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preguntas de cinemática física I
Tipo: Ejercicios
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La cinemática es la parte de la física que estudia el movimiento, aunque no se ocupa de las causas que producen dicho movimiento.
EXPLORA TUS IDEAS.
Un cuerpo se mueve cuando cambia deposición respecto de otro que tomamos como referencia (observador). La Tierra efectúa movimientos de rotación y traslación, entonces existen el día, la noche y las estaciones del año.
Los movimientos son siempre relativos pues para un observador en la Tierra, un edificio sería un objeto carente de movimiento, mientras que para un observador en el espacio, dicho edificio estará animado de un movimiento de rotación y de un movimiento de traslación. Por eso hablamos de movimiento relativo, dependiendo de la ubicación del sistema de referencia (centro de coordenadas).
Cuando un cuerpo se mueve ocupa sucesivamente distintas posiciones en el espacio, que unidas determinan una línea llamadatrayectoria. Eldesplazamiento del cuerpo en dos instantes distintos es el segmento que une las posiciones correspondientes a ambos instantes.
Los movimientos se pueden clasificar de distintas maneras, siendo la más habitual hacerlo según las formas de las trayectorias que describen:
Para medir la posición (r) de un cuerpo, debemos hacerlo respecto a un sistema de referencia (o punto origen de coordenadas), un punto u objeto que consideraremos que está quieto. Lo indicaremos con la letra O.
Si el movimiento es en una sola dirección, para medir la posición basta con indicar la distancia a la que se encuentra el móvil del punto O. Habrá que indicar a qué lado de O se encuentra. Para esto debemos escoger un criterio de signos (sentidos + y - ). El desplazamiento ( ∆ r ) entre dos instantes 1 y 2 se
calculará como ∆ r = r 2 − r 1
Si el movimiento es en dos dimensiones (una hormiga que se mueve por la pizarra), no basta con indicar una distancia, sino que habrá que dar dos coordenadas: por ej. la distancia hasta el lado izquierdo (coordenada x) y la distancia hasta el lado inferior (coordenada y). Cada una de estas coordenadas llevará el signo +/ - , según el criterio de signos establecido. La posición se indicará con ambas coordenadas entre paréntesis ( x , y ). El desplazamiento será el segmento o vector que une los puntos inicial y final. También se calcula restando las posiciones (final menos inicial). Para ello restamos las coordenadas x e y por separado.
Ejercicio 1.1. A partir del dibujo, que representa las diferentes posiciones seguidas por un vehículo.
a) Construye una tabla que refleje la posición en cada instante. Repite el ejercicio con tres sistemas de referencia distintos. b) Calcula, en cada uno de los tres casos, el desplazamiento desde t = 0 s. hasta t = 3 s.
Ejercicio 1.2. Hemos medido el movimiento de cuatro móviles diferentes, obteniendo las siguientes tablas: Calcula, para cada móvil. a) ¿Qué desplazamiento tiene entre los instantes t= 1 s y t= 4 s? b) Dibuja una gráfica r / t (representa el tiempo en el eje x y la posición en el eje y). c) ¿Existe una expresión (una fórmula) que relacione el tiempo transcurrido con la posición en cada instante? Escríbela en cada caso.
t (s) r (m) t (s) r (m) t (s) r (m) t (s) r (m) 0 0 0 2 0 - 3 0 20 1 2 1 4 1 -2 1 16 2 4 2 6 2 -1 2 12 3 6 3 8 3 0 3 8 4 8 4 10 4 1 4 4
Usaremos normalmente la letra r para la posición, pero a veces también se usan las letras e , s , x para referirse a la misma magnitud.
En el dibujo, tomando el árbol como punto de referencia, la posición del perro será r = - 3 m, y la de la moto r = 5 m
La velocidad es una magnitud vectorial. Por ejemplo, a la hora de indicar la velocidad de un automóvil que está cerca de Arahal, no basta con decir que va a 80 km/h (módulo). Además hay que indicar por qué carretera va (dirección) y si va hacia Arahal o si se aleja (sentido).
En el estudio que haremos en este curso, los movimientos serán rectilíneos (trayectoria recta).
Si se mueve hacia el sentido positivo: signo +. Si se mueve hacia el sentido negativo: signo –.
Algunas velocidades típicas (en módulo): Hombre caminando 1,7 m/s Corredor a pie 9 m/s
Bala de fusil 400 m/s Sonido en aire a 15 ºC 340 m/s
Rotación terrestre (ecuador) 463 m/s Traslación terrestre 30000 m/s
Luz en el vacío 3 ·10^8 m/s Avión en vuelo 300 m/s
Ejercicio 2.2. Un automóvil viaja a 130 km/h. ¿A qué velocidad viaja en m/s y en millas /hora? (Dato: 1 milla terrestre equivale a 1,609 km)
Ejercicio 2.3. Juan mide el movimiento de una bicicleta y dice que se mueve a – 10 m/s. a) ¿Es esto posible? ¿Qué significa el signo? b) María dice que la misma bicicleta se mueve a 10 m/s. ¿Es posible? Razona. c) Sonia dice que se mueve a 36 km/h. ¿Es posible? Razona. d) Andrés dice que se mueve a - 15 m/s. Suponiendo que la medida de Juan era correcta. ¿Puede ser correcta la de Andrés? Razona.
Ejercicio 2.4. Un barco que circula con velocidad constante de 4 m/s pasa cerca de un acantilado donde se encuentra un pescador. En la cubierta del barco un niño circula con una pequeña bicicleta en la misma dirección y sentido en que se mueve el barco. Su velocímetro marca 18 km/h. Su movimiento lo observan el pescador y un pasajero del barco que se encuentra sentado dentro del barco. A la pregunta de ¿Qué velocidad lleva la bicicleta? Indica la respuesta que dará cada uno de los personajes del problema. ¿Cuál será la velocidad verdadera?.
Nota: magnitudes escalares y vectoriales:
A la hora de medir algunas magnitudes físicas, basta con indicar la cantidad y las unidades correspondientes (una manzana tiene 100 g de masa, han pasado 5 minutos, hoy estamos a 22 ºC de temperatura....). Se llaman magnitudes escalares. Son escalares: masa, volumen, densidad, tiempo, temperatura, energía... Otras, sin embargo, necesitan además que indiquemos la dirección y sentido en que van, y a veces el punto de aplicación (por ejemplo, no es lo mismo aplicar una fuerza en una dirección u otra, o hacerlo en sentido contrario, o aplicarla en puntos diferentes del cuerpo). Son estas las magnitudes vectoriales. Son vectoriales: fuerza, velocidad, aceleración, posición, desplazamiento...
Una magnitud vectorial se representa mediante un vector: una flecha que contiene toda la información.
3 v > 0^34
O
_
v < 0 4 1 v > 0^1 v < 0 2
El movimiento rectilíneo uniforme (MRU) es el movimiento que describe un cuerpo cuya trayectoria es una recta a velocidad constante o, lo que es lo mismo, con aceleración nula. Este movimiento es tan sencillo que es difícil (prácticamente imposible) observarlo en la naturaleza.
De la definición de velocidad media, deducimos la ecuación del movimiento, r(t), que rige el MRU:
0
0
Normalmente consideraremos que el tiempo inicial es cero (t 0 = 0 ). Con lo cual, la ecuación de movimiento queda
donder(t) es la posición del móvil en el instantet,r 0 es la posición en el instante inicial (posición inicial) yv representa la velocidad. Ya sabemos que existen otras letras para representar la posición ( s, e, x, y…). Normalmente, cuando el movimiento es horizontal se usa x(t), y cuando es vertical, y(t).
Gráficas del movimiento uniforme.
Teniendo en cuenta las características del movimiento uniforme (velocidad constante, se recorre la misma distancia en el mismo tiempo) y de la ecuación de movimiento resultante, es fácil saber qué forma tendrán las gráficas posición-tiempo y velocidad-tiempo.
Ejercicio 3.1. Un automóvil viaja a una velocidad de 90 km/h. Representa gráficamente v(t) y r(t) a partir del instante en que pasa por el punto ubicado en el observador.
Ejercicio 3.2. Las posiciones de un móvil respecto del observador en función del tiempo son las siguientes: a) Representa gráficamente la tabla anterior. b) Construye un gráfico de v(t) y calcula la distancia recorrida. c) Determina la velocidad del móvil.
Ejercicio 3.3. La ecuación del movimiento de una partícula esr = 25 t (m). Otra partícula lleva una velocidad triple y parte de un punto situado 30 m más atrás y 4 segundos más tarde. ¿Cuál será la ecuación del movimiento de esta partícula?
Ejercicio 3.4. Laura dice que la ecuación del movimiento de un móvil esr = 30 + 4t (S.I) , en cambio Miguel asegura que la ecuación del movimiento esr = 80 - 4t (S.I). ¿Es posible que ambos tengan razón? Explica la respuesta.
Ejercicio 3.5. Un corredor lleva una velocidad de 5 m/s. Si comenzamos a contar el tiempo cuando se encuentra a 30 m de una señal que tomamos como punto de referencia. a) Determina la ecuación del movimiento b) Halla el tiempo que tardará en llegar a la meta situada a 250 m del punto de referencia.
Ejercicio 3.6. Un automóvil se acerca a 45 km/h a un semáforo (que está en verde) que se encuentra 100 m más adelante. Suponiendo que no modifica su velocidad: a) Escribe la ecuación de movimiento del automóvil, en unidades del S.I. b) Calcula el tiempo que tarda en pasar junto al semáforo. c) ¿En qué posición se encontrará a los 30 s de que empezáramos a medir el movimiento?
Ejercicio 3.7. Se observa la explosión de un cohete de unos fuegos artificiales desde un punto situado a 1400 m del lugar de la explosión. Determina el tiempo que tarda en llegar al observador : a) La luz del fogonazo. b) El ruido de la explosión. (Busca los datos que necesites).
t (s) 0 10 20 30 40 50 x (m) 30 330 630 930 1230 1530
r(m)
r 0
v>0 v>
t(s) t(s)
v(m/s) r(m)
r (^0)
v<
v<
t(s)
t(s)
v(m/s) (^) r(m)
1
2
3
r (^0) v >v >v 3 2 1 t(s)
Ejercicio 4.4: Dibuja cualitativamente con vectores la velocidad y la aceleración de cada uno de los móviles siguientes: a) Un coche que acelera. b) Un coche que frena. c) Una piedra que se lanza verticalmente hacia arriba en el momento que abandona la mano. d) La piedra anterior en el punto más alto de su trayectoria. e) Dicha piedra cuando está cayendo.
Ejercicio 4.5: Conocida la tabla de las velocidades de una partícula en función del tiempo: Velocidad (m/s) 3 6 9 12 15 18 21 Tiempo (s) 1 2 3 4 5 6 7 a) Halla la aceleración media entre los instantes:
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) es el que describe un cuerpo cuya trayectoria es una línea recta y en el que el vector aceleración es constante.
Las ecuaciones que rigen el MRUA son (suponiendo que t 0 = 0):
Donder es la posición del móvil al tiempot,) es la velocidad en el instante t, r (^) o es la posición a tiempo cero (posición inicial),v 0 representa la velocidad inicial y a la aceleración.
Gráficas del movimiento uniformemente acelerado:
Observando las ecuaciones de movimiento y velocidad, vemos que la gráfica x/t corresponde a una parábola, y la gráfica v/t es una línea recta. Ambas gráficas están relacionadas. Analizamos algunos ejemplos:
Resolución de problemas de cinemática:
Para estudiar un movimiento y resolver un problema se han de seguir los siguientes pasos:
Ejercicio 5.1. Un automóvil que circula por una ruta a 100 km/h acelera hasta 130 km/h en 10 segundos. ¿Cuánto vale la aceleración, en unidades del S.I.?
Ejercicio 5.2: Una moto circula a 72 km/h y frena con una aceleración de 5 m·s -2^. Representa en un esquema los datos del problema, razona qué tipo de movimiento es y calcula: a) el tiempo que tarda en pararse. b) distancia recorrida
Ejercicio 5.3:. Un automóvil parte del reposo desde el punto donde se encuentra el observador con una aceleración de 1.5 m/s 2. Escribe las ecuaciones de este movimiento y representa gráficamente v(t) y x(t) para los primeros 4 segundos.
Un tipo especial de movimiento uniformemente acelerado es el de caída libre, en el que la aceleración que sufre el cuerpo es la de la gravedad terrestre. Aunque la atracción gravitatoria disminuya con la distancia (ya lo estudiaremos en otra unidad), para una altura inferior a 30 km sobre la superficie terrestre, podemos considerar que dicha atracción es constante.
Si en nuestro estudio del movimiento despreciamos el efecto del rozamiento del aire (cosa que no siempre puede hacerse) un movimiento sometido únicamente a la acción de la gravedad es un movimiento uniformemente acelerado (MUA), y su aceleración, constante, tiene el valora = g = 9,8 m/s 2 .(En los problemas podremos redondear este valor a g ~10 m/s 2 )
El signo de la aceleración nos lo dirá el sistema de referencia que hayamos escogido para el problema, y no el hecho de que el cuerpo suba o baje.
Influencia de la masa y del rozamiento.
A primera vista, nos parece que los cuerpos más pesados caen más rápido que los más ligeros. Un martillo cae antes que una pluma, o una bola de hierro antes que una hoja de papel. Sin embargo, basta con hacer una bola con la hoja para observar que el resultado cambia. No podemos distinguir cuál llega antes, la diferencia es inapreciable. ¿Qué está ocurriendo entonces, si la masa de la bola de papel es la misma que la de la hoja sin arrugar?
Hay un factor que no hemos tenido en cuenta. ¿Qué diferencia hay entre la caída de la hoja y la de la bola de papel? La resistencia que ofrece el aire. A mayor superficie de contacto, mayor resistencia. Si no hubiera atmósfera (como ocurre en la Luna, por ejemplo) la resistencia sería nula, y una hoja de papel, o una pluma, caerían al mismo ritmo que un martillo.
Sin embargo, cuando hay rozamiento con el aire, la cosa se complica (existe toda una rama de la física, la dinámica de fluidos, que estudia esto). En el ritmo de caída influyen tanto la forma como la masa del cuerpo. Además, el rozamiento con el aire aumenta con la velocidad, y el cuerpo cada vez acelera menos. Si el trayecto es suficientemente largo, llega un momento en el que el cuerpo cae con velocidad constante (llamadavelocidad terminal).
En los problemas que hagamos de caída libre, despreciaremos siempre el rozamiento con el aire.
Fotografía estroboscópica obtenida a 60 imágenes por segundo. (Paul A. Tipler: Física para laCiencia y la Tecnología. Ed. Reverté,1999)
el móvil pase por el punto de referencia? Razona.
C.6. Dadas estas dos gráficas. ¿Pueden corresponder al mismo movimiento? Si es así, explica un movimiento que se corresponda con ambas gráficas.
P.1. La ecuación del movimiento de una partícula es: x = 3 + 2 t , dondet viene dado en segundos yx en metros. a) Completa la tabla de valores : Posición (m) 13 21 Tiempo (s) 0 2 4 8 b) Representa gráficamente x-t. c) Halla la velocidad media entre los instantes: t = 2 s y t = 5 s ; t = 1 s y t = 6s , t = 3 s y t = 8 s. e) ¿De qué tipo de movimiento se trata? ¿Qué significan los coeficientes 3 y 2 de la ecuación?.
P.2. La ecuación del movimiento de una partícula es:x = 40 – 2 t (S.I) a) Haz su representación gráfica. b) Halla la posición para t = 10 s. Y el instante para el que la posición es de 30 m. c) Calcula la velocidad media entre los instantes: t =0 s y t =5 s ; t =3 s y t =6 s ; t =2 s y t =11 s. d) Describe cómo es el movimiento.
P.3. Pepe coge el ascensor en el sexto piso de un edificio, y se baja en el 2º sótano, donde tiene aparcado el coche. El ascensor ha ido a velocidad constante de 2 m/s. Sabiendo que entre una planta y otra del edificio hay 5 m, calcula: a) Ecuación de movimiento del ascensor. b) Tiempo que tarda en el recorrido total. c) Tiempo que tarda en pasar por la planta baja. d) ¿Por qué planta va a los 13 s? e) Dibuja la gráfica r / t y la gráfica v / t de este movimiento.
P.4. En un M.R.U. se conoce la posición de la partícula para dos instantes distintos; concretamente,r = 6 m parat = 2 s y r = 18 m parat = 4 s. a) Halla la velocidad y la ecuación del movimiento. b) Determina la nueva ecuación del movimiento si se toma el origen de coordenadas en el punto r = 8 m.
P.5. Un móvil, al cabo de 30 s de estar moviéndose con una aceleración de 0,5 m/s 2 , tiene una velocidad de 18 m/s. ¿Con qué velocidad se movía antes de acelerar?
P.6. Un móvil que se desplaza a 72 km/h aplica los frenos durante 10 s. Si al final de la frenada tiene una rapidez de 5 km/h, calcula la aceleración.
P.7. Observa la siguiente ecuación:x = 3 + 2 t + 4 t 2 (S.I.) ¿Qué tipo de movimiento representa? ¿Cuál es la velocidad inicial del móvil? ¿Y la aceleración?
P.8. Se lanza verticalmente hacia arriba un cuerpo con velocidad inicial de 20 m/s. ¿Cuánto tiempo tardará en llegar al punto más alto?. ¿Qué altura máxima alcanza? ¿Con qué velocidad llegará al punto de partida?.
P.9. Un coche que circula a 90 km/h ve un obstáculo en la carretera frena uniformemente, logrando detenerse a los 4, segundos desde que se inicia la frenada. Halla la aceleración del coche y el espacio recorrido desde que empieza a frenar hasta que se para.
P.10. Un coche que circula a una velocidad constante de 36 km/h se salta un semáforo. En ese momento un motorista, que se encontraba en reposo en el semáforo, inicia su persecución con un movimiento uniformemente acelerado con una aceleración de 5 m/s 2. Determina el instante en que alcanzará al coche y la distancia recorrida por el motorista.
P.11. Dos hermanos realizan una carrera con bicicletas. El hermano mayor le da 200 m de ventaja al pequeño. Los dos ciclistas salen a la vez, de modo que llevan movimientos uniformes; el primero con velocidad de 30 km/h y el segundo con 25 km/h. Si la meta se encuentra a 1 km del punto de salida del hermano mayor, ¿Quién ganará la carrera?
P.12. Dos amigos que viven en dos localidades distantes 12 km salen a las 16,30 horas de sus respectivas localidades ; uno de ellos camina con velocidad de 5 km/h y el otro lo hace a 6 km/h. ¿A qué hora se encontrarán y qué distancia habrá recorrido cada uno?
P.13. De lo alto de una torre de 30 m de longitud se suelta una pelota. Al mismo tiempo se lanza verticalmente hacia arriba una piedra con velocidad de 15 m/s. Determina el instante en el que los dos objetos se encuentran a la misma altura, así como el espacio recorrido por cada uno de ellos.
P.14. Un coche que circula con velocidad constante de 72 km/h pasa por una señal de tráfico a las 10 horas. Medio minuto más tarde pasa por ese punto otro coche, en la misma dirección y sentido que el anterior, con velocidad de 90 km/h. Calcula el tiempo que tardará en alcanzar al primer coche, así como la posición del punto de encuentro.
P.15. Un coche que circula a una velocidad de 30 m/s frena logrando detenerse después de recorrer 200 m desde el inicio del frenazo. Halla la aceleración y el tiempo que tarda en pararse.
P.16. En una trayectoria rectilínea horizontal en la que el criterio de signos es que la posición es positiva a la derecha del origen de coordenadas, determina la ecuación del movimiento del móvil en los siguientes casos: a) Parte de un punto situado en un punto de la trayectoria a 30 m a la izquierda del origen de coordenadas y alejándose de él a una velocidad de 4 m/s. b) Parte del origen recorriendo uniformemente 54 m en 12 segundos hacia la derecha. c) Sale desde un punto situado a 40 m a la derecha origen acercándose a él a una velocidad de 18 km/h.
P.17. Un cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba con una velocidad de 60 m/s. a) Elige un sistema de referencia y completa la tabla: Tiempo (s) 1 2 3 4 5 6 Posición (m) b) Halla la altura máxima que alcanzará la partícula. c) Halla la posición y el espacio recorrido para t = 10 s.
P.18. Una pelota que ha caído desde el tejado lleva una velocidad de 15 m/s al pasar por tu ventana, que se encuentra a una altura del suelo de 14 m. Halla la velocidad con que llegará la pelota al suelo.
P.19. Una nube se encuentra a 500 m de altura. ¿Cuánto tiempo tardarían las gotas de lluvia de esa nube en llegar al suelo, sin tener en cuenta la resistencia del aire? ¿Cuál sería su velocidad en el momento de llegar al suelo?
P.20. Observa las siguientes gráficas e indica a qué tipo de movimiento corresponde cada una de ellas. Plantea las ecuaciones de movimiento de cada uno, incluyendo los datos que puedas extraer de las gráficas.