¿Qué es un movimiento?

La cinemática es una rama de la física que se ocupa de los objetos en movimiento. Abarca el estudio del movimiento de pequeñas masas como puntos, objetos, así como un grupo de objetos sin tener en cuenta los factores que causan su movimiento, por ejemplo, las fuerzas aplicadas sobre él. La cinemática también se puede denominar como la geometría del movimiento . La cinemática implica la evaluación de expresiones matemáticas para estudiar y analizar diferentes aspectos del movimiento, como la velocidad, la aceleración, el desplazamiento, el tiempo y la trayectoria.

La rama de la física que se ocupa del movimiento de los objetos materiales en consideración de los factores físicos que los afectan, es decir, la fuerza, la masa, el impulso y la energía, se conoce como Dinámica.

¿Qué es el movimiento?

El cambio de posición de una persona con respecto al tiempo puede denominarse movimiento. Cualquier objeto en movimiento se puede visualizar a simple vista determinando el cambio en las coordenadas posicionales y luego asociándolo a través del ojo del observador arbitrario. El movimiento se puede calcular en términos de los vectores de posición, es decir, el desplazamiento, la distancia y teniendo en cuenta los factores de velocidad, es decir, la velocidad, la aceleración, la velocidad y el tiempo.  

Por ejemplo, se puede suponer que una bola de resorte unida a un extremo de una barra que se balancea en diferentes marcos de tiempo está en movimiento. 

Cinemática de la trayectoria de una partícula

La trayectoria se conoce como la trayectoria curva seguida por un objeto con respecto a su movimiento en consideración de la gravedad. También puede denominarse movimiento de proyectil . Las ecuaciones cinemáticas se utilizan para analizar y calcular efectivamente la trayectoria seguida por partículas u objetos. Los cálculos de trayectoria involucran las derivaciones usando cantidades físicas consideradas relevantes para el movimiento de una partícula, incluyendo, masa m, posición r, velocidad v, aceleración a.

Por ejemplo, un objeto de masa m que se mueve con una distancia r es testigo de un cambio en la distancia denominado dr. Por tanto, la velocidad (v) se denomina cambio de distancia con respecto al tiempo y viene dada por:

v = dr / dt

Y la aceleración (a) se conoce como el cambio en la velocidad de un objeto con respecto al tiempo. La aceleración puede ser positiva, negativa o incluso cero y viene dada por:

a = dv / dt

Reposo: Se dice que cualquier objeto está en una posición de reposo si no hay cambio en su posición (distancia, desplazamiento) con el tiempo, con respecto a un punto de referencia. El cuerpo no sufre ninguna modificación en su posición, orientación y patrón cuando está en estado de reposo.

Factores que afectan el movimiento de un objeto

Hay cuatro factores principales que afectan el movimiento de los objetos enumerados y discutidos a continuación:

1. Distancia (d)
2. Desplazamiento(s)
3. Velocidad (v)
4. Tiempo (t)

Distancia

La distancia se utiliza para referirse a la longitud completa del camino entre dos puntos sucesivos cualesquiera. La distancia es una cantidad escalar, con solo magnitud y sin dirección asociada. Por lo tanto, la distancia es siempre de naturaleza positiva. La distancia de un cuerpo proporciona la información descriptiva de la ruta que sigue un objeto de un punto a otro. Dado que la distancia entre dos puntos es equivalente a la longitud del camino, se puede medir en diferentes trayectorias, es decir, caminos lineales o en zigzag. La distancia se indica con el símbolo ‘d’. 

Distancia = Velocidad × Tiempo

o 

re = v × t

Por ejemplo, la distancia entre los puntos A y B es de 5 cm en la siguiente figura. 

Desplazamiento

El desplazamiento es la longitud directa del camino mínimo entre dos puntos sucesivos cualesquiera. El desplazamiento, por lo tanto, puede referirse al desplazamiento como una cantidad vectorial, con una magnitud y una dirección asociadas. El desplazamiento de un objeto entre dos puntos cualesquiera se considera positivo, negativo e incluso cero. El desplazamiento es independiente de la trayectoria y sólo depende de la posición inicial y final del cuerpo. Por lo tanto, no proporciona información completa sobre la ruta. El desplazamiento siempre se indica con una flecha. Se denota por ‘s’. 

Desplazamiento = Velocidad × Tiempo

o 

s = v × t

Velocidad

La velocidad se puede definir como la tasa de cambio de posición de un objeto que se mueve en cualquier dirección. La velocidad se mide como la relación entre la distancia recorrida por un objeto y el tiempo total para cubrir esta distancia. La velocidad de un cuerpo se considera una cantidad escalar, con solo magnitud y sin dirección asociada.

Velocidad = Distancia / Tiempo

o 

v = d / t

La unidad de velocidad en diferentes sistemas es diferente como se muestra a continuación:

sistema CGS	cm/segundo
sistema SI	milisegundo

La fórmula dimensional para la velocidad es [ML1T ^-1 ].

Tiempo

El tiempo es un importante marco de referencia para evaluar el cambio de estado y movimiento de los objetos. Se hace referencia al tiempo como el intervalo durante el cual cualquier objeto sufre modificaciones en su movimiento, orientación y estructura. El criterio de evaluación de que ha pasado el tiempo es la modificación en cualquier objeto. La unidad SI para el tiempo es el segundo, abreviado s. 

El tiempo y el movimiento son interdependientes el uno del otro. Todos los cuerpos en movimiento cambian su posición y orientación con el tiempo. El tiempo y el movimiento son conceptos coexistentes. Sin tiempo, no habría cambio. Y sin ningún movimiento en los objetos, no se podía visualizar el tiempo. Ningún concepto de tiempo puede existir sin movimiento. Por lo tanto, la cantidad de cambio de tiempo se calibra por comparación con un estándar. 

Por ejemplo, si consideramos un reloj de pulsera, tiene tres manecillas: una manecilla de segundos, una manecilla de minutos y una manecilla de horas, que se mueven alrededor de la esfera. El segundero se mueve rápidamente y, por lo tanto, su movimiento es fácilmente perceptible. El movimiento de la manecilla de las horas y los minutos no es fácilmente visible sin concentración. Es visible un par de veces. Esto se debe a que cuando un cuerpo se mueve, su posición cambia con el tiempo. 

La fórmula dimensional para el tiempo es [M ⁰ L ⁰ T ¹ ].

Tipos de movimiento

Según la física y la mecánica, hay principalmente cuatro categorías de movimiento, es decir

1. Movimiento rotatorio
2. Movimiento oscilatorio
3. Movimiento lineal
4. Movimiento recíproco

Movimiento rotatorio

El tipo de movimiento en el que el objeto es testigo de la rotación alrededor de un eje fijo como un patinador artístico que gira en una pista de hielo. Esto tiene en cuenta la dinámica de los cuerpos rígidos, es decir, los objetos con una masa definida y que mantienen una forma rígida. El radio de movimiento del objeto no cambia en este escenario. El movimiento de rotación es completamente análogo a la dinámica lineal o de traslación. La mayoría de las ecuaciones de la mecánica de los objetos giratorios se consideran equivalentes a las ecuaciones de movimiento para el movimiento lineal. 

Ejemplos:  

• Rotación de la manecilla de los minutos y la manecilla de las horas en el reloj
• Rotación del ventilador de techo
• Apertura y cierre de la puerta

Movimiento oscilatorio

El movimiento oscilatorio es un tipo de movimiento repetitivo, que ocurre cuando el objeto repite el mismo movimiento una y otra vez. El cuerpo en consideración sigue balanceándose de un lado a otro en torno a su posición media. El movimiento oscilatorio pone un objeto en movimiento constante. Sin embargo, la presencia de fuerzas de fricción y equilibrio eventualmente detiene el movimiento de los objetos llevándolos a un estado de equilibrio. 

Ejemplos:

• un columpio oscilante
• El movimiento de un péndulo
• Un bote que se balancea arriba y abajo de un río
• el diapasón

Movimiento lineal

El movimiento lineal es el movimiento natural de un objeto: moverse en línea recta. De acuerdo con la Primera Ley del Movimiento de Newton, un objeto que no se vea afectado por ninguna fuerza continuará indefinidamente en línea recta. Si un proyectil se lanza verticalmente, viajará en movimiento lineal y comenzará a caer cuando la fuerza de la gravedad sea igual a la fuerza del lanzamiento.

Ejemplo:

• Un atleta que corre 100 m por una pista recta.
• Un automóvil que se mueve en una carretera recta.

El movimiento lineal que depende de la trayectoria del movimiento se divide de la siguiente manera

(1) Movimiento rectilíneo: cuando requerimos solo un eje de coordenadas junto con el tiempo para describir el movimiento de una partícula, se dice que está en movimiento lineal o rectilíneo. Algunos ejemplos de movimiento lineal son un desfile de soldados, un tren que se mueve en línea recta y muchos más.

Ejemplos:

• El uso de ascensores en lugares públicos es un ejemplo de movimiento rectilíneo.
• Las fuerzas gravitatorias que actúan sobre objetos que resultan en caída libre son un ejemplo de movimiento rectilíneo.
• Los niños que se deslizan por un tobogán tienen un movimiento rectilíneo.
• El movimiento de los aviones en el cielo es un movimiento rectilíneo.

(2) Movimiento curvilíneo: El movimiento curvilíneo se define como el movimiento que ocurre cuando una partícula viaja a lo largo de una trayectoria curva. La trayectoria curva puede ser en dos dimensiones (en un plano), o en tres dimensiones. Este tipo de movimiento es más complejo que el movimiento rectilíneo (en línea recta).

Ejemplos:

• Lanzar la pelota al aire de forma curva,
• El movimiento de un jet en una trayectoria curva.
• convertir un coche
• Planetas girando alrededor de la órbita.

Movimiento recíproco

El movimiento alternativo, también denominado movimiento alternativo, es un movimiento lineal repetitivo hacia arriba y hacia abajo o hacia adelante y hacia atrás. Cada par de movimientos opuestos que forman parte de un solo ciclo alternativo se denominan carreras. El movimiento circular se puede transformar fácilmente en un movimiento alternativo y viceversa, utilizando una manivela. 

Ejemplos:

• Combustión interna en motores y bombas.
• Expansión del combustible quemado en los cilindros
• Movimiento en la bobina del altavoz
• Movimiento de la aguja en una sastrería
• Timbre de timbre eléctrico.

Los tipos de movimiento según el estado de movimiento son:

1. Movimiento uniforme
2. Movimiento no uniforme

Movimiento uniforme

El movimiento unidimensional de un objeto donde viaja con velocidad uniforme a lo largo de la trayectoria se llama movimiento uniforme. Dado que el cuerpo recorre distancias iguales en intervalos de tiempo iguales, la velocidad del cuerpo permanece constante. La velocidad de un objeto permanece igual durante todos los marcos de tiempo, la velocidad promedio del objeto es equivalente a su velocidad real. El objeto no alcanza aceleración en el caso de movimiento uniforme. Por ejemplo, un automóvil que recorre 20 km en la primera hora, 20 km en la hora siguiente, y así sucesivamente durante todo su movimiento.

Ejemplos:

• Las manecillas del reloj recorriendo distancias iguales.
• Un automóvil que va a lo largo de una carretera recta y nivelada a una velocidad constante.
• Un avión que vuela a una velocidad constante en el aire.

Movimiento no uniforme

El movimiento unidimensional de un objeto en el que viaja con una velocidad variable a lo largo de la trayectoria se denomina movimiento no uniforme. Como el cuerpo recorre distancias desiguales en intervalos iguales de tiempo, la velocidad del cuerpo permanece modificada. La velocidad de un objeto cambia durante los marcos de tiempo, la velocidad promedio puede ser diferente de su velocidad real. El objeto alcanza la aceleración o desaceleración en el caso de un movimiento no uniforme. Por ejemplo, un automóvil que recorre 20 km en la primera hora, 30 km en la hora siguiente, y así sucesivamente. Continuando con una velocidad variable a lo largo de su movimiento.

Ejemplos:

• Una persona de carreras.
• Una pelota que rebota a diferentes intervalos.
• Dos coches chocando entre sí

Los tipos de movimiento según las direcciones son:

1. Movimiento unidimensional
2. Movimiento bidimensional
3. Movimiento tridimensional

Movimiento unidimensional

Siempre que cualquiera de los tres espacios de coordenadas que representan la posición del objeto sufre algún cambio (forma, velocidad, distancia) con respecto al tiempo, ese movimiento se denomina movimiento unidimensional o movimiento unidimensional.

Ejemplos:

• El movimiento de un bloque de acero en línea recta,
• Objeto en caída libre por efecto de la gravedad.
• Un hombre caminando por un carril recto

Movimiento bidimensional

Cada vez que cualquier par de los tres espacios de coordenadas que representan la posición del objeto sufre algún cambio (forma, velocidad, distancia) con respecto al tiempo, ese movimiento se denomina movimiento bidimensional o movimiento bidimensional.

Ejemplos:

• Movimiento de un tren a lo largo de una vía en zigzag.
• La rotación de los planetas alrededor del sol.

Movimiento tridimensional

Siempre que los tres espacios de coordenadas que representan la posición del objeto sufren algún cambio (forma, velocidad, distancia) con respecto al tiempo, ese movimiento se denomina movimiento tridimensional. El cuerpo tiende a moverse dentro de una estructura plana. 

Ejemplos:

• Objetos que vuelan en caminos arbitrarios en el cielo.
• El movimiento de los átomos dentro de una molécula de gas.

Problemas de muestra

Problema 1: Defina el movimiento de traslación. 

Solución:

El movimiento de traslación es el movimiento por el cual un cuerpo se desplaza de un punto del espacio a otro. El movimiento de traslación abarca tanto el movimiento rectilíneo como el curvilíneo de los objetos. Cada componente del cuerpo se mueve a través de la misma porción en el caso de estos movimientos. Por ejemplo, una bala disparada a través de un arma. 

Problema 2: Diferenciar entre movimiento periódico y no periódico.

Solución:

Las diferencias entre movimiento periódico y no periódico son:

Movimiento periódico	Movimiento no periódico
Se sigue una ruta repetitiva durante un intervalo de tiempo específico.	Se puede seguir una ruta aleatoria durante un intervalo de tiempo específico.
La siguiente posición del objeto se puede adivinar mediante cálculos.	No se puede adivinar la siguiente posición del objeto.
Ejemplo: movimiento oscilatorio	Ejemplo: movimiento de vehículos

Problema 3. ¿Diferenciar entre movimiento curvilíneo y movimiento rectilíneo?

Solución:

La diferencia entre el movimiento curvilíneo y el movimiento rectilíneo son:

Movimiento curvilíneo	Movimiento rectilíneo
Cuando un objeto que se mueve en movimiento de traslación sigue una trayectoria curva.	Un objeto que se mueve en movimiento de traslación opta por una trayectoria en línea recta.
La velocidad del objeto cambia con el cambio de dirección.	El cuerpo viaja con velocidad uniforme.
Ejemplo: Una piedra lanzada al aire	Ejemplo: un tren que se mueve en una vía recta o un automóvil que se mueve en una carretera recta

Problema 4: ¿Puede el movimiento ser absoluto? 

Soluciones : 

El movimiento se describe en términos de velocidad, desplazamiento, tiempo y aceleración. Dado que no existe un marco de referencia absoluto, la estimación del movimiento no puede ser absoluta. 

Problema 5. Una persona A viaja de Delhi a Mumbai a una velocidad de 30 km/h y regresa a una velocidad creciente de 120 km/h en 5 horas. Calcule la distancia total recorrida por la persona A.

Soluciones:

Ya que, sabemos, 

La distancia recorrida es constante.

Por lo tanto, 

El tiempo empleado será inversamente proporcional a la Velocidad. 

La relación de velocidades se da como 30:120, es decir, 1:4

Por lo tanto,

La relación de tiempo empleado será opuesta, en la relación de 4: 1.  

Ahora, 

Tiempo total tomado = 5 horas. 

Por lo tanto, Distancia = 30 × 4 = 120 km