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Velocidad

Concepto de velocidad y rapidez

La velocidad puede definirse como la cantidad de espacio recorrido por unidad de tiempo con la que un cuerpo se desplaza en una determinada dirección y sentido. Entonces es una magnitud vectorial al depender del desplazamiento (\(\Delta\vec{r}\)), es decir de los puntos inicial y final del movimiento. Por tanto, la velocidad tendrá el sentido y la dirección del desplazamiento, podrá ser positiva o negativa dependiendo del sentido de movimiento del móvil. 

Matemáticamente la velocidad media vectorial, \(\vec{v_m}\) se define como: \[\boxed{\vec{v_m} = \frac{\Delta\vec{r}}{\Delta t}}\] Su valor numérico se obtendrá calculando el módulo de nuestro vector.

En función de sus vectores unitarios \(\vec{i}\) y \(\vec{j}\) la velocidad media vectorial vendrá dada por: \[\vec{v_m} = v_x\vec{i} + v_y\vec{j}\] Esta expresión se obtiene de dividir el vector desplazamiento \(\Delta\vec{r}\) entre el tiempo.

Ejemplo: Si la ecuación del vector desplazamiento es \(\Delta\vec{r}=6\vec{i}+9\vec{j}\) dado en metros y el cuerpo se ha desplazado durante 3 segundos, la velocidad media vectorial será: \[ \vec{v_m}=\frac{6\vec{i}+9\vec{j}}{3} = 2\vec{i} + 3\vec{j}  \frac{m}{s}\]

Si reordenamos la ecuación vectorial puede expresarse como: \[\Delta\vec{r} = \vec{v_m}.\Delta t\] Si consideramos que el tiempo inicial es cero, recuerda \(\Delta t= t_f-t_o\), nos quedará: \[\Delta\vec{r}=\vec{v_m}.t_f\] o bien, \[\boxed{\vec{r_f}-\vec{r_o} = \vec{v_m}.t_f}\]

Rapidez

Mira las siguientes imágenes:

velocidadvelocidad

Las dos cigüeñas parten del mismo punto, A,  y tardan idéntico tiempo en llegar al mismo punto, C, pero la trayectoria descrita es distinta, es decir recorren distintas distancias, pero los puntos inicial y final son los mismos (idéntico desplazamiento), por tanto, la velocidad media vectorial es la misma para las dos cigüeñas aunque la rapidez de la primera cigüeña ha sido mayor.

La  rapidez (velocidad media escalar)  de un cuerpo que se mueve entre dos puntos A y C se define como el cociente entre el espacio recorrido y el intervalo de tiempo en que transcurre el movimiento, por tanto, la rapidez es una magnitud escalar, y se mide sobre la trayectoria. No da ninguna información sobre el sentido y la dirección del movimiento. Siempre es positiva. Su expresión viene dada por: \[\boxed{v_m= \frac{\text{espacio recorrido (e)}}{\Delta t \text{(tiempo empleado)}}}\]

 La velocidad vendrá expresada en el Sistema Internacional en m/s. Sin embargo, con frecuencia se suele utilizar el Km/h.

Cinematik3D

Actividad

Mira la siguiente imagen de un ciclista que empieza su recorrido en el punto A y termina en el punto D. la distancia está medida en km y el tiempo en minutos:

velocidad

  1. Determina la posición del ciclista en cada punto respecto el origen de coordenadas (punto rojo).
  2. Calcula el vector desplazamiento \(\vec{AB}\), \(\vec{BC}\) y \(\vec{CD}\). Observa que es un movimiento unidimensional y la coordenada y  valdrá cero. Los puntos serán de la forma (x, 0).
  3. Escribe la ecuación vectorial de la velocidad, km/h, para cada uno de los tramos indicados en el apartado b.
  4. Calcula el valor de la velocidad, en Km/h, (módulo) para cada uno de los tramos anteriores.
  5. Obtén el valor de la velocidad media vectorial y compáralo con la rapidez del mismo.

Ponte a prueba

1) El movimiento de un ciclista, que sigue una trayectoria rectilínea, viene determinado por la siguiente gráfica:

 gráfica movimiento

a) La posición inicial del ciclista.
b) La posición, el desplazamiento y el espacio recorrido cuando t = 10 s.
c) La posición, el desplazamiento y el espacio recorrido cuando t = 30 s.
d) La velocidad en cada tramo de la gráfica.
e) La velocidad media (rapidez) a lo largo de todo el recorrido y su velocidad media vectorial. ¿Coinciden ambas velocidades?

2) Un coche, que parte del origen, circula a una velocidad de 60 km/h durante 1 hora y 15 minutos, después se para durante 30 minutos y luego regresa hacia el punto de partida a una velocidad de 10 m/s durante 45 minutos. Halla:

a) La posición final en km.
b) El espacio total recorrido.
c) La velocidad media (rapidez), en Km/h, a lo largo del recorrido.
d) Haz una gráfica, como la del ejercicio anterior, en la que se describa este movimiento.

3) Observa el movimiento de la mariposa desde el punto A hasta el B, en la figura adjunta y resuelve los retos que se te presentan. Al no especificarse unidades en la gráfica, trabajamos en el sistema internacional.mariposa

  1. Identifica la posición inicial y final de la mariposa.
  2. Plantea la ecuación vectorial del vector de posición inicial y final.
  3. ¿A qué distancia del origen se encuentra inicialmente? ¿Y al final?
  4. Calcula el vector desplazamiento e identifica su ecuación vectorial
  5. ¿Qué desplazamiento ha realizado la mariposa?
  6. ¿Qué distancia ha recorrido, observa que la trayectoria es una semicircunferencia?
  7. Suponiendo que tardó  10 segundos en ir de A hasta B, ¿qué velocidad media vectorial alcanzó?
  8. Calcula la rapidez de la mariposa. ¿Coincide con el valor anterior? Explica tu respuesta.