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Fórmulas del movimiento circular de física
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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s
Si se considera un punto girando en una circunferencia es fácil concluir que es mucho más sencillo medir el ángulo girado en un intervalo de tiempo que el arco recorrido (espacio). Por esto se define la velocidad angular ωωωω
como la rapidez con que se describe el ángulo (ϕ):
El ángulo (ϕ), debe medirse en radianes:
longitud arco (m) (^) s (rad) radio circunferencia (m) R
ϕ = =
Según esta definición:
1 vuelta = 360 0 = 2 π radianes
½ vuelta = 180 0 = π radianes ¼ de vuelta = 90 0 = π /2 radianes
Para convertir vueltas o grados a radianes:
0
rad 180
π rad 6
0,9 vueltas
2 rad 1 vuelta
π = 1,8 πrad
En el Sistema Internacional (S.I.) la velocidad angular se
mide en
rad s
o en 1
s s
= − (el radian no tiene dimensiones)
Otras unidades ( no S.I.) son:
vueltas s
revoluciones r.p.m min
De la definición de velocidad angular se deduce la relación entre la velocidad angular ωωωω y el ángulo girado ϕϕϕϕ :
ϕ = ω. t
Si cuando empieza a contarse el tiempo (t = 0) el punto ya ha descrito un ángulo ϕ0, entonces el ángulo girado en un tiempo t será:
ϕ = ϕ 0 + ω. t.
El movimiento circular uniforme es un movimiento periódico , ya que se repite a intervalos regulares de tiempo.
Se denomina periodo ( T ) al tiempo que el punto tarda en dar una vuelta (el movimiento vuelve a repetirse).
Se denomina frecuencia ( f ) al número de vueltas que el punto da en un segundo.
Periodo y frecuencia son magnitudes inversamente proporcionales:
1 T f
f T
= ; T. f = 1
El periodo se mide en segundos (s)
La frecuencia se mide en s−^1 o Hz (hertzios)
Teniendo en cuenta las definiciones de periodo, frecuencia y velocidad angular, se puede poner:
2 1 2 2 f T T
π ω = = π = π
Entre la velocidad lineal y la angular existe la siguiente relación:
v = ω. R
5 vueltas 3,52 s
ω =
60 s vueltas 85,23 85,23 r.p.m. 1min min
5 vueltas ω =
2 rad 3,52 s 1 vuelta
π rad 1 2,84 2,84 s s
= π = π^ −
3,52 s T 0,704 s 5
f 1 1 1,420 s 1 1,420 Hz T 0,704 s
(^2 2) 2,35 s 1 7,38 s 1 7,38rad T 0,852 s s
ω = π^ = π = π −^ ≈ − =
1
; t 0,283 s t 2,35 s−
ϕ ϕ π ω = = = = ω π
Ejemplo 1
Un punto describe una trayectoria circular tardando 3,52 s en dar cinco vueltas. Calcular:
a) La velocidad angular en r.p.m y en rad/s
b) El periodo y la frecuencia del movimiento
c) El ángulo girado al cabo de 0,65 s de iniciado el movimiento.
Solución:
a)
b)
c) ϕ = ω. t = 2,84 π s – 1^. 0,65 s = 1,85 π rad ≈ 5,81 rad
Ejemplo 2
En el laboratorio se estudia el movimiento de un disco, de radio 10 cm, que gira con velocidad constante, midiéndose el tiempo que tarda en dar cinco vueltas. Los valores obtenidos se dan en la tabla adjunta.
a) Calcular la velocidad angular del disco.
b) Determinar la velocidad lineal de un punto de su periferia y de otro situado a 3 cm del centro.
c) ¿Cuánto tardará en girar 120 0?
Solución:
a) Calculamos el periodo del movimiento (tiempo que tarda en dar una vuelta), hallando la media de los valores obtenidos y dividiendo por cinco:
tmed = 4,258 s ; T = 0,852 s.
Cálculo de la velocidad angular :
b) Un punto situado en la periferia del disco describirá una circunferencia de radio 10 cm = 0,10 m
v = ω. R = 2,35 π s-1. 0,10 m = 0,235 π s-1^ ≈ 0,74 m .s-1^ = 0,74 m/s
Par el punto situado a 3 cm del centro : R = 3 cm = 0,03 m:
v = ω. R = 2,35 π s-1. 0,03m = 0,0705 π s-1^ ≈ 0,22 m .s-1^ = 0,22 m/s
Como se deduce del cálculo ambos puntos giran con idéntica velocidad angular (ω), ya que recorren el mismo ángulo, pero la velocidad lineal aumenta a medida que nos desplazamos hacia la periferia.
c) Pasamos los grados a radianes:
Medida t (s). Cinco vueltas 1 4, 2 4, 3 4, 4 4, 5 4,
0
rad 180
π = 0,67 πrad