El movimiento de los cuerpos es el cambio de posición de un objeto respecto a un punto de referencia a lo largo del tiempo. Es decir, si algo se desplaza (ya sea rápido, lento, en línea recta o en curva), está en movimiento.
Sin embargo, la idea de movimiento es amplia y relaciona conceptos como trayectoria, desplazamiento, rapidez y velocidad entre otros. Estos son herramientas que nos da el lenguaje de la física para entender o explicar mejor el mundo que nos rodea. Son importantes porque nos permiten describir el movimiento de manera precisa y científica. Por esta razón, este artículo está dedicado a ellos.
Cinemática
La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento sin considerar las fuerzas que lo provocan. Es como describir el baile de un objeto: sus pasos (trayectoria), ritmo (rapidez) y cambios de ritmo (aceleración), pero sin preguntar quién lo empuja a bailar.
¿Cómo se clasifica el movimiento de los cuerpos?
El movimiento de una partícula se puede clasificar de acuerdo a su trayectoria, como rectilíneo o curvilíneo; y de acuerdo con su velocidad como uniforme o variable. Por lo tanto, las principales clases de movimiento son: movimiento rectilíneo uniforme, movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y movimiento circular entre otros.
Posición y sistema de referencia
Cuando viajamos en un bus sabemos que se mueve, porque cambia de lugar con respecto a otras cosas. Por ejemplo, a los árboles o a las casas que son cuerpos que se consideran fijos. En su movimiento, y a medida que pasa el tiempo, el bus se aleja de unos lugares y se acerca a otros.
El lugar que ocupa un cuerpo, en un momento preciso, define su posición. Se determina con respecto a otros cuerpos que se consideran fijos y que se toman como sistema de referencia.
La posición es relativa, porque distintos observadores pueden usar sistemas de referencia diferentes. Pensemos, por ejemplo, en un libro sobre una mesa. Una persona puede decir que está a 50 centímetros del borde izquierdo de la mesa, si se usa la mesa como referencia. Pero, otra persona puede afirmar que el libro está a 3 metros de la puerta, si toma la puerta de la habitación como sistema de referencia.
Del ejemplo anterior, se puede deducir que la posición es un punto. Es por eso que, en física, se denota la posición de un objeto, como un punto dentro de un sistema de coordenadas (x, y).
En la figura 1, el móvil es el bus. El sistema de referencia, respecto al cual se analiza el movimiento, está constituido por el edificio, la casa y el árbol. Los momentos en los cuales, el bus cruza frente a estos objetos, nos señalan tres posiciones diferentes del móvil.
| En física, se llama móvil al objeto o partícula cuyo movimiento es objeto de estudio. Es un término que permite tratar cualquier cuerpo (desde un átomo hasta un planeta) como un ente abstracto con posición, velocidad y aceleración, sin importar su tamaño o forma. |
Trayectoria y desplazamiento
Cuando un cuerpo se mueve de un lugar a otro puede hacerlo siguiendo diferentes caminos.
La trayectoria es el camino real que sigue un cuerpo al moverse, como las diferentes rutas que puede tomar un estudiante para ir de su casa a la escuela (por el parque, por la avenida principal, etc.). Cada trayectoria tiene un punto inicial, un punto final y una longitud total recorrida.
El desplazamiento, en cambio, es la distancia más corta entre el punto inicial y final del movimiento. Es una línea recta que, además, indica la dirección que los une. La dirección es importante. Los desplazamientos de la casa a la escuela y de la escuela a la casa son opuestos. Tienen la misma longitud, pero dirección contraria.
En resumen, para ir de un punto a otro existen diferentes trayectorias, pero el desplazamiento será la distancia neta, medida en línea recta, entre los dos puntos. El desplazamiento es vectorial.
Velocidad y rapidez
Además de analizar la trayectoria y el desplazamiento de un móvil debemos conocer la velocidad con que se mueve, ya que éste puede tardar más o menos tiempo en recorrer la misma distancia.
Se llama velocidad a la relación existente entre el desplazamiento de un móvil y el tiempo que tarda dicho desplazamiento.
Podemos utilizar el lenguaje de las matemáticas para expresar la velocidad. En este caso usamos la siguiente ecuación:
Donde d es la distancia recorrida, expresada en metros (m) t es el tiempo empleado por el móvil para desplazarse, expresado en segundos (s). Y v es la velocidad media que alcanza el móvil, expresada en metros por segundo (m/s).
Por ejemplo, si un móvil tarda 3 segundos en recorrer 6 metros sobre una recta, decimos que su velocidad es de 2 metros por segundo.
Aunque, atendiendo al SI (Sistema Internacional de Unidades) la velocidad de un móvil se mide en metros por segundo, en la vida diaria, se emplean otras unidades de velocidad, como los conocidos «kilómetros por hora» Así, cuando afirmamos que la velocidad de un automóvil es de 60 kilómetros por hora (se escribe 60 km/h) queremos decir que el automóvil recorre 60 kilómetros en una hora.
¿Cuál es la diferencia entre velocidad y rapidez?
Cuando estudiamos el movimiento de los cuerpos, vemos que tanto la velocidad como la rapidez, se calculan con la misma fórmula y con las mismas unidades. Pero, mientras la rapidez es solo el módulo o cantidad numérica, que mide la distancia recorrida en cada unidad de tiempo, la velocidad, además, debe indicar la dirección y el sentido del movimiento.
Una cosa es decir que un bus se mueve a 60 Km/h, y otra, decir que su velocidad es de 60 Km/h hacia el norte. Como veremos ahora, la rapidez es una cantidad escalar pero la velocidad es una cantidad vectorial.
Cantidad escalar y cantidad vectorial
Si una persona te preguntara por la ubicación de un lugar, y le dices: está a un kilómetro. Seguramente, la persona confundida, volverá a preguntar: ¿un kilómetro hacia dónde? En este caso, una respuesta completamente clara sería: un kilómetro hacia el norte, por ejemplo.
En física, hay muchos fenómenos para los cuales, no es suficiente con citar la cantidad, sino que además, debe citarse la dirección y el sentido en que ocurren. Estas cantidades se llaman vectoriales. Su representación se denomina vector. Se pueden representar con flechas, o con expresiones que indiquen dirección o sentido. La velocidad, el desplazamiento, las fuerzas y la aceleración, entre otros, son cantidades vectoriales. La figura 2, muestra una cantidad vectorial con magnitud (2N) y orientación (30°). La flecha es importante porque indica el sentido.
Por otra parte, las cantidades que no requieren de aclarar su dirección y sentido, se denominan escalares. La masa, el tiempo y la densidad, por ejemplo, son escalares.
La aceleración y el movimiento de los cuerpos
Un móvil puede cambiar su velocidad. Por ejemplo, durante un segundo puede recorrer una distancia menor o mayor que la que recorrió en el segundo anterior o que la que recorrerá en el siguiente segundo.
Se llama aceleración de un movimiento a la relación que existe entre la velocidad alcanzada por un móvil y el tiempo que éste tarda en alcanzarla. Podemos definir la aceleración con ayuda de la siguiente ecuación matemática:
Donde v es la velocidad alcanzada, expresada en metros por segundo (m/s), t es el tiempo utilizado para alcanzarla; expresado en segundos (s) y a es la aceleración, expresada en metros por segundo al cuadrado (m/s2)
Cuando un móvil aumenta o disminuye su velocidad se produce una aceleración; se habla entonces de aceleración positiva y de aceleración negativa, respectivamente. La aceleración es positiva cuando la velocidad aumenta, y negativa cuando la velocidad disminuye. Así, si decimos que la aceleración de un móvil es de -3 m/s2, estamos indicando que su velocidad disminuye» en 3 m/s por cada segundo que recorre. Si decimos que la aceleración de un móvil es de 3 m/s2 estamos indicando que su velocidad aumenta en 3 m/s, por cada segundo que recorre.
Si un objeto se mueve en línea recta con velocidad constante, su aceleración es cero.
La inercia y el movimiento de los cuerpos
Definida por Galileo Galilei, la inercia es la tendencia de los cuerpos a permanecer en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme.
Si un cuerpo está en reposo, es necesaria la acción de una fuerza sobre él, para ponerlo en movimiento. Si un cuerpo se mueve en línea recta y velocidad constante, lo hará indefinidamente, o hasta que una o más fuerzas se lo impidan. La inercia es la razón por la cual nos movemos hacia adelante en un vehículo que frena bruscamente. Tendemos a mantener la velocidad con la que veníamos. La figura 3 muestra la tendencia de los cuerpos a mantenerse en reposo (izquierda) o a mantenerse en movimiento (derecha)
Taller de lectura
- ¿Qué es cinemática?
- ¿Cómo se clasifica el movimiento de los cuerpos?
- ¿Cómo se define la posición de un cuerpo?
- ¿A qué se le llama móvil?
- ¿Por qué se dice que el movimiento es relativo?
- ¿Qué es trayectoria?
- ¿Qué es desplazamiento?
- ¿A qué se le llama velocidad?
- ¿Qué ecuación se utiliza para expresar la velocidad?
- ¿Qué representan las letras (d, t, v) en la ecuación de velocidad? ¿En qué unidades se expresa cada una?
- ¿Cuál es la diferencia entre velocidad y rapidez?
- ¿Cuál es la diferencia entre cantidad escalar y cantidad vectorial? Dé 2 ejemplos de cada una.
- ¿A qué se le llama aceleración?
- ¿Cuándo se produce una aceleración?
- ¿Cuál es la ecuación matemática que ayuda a definir la aceleración?
- ¿Qué representan las letras (v, t, a) en la ecuación de aceleración? ¿En qué unidades se expresa cada una?
- ¿Cuándo la aceleración es positiva y cuando es negativa?
- ¿Qué es inercia? Dé un ejemplo.