Se dice que un cuerpo se mueve cuando cambia su posición respecto de la de otros supuestos fijos, o que se toman como referencia. El movimiento es, por tanto, cambio de posición con el tiempo.
El carácter relativo del movimiento
De acuerdo con la anterior definición, para estudiar un movimiento es preciso fijar previamente la posición del observador que contempla dicho movimiento. En física hablar de un observador equivale a situarlo fijo con respecto al objeto o conjunto de objetos que definen el sistema de referencia. Es posible que un mismo cuerpo esté en reposo para un observador -o visto desde un sistema de referencia determinado- y en movimiento para otro.
Así, un pasajero sentado en el interior de un avión que despega estará en reposo respecto del propio avión y en movimiento respecto de la pista de aterrizaje. Una bola que rueda por el suelo de un vagón de un tren en marcha, describirá movimientos de características diferentes según sea observado desde el andén o desde uno de los asientos de su interior.
El estado de reposo o de movimiento de un cuerpo no es, por tanto, absoluto o independiente de la situación del observador, sino relativo, es decir, depende del sistema de referencia desde el que se observe.
El concepto de cinemática
Es posible estudiar el movimiento de dos maneras:
a) describiéndolo, a partir de ciertas magnitudes físicas, a saber: posición, velocidad y aceleración (cinemática);
b) analizando las causas que originan dicho movimiento (dinámica).
En el primer caso se estudia cómo se mueve un cuerpo, mientras que en el segundo se considera el porqué se mueve.
La cinemática es la parte de la física que estudia cómo se mueven los cuerpos sin pretender explicar las causas que originan dichos movimientos.
El concepto de trayectoria
Para simplificar el estudio del movimiento, representaremos a los cuerpos móviles por puntos geométricos, olvidándonos, por el momento, de su forma y tamaño.
Se llama trayectoria a la línea que describe el punto que representa al cuerpo en movimiento, conforme va ocupando posiciones sucesivas a lo largo del tiempo. La estela que deja en el cielo un avión a reacción o los raíles de una línea de ferrocarril son representaciones aproximadas de esa línea imaginaria que se denomina trayectoria
Según sea la forma de su trayectoria los movimientos se clasifican en rectilíneos y curvilíneos. Un coche que recorra una calle recta describe un movimiento rectilíneo, mientras que cuando tome una curva o dé una vuelta a una plaza circular, describirá un movimiento curvilíneo.
LA POSICIÓN Y LOS CAMBIOS DE ...
La definición de la posición de un cuerpo móvil se efectúa con la ayuda de las matemáticas. Aun cuando pudiera parecer que la distancia a un punto fijo constituye una buena medida de la posición de un cuerpo, esto no es siempre cierto. Basta imaginar, por ejemplo, el movimiento de una noria. Todos sus carricoches equidistan del punto central; no hay por tanto variación de la distancia al centro y, sin embargo, hay cambio de posición, es decir, existe movimiento.
En los movimientos rectilíneos
La definición de la posición y de sus cambios en los movimientos rectilíneos puede hacerse asignando a cada punto un número real, que representa la distancia a otro punto fijo 0 tomado como origen. Si el punto 0 se sitúa en un extremo de la trayectoria, todos los números o coordenadas x de posición serán positivos. Tal es el caso del kilómetro cero situado en la Puerta del Sol de Madrid, de donde parten todas las carreteras de España. Los postes kilométricos reflejan, por ello, únicamente números positivos.
Es posible, no obstante, fijar el origen 0 de coordenadas en un punto central de la recta trayectoria; en tales casos las posiciones a la izquierda de 0 se representarán mediante números negativos y las situadas a la derecha mediante números positivos. En los movimientos vibratorios o de vaivén el origen 0 se suele situar en el punto central, lo que da lugar a la aparición tanto de coordenadas positivas como negativas.
Los cambios de posición o desplazamientos pueden calcularse como diferencias entre las coordenadas correspondientes. Utilizando el símbolo D de incremento o diferencia, el desplazamiento que experimenta el móvil en un intervalo de tiempo Dt = t - to determinado vendrá dado por la expresión Dx = x - xo, donde x representa la coordenada correspondiente al instante final t y xo es la coordenada del punto móvil en el instante inicial to. Cuando todas las coordenadas son positivas el desplazamiento Dx representa simplemente la distancia entre los puntos inicial y final.
En los movimientos curvilíneos
Los movimientos curvilíneos se dan en el plano o en el espacio, son, por tanto, movimientos bi o incluso tridimensionales. Ello hace que para expresar la posición sea necesario especificar algo más que un sólo número. Así, para definir la posición de un avión en pleno vuelo se requieren tres números o coordenadas que indiquen la latitud, la longitud geográfica y la altitud respectivamente. Los dos primeros establecen la posición del punto sobre el globo terrestre y el segundo informa sobre la altura a que se encuentra sobre la vertical trazada sobre el punto determinado por las dos primeras coordenadas. En el caso más sencillo de que la trayectoria sea una curva contenida en un plano, serán suficientes dos coordenadas para definir la posición.
Del mismo modo que en los movimientos rectilíneos o unidimensionales el origen 0 representa el punto fijo, que se toma como referencia, en los movimientos planos o bidimensionales el sistema de referencia queda representado por un conjunto de dos ejes perpendiculares X e Y y la posición del punto móvil P respecto de dicho sistema vendrá dada por sus correspondientes coordenadas x e y, es decir, P(x,y). En estos movimientos más complejos el desplazamiento se puede medir por el segmento que une los puntos inicial P1 y final P2 y su cálculo se efectúa a partir de los valores de sus coordenadas.
No obstante lo anterior, si se conoce de antemano la trayectoria de un movimiento, aun cuando éste sea curvilíneo, podrá expresarse la posición del punto móvil mediante un número, como si fuera realmente rectilíneo, siempre que la trayectoria esté coordenada. Así, cuando se indica por radioteléfono que un coche está averiado en el punto kilométrico 86,300 de la carretera nacional Madrid-Burgos, a pesar del carácter curvilíneo de ésta, la posición queda definida sin ambigüedad. En general, pues, el espacio s -o distancia recorrida por el móvil sobre una trayectoria conocida cualquiera y medido a partir del origen-, determinará la posición del móvil y permitirá, por tanto, el estudio y descripción de los movimientos, incluso de los curvilíneos, como si fueran rectilíneos.
FORMAS DE DEFINIR LA POSICIÓN Y SUS CAMBIOS
Se puede definir la posición de un cuerpo móvil de tres maneras:
Escalarmente. Sí la trayectoria es conocida y está coordenada de modo que el origen 0 se toma en un punto extremo de la misma el espacio recorrido por el punto móvil P indicará cuál es su posición. Conforme transcurre el tiempo, s crece y por tanto su variación Ds para cualquier intervalo de tiempo será siempre positiva. Esta definición de la posición y de sus cambios es puramente escalar, puesto que no informa sobre el sentido del movimiento.
Pseudo escalarmente. Es posible coordenar la trayectoria conocida, fijado el origen 0 en un punto intermedio. En tal caso la coordenada s puede ser negativa, cuando el punto P está a la izquierda de 0, y positiva cuando está a su derecha.
Si el punto móvil P se dirige de izquierda a derecha el valor de la coordenada s aumenta en cualquier caso y por tanto Ds es positivo. Si el punto P se dirige de derecha a izquierda el sentido del movimiento corresponde al de los valores decrecientes de s, tanto si el móvil está en la parte negativa de la trayectoria como si está en la parte positiva. Ello significa que s es entonces negativo. Por consiguiente el signo de Ds indica, en estos casos, el sentido del movimiento que será de la parte negativa hacia la parte positiva de la trayectoria si Ds es positivo y opuesto cuando Ds sea negativo.
Vectorialmente. Las coordenadas x e y de un punto P que se mueve en un plano permiten fijar la posición sin necesidad de conocer la trayectoria. Esta forma de definir la posición y sus cambios en un movimiento es la más general y puede expresarse también mediante un segmento orientado o vector, que tenga como origen el origen 0 del sistema de ejes XY y como extremo el punto móvil P. Dicho vector se denomina vector de posición y se representa en la forma r. La línea descrita por el extremo o flecha del vector de posición durante el movimiento es precisamente la trayectoria.
Los cambios o variaciones de la posición se representan en la forma Dr y describen el desplazamiento del móvil en el intervalo de tiempo Dt que transcurre entre las posiciones extremas r1 y r2 correspondientes. Este vector Dr que se denomina vector desplazamiento constituye, por tanto, el vector diferencia de los vectores de posición inicial y final, es decir, Dr = r2 - r1.
LA VELOCIDAD
La descripción de un movimiento supone el conocer algo más que su trayectoria. Una característica que añade una información importante sobre el movimiento es la rapidez. En general, cuando algo cambia con el tiempo se emplea el término de rapidez para describir su ritmo de variación temporal. En cinemática la rapidez con la que se produce un movimiento se denomina velocidad y se define como el espacio que recorre el móvil sobre la trayectoria en la unidad de tiempo.
Velocidad constante
Decir que un cuerpo se mueve con velocidad constante es lo mismo que decir que la rapidez de su movimiento no varía, es decir, que va recorriendo la trayectoria y ganando espacio siempre al mismo ritmo. Los movimientos de los trenes o los de los coches en una autopista se aproximan bastante en algunos tramos a movimientos de velocidad constante. En dos intervalos de tiempo cualesquiera de igual duración el cuerpo cubrirá la misma distancia. El móvil recorre, por tanto, espacios iguales en tiempos iguales, lo que significa que cuando la velocidad es constante el espacio s que recorre el cuerpo móvil sobre la trayectoria y el tiempo t que emplea en recorrerlo son magnitudes directamente proporcionales
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