Cinemática: qué es, concepto, qué estudia, principios, ejemplos
¿Qué es la cinemática?
La cinemática es la rama de la física clásica que se ocupa únicamente de la descripción del movimiento de los cuerpos, sin tomar en cuenta las interacciones que provocaron dicho movimiento.
El movimiento de un cuerpo en general puede descomponerse en dos: un movimiento de traslación y uno de rotación. Pero si el objeto es suficientemente pequeño, casi tendiendo a un punto, entonces el movimiento es únicamente traslacional, razón por la cual es útil en física el concepto de partícula.
En física, una partícula es un punto material, es decir, un punto con masa. La descripción del movimiento de un cuerpo extenso puede ser complejo, pero se simplifica bastante si consideramos un punto llamado el centro de masa, ya que este punto se comporta como si toda la masa estuviese concentrada en él.
Si el objeto es simétrico y homogéneo, el centro de masa coincide con su centro geométrico.
Por ejemplo, el movimiento traslacional de la Luna respecto de la Tierra es el movimiento del punto central de la Luna. Similarmente, si se quisiera describir el movimiento de una pelota de básquet, basta con describir el movimiento de su centro de masa, un punto que representa el movimiento traslacional de toda la pelota.
Principios de la cinemática
La cinemática traslacional es la descripción del movimiento de un punto material de masa m, llamado “la partícula”.
Para ubicar la partícula se requiere de un sistema de referencia, es decir un punto desde el cual se observa la partícula.
Por el origen del sistema de referencia pasan tres ejes mutuamente perpendiculares, llamados ejes cartesianos, que sirven para definir la posición de un punto en el espacio mediante un sistema de coordenadas.
Además del sistema o marco de referencia, se definen las siguientes magnitudes cinemáticas, con las cuales se describe el movimiento:
- La posición de la partícula, en un determinado instante de observación, es el vector que parte desde el origen del sistema de referencia y va hasta su ubicación. Este vector depende de las coordenadas espaciales, las cuales a su vez dependen del tiempo.
- La velocidad es la siguiente cantidad cinemática de interés, la cual es una medida del cambio de posición por unidad de tiempo. Da cuenta de lo rápido o variable que es el movimiento.
- La aceleración, definida como el cambio de velocidad por unidad de tiempo. En la mecánica clásica la aceleración es proporcional a la fuerza neta sobre la partícula, siendo la constante de proporcionalidad su propia masa.
Tipos de movimiento en cinemática
En cinemática, los tipos de movimiento se clasifican según la trayectoria y el valor de la aceleración. De esta forma se distinguen los siguientes tipos de movimiento:
- Movimiento rectilíneo uniforme (MRU): cuando la trayectoria es una línea recta y la aceleración es nula.
- Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA): si la partícula sigue una línea recta y la aceleración es constante y paralela a la velocidad.
- Movimiento rectilíneo uniformemente retardado (MRUR): cuando la trayectoria es una recta, pero la aceleración apunta en la dirección contraria a la velocidad.
- Movimiento parabólico: es un movimiento en el plano vertical que da lugar a una trayectoria parabólica y ocurre cuando un objeto es lanzado al aire. El movimiento parabólico es la superposición de un movimiento rectilíneo horizontal uniforme y un movimiento vertical acelerado.
- Movimiento circular uniforme (MCU): ocurre cuando la partícula se mueve sobre una circunferencia, describiendo arcos iguales en tiempos iguales.
- Movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA): es el que se produce cuando la partícula se mueve sobre una circunferencia, de modo tal que el arco recorrido se incrementa con el tiempo siguiendo una ley cuadrática.
Ejemplos de cinemática
Rapidez y velocidad
La rapidez es la medida con la que cambia la posición de un objeto. En términos pocos precisos, se puede afirmar que un coche va más rápido que otro si su posición cambia más en el mismo lapso de tiempo.
La rapidez es el cociente de la distancia recorrida dividida entre el tiempo empleado en recorrer dicha distancia.
Un observador en la orilla de la carretera mide el tiempo que le toma a cada uno recorrer un tramo de 500 m y encontró que el automóvil amarillo tardó un tiempo de 10 s, mientras que rojo tardó 25 s.
Entonces, la rapidez del automóvil amarillo es:
500 m/10 s = 50 m/s = 180 km/h
Mientras que el automóvil rojo tiene una rapidez de:
500 m/25 s = 20 m/s= 72 km/h
El observador está seguro de que el automóvil amarillo va más rápido que el rojo. Sin embargo, para conocer la velocidad de los automóviles es necesario conocer además la dirección del movimiento.
Si el observador establece que de izquierda a derecha es la dirección positiva y el automóvil amarillo va en esa dirección, entonces su velocidad será +180 km/h.
Pero si el automóvil rojo viene en la dirección contraria, entonces su velocidad será de –72 km/h.
Velocidad instantánea y velocidad media
Cuando los objetos se mueven pueden tener variaciones instantáneas en su velocidad, de hecho, es la situación más común.
Por ejemplo, en un instante dado el velocímetro de un auto marca 50 km/h, pero paulatinamente su valor desciende hasta 0 km/h a causa de un semáforo en rojo. Luego la luz cambia a verde y el velocímetro comienza a subir hasta un valor de 40 km/h y permanece así hasta que el auto nuevamente se detiene.
En un caso como este, la rapidez va cambiando a cada instante.
Si el recorrido anterior se realizó en un tiempo total de 60 minutos y la distancia total recorrida fue de 20 km, entonces la velocidad media fue de:
20 km/60 min = 20 km/ 1 h= 20 kph.
Pero aparte de esto, la velocidad media no informa acerca de las variaciones que ocurrieron mientras tanto.
Aceleración
La aceleración es el cambio de velocidad por unidad de tiempo. La velocidad puede cambiar debido a variaciones en:
- La rapidez
- La dirección
- Ambas al mismo tiempo
Los objetos que caen en caída libre experimentan aceleración, ya que a cada instante su rapidez va en incremento. La aceleración de caída de los cuerpos sobre la superficie terrestre es aproximadamente g=10 m/s2, lo que significa que la rapidez durante la caída se incrementa en 10 m/s por cada segundo transcurrido.
Por ejemplo, un objeto que se suelta desde el reposo durante 2 segundos de caída adquiere una rapidez de 20 m/s, siendo la distancia de descenso de 20 metros.
Pero si la caída ocurre durante 4 segundos, entonces adquirirá una rapidez de 40 m/s y la distancia recorrida durante su descenso obviamente es mayor: 80 m.