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Cinemática de una partícula




Enviado por Pablo Turmero



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    I. INTRODUCCIÓN MECANICA MECÁNICA DE FLUIDOS
    MECÁNICA DE CUERPO DEFORMABLE MECANICA DE CUERPO RIGIDOS
    DINAMICA ESTATICA CINETICA CINEMATICA

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    II. NOCION DE CINEMATICA La cinemática (del griego???e?,
    kineo, movimiento) es la rama de la mecánica
    clásica que estudia las leyes del movimiento de los
    cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen,
    limitándose esencialmente, al estudio de la trayectoria en
    función del tiempo. También se dice que la
    cinemática estudia la geometría del movimiento. En
    la cinemática se utiliza un sistema de coordenadas para
    describir las trayectorias, denominado sistema de
    referencia.

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    II. ELEMENTOS BASICOS DE LA CINEMATICA 1. ESPACIO ABSOLUTO. Es
    decir, un espacio anterior a todos los objetos materiales e
    independiente de la existencia de estos. Este espacio es el
    escenario donde ocurren todos los fenómenos
    físicos, y se supone que todas las leyes de la
    física se cumplen rigurosamente en todas las regiones de
    ese espacio. El espacio físico se representa en la
    Mecánica Clásica mediante un espacio puntual
    euclídeo.

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    II. ELEMENTOS BASICOS DE LA CINEMATICA 2. TIEMPO ABSOLUTO La
    Mecánica Clásica admite la existencia de un tiempo
    absoluto que transcurre del mismo modo en todas las regiones del
    Universo y que es independiente de la existencia de los objetos
    materiales y de la ocurrencia de los fenómenos
    físicos.

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    II. ELEMENTOS BASICOS DE LA CINEMATICA 2. MOVIL El móvil
    más simple que podemos considerar es el punto material o
    partícula. La partícula es una idealización
    de los cuerpos que existen en la Naturaleza, en el mismo sentido
    en que lo es el concepto de punto geométrico. Entendemos
    por punto material o partícula a un cuerpo de dimensiones
    tan pequeñas que pueda considerarse como puntiforme; de
    ese modo su posición en el espacio quedará
    determinada al fijar las coordenadas de un punto
    geométrico. Naturalmente la posibilidad de despreciar las
    dimensiones de un cuerpo estará en relación con las
    condiciones específicas del problema considerado.

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    III. RELATIVIDAD DEL MOVIMIENTO Estudiar el movimiento de un
    cuerpo quiere decir determinar su posición en el espacio
    en función del tiempo, para ello se necesita un sistema de
    referencia. En el espacio euclidiano un sistema de queda definido
    por los elementos siguientes. a. un origen O, que es un punto del
    espacio físico. b. una base vectorial del espacio
    vectorial asociado a dicho espacio físico.

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    III. RELATIVIDAD DEL MOVIMIENTO Decimos que una partícula
    se encuentra en movimiento con respecto a un referencial si su
    posición con respecto a él cambia en el transcurso
    del tiempo. En caso contrario, si la posición del cuerpo
    no cambia con respecto al referencial, el cuerpo está en
    reposo en dicho referencial. De las definiciones que acabamos de
    dar para el movimiento y el reposo de un cuerpo, vemos que ambos
    conceptos son relativos.

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    III. RELATIVIDAD DEL MOVIMIENTO En la Figura hemos representado
    dos observadores, S y S', y una partícula P. Estos
    observadores utilizan los referenciales xyz y x'y'z',
    respectivamente. Si S y S' se encuentran en reposo entre
    sí, describirán del mismo modo el movimiento de la
    partícula P. Pero si S y S' se encuentran en movimiento
    relativo, sus observaciones acerca del movimiento de la
    partícula P serán diferentes.

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    III. RELATIVIDAD DEL MOVIMIENTO Para el observador en ubicado en
    la tierra la LUNA describirá una órbita casi
    circular en torno a la TIERRA. Para el observador ubicado en el
    sol la trayectoria de la luna es una línea ondulante.
    Naturalmente, si los observadores conocen sus movimientos
    relativos, podrán reconciliar sus observaciones

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO Decimos que una partícula
    tiene un movimiento rectilíneo cuando su trayectoria
    medida con respecto a un observador es una línea recta 1.
    POSICIÓN. La posición de la partícula en
    cualquier instante queda definida por la coordenada x medida a
    partir del origen O. Si x es positiva la partícula se
    localiza hacia la derecha de O y si x es negativa se localiza a
    la izquierda de O.

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 2. DESPLAZAMIENTO. El
    desplazamiento se define como el cambio de posición. Se
    representa por el símbolo ?x. Si la posición final
    de la partícula P’ está la derecha de su
    posición inicial P, el desplazamiento ?x es positivo
    cuando el desplazamiento es hacia la izquierda ?S es
    negativo

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 3. VELOCIDAD MEDIA Si la
    partícula se mueve de P a P’ experimentando un
    desplazamiento ?x positivo durante un intervalo de tiempo ?t,
    entonces, la velocidad media será

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 3. VELOCIDAD MEDIA La velocidad
    media también puede interpretarse geométricamente
    para ello se traza una línea recta que une los puntos P y
    Q como se muestra en la figura. Esta línea forma un
    triángulo de altura ?x y base ?t. La pendiente de la recta
    es ?x/?t. Entonces la velocidad media es la pendiente de la recta
    que une los puntos inicial y final de la gráfica
    posición-tiempo

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 4. VELOCIDAD INSTANTÁNEA
    Es la velocidad de la partícula en cualquier instante de
    tiempo se obtiene llevando al límite la velocidad media es
    decir, se hace cada vez más pequeño el intervalo de
    tiempo y por tanto valores más pequeños de ?x. Por
    tanto:

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 4. VELOCIDAD INSTANTÁNEA
    Si una partícula se mueve de P a Q. A medida que Q se
    aproxima más y más a P los intervalos de tiempo se
    hacen cada vez menores. A medida que Q se aproxima a P el
    intervalo de tiempo tiende a cero tendiendo de esta manera las
    pendientes a la tangente. Por tanto, la velocidad
    instantánea en P es igual a la pendiente de la recta
    tangente en el punto P. La velocidad instantánea puede ser
    positiva (punto P), negativa (punto R) o nula (punto Q)
    según se trace la pendiente correspondiente

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 5. RAPIDEZ MEDIA. La rapidez
    media se define como la distancia total de la trayectoria
    recorrida por una partícula ST, dividida entre el tiempo
    transcurrido ?t, es decir,

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 6. ACELERACIÓN MEDIA . Si
    la velocidad de la partícula al pasar por P es v y cuando
    pasa por P’ es v’ durante un intervalo de tiempo ?t,
    entonces: La aceleración media se define como

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    IV. MOVIMIENTO RECTILÍNEO 6. ACELERACIÓN
    INSTANTANEA . La aceleración instantánea se obtiene
    llevando al límite la aceleración media cuando ?t
    tiende a cero es decir

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    Ejemplo 01 La posición de una partícula que se
    mueve en línea recta está definida por la
    relación Determine: (a) la posición, velocidad y
    aceleración en t = 0; (b) la posición, velocidad y
    aceleración en t = 2 s; (c) la posición, velocidad
    y aceleración en t = 4 s ; (d) el desplazamiento entre t =
    0 y t = 6 s;

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    Solución La ecuaciones de movimiento son Las cantidades
    solicitadas son En t = 0, x = 0, v = 0, a = 12 m/s2 En t = 2 s, x
    = 16 m, v = vmax = 12 m/s, a = 0 En t = 4 s, x = xmax = 32 m, v =
    0, a = -12 m/s2 En t = 6 s, x = 0, v = -36 m/s, a = 24 m/s2

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    V. DETERMINACIÓN DEL MOVIMEINTO DE UNA PARTÍCULA 1.
    LA ACELERACIÓN COMO FUNCIÓN DEL TIEMPO a = f(t). Se
    sabe que a = dv/dt, entonces podemos escribir

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    DETERMINACIÓN DEL MOVIMEINTO DE UNA PARTÍCULA 2. LA
    ACELERACIÓN COMO FUNCIÓN DE LA POSICIÓN a =
    f(x). Se sabe que a = vdv/ds, entonces podemos escribir

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    V. DETERMINACIÓN DEL MOVIMEINTO DE UNA PARTÍCULA 2.
    LA ACELERACIÓN COMO FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD a =
    f(v). Se sabe que a = dv/dt o también a = vdv/ds, entonces
    podemos escribir

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    V. DETERMINACIÓN DEL MOVIMEINTO DE UNA PARTÍCULA 4.
    LA ACELERACIÓN ES CONSTANTE a = constante A este caso se
    le denomina movimiento rectilíneo uniforme y las
    ecuaciones obtenidas son

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    Ejemplo 01 El auto mostrado en la figura se mueve en línea
    recta de tal manera que su velocidad para un período corto
    de tiempo es definida por pies/s, donde t es el tiempo el cual
    está en segundos . Determine su posición y
    aceleración cuando t = 3,00 s. Considere que cuando t = 0.
    S = 0

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    Solución POSICIÓN Para el sistema de referencia
    considerado y sabiendo que la velocidad es función del
    tiempo v = f(t). La posición es Cuando t = 3 s, resulta
    ACELERACIÓN. Sabiendo que v = f(t), la aceleración
    se determina a partir de a = dv/dt Cuando t = 3 s

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    Ejemplo 02 Un proyectil pequeño es disparado verticalmente
    hacia abajo dentro de un medio fluido con una velocidad inicial
    de 60 m/s. Si resistencia del fluido produce una
    desaceleración del proyectil que es igual a donde v se
    mide en m/s. Determine la velocidad v y la posición S
    cuatro segundos después de que se disparó el
    proyectil.

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    Solución Velocidad: Usando el sistema de referencia
    mostrado y sabiendo que a = f(v) podemos utilizar la
    ecuación a = dv/dt para determinar la velocidad como
    función del tiempo esto es POSICIÓN: Sabiendo que v
    = f(t), la posición se determina a partir de la
    ecuación v = dS/dt

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    Ejemplo 03 Una partícula metálica está
    sujeta a la influencia de un campo magnético tal que se
    mueve verticalmente a través de un fluido, desde la placa
    A hasta la placa B, Si la partícula se suelta desde el
    reposo en C cuando S = 100 mm, y la aceleración se mide
    como donde S está en metros. Determine; (a) la velocidad
    de la partícula cuando llega a B (S = 200 mm) y (b) el
    tiempo requerido para moverse de C a B

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    Solución Debido a que a = f(S), puede obtenerse la
    velocidad como función de la posición usando vdv =
    a dS. Consideramos además que v = 0 cuando S = 100 mm La
    velocidad cuando S = 0,2 m es El tiempo que demora en viajar la
    partícula de C a B se determina en la forma Cuando S = 0,2
    m el tiempo es

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    Ejemplo 04 Desde una ventana situada a 20 m sobre el suelo se
    lanza una bola verticalmente hacia arriba con una velocidad de 10
    m/s. Sabiendo que la bola todo el tiempo se encuentra sometida a
    un campo gravitacional que le proporciona una aceleración
    g = 9,81 m/s2 hacia abajo. Determine: (a) la velocidad y la
    altura en función del tiempo, (b) el instante en que la
    bola choca con el piso y la velocidad correspondiente

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    Solución

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    Solución (Gp:) Remplazando el valor del tiempo obtenido se
    tiene. Cuando la bola alcanza su altura máxima su
    velocidad es cero, entonces se tiene

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    Solución (Gp:) Cuando la bola choca contra el suelo y = 0
    Entoces tenemos.

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    VI. MOVIMIENTO DE VARIAS PARTICULAS: Movimiento relativo Sea A y
    B dos partículas que se mueven en línea recta como
    se ve en la figura. Sus posiciones respecto a O serán xA y
    xB. La posición relativa de B con respecto a A
    será. La velocidad relativa d A con respecto a B
    será. La aceleración relativa se expresa en la
    forma

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    Ejemplo 05 Desde una altura de 12 m, en el interior de un hueco
    de un ascensor, se lanza una bola verticalmente hacia arriba con
    una velocidad de 18 m/s. En ese mismo instante un ascensor de
    plataforma abierta está a 5 m de altura ascendiendo a una
    velocidad constante de 2 m/s. Determine: (a) cuando y donde
    chocan la bola con el ascensor, (b) La velocidad de la bola
    relativa al ascensor en el momento del choque

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    (Gp:) SOLUCION: Remplazando la posición, velocidad inicial
    y el valor de la aceleración de la bola en las ecuaciones
    generales se tiene. (Gp:) La posición y la velocidad del
    ascensor será.

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    (Gp:) Escribiendo la ecuación para las posiciones
    relativas de la bola con respect al elevador y asumiendo que
    cuando chocan la posición relativa es nula, se tiene.
    (Gp:) Remplazando el tiempo para el impacto en la ecuación
    de la posición del elevador y en la velocidad relativa de
    la bola con respecto al ascensor se tiene

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    VI. MOVIMIENTO DE VARIAS PARTICULAS: Movimiento dependiente La
    posición de una partícula puede depender de la
    posición de otra u otras partículas. En la figura
    la posición de B depende de la posición de A.
    Debido a que la longitud del cable ACDEFG que une ambos bloques
    es constante se tiene Debido a que sólo una de las
    coordenadas de posición xA o xB puede elegirse
    arbitrariamente el sistema posee un grado de libertad

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