC

La trayectoria será de una circunferencia.

Y t
n

R t
s
θ
x t=0
0

La descripción del MC se realiza frecuentemente usando las variables s o θ,
esto es, usando variables lineales o angulares.

k) Cantidades Cinemáticas del MC

l) Posición

m) Lineal: s= s(t)

mm) Angular: θ =θ(t)

18


mmm) Relación: s= Rθ

ll) Velocidad

m) Velocidad Lineal, v=vt

La llamada velocidad tangencial es la velocidad definida en las cantidades
cinemáticas iniciales, se relaciona con s mediante la rapidez,

r ds
rr
v = vt → v =
dt
mm) Velocidad Angular, ω

Describe los cambios de θ respecto del tiempo. Se define de la siguiente forma,

dθ rrr
ω= → ω = r × vt u[ω]= rad/s
dt

mmm) Relación entre | v| y ω

r
vt = ω R

lll) Aceleración

m) Aceleración, a

El vector aceleración suele descomponerse en dos direcciones adecuadas,
tales como la radial y la tangencial, resultando,

r r r  vt2  d 2s 
a = ar + at =   en +  2  et
ˆ ˆ
R  dt 

19


A la componente radial de la aceleración se le denomina aceleración
centrípeta, acp.

mm) Aceleración Angular, α

Describe los cambios de la ω respecto del tiempo,

r
r dω
α= u[α]= rad/s2
dt

mmm) Relación entre at y α

at = α R

kk) Tipos de movimientos Circulares

Al igual que en el caso de los MR podrían ser MCU, MCUV o generales.

¿? De 5 ejemplos concretos de movimientos circulares.

¿? Los planetas hacen MC.

jjj) Movimientos Planares Generales: Coordenadas Polares (r,θ)

Este sistema se usa para describir movimientos planares (→ MC). En particular
es usado para los movimientos planetarios.

y

t
ˆ
eθ ˆ
er
y

r

θ
j

i x x

20


ˆ
r, er
ˆ
θ, eθ

{ }
{ r ,θ , er , eθ } ↔ x, y, i , ˆ ¿?
ˆj
ˆˆ

x = r cos θ  r ≡ r ( t )

y = r s enθ θ ≡ θ ( t )

()
er = er i , ˆ  e ≡ cos θ i + senθ ˆ
ˆ ˆ ˆj ˆ ˆ j
r

()
eθ = eθ i , ˆ  eθ ≡ − s enθ i + cosθ ˆ
ˆ
ˆ
ˆ ˆj j
ˆ


k) Cantidades cinemáticas en (r,θ)

r
l) r

r = r( t)
r
r ( r , θ) = r er
ˆ
er = er ( t )
ˆˆ

r
ll) v

r
ˆ
r dr d (rer )
ˆ&
v≡ ≡ ≡ rer + r (er )
&ˆ
dt dt

d d
{ }
cos θ i + senθ ˆ
ˆ
ˆ&
er ≡ (er ) ≡
ˆ j
dt dt

{ }
≡ θ − senθ i + cos θ ˆ
ˆ
& j

&ˆ
er = θ eθ
ˆ

21


r
v ( r , θ) ≡r er +rθ eθ
&ˆ
&ˆ

r
iii) a

r
r dv d
{ }
&ˆ
rer + rθ eθ
a≡ ≡ &ˆ
dt dt

≡ &&ˆr + r (er & + (rθ & eθ + rθ (eθ &
re & ˆ ) {&) ˆ & ˆ)
{ {

re & & ˆ & & ˆ &&ˆ &ˆ
≡ &&ˆr + rθ eθ + rθ eθ + rθ eθ − rθ 2 er

{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ && −rθ2 er + rθ +2rθ eθ
&ˆ && && ˆ
r

¿? Aplicación de las coordenadas polares al movimiento planetario.

¿? En particular el movimiento de la Tierra es problema CAOS. Leer “El
reloj de Newton”.

kk) Movimiento Circular en (r,θ)

r ≡ R ≡ cte!

r r
r ≡ rer → r ≡ R ≡ cte
i)

r
v ( r , θ ) ≡ rθ eθ → vt ≡ ω R,θ& = w
&ˆ
ii)

r
iii) a ( r , θ ) ≡ −rθ er + rθ eθ
&2 ˆ &&ˆ

{} { }
≡ Rθ eθ + Rθ 2 { −er }
&& ˆ & ˆ
{{{
{

ˆ ˆ
≡ atT + an N
{{
rrr
at an ≡ acp

22


S1P17) Una partícula se mueve en un plano sobre una trayectoria dada por
r = 10 µ r y θ = 2π t , en donde r está en metros, θ en radianes y t
ˆ
en segundos, a) Describa el movimiento, b) Halle el vector velocidad
V = dr / dt por derivación directa de r , c) Como la distancia sobre la
trayectoria es s = rθ, halle la celeridad hallando ds/dt. ¿Tiene el mismo
valor que el módulo de V hallado en la parte (b)?, d) Halle el vector
aceleración a en función de los vectores unitarios µ r y µθ .
ˆ ˆ

Solución:

r
r ≡ 10 µr , µ r = er
ˆˆ ˆ
θ = 2πt

a) r ≡ 10 → R ≡ 10 → MC
r
r dr rd
→ v = { 10er } = 10(er ) = 10θ eθ
ˆ& &ˆ
v= ˆ
b)
dt dt
rr
v ≡ vt ≡ 20π eθ
ˆ

c) MC: s, variable lineal!

s → vt → at

θ, variable angular

θ, → ω → α

MC ≡ MC (variables lineales, v angulares)

s≡θR
vt ≡ ωR
at ≡ αR

ds &
≡ s ≡ Rθ ≡ 10 x 2π ≡ 20π
&
dt
rr
a ≡ a ( r ,θ )
d)
…

23


{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ r −rθ2 er + rθ +2rθ eθ , µ r = er y µθ = eθ
ˆ ˆ ˆ ˆ
&ˆ && && ˆ
&&

S1P11) Un punto M tiene durante su movimiento dos ˆ
er
ˆ
eθ
y M
velocidades constantes en modulo. La primera
permanece siempre perpendicular al eje X y la
V2
segunda perpendicular al radio vector. Halle la
r V1
ecuación de la trayectoria si parte del punto (r0,
θ0) y calcule la aceleración de M. θ
0 x

Solución:

y
ˆ ˆ
eθ er

M
θ
V1r v1θ
V2
V1

θ
x

a) Ec τ / t ≡ 0 : (r0, θ0)?

b) aM ≡ ?
--------------------------------

a) Descomponiendo las velocidades en el sistema polar, tenemos

24


r r
vM ≡ v ( r , θ ) ≡ −v1senθ er − { v1 cos θ + v2 } eθ
ˆ ˆ

Ahora, comparando componentes,
r
v ( r , θ ) ≡ rer + rθ eθ
&ˆ
&ˆ

r : r ≡ −v1senθ
& … (I)

&
θ : rθ ≡ −v1 cos θ − v2 …(II)

dr dr dθ dr &
()
θ
En I aplicando regla de la cadena: r ≡ ≡ ≡
&
dt dθ dt dθ

&
Despejando θ de II y reemplazando,

 −v1 cos θ − v2 
dr
 ≡ −v1senθ
r≡
& 
dθ  
r

Separando variables para poder integrar,

v senθ
1 dr d
{ ln r} ≡ 1
≡
r dθ dθ v1 cos θ + v2

 
v1senθ
d 
∫ : ∫  dθ { ln r} dθ ≡ ∫  v cos θ + v dθ
   2
1

ln(r ) = − ln { v1 cos θ + v2 } + c

Aplicando ci para determinar c:

ln(r0 ) + ln { v1 cos θ 0 + v2 } = c
c = ln  r0 { v1 cos θ 0 + v2 } 
 
 v cos θ 0 + v2 
 → ( r ,θ ) → τ
r ≡ r0  1
 v1 cos θ + v2 

b) Para la a de M,

{ } { }
r
a ( r , θ) ≡ r −rθ2 er + rθ +2rθ eθ
&ˆ && && ˆ
&&

25


c
%
r ≡ ? → r (θ ) ≡ , c ≡ ec
& %
v1 cos θ + v2
& &
r ≡ f (θ )θ → θ ≡ ?
&

De II,

 v cos θ 0 + v2  &
θ ≡ − { v1 cos θ + v2 }
&
rθ ≡ r0  1
v1 cos θ + v2 

& ≡ g (θ ) → r ≡ f (θ ) g (θ ) ≡ r (θ )
θ & &
&& &&
r ≡ &&(θ ), θ ≡ θ (θ )
&& r

rr
a ≡ a (θ )
iii) Movimientos Espaciales: Caso General

Los casos generales de movimiento podrían considerarse en el espacio.
Por muy complicado que parezca siempre es posible, usando el Principio de
Superposición, expresarlo en función de movimientos mas sencillos, de ello ya
hemos revisado algunos casos, por ejemplo,

MP → {MRU}x + {MRUV}y

M Helicoidal → {MRU}z + {MC}xy

M Cicloidal → {MRU}xy + {MC}xy

¿? Podría indicar 3 casos similares. Cree que es un tema de simetría.

La descripción del movimiento debe efectuarse usando un sistema de
coordenadas que comparta la simetría del movimiento.

→ x, y, z Rectangulares
→ r, θ Polares
→ ρ, φ, z Cilíndricas
→ r, θ, φ Esféricas
→ s Coordenada de sobre la curva, vectores tangencial, normal y binormal.

De no ser así, el desarrollo también ya se ha descrito,

rr r r r r
a ≡ a ( t ) → v ≡ ∫ adt → r = ∫ vdt

26


r rr
a ≡ a( v)
r r r técnicas de ∫
a ≡ a( r)

 Regla de la cadena
 Diferencial exacta
 Cambio de variable

Sistema de coordenadas sobre la curva

Es el sistema general. Este sistema que “viaja” con el móvil, está definido por la
ˆ
ˆ
llamada coordenada sobre la curva s, y los vectores, T , tangente unitario, N ,
ˆ
normal principal, y B , binormal, los cuales son mutuamente perpendiculares.
rr
i) r ≡ r ( t )

r
r ˆ ˆˆ
ii) v ≡ vT , T : u en la dirección de v
r
iii) a ≡ ?

r
{}
r dv d &
ˆ &ˆ ˆ
a≡ ≡ vT ≡ vT + vT
dt dt
&r
ˆ
T ≡?
ˆ ˆ
& dT dT ds
ˆ
T≡ ≡
dt ds {
dt
v

ˆ
T: tangente unitario

ˆ
T =1
2
ˆ
T =1

ˆˆ
T .T = 1← derivando respecto a s

27


ˆ
ˆ ⋅ dT = 0
T
ds

P
ˆ ˆ
T T
O R=ρ

1
k≡ : curvatura
ρ
 
  dT 
ˆ

r
&ˆ
a ≡ vT + v v  
  ds 
{
 kN 
 
ˆ

v2 ˆ
r
&ˆ
a ≡ vT + N ; ρ ≡ R: radio de curvatura
R

¿? Que información da la binormal.

¿? Podría construir ecuaciones para el radio de curvatura.

28


S1P21) Un muchacho en A arroja una pelota B
directamente a una ardilla parada
sobre una rama en B. Si la rapidez h
inicial de la pelota es de 16 m/s y la
ardilla, en vez de asustarse, se deja A 5.5 m
caer del reposo en el instante en que
se lanzo la pelota, demuestre que la 1.5 m
ardilla puede atrapar la pelota y
determine la longitud h que la ardilla 10 m
cae antes de hacer la captura.

Solución:

B

h g
H2 - H1
v(0) C
θ
y A
H2
x
H1

A’ D

t ≡ 0: Pelota en A y Ardilla en B
r
v ( 0) “directamente” hacia B:

D
H 2 − H1 cosθ ≡
{ }
tgθ ≡ → 1/ 2
D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
D

29


Sea t: Pelota en C y ardilla en C

Usando xy en A’:

x p ( t ) ≡ 0 + v px ( 0 ) t ≡ { v ( 0 ) cosθ } t ≡ D
Para la pelota,

D
→t ≡
v ( 0 ) cos θ
2
g 
{ }  
g D D
y p ( t ) ≡ H1 + v py ( 0 ) t − t 2 ≡ H1 + v ( 0 ) senθ × − 
v ( 0 ) cosθ 2  v ( 0 ) cosθ 
2  

gD 2 gD 2
≡ H 1 + ( H 2 − H1 ) −
≡ H1 + Dtgθ −
2v 2 ( 0 ) cos 2 θ 2
D
 
2v 2 ( 0 ) ×  1/ 2 
{ } 
 

{ }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2

yp ( t ) ≡ H2 −
2v 2 ( 0 )

1
y A ( t ) ≡ H 2 + { 0} t − gt 2
Para la Ardilla,
2
2
 
 
 
2
1 
 
   
1 D D
≡ H2 − g ×  ≡ H2 − g 
 
 v ( 0 ) cosθ   
2 2
 
 v ( 0) ×  
D

{ }
2 1/ 2 
 
 D + [ H1 − H 2 ]
2

  


{ }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2

yA ( t ) ≡ H 2 −
2v 2 ( 0 )

y p ( t ) ≡ y A ( t ) → la ardilla puede coger la pelota!
a) Como en t

30


{ } ≡ 10 × { 10 + 42 }
g D 2 + [ H 2 − H1 ]
2
2

h ≡ H 2 − yA ( t ) ≡ ≡ 2,3
b)
2v ( 0 ) 2 × 16
2 2

h ≡ 2,3

¿? Ocurre lo mismo si XY en A
S1P) La aceleración de un móvil, en función de su posición, está dada por:
a(x) = 3x – 2x3; para t = 0 se cumple que x = 0 y v = 0. Halle: (a) su
velocidad cuando x = 0,5, (b) su posición cuando su velocidad es
máxima, (c) la aceleración para esta velocidad máxima.

Solución:

a ( x ) ≡ 3x − 2 x3 , t ≡ 0: x ≡ 0∧v ≡ 0

v ≡ v ( x ≡ 0,5 ) ∧
x / vmax a / vmax ?
a) b) c)

d 1 
dv dv dx dv
a ( x) ≡ ≡ ≡ v ≡ 3 x − 2 x3 ≡  v 2 
dx  2 
dt dx dt dx

1 3 1
→ ∫ : v 2 ≡ x 2 − x 4 + c  v 2 ≡ 3 x 2 − x 4 → v ≡ ± 3 − x 2 x
→
c.i .

2 2 2

2
 1 1 1 11
a) v x ≡
 ≡ ± 3−  ≡±

 2 2 2 4

b)
3x − 2 x3 3 − 2x2
d dv dv 3
: 2v ≡ 6 x − 4 x → ≡ ≡ ≡ 0 → x ≡* ±
3

dx dx dx ± 3 − x 2 x ± 3 − x 2 2

x≡+ 3
Aparentemente, el movimiento se realiza desde x=0 hasta
x≡0 y permaneciendo allí ∀ t posterior. Este problema es
regresando a

31


inconsistente desde su planeamiento: t ≡ 0, a ≡ 0, v ≡ 0 ∧ x ≡0?! Si se le da
cierta v (0) ≠ 0 ,

→ xMAX ≡ + ∨−
3 3
2 2

La partícula “mágicamente” se empieza a mover hacia la derecha (+) s ∨
*
hacia la izquierda (-)s.

** ¿? Analizar mediante gráficos.

 3 3 3 3
a x ≡ ≡ 3× −2× × ≡0→a≡0

c)
2 2 22


32


y
2.- La figura adjunta representa a un -gsenα
α
campesino irrigando un sistema de andenes, r
v0 g x
indicados por rayas horizontales, separados 3
m; la pendiente del cerro esta dado por α = 30º : P
A
a) El campesino desea averiguar cuantos
andenes podrá irrigar con v0 = 15 m/s y β R
variando de 30º a 45º.Considere que el
primer andén dista 3 m de “0”. β
α
b) Encuentre el valor de β que nos permita
irrigar el máximo número de andenes. ¿Cuál 0 x

es ese número máximo?. Tome g = -10  m/s2.
j

SOLUCION:

g
P : y ≡ { tgθ } x − x2 ← θ ≡ β
2v( 0 ) cos θ
2 2

y : y ≡ { tgα } x → x →≡ k cos α , y ≡ ksenα

( )
g R
P : P ≡ L : R senα ≡ { tg β } ( R cos α ) − R cos 2 α R
2v(20 ) cos 2 β
senβ cos α cos β g cos 2 α
senα ≡ −2 R
2v ( 0 ) cos 2 β
cos 2 β

g cos 2 α senβ cos α − cos β senα
≡ sen { β − α }
R≡
2v 2 ( 0 ) cos 2 β cos β

 2v 2 ( 0 ) 
 
 cos β sen { β − α }
R≡ ..…(ρ)
g cos α 
2

 

 − senβ sen { β − α } + cos β cos { β − α } 
 
dR
→ ≡C 
cos { 2 β − α }
dβ  
 

33


π π
dR
≡ cos { 2β − α } ≡ 0 → 2β − α ≡ ≡ 60º ≡
dβ 4 3
b) de lo anterior β ≡ 60º

2 × 152 1 1 15 × 15
R≡ ××≡ → R ≡ 15
322 15
En (ρ) :
510 ×
4
∴ Podrá irrigar 5 ANDERES

a) En (ρ) usando β ≡ 45º

2 × 152 1
R≡ × × 0,26 ≡ 11,1 → R ≡ 11,1
3 2
10 ×
4
∴ Solo podrá irrigar 3 ANDERES

* Hacer la variante de calcular R con x’

34

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