Cuál es la aceleración radial que experimenta un clasto bien redondeado que cae de una ladera y adquiere una velocidad de 10 m/s al llegar a una caleta horizontal toma una curva de 25 m de radio
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De la definición de radián (unidad natural de medida de ángulos) obtenemos la relación entre el arco y el radio. Como vemos en la figura, el ángulo se obtiene dividiendo la longitud del arco entre su radio
Derivando s=rq respecto del tiempo, obtenemos la relación entre la velocidad lineal y la velocidad angular
La dirección de la velocidad es tangente a la trayectoria circular, es decir, perpendicular a la dirección radial
Aceleración tangencialDerivando esta última relación con respecto del tiempo obtenemos la relación entre la aceleración tangencial at y la aceleración angular.
Un móvil tiene aceleración tangencial, siempre que el módulo de su velocidad cambie con el tiempo.
Aceleración normalEl cálculo de la componente normal de la aceleración es algo más complicado. La aceleración normal está relacionada con el cambio de la dirección de la velocidad con el tiempo. En un movimiento circular uniforme no existe aceleración tangencial ya que le módulo de la velocidad no cambia con el tiempo, solamente cambia su dirección y por tanto, tiene aceleración normal.
Supongamos un móvil que describe un movimiento circular uniforme.
En el instante t la velocidad del móvil es v, cuyo módulo es v, y cuya dirección es tangente a la circunferencia.En el instante t' la velocidad del móvil v', que tiene el mismo módulo v, pero su dirección ha cambiado.Calculemos el cambio de velocidad Dv=v’-v que experimenta el móvil entre los instantes t y t', tal como se ve en la figura. El vector Dv tiene dirección radial y sentido hacia el centro de la circunferencia. Los triángulos de color rojo y de color azul de la figura son isósceles y semejantes por lo que podemos establecer la siguiente relación
Donde la cuerda Δs es el módulo del vector desplazamiento entre los instantes t y t'
Dividiendo ambos miembros entre el intervalo de tiempo Dt=t'-t
Cuando el intervalo de tiempo Dt tiende a cero, la cuerda Ds se aproxima al arco, y el cociente ds/dt nos da el módulo de la velocidad v del móvil,
La aceleración normal an tiene dirección radial y sentido hacia el centro de la circunferencia que describe el móvil y su módulo viene dado por una u otra de las expresiones siguientes:
Esta es la deducción más elemental de la fórmula de la aceleración normal que se basa en la identificación de la longitud del arco entre dos puntos de la circunferencia con la cuerda que pasa por dichos puntos, cuando ambos puntos están muy próximos entre sí. Una deducción alternativa se proporciona en la página titulada "Deducción alternativa de las fórmulas de la aceleración tangencial y normal"
Resumiendo
La dirección de la velocidad de un móvil en movimiento circular es tangente a la circunferencia que describe.Un móvil tiene aceleración tangencial at siempre que cambie el módulo de la velocidad con el tiempo. El sentido de la aceleración tangencial es el mismo que el de la velocidad si el móvil acelera y es de sentido contrario, si se frena. Un móvil que describe un movimiento circular uniforme no tiene aceleración tangencial.Un móvil que describe un movimiento circular siempre tiene aceleración normal, an ya que cambia la dirección de la velocidad con el tiempo. La aceleración normal tiene dirección radial y sentido hacia el centro de la circunferencia que describe.La aceleración del móvil se obtiene sumando vectorialmente ambas componentes de la aceleración.Ejemplo
Una rueda de r=0.1 m de radio está girando con una velocidad de ω0=4π rad/s, se le aplican los frenos y se detiene en 4s. Calcular
La aceleración angular
ω=ω0+αtEn el instante t=4 s la velocidad angular ω=0α=-π rad/s2El ángulo girado hasta este instante esEn el instante t=1 s, la posición y la velocidad angular del móvil es
θ=7π/2=2π+3π/2 radω=4π+(-π)·1=3π rad/sLa velocidad linealv=ω·r v=0.3π m/sLa componente tangencial de la aceleración esat=α·r at=-0.1π m/s2La componente normal de la aceleración esan=v2/r an=0.9π2 m/s2
Movimiento de una bicicletaUna bicicleta de montaña dispone de tres platos y siete piñones de distinto radio lo que proporciona 21 cambios de marcha al ciclista.
Supondremos que el ciclista hace girar al plato con velocidad angular constante w1. ¿Cuál es la velocidad v que adquiere el ciclista sobre la bicicleta?.
Supondremos que conocemos los datos relativos a la bicicleta:
Radio del plato seleccionado, r1Radio del piñón seleccionado, r2Radio de la rueda trasera, raRadio de la rueda delantera, rbAunque en la mayor parte de las bicicletas los radios de ambas ruedas son iguales, en algunas como las de competición contra-reloj son diferentes como en la simulación más abajo.
La figura representa un plato y un piñón unidos por una cadena. No es necesario saber Cinemática para establecer una relación entre sus respectivas velocidades angulares, y concluir que las velocidades angulares son inversamente proporcionales a sus radios respectivos.