MOVIMIENTO UNIFORME VELOCIDAD,TIEMPO Y ESPACIO

Un cuerpo realiza un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado o movimiento rectilíneo uniformemente variado cuando su trayectoria es una linea recta y su aceleración es constante. En apartados anteriores hemos estudiado las ecuaciones del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (m.r.u.v.). En este apartado vamos a estudiar las gráficas que corresponden con dichas ecuaciones.

Gráficas de M.R.U.A.

Gráfica posición-tiempo (x-t)

x=x0+v0t+12at2

La gráfica posición-tiempo (x-t) de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (m.r.u.v.) representa en el eje horizontal (eje x) el tiempo y en el eje vertical (eje y) la posición. Observa como la posición (normalmente la coordenada x) aumenta (o disminuye) de manera no uniforme con el paso del tiempo.  Esto se debe a que, a medida que este pasa, el módulo de la velocidad varía. Podemos distinguir dos casos, cuando la aceleración es positiva o negativa:

Gráfica velocidad-tiempo (v-t)

v=v0+a⋅t

La gráfica velocidad-tiempo (v-t) de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (m.r.u.v.) representa en el eje horizontal (eje x) el tiempo y en el eje vertical (eje y) lavelocidad instantánea. Observa como la velocidad aumenta (o disminuye) de manera uniforme con el paso del tiempo. Esto se debe a la acción de la aceleración. De nuevo, podemos distinguir dos casos:

A partir del ángulo α puedes obtener la aceleración. Recuerda para ello que, en un triángulo rectángulo se define la tangente de uno de sus ángulos como el cateto opuesto partido la hipotenusa:

tanα=cateto opuestocateto contiguo=∆v∆t=v−v0t=a

El valor de la pendiente es la propia aceleración. Por tanto a mayor pendiente de la recta, mayor aceleración posee el cuerpo.

Observa que el área  limitada bajo la curva v entre dos instantes de tiempo coincide numéricamente con el espacio recorrido. ¿Sabrías decir por qué?

El área bajo la curva puede calcularse como el aréa del rectángulo S1 que correspondería a un movimiento rectilíneo uniforme (m.r.u) a la que sumaremos el área del triángulo S2:

∆x=x−x0=S1+S2=1v0t+(v−v0)t2=2v0t+12at2

Donde hemos aplicado:

1. ⎧⎩⎨S1=v0tS2=Srectángulo2=(v−v0)t2
2. v−v0=at

Gráfica aceleración-tiempo (a-t)

a=cte

La gráfica aceleración-tiempo (a-t) de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (m.r.u.v.) muestra que la aceleración permanece constante a lo largo del tiempo. Se trata de la aceleración media, que en el caso de m.r.u.a., coincide con la aceleración instantánea. De nuevo, podemos distinguir dos casos:

Observa que el área  limitada bajo la curva a entre dos instantes de tiempo coincide numéricamente con el incremento de velocidad experimentado. ¿Sabrías decir por qué?

Un cuerpo realiza un movimiento circular uniforme (m.c.u.) cuando su trayectoria es una circunferencia y suvelocidad angular es constante. En este apartado vamos a estudiar algunas las gráficas que corresponden con las ecuaciones estudiadas en el apartado anterior y que caracterizan al movimiento circular uniforme (m.c.u.).

Gráficas de M.R.U.

Gráfica posición angular - tiempo (φ-t)

φ=φ0+ω⋅t

La gráfica posición angular - tiempo (φ-t) de un movimiento circular uniforme (m.c.u.). representa en el eje horizontal (eje x) el tiempo y en el eje vertical la posición angular. La posición angular, φ, medida en radianes según unidades del Sistema Internacional (S.I.) aumenta (o disminuye) de manera uniforme con el paso del tiempo. Podemos distinguir dos casos, según la velocidad angular es positiva o negativa:

A partir del ángulo α puedes obtener la velocidad angular ω. Recuerda para ello que, en un triángulo rectángulo se define la tangente de uno de sus ángulos como el cateto opuesto partido cateto contiguo:

tan θ=cateto opuestocateto contiguo=∆φ∆t=φ−φ0t=ω

El valor de la pendiente es la propia velocidad angular ω. Por tanto a mayor pendiente de la recta, mayor velocidad angular ω posee el cuerpo.

Gráfica velocidad angular - tiempo (ω-t)

ω=ω0=cte

La gráfica velocidad angular - tiempo (ω-t) de un movimiento circular uniforme (m.c.u.) muestra que la velocidad angular ω, medida en radianes por segundo (rad/s) según el Sistema Internacional (S.I.), permanece constante a lo largo del tiempo. De nuevo, podemos distinguir dos casos:

Observa que el área que limitada bajo la curva ω entre dos instantes de tiempo es el espacio angular recorrido, es decir, la porción de ángulo recorrido: ∆φ = φ - φ0).

En este caso resulta inmediato calcular dicha área, al tratarse de un rectángulo. Pero, ¿sabrías qué herramienta matemática permite el cálculo de áreas bajo una curva, sea cual sea su forma?

Gráfica aceleración angular - tiempo (α-t)

α=0

La gráfica aceleración angular - tiempo (α-t) de un movimiento circular uniforme (m.c.u.) muestra que la aceleración angular, medida en el Sistema Internacional (S.I.) en radianes por segundo al cuadrado (rad/s2), es nula en todo momento. En este caso, tanto si la velocidad del cuerpo se considera positiva como negativa, tenemos una sóla posibilidad, tal y como se ilustra en la figura:

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Basándote en las gráficas posición angular (φ-t), velocidad angular-tiempo (ω-t), aceleración angular-tiempo (α-t) del movimiento circular unifome m.c.u., elabora las gráficas espacio recorrido-tiempo (s-t), velocidad-tiempo (v-t), aceleración tangencial-tiempo (at-t) y aceleración normal-tiempo (an-t) considerando que la velocidad angular ω>0.

Solución

gráfica espacio recorrido-tiempo (s-t) en m.c.u.

La gráfica espacio recorrido-tiempo (s-t) de un movimiento circular uniforme (m.c.u.). representa en el eje horizontal (eje x) el tiempo y en el eje vertical el espacio recorrido. Dado que en el enunciado se nos dice que la velocidad angular es positiva, la posición angular aumentará de manera uniforme con el paso del tiempo y por tanto, el espacio recorrido, ya que:

s=φ⋅R

A partir del ángulo θ puedes obtener la celeridad media c. Recuerda para ello que, en un triángulo rectángulo se define la tangente de uno de sus ángulos como el cateto opuesto partido cateto contiguo:

tan θ=cateto opuestocateto contiguo=∆s∆t=s−s0t−t0=c

 

gráfica velocidad-tiempo (v-t) en m.c.u.

v=ω⋅R

Dado que la velocidad es directamente proporcional a la velocidad angular y esta es constante en el movimiento circular uniforme, la gráfica velocidad-tiempo (v-t) en este tipo de movimiento también será constante a lo largo del tiempo:

gráfica aceleración tangencial-tiempo (at-t) en m.c.u.

Como el m.c.u. es un movimiento uniforme, no altera el módulo de la velocidad del cuerpo y por tanto la aceleración tangencial es siempre nula a lo largo del tiempo.

gráfica aceleración normal-tiempo (an-t) en m.c.u.

La aceleración normal en un movimiento circular uniforme, se obtiene por medio de la siguiente expresión:

an=v2R=ω2⋅R

Dado que la velocidad es constante, la aceleración también será constante a lo largo del tiempo.