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Movimiento de cuerpos: cinemática

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Información curricular

Nivel: 15-16 años Asignatura: Física y Química
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Contenido

Cinemática

La cinemática (del griego κινέιν kinéin 'mover, desplazar') es la rama de la mecánica que describe el movimiento de los objetos sólidos sin considerar las causas que lo originan (las fuerzas) y se limita, principalmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo. 

Para ello utiliza velocidades y aceleraciones, que describen cómo cambia la posición en función del tiempo. La velocidad se determina como el cociente entre el desplazamiento y el tiempo utilizado, mientras que la aceleración es el cociente entre el cambio de velocidad y el tiempo utilizado.

Representación de la trayectoria de una partícula (verde), mostrando la posición (azul) 

Los primeros en descubrir el movimiento fueron los astrónomos y los filósofos griegos. Hacia el año 1605, Galileo Galilei hizo sus famosos estudios del movimiento de caída libre y de esferas en planos inclinados a fin de comprender aspectos del movimiento relevantes a su tiempo, como el movimiento de los planetas y de las balas de cañón.​

Polea simple fija

Posteriormente, el estudio de la cicloide realizado por Evangelista Torricelli fue configurando lo que se conocería como geometría del movimiento.

Luego, las aportaciones de Nicolás Copérnico, Tycho Brahe y Johannes Kepler expandieron los horizontes en la descripción del movimiento durante el siglo XVI. En 1687, con la publicación de los Principia, Isaac Newton hizo la mayor aportación conocida al estudio sistemático del movimiento. Entre otros numerosos aportes, estableció las tres leyes del movimiento que llevan su nombre, con lo que contribuyó al campo de la dinámica, además de postular la ley de gravitación universal.

El nacimiento de la cinemática moderna tiene lugar con la alocución de Pierre Varignon el 20 de enero de 1700, ante la Academia Real de las Ciencias de París.​ Fue allí cuando definió la noción de aceleración y mostró cómo es posible deducirla de la velocidad instantánea utilizando un simple procedimiento de cálculo diferencial.

En la segunda mitad del siglo XVIII se produjeron más contribuciones por Jean Le Rond d'Alembert, Leonhard Euler y André-Marie Ampère y continuaron con el enunciado de la ley fundamental del centro instantáneo de rotación en el movimiento plano, de Daniel Bernoulli.

Movimiento

El movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.

El estudio del movimiento se puede realizar a través de la cinemática o a través de la dinámica. En función de la elección del sistema de referencia quedarán definidas las ecuaciones del movimiento, ecuaciones que determinarán la posición, la velocidad y la aceleración del cuerpo en cada instante de tiempo. Todo movimiento puede representarse y estudiarse mediante gráficas. Las más habituales son las que representan el espacio, la velocidad o la aceleración en función del tiempo, su medición es mediante kilometraje o metros sobre segundo.

Un sistema físico real se caracteriza por, al menos, tres propiedades importantes:

  1. Tener una posición en el espacio-tiempo.
  2. Tener un estado físico definido sujeto a evolución temporal.
  3. Poderle asociar una magnitud física llamada energía.

El movimiento se refiere al cambio a lo largo del tiempo de una propiedad en el espacio, como puede ser la ubicación, la orientación, la forma geométrica o el tamaño, tal como es medido por un observador físico. Un poco más generalmente el cambio de propiedad en el espacio puede verse influido por las propiedades internas de un cuerpo o sistema físico, o incluso el estudio del movimiento en toda su generalidad lleva a considerar el cambio de dicho estado físico. 

Movimiento orbital 

La descripción del movimiento de los cuerpos físicos sin considerar las causas que lo originan se denomina cinemática. Se limita al estudio de la trayectoria y el desplazamiento en función de elementos geométricos que evolucionan con el tiempo. Esta disciplina pretende describir el modo en que un determinado cuerpo se mueve. La física clásica nació estudiando la cinemática de cuerpos rígidos.

Posteriormente el estudio de la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan o conservan el movimiento llevó al desarrollo de la dinámica. Los principios dinámicos más importantes son la inercia, la cantidad de movimiento, la fuerza y la energía mecánica.

La integración de la cinemática y la dinámica desarrolla la disciplina general denominada como mecánica que es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos. La mecánica teórica fue durante los siglos XVII, XVIII y principios del siglo XIX, la disciplina de la física que alcanzó mayor abstracción matemática y fue una fuente de mejora del conocimiento científico del mundo. La mecánica aplicada está usualmente relacionada con la ingeniería. Ambos puntos de vista se justifican parcialmente ya que, si bien la mecánica es la base para la mayoría de las ciencias de la ingeniería clásica, no tiene un carácter tan empírico como estas y, en cambio, por su rigor y razonamiento deductivo, se parece más a la matemática.

Durante el siglo XX la aparición de nuevos hechos físicos, tanto la consideración de cuerpos físicos moviéndose a velocidades cercanas a la velocidad de la luz como el movimiento de las partículas subatómicas, llevaron a la formulación de teorías más abstractas como la mecánica relativista y la mecánica cuántica que seguían interesándose por la evolución en el tiempo de los sistemas físicos, aunque de una manera más abstracta y general de lo que había hecho la mecánica clásica, cuyo objetivo era básicamente cuantificar el cambio de posición en el espacio de las partículas a lo largo del tiempo y los agentes responsables de dichos cambios.

Créditos

Texto wikipedia:

Imagen:

  • De Dnu72 - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50435932
  • De Trabajo propio - Earth derived from this image (public domain).The rest is my own work done in Processing. Source code available upon request., Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15530682
  • De César Rincón - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=643667

Contenido

Cinemática

La cinemática (del griego κινέιν kinéin 'mover, desplazar') es la rama de la mecánica que describe el movimiento de los objetos sólidos sin considerar las causas que lo originan (las fuerzas) y se limita, principalmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo.

Para ello utiliza velocidades y aceleraciones, que describen cómo cambia la posición en función del tiempo. La velocidad se determina como el cociente entre el desplazamiento y el tiempo utilizado, mientras que la aceleración es el cociente entre el cambio de velocidad y el tiempo utilizado.

Representación de la trayectoria de una partícula (verde), mostrando la posición (azul)

Los primeros en descubrir el movimiento fueron los astrónomos y los filósofos griegos. Hacia el año 1605, Galileo Galilei hizo sus famosos estudios del movimiento de caída libre y de esferas en planos inclinados a fin de comprender aspectos del movimiento relevantes a su tiempo, como el movimiento de los planetas y de las balas de cañón.​

Polea simple fija

Posteriormente, el estudio de la cicloide realizado por Evangelista Torricelli fue configurando lo que se conocería como geometría del movimiento.

Luego, las aportaciones de Nicolás Copérnico, Tycho Brahe y Johannes Kepler expandieron los horizontes en la descripción del movimiento durante el siglo XVI. En 1687, con la publicación de los Principia, Isaac Newton hizo la mayor aportación conocida al estudio sistemático del movimiento. Entre otros numerosos aportes, estableció las tres leyes del movimiento que llevan su nombre, con lo que contribuyó al campo de la dinámica, además de postular la ley de gravitación universal.

El nacimiento de la cinemática moderna tiene lugar con la alocución de Pierre Varignon el 20 de enero de 1700, ante la Academia Real de las Ciencias de París.​ Fue allí cuando definió la noción de aceleración y mostró cómo es posible deducirla de la velocidad instantánea utilizando un simple procedimiento de cálculo diferencial.

En la segunda mitad del siglo XVIII se produjeron más contribuciones por Jean Le Rond d'Alembert, Leonhard Euler y André-Marie Ampère y continuaron con el enunciado de la ley fundamental del centro instantáneo de rotación en el movimiento plano, de Daniel Bernoulli.

Movimiento

El movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia.

El estudio del movimiento se puede realizar a través de la cinemática o a través de la dinámica. En función de la elección del sistema de referencia quedarán definidas las ecuaciones del movimiento, ecuaciones que determinarán la posición, la velocidad y la aceleración del cuerpo en cada instante de tiempo. Todo movimiento puede representarse y estudiarse mediante gráficas. Las más habituales son las que representan el espacio, la velocidad o la aceleración en función del tiempo, su medición es mediante kilometraje o metros sobre segundo.

Un sistema físico real se caracteriza por, al menos, tres propiedades importantes:

  1. Tener una posición en el espacio-tiempo.
  2. Tener un estado físico definido sujeto a evolución temporal.
  3. Poderle asociar una magnitud física llamada energía.

El movimiento se refiere al cambio a lo largo del tiempo de una propiedad en el espacio, como puede ser la ubicación, la orientación, la forma geométrica o el tamaño, tal como es medido por un observador físico. Un poco más generalmente el cambio de propiedad en el espacio puede verse influido por las propiedades internas de un cuerpo o sistema físico, o incluso el estudio del movimiento en toda su generalidad lleva a considerar el cambio de dicho estado físico.

Movimiento orbital

La descripción del movimiento de los cuerpos físicos sin considerar las causas que lo originan se denomina cinemática. Se limita al estudio de la trayectoria y el desplazamiento en función de elementos geométricos que evolucionan con el tiempo. Esta disciplina pretende describir el modo en que un determinado cuerpo se mueve. La física clásica nació estudiando la cinemática de cuerpos rígidos.

Posteriormente el estudio de la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan o conservan el movimiento llevó al desarrollo de la dinámica. Los principios dinámicos más importantes son la inercia, la cantidad de movimiento, la fuerza y la energía mecánica.

La integración de la cinemática y la dinámica desarrolla la disciplina general denominada como mecánica que es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos. La mecánica teórica fue durante los siglos XVII, XVIII y principios del siglo XIX, la disciplina de la física que alcanzó mayor abstracción matemática y fue una fuente de mejora del conocimiento científico del mundo. La mecánica aplicada está usualmente relacionada con la ingeniería. Ambos puntos de vista se justifican parcialmente ya que, si bien la mecánica es la base para la mayoría de las ciencias de la ingeniería clásica, no tiene un carácter tan empírico como estas y, en cambio, por su rigor y razonamiento deductivo, se parece más a la matemática.

Durante el siglo XX la aparición de nuevos hechos físicos, tanto la consideración de cuerpos físicos moviéndose a velocidades cercanas a la velocidad de la luz como el movimiento de las partículas subatómicas, llevaron a la formulación de teorías más abstractas como la mecánica relativista y la mecánica cuántica que seguían interesándose por la evolución en el tiempo de los sistemas físicos, aunque de una manera más abstracta y general de lo que había hecho la mecánica clásica, cuyo objetivo era básicamente cuantificar el cambio de posición en el espacio de las partículas a lo largo del tiempo y los agentes responsables de dichos cambios.

Créditos

Texto wikipedia:

Imagen:

  • De Dnu72 - Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50435932
  • De Trabajo propio - Earth derived from this image (public domain).The rest is my own work done in Processing. Source code available upon request., Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15530682
  • De César Rincón - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=643667

Unidades didácticas

El movimiento rectilíneo. Física para 4º de Secundaria

Movimiento rectilíneo por C. Palacios

Cinemática por Juan J. Sanmartín

El movimiento circular. Física para 4º de Secundaria

Movimiento circular uniforme (ite)

Para practicar

Gráficas del movimiento (educaplus.org)

Distancia y desplazamiento II (educaplus.org)

Ejercicios de choque o encuentro

London Eye

Movimiento circular uniforme

Aplicación dinámica del movimiento circular uniforme. Cibermatex

Para experimentar

Movimiento circular y fuerza centrífuga en 'Espirales de tinta'

Lab de Péndulo

Mapa Conceptual: Movimiento de cuerpos: cinemática

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Temas de: física y química - 4º eso

Movimiento de cuerpos: cinemática

Nivel educativo: 14-16 años/3º-4º ESO

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