Autor Tema: Velocidad media de trayectoria de hormiga

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27 Febrero, 2022, 11:24 am
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bernardo fisica

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Supongamos que una hormiga recorre una trayectoria semicircular de radio \( r = 6 \) cm en 4 segundos, entonces :

a) ¿cuál sería su velocidad media?.

b) ¿cuál sería su velocidad instantánea?.

27 Febrero, 2022, 12:34 pm
Respuesta #1

JCB

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Hola a tod@s.

La velocidad media en módulo sobre la trayectoria o celeridad media es \( v_m=\dfrac{e}{t}=\dfrac{\theta r}{t}=\dfrac{3\pi}{2}\ cm/s \)

La velocidad instantánea queda indeterminada, puede ser cualquiera. Para determinarla, se debería conocer con qué expresión varía el vector posición en función del tiempo.

\( \vec{v_i}=\dfrac{d\vec{r}}{dt} \)

Nota: me había confundido de tema, y había dado respuesta en otro, pero ya la he borrado. Disculpad la confusión.

Editado: Gracias Richard.

Saludos cordiales,
JCB.
"Lo consiguieron porque no sabían que era imposible", autor: Jean Cocteau.

27 Febrero, 2022, 12:42 pm
Respuesta #2

Richard R Richard

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Me da la sensación  Bernardo de que no has digerido nada de lo explicado, pero veamos si con números se te aclara.
Primero que nada sin más aclaraciones y tomando, como puntos inicial y final del vector desplazamiento a los extremos de la semicircunferencia , tomando centro en el origen (0,0) y la posición inicial en (6,0) fácilmente se ve que la posición final es (-6,0)


Entonces la velocidad media es
\( \overline{\vec v}=\dfrac{(-6,0)-(6,0)}{4-0}=(-3,0) m/s\color{blue}=-3m/s\,\vec i+0m/s\,\vec j= -3m/s\,\vec i\color{black} \)  agregado posteriormente
aunque haya recorrido \( \pi r \) centimetros en 4 segundos , la velocidad media depende e las posiciones iniciales y finales del tramo que analices


Como  veo que el tema se ha movido a otro hilo y que te han dado solución lo dejo aqui y lo continuo luego.
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

27 Febrero, 2022, 12:49 pm
Respuesta #3

Masacroso

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Supongamos que una hormiga recorre una trayectoria semicircular de radio \( r = 6 \) cm en 4 segundos, entonces :

a) ¿cuál sería su velocidad media?.

b) ¿cuál sería su velocidad instantánea?.

He puesto esta pregunta en otro tema diferente porque, aunque relacionada, me parecía que era suficientemente diferente para tener su propio tema, ¡lo siento JCB! Gajes del oficio, aunque ya todo parece estar bien.

Sobre la pregunta, en verdad tal y como la planteas no tiene una respuesta única porque hay infinitas trayectorias que recorren un semicírculo de radio 6cm en 4 segundos. Sin embargo hay una sola donde la rapidez (que es el módulo del vector velocidad) es constante, que es lo que se denomina un movimiento circular uniforme (MCU). Los MCUs tienen parametrizaciones del tipo \( r(t)=(c_1+R \cos (at+b),c_2+R \operatorname{sen}(at+b)) \) donde \( R \) sería el radio del arco y \( (c_1,c_2) \) el centro de la circunferencia que describe ese arco. En el caso que nos ocupa, si fuese un MCU, puede parametrizarse como

\( \displaystyle{
r:[0,4]\to \mathbb{R}^2,\quad t\mapsto (6 \cos (\pi t/4), 6 \operatorname{sen}(\pi t/4))
} \)

A partir de ahí, y considerando que es un MCU, puedes hallar lo que te piden, que con lo discutido en el tema anterior deberías ya de ser capaz de calcularlo por tí mismo.

Nota: observar que, debido a que en este caso la trayectoria no es una línea recta, el módulo de la velocidad media es diferente de la rapidez media, la primera es igual a \( 3\mathrm{cm/s} \) y la segunda es \( \tfrac{3\pi}{2} \mathrm{cm/s} \).

27 Febrero, 2022, 01:20 pm
Respuesta #4

Richard R Richard

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Bien  ahora que veo donde estoy contestando  ;D   y que tienes respuesta similar

mi desarrollo para la velocidad instantánea sería  que puedes calcular su rapidez es decir su modulo , de varias formas

  • la longitud total de la trayectoria dividir el tiempo empleado en es caso que su modulo sea constante \( |v|=\dfrac{\pi r}{4}=4.71 m/s \)
  • sabiendo que su velocidad angular es constante calculas el modulo de la velocidad angular \( |\omega|=\dfrac{\theta_f-\theta_i}{4}=\dfrac{\pi-0}{4}=\dfrac{\pi}{4}m/s=0.785 rad/s \) y luego mutiplicas por el modulo del radio \( |v|=|\omega|\cdot|r|=0.785\cdot 6=4.71m/s \)
  • o bien puede ser el caso en que  tanto la velocidad instantánea ni la angular sean constantes , para lo cual deberás presentar una función matemática dependiente del tiempo para halla el modulo de la velocidad o rapidez , pero  como viene planteado el problema  no es el caso.
Una vez que hemos supuesto de la rapidez es constante , ahora lo que nos tienes que decir y no indicas es en que punto de la trayectoria o en que instante de tiempo entre 0 y 4 quieres calcular la velocidad instantánea usan  la formula que traje del hilo anterior,

\( \vec v=\dfrac{\partial \vec r_{(t)}}{\partial t}=(-\rho\omega\sin(\omega t),\rho\omega\cos(\omega t))  \)

reemplazando por el modulo de la velocidad instantánea o  rapidez
 
\( \vec v=(-|v|\sin(\omega t),|v|\cos(\omega t))  \)
 
reemplazando valores  sabiendo que \( |v|=\frac32\pi=4.71m/s \)
 
\( \vec v=(-\dfrac32\pi\sin\left(\dfrac{\pi}4 t\right),\dfrac32\pi\cos\left(\dfrac32\pi t\right))  \)


cuando elijas un tiempo t entre 0 y  4 tendrás definido el vector  en modulo , dirección y sentido de la velocidad instantánea.

ejemplo en el instante \( t=2s \)

\( \vec v=(-\dfrac32\pi\sin\left(\dfrac{\pi}4 2\right),\dfrac32\pi\cos\left(\dfrac{\pi}4 2\right))  \)

\( \vec v=(-\dfrac32\pi\sin\left(\dfrac{\pi}2\right),\dfrac32\pi\cos\left(\dfrac{\pi} 2\right))  \)

 \( \vec v=(-\dfrac32\pi \cdot 1,\dfrac32\pi \cdot 0)  \)

\( \vec v=(-4.71 ,0)m/s  \)
Saludos
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

27 Febrero, 2022, 09:25 pm
Respuesta #5

feriva

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Supongamos que una hormiga recorre una trayectoria semicircular



El monigote verde de la esquina superior va hacia abajo (signo menos) y la derecha (singo más) a velocidad constante y en línea recta. El signo de la tangente es entonces menos/más=menos; su velocidad es negativa. El recorrido es en línea recta (y el tiempo es el que tarde en recorrerlo).

El monigote azul de al lado va hacia arriba (signo más) y hacia la izquierda (signo menos) la tangente es negativa, luego la velocidad es negativa.

El monigote negro no va ni hacia arriba ni hacia abajo, pero se mueve hacia la izquierda (menos) su velocidad es negativa. Y análogamente el monigote rojo, pero hacia el otro lado, su velocidad es positiva.

Si recorren menos espacio, el tiempo se acorta proporcionalmente manteniendo la misma razón; luego da igual que recorran un metro que un milímetro, que caminen un minuto o un segundo... su velocidad no cambia. No cambia, además, porque tampoco cambia la dirección y el sentido de sus vectores en ningún momento; son igualmente constantes. Por ello, la velocidad media y la instantánea coinciden, son la misma en el caso del MRU.

...
Corrijo y añado aclaración

Digamos que el monigote verde de abajo va a la misma velocidad media que el de arriba. Entonces el recorrido es distinto, es curvo, pero de la misma longitud. Él mueve los pies igual de deprisa y el vector desplazamiento va en la misma dirección y sentido que antes; la del vector verde entre el punto de salida y llegada.
La velocidad media en este caso no va a asociada a un solo vector, sino a muchos y con distintas direcciones y sentidos. Sin embargo, su valor está signado (a través de los cambios en la dirección) y desde este punto de vista es una magnitud vectorial.

Sin embargo, durante ese recorrido, va cambiando de dirección según la tangente a la curva. Hay un momento en el que, cuando comienza a andar, va hacia la derecha y sube (o al menos no baja, esto es claro, luego velocidad positiva) y después empieza a bajar mientras sigue yendo hacia la derecha; ahí aparecen ya tangentes negativas... y con ellas velocidad negativa.

Luego el signo de la velocidad instantánea depende de en qué zona se encuentre en un cierto instante, no ocurre como en el MRU, que daba igual.

Saludos.

27 Febrero, 2022, 10:34 pm
Respuesta #6

Richard R Richard

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El monigote verde de la esquina superior va hacia abajo (signo menos) y la derecha (singo más) a velocidad constante y en línea recta. El signo de la tangente es entonces menos/más=menos; su velocidad es negativa. El recorrido es en línea recta (y el tiempo es el que tarde en recorrerlo).

Hola feriva, las componentes vectoriales de la velocidad tienen signo positivo si van en el sentido del positivo del sistema de referencia y  signo negativo si van en contra, el módulo de esa velocidad es positivo siempre sin importar el sistema de referencia . si \( \theta \) es 315 o -45  entonces en un sistema de referencia con el angulo positivo a contrareloj , positivo a derecha y también hacia arriba

\( \vec v =|v|(\cos\theta,\sin\theta)=|v|(\cos(-45),\sin(-45))=|v|(\dfrac{1}{\sqrt2},-\dfrac{1}{\sqrt2})=(\dfrac{|v|}{\sqrt 2},-\dfrac{|v|}{\sqrt 2}) \)

El monigote azul de al lado va hacia arriba (signo más) y hacia la izquierda (signo menos) la tangente es negativa, luego la velocidad es negativa.
para el azul \( \theta =120 \)

\( \vec v =|v|(\cos\theta,\sin\theta)=|v|(\cos(120),\sin(120))=|v|(-\dfrac{1}{2},\dfrac{\sqrt3}{2})=(-\dfrac{|v|}{2},\dfrac{|v|\sqrt3}{2}) \)


El monigote negro no va ni hacia arriba ni hacia abajo, pero se mueve hacia la izquierda (menos) su velocidad es negativa. Y análogamente el monigote rojo, pero hacia el otro lado, su velocidad es positiva.
para el negro \( \theta=180 \) o pi
\( \vec v =|v|(\cos\theta,\sin\theta)=|v|(\cos(180),\sin(180))=|v|(-1,0)=(-|v|,0) \)


y para el rojo \( \theta=0 \)
\( \vec v =|v|(\cos\theta,\sin\theta)=|v|(\cos(0),\sin(0))=|v|(1,0)=(|v|,0) \)

Si recorren menos espacio, el tiempo se acorta proporcionalmente manteniendo la misma razón; luego da igual que recorran un metro que un milímetro, que caminen un minuto o un segundo... su velocidad no cambia. No cambia, además, porque tampoco cambia la dirección y el sentido de sus vectores en ningún momento; son igualmente constantes. Por ello, la velocidad media y la instantánea coinciden, son la misma en el caso del MRU.

Si claro en un MRU el vector velocidad media entre cualquier par de puntos coincide, sí, con la velocidad instantánea, de cualquier punto.

Digamos que el monigote verde de abajo va a la misma velocidad media   rapidez que el de arriba. Entonces el recorrido es distinto, es curvo, pero de la misma longitud. Él mueve los pies igual de deprisa y en la misma dirección y sentido que antes; la del vector verde entre el punto de salida y llegada.

Sin embargo, durante ese recorrido, va cambiando de dirección según la tangente a la curva. Hay un momento en el que, cuando comienza a andar, va hacia la derecha y sube (o al menos no baja, esto es claro, luego velocidad positiva) y después empieza a bajar mientras sigue yendo hacia la derecha; ahí aparecen ya tangentes negativas... y con ellas velocidad negativa.

Luego el signo de la velocidad instantánea depende de en qué zona se encuentre en un cierto instante, no ocurre como en el MRU, que daba igual.

Saludos.
Todo este hilo trata de la diferencia entre los conceptos que he marcado, el limite de la velocidad media cuando la separación entre dos puntos tiende a cero es la velocidad instantánea (digamos en un punto) y su modulo es la rapidez.
La rapidez nunca es negativa,
Las componentes de la velocidad media en un trayecto, no tienen porque coincidir con la velocidad instantánea. En MRU si coinciden
Los signos de la velocidad  dependen del sistema de referencia escogido.


Si la trayectoria es una circunferencia entera , cuanto vale el vector desplazamiento, ... entonces cual es la velocidad media independientemente del tiempo mayor a cero que se tome transitarla?, cual será la rapidez de ese movimiento?.

Saludos
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

27 Febrero, 2022, 11:35 pm
Respuesta #7

feriva

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Si la trayectoria es una circunferencia entera , cuanto vale el vector desplazamiento, ... entonces cual es la velocidad media independientemente del tiempo mayor a cero que se tome transitarla?, cual será la rapidez de ese movimiento?.

Saludos

Pues el módulo del vector desplazamiento es cero, se vuelve al mismo sitio (siempre que no haya una traslación, un movimiento helicoidal).

Si el movimiento es antihorario, supongo que se tomará \( \dfrac{2\pi r}{t}
  \) y si es horario, negativa. La rapidez será \( |\dfrac{2\pi r}{t}|
  \).

La verdad es que hay cosas que no recuerdo bien.

Gracias, Richard.

Saludos.

27 Febrero, 2022, 11:48 pm
Respuesta #8

Richard R Richard

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Pues el módulo del vector desplazamiento es cero, se vuelve al mismo sitio (siempre que no haya una traslación, un movimiento helicoidal).
Hala  fijate que si el vector desplazamiento es cero, la velocidad media será cero, no importa si fue a la china y volvió, si no se desplazó no hay velocidad media, solo interesa la diferencia de posición entre los puntos final e inicial del recorrido... así es la definición de velocidad media el vector desplazamiento sobre el tiempo de recorrido.

pero si podemos calcular la rapidez (ya me había equivocado) que puede ser distinta de cero en cualquier punto de la trayectoria, tu correctamente lo calculas así como dices


La rapidez será \( |\dfrac{2\pi r}{t}|
  \).


la dirección de la velocidad instantánea sera tangente a la trayectoria en todos sus puntos, tendrá componentes negativas o positivas según concuerden o no con el sistema de referencia, además en un MCU la rapidez será constante.
Me he corregido varias veces... creo ahora esta correcto.

Saludos
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

28 Febrero, 2022, 07:17 am
Respuesta #9

feriva

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Pues el módulo del vector desplazamiento es cero, se vuelve al mismo sitio (siempre que no haya una traslación, un movimiento helicoidal).
Hala  fijate que si el vector desplazamiento es cero, la velocidad media será cero, no importa si fue a la china y volvió, si no se desplazó no hay velocidad media, solo interesa la diferencia de posición entre los puntos final e inicial del recorrido... así es la definición de velocidad media el vector desplazamiento sobre el tiempo de recorrido.

Tienes razón. Entonces, ¿podría valer decir que el módulo es \( 0^{+}
  \) ó \( 0^{-}
  \) según el movimiento? Bueno, no, qué digo, el módulo no tiene signo menos.

Yo es que no sé bien y además no me acuerdo, sólo me paseé por la facultad de físicas para ver cómo eran las aulas y poco más, los físicos sois vosotros; cualquier cosa que diga mal me lo decís y lo corrijo.

Muchas gracias, Richard.

Saludos.