Qué es el movimiento relativo: ejemplos, conceptos exhaustivos, problemas, preguntas frecuentes

 

¿Qué es el movimiento relativo?

El movimiento relativo es el movimiento entre dos cuerpos que interactúan definido como

"El movimiento del cuerpo se mueve con respecto a otro cuerpo que se está moviendo o en reposo, conocido como movimiento relativo entre ambos cuerpos que interactúan".

Ejemplos de movimiento relativo

Tomemos uno de los ejemplos que explican el significado del movimiento relativo entre dos cuerpos.

Suponga que viaja con otros pasajeros en un tren que se mueve a 40 km / h. ¿Ha notado que parece inmóvil a los demás pasajeros? Pero si alguien lo ve desde el exterior del tren, su movimiento le parecerá similar a la velocidad del tren.

La teoría del movimiento relativo nos ayudará a comprender por qué estos movimientos parecen diferentes para diferentes observadores.

Explica qué es el movimiento relativo con ejemplos y problemas
Ejemplos que ilustran "¿Qué es el movimiento relativo?"

Todos los movimientos tienen distintas apariencias o perspectivas, ya que los vemos desde diferentes marcos. Por lo tanto, siempre que dos cuerpos interactúan, esos marcos diferentes describen el movimiento entre los cuerpos que interactúan como un "movimiento relativo". 

¿Qué es la teoría del movimiento relativo?

¿El movimiento es una media relativa?

Cuando dos cuerpos en movimiento interactúan entre sí, podemos decir que su movimiento es relativo. Pero la siguiente pregunta es 'relativo a quien?', 

El movimiento de dos cuerpos en movimiento puede parecer diferente para diferentes observadores en función de los fotogramas que observaron. Por lo tanto, su movimiento es relativo a los marcos del observador.

¿Por qué el movimiento es relativo?

El movimiento relativo es la estimación del movimiento del cuerpo con respecto a otros objetos en movimiento o estacionarios. Eso significa que el movimiento no se determina con referencia a la tierra sino con el otro cuerpo en movimiento en la tierra.
Para comprender el movimiento del cuerpo en movimiento, debemos observarlo desde marcos específicos, para decir que el movimiento del cuerpo es relativo a ese marco.

Dejemos en claro que al definir el 'movimiento relativo', las tres cosas que debemos considerar:

  • dos cuerpos que interactúan
  • movimientos de los cuerpos
  • el marco del observador

Movimiento absoluto vs movimiento relativo

Movimiento absolutoMovimiento relativo
Cuando se observa el movimiento del cuerpo desde un punto fijo, se dice que es movimiento absoluto.Cuando no hay un punto fijo para observar el movimiento del cuerpo, se dice que es un movimiento relativo.
La posición del cuerpo no varía con el tiempo.La posición del cuerpo varía con el tiempo.

Explica qué es el movimiento absoluto y relativo con el ejemplos?

Vehículos en movimiento:

Suponga que está parado al costado de la carretera y observa a todos los demás vehículos que pasan. Aquí, usted es el observador y su posición no cambia.

Por tanto, el movimiento de los vehículos es fotometría absoluta) ya que la posición del observador no cambia con el tiempo.

Pero cuando viaja en un automóvil, observa cómo pasan otros vehículos desde la ventana del automóvil. Es posible que haya notado que los vehículos pasan lentamente junto a usted; aunque conozca sus velocidades reales, son muy altas.

Esto ocurre debido a su movimiento relativo entre su automóvil y otros vehículos a medida que la posición del observador cambia con el tiempo.

El reposo y el movimiento son términos relativos que se explican con ejemplos.

Cuando la posición del cuerpo no varía con el tiempo, decimos que el cuerpo está en 'descansar'. Mientras que la posición del cuerpo varía con el tiempo, decimos que el cuerpo está en 'movimiento'.

El cambio en la posición del cuerpo depende de su entorno. O, para ser más específicos, el resto del cuerpo y el estado de movimiento se determinan con respecto a su entorno.

El libro en la mesa:

La posición del libro sobre la mesa no cambia con respecto a la mesa en sí. Entonces aquí, podemos decir que el libro está en resto o estacionario con respecto a la mesa. 

Pero cuando alguien tomó el libro y se alejó de la mesa, la posición del libro cambió. Entonces ahora podemos decir que el libro está en movimiento o se mueve con respecto a la mesa.

El reposo y el movimiento son relativos como el cuerpo en reposo con respecto a otro cuerpo que podría estar en movimiento con respecto a otro cuerpo.

Persona en un globo aerostático:

Para tener más certeza sobre esta afirmación, consideremos el caso de que esté parado en el suelo y observe a otra persona que viaja en un globo aerostático.

Aquí, la persona que viaja en el globo aparece en movimiento con respecto a ti o al suelo. Pero la misma persona está en reposo con respecto al globo en movimiento.

¿Qué relación tiene el descanso y el movimiento?

La posición de un objeto se relaciona con su estado de reposo y movimiento de la siguiente manera:

  • Si un observador está en reposo o estacionario con respecto a su marco de referencia, ese observador debe estar en movimiento hacia el marco de referencia de otro observador.
  • Si ambos observadores no están en reposo o estacionarios entre sí, obtienen resultados diferentes.
  • Según el marco de referencia o la perspectiva del observador, tanto el reposo como el movimiento están relacionados.

Movimiento relativo y marco de referencia

El concepto de marco de referencia se introdujo para discutir el movimiento relativo entre dos cuerpos. Al definir la velocidad específica del cuerpo en movimiento, nos referimos a la velocidad con respecto a un marco o perspectiva particular como marco de referencia.

En el ejemplo de los pasajeros de un tren, decimos que los pasajeros que viajan en el tren se mueven con respecto a la tierra. Por tanto, el marco de referencia es la tierra.
Pero cuando consideramos el universo exterior donde la tierra gira alrededor del sol en su órbita, el marco de referencia es el sistema solar.

¿Qué es el significado del marco de referencia?

El marco de referencia o los marcos de referencia se pueden definir como

"Un conjunto de sistemas de coordenadas que ilustran el movimiento relativo entre dos cuerpos que interactúan midiendo su posición, velocidad y aceleración". 

  • Un conjunto de tres coordenadas (x, y, z) especifica el movimiento de un cuerpo en el espacio.
  • Un conjunto de tres coordenadas (x, y, z, t) especifica el movimiento de un cuerpo en cualquier evento.
El observador O, en este marco usa las coordenadas (x, y, z, t) para describir un evento de espacio-tiempo, mostrado como una estrella. (Credito de imagen: Wikipedia)

Dependiendo del movimiento de un objeto, el marco de referencias posee dos grupos como:

  1. Marco de referencia inercial 
  2. Marcos de referencia no inerciales

Marco de referencia inercial versus marco de referencia no inercial

Marco de referencia inercialMarco de referencia no inercial
El marco de referencia donde permanece el cuerpo descansa o se mueve linealmente con movimiento constante a menos que actúen fuerzas externas sobre él.Un marco de referencia que se mueve en movimiento rotativo o lineal con otros marcos de referencia inerciales.
Las leyes del movimiento de Newton sobre un objeto son válidas.Las leyes del movimiento de Newton sobre un objeto no son válidas.
La aceleración del cuadro es cero.La aceleración del cuadro no es cero.

Movimiento relativo en 1D y 2D

Tomemos los ejemplos de movimiento relativo que explican los conceptos de movimiento relativo en una y dos dimensiones.

Dirección del coche en movimiento:

Mientras viaja en el automóvil, cuando mira por la ventana, ve otros vehículos que corren en la misma dirección y con el mismo movimiento junto a su autobús. Dado que el movimiento relativo entre ustedes con respecto a esos vehículos es cero, cree que esos vehículos no se están moviendo. Pero cuando ve un árbol inmóvil o postes de luz con respecto al suelo, percibe que se está moviendo hacia usted.
Estas percepciones son el resultado de problemas de movimiento relativo entre dos cuerpos, y usted es el observador en este caso.

Explica qué es el movimiento relativo en una dimensión.

Dado que el movimiento es unidimensional, dos cuerpos se mueven en línea recta en la misma dirección o en la opuesta. Primero introducimos el movimiento relativo entre dos cuerpos que interactúan en una dimensión.

Velocidad relativa en movimiento unidimensional

Tomemos el caso de un hombre que viaja en un tren hacia Occidente. Elegimos Oeste como la dirección de la posición y la Tierra como marco de referencia. Así que abordamos la velocidad del tren en movimiento con respecto a la Tierra como VTE, donde el subíndice TW apunta al 'Tren a la Tierra'.

El hombre camina hacia el este dentro del tren, que muestra la velocidad del hombre como VMT relativo al marco de referencia del tren en movimiento. Tenga en cuenta que el valor de la velocidad VMT es negativo ya que el hombre se mueve en la dirección opuesta al tren.

¿Qué es el movimiento relativo en fórmulas de una dimensión?

Las fórmulas de movimiento relativo en una dimensión se pueden obtener sumando los dos vectores de velocidad. Por tanto, la velocidad del hombre relativa a la tierra VME es dado por,

\ vec V_ {ME} = \ vec V_ {MT} + \ vec V_ {TE} …………… .. (1)

¿Qué es la fórmula de movimiento relativo?

Matemáticamente, la fórmula de movimiento relativo entre dos cuerpos que interactúan es la diferencia vectorial entre sus velocidades.

Si V1 es la velocidad del cuerpo 1 y V2 es la velocidad de otro cuerpo 2.

La velocidad relativa del cuerpo 1 que se mueve con respecto a 2 es

V12 V =1 - V2 ………………….(A)

De manera similar, la velocidad relativa del cuerpo 2 que se mueve con respecto a 1 es

V21V =2 - V1 ……………….(B)

La velocidad relativa entre los cuerpos 1 y 2 que interactúan es la velocidad del cuerpo 1 que aparece a un observador en el cuerpo 2 y viceversa.

Explica qué es el movimiento relativo con ejemplos y problemas
Fórmulas de movimiento relativo en una dimensión

Explica qué es el movimiento relativo en dos dimensiones.

Apliquemos el concepto de describir el movimiento de dos cuerpos que interactúan en dos dimensiones. Considere un punto P como una partícula en movimiento y S y S 'como dos marcos de referencia.

¿Qué es el triángulo de movimiento relativo?

El triángulo de movimiento relativo es una figura triangular, que ilustra el movimiento relativo entre los cuerpos en dos dimensiones.

Explica qué es el movimiento relativo con ejemplos
Triángulo de movimiento relativo
(Credito de imagen: Lumenlearning)

Derivar la ecuación de movimiento relativo para el problema de dos cuerpos

Según la figura del triángulo de movimiento relativo, la posición medida del marco S 'con respecto al marco S es \ vec r_ {S'S}, mientras que la posición de la partícula P con respecto al marco S 'es \ vec r_ {PS '} y con respecto al marco S es \ vec r_ {PS}

De la figura del triángulo de movimiento relativo, obtenemos

\ vec r_ {PS} = \ vec r_ {PS '} + \ vec r_ {S'S}

Las velocidades de la partícula y los marcos de referencia son derivadas en el tiempo de sus vectores de posición, por lo tanto,

\ vec V_ {PS} = \ vec V_ {PS '} + \ vec V_ {S'S}

La ecuación anterior dice que

La velocidad relativa entre la partícula P y el marco S es igual a la suma de las velocidades relativas entre la partícula P y el marco S ', y ambos marcos S' y S.

Veamos cómo las aceleraciones de la partícula P a dos marcos de referencia, S 'y S:

\ vec a_ {PS} = \ vec a_ {PS '} + \ vec a_ {S'S}

Aquí, vemos que si la velocidad relativa entre el cuadro S 'y S es constante, \ vec a_ {S'S} = 0. Por lo tanto, el

\ vec a_ {PS} = \ vec a_ {PS '}

Análisis de movimiento relativo

  • El movimiento relativo comprende todos los aspectos de los movimientos, como la velocidad, la rapidez o la aceleración.
  • Para describir el movimiento del cuerpo, los marcos de referencia deben especificarse en términos de posición, velocidad y aceleración del cuerpo.
  • El movimiento relativo del cuerpo se observa desde un marco de referencia particular y varía con respecto a la elección del marco de referencia.
  • Cuando ambos marcos de referencia, S y S ', se mueven relativamente a una velocidad constante, las aceleraciones de los cuerpos observados desde ambos marcos de referencia son iguales.

¿Cómo se relacionan el tiempo de posición y el movimiento?

El gráfico de posición-tiempo muestra la relación entre el movimiento y la posición del cuerpo al ilustrar cuánto se mueve de una posición a otra en un tiempo determinado.

La pendiente del gráfico de posición-tiempo calcula el movimiento del cuerpo.

Gráfico de posición-tiempo

Gráfico de posición-tiempo

La velocidad promedio del cuerpo en movimiento es igual al cambio en su posición por correspondiente cambio en el tiempo.

Aquí, un cambio en la posición está representado por Δs, y Δt representa un cambio en el tiempo.

Por lo tanto,

v = \ triángulo s / \ triángulo t ………………… (2)

A partir de la fórmula de la velocidad promedio, podemos derivar las diversas ecuaciones de movimiento.

La primera ecuación de la derivación de movimiento da la relación entre

Derivemos la primera ecuación de movimiento que da la relación entre velocidad y tiempo.

La aceleración del cuerpo en movimiento es igual al cambio en su velocidad por el correspondiente cambio en el tiempo.

a = \ triángulo v / \ triángulo t ………………… (3)

Expandamos Δv a vv0 y condensar Δt a t. 

Donde v0 es la velocidad inicial del cuerpo y v es la velocidad final del cuerpo.

a = v-v_ {0} / t ……… .. (4)

Resolvamos la ecuación anterior para v en función de t.

v = v_ {0} + en ……… .. (5)

La ecuación (5) se conoce como primera ecuación de movimiento en términos de relación velocidad-tiempo.

La segunda ecuación de la derivación de movimiento da la relación entre

Derivemos la segunda ecuación de movimiento que da la relación entre posición y tiempo.

Expanda Δs a ss0 y condensar Δt a t. 

Por lo tanto, la ecuación (2) se convierte en

v = s-s_ {0} / t ……… .. (6)

Resolviendo la ecuación anterior en términos de posición, obtenemos

s = s_ {0} + vt ……… .. (7)

Según el Regla de Merton,

"Cuando la tasa de cambio de cualquier cantidad física es constante, el valor promedio de esa cantidad física es la mitad de sus valores inicial y final".

v = (v + v _ {_ {0}}) / 2 ……… .. (8)

Sustituir el ecuación de movimiento (5) en la ecuación anterior (8) y simplificar eliminando v, obtenemos

v = [(v_ {0} + en) + v_ {0}] / 2 lo que da,

v = v_ {0} + en / 2 ……… .. (9)

Sustituyendo la ecuación (9) en ecuación (7) para eliminar v, 

s = s_ {0} + (v_ {0} + en / 2) \ ast t

Finalmente, 

s = s_ {0} + (v_ {0} t + en ^ {2} / 2) ……… (10)

Escribe la ecuación de movimiento en términos de relación de posición y tiempo

El cambio de posición (ss0) se llama desplazamiento Δs. 

Por lo tanto, la ecuación (10) se convierte en

\ triangle s = v_ {0} t + en ^ {2} / 2 ……… .. (11)

La ecuación (11) se conoce como segunda ecuación de movimiento en términos de relación posición-tiempo.

¿Cómo se relacionan el movimiento lineal y el movimiento angular?

Movimiento lineal vs movimiento angular

Movimiento linealMovimiento angular
Es un movimiento de traslación del cuerpo en una trayectoria recta de una posición a otra.Es un movimiento de rotación del cuerpo alrededor de un eje del centro en una dirección circular.
La unidad es metros por segundo.La unidad es radianes por segundo.
Desplazamiento lineal denotado como 's'Desplazamiento angular denotado como 'θ'
La velocidad lineal se denota como "v"Velocidad angular denotada como "w"
Aceleración lineal denotada como "a"Aceleración angular denotada como "α"
Movimiento lineal y angular
Movimiento lineal vs movimiento angular
(Credito de imagen: Mc graw hill)

Relación entre movimiento lineal y angular

Podemos sustituir las cantidades angulares en fórmulas de movimiento lineal para obtener fórmulas de movimiento angular.

La ecuación (2) se puede reescribir como,

w = \ triángulo \ theta / \ triángulo t ……………. (12)

Multiplicando ambos lados por el radio r obtenemos,

rw = r \ triángulo \ theta / \ triángulo t

El término rΔθ representa la distancia total (Δs = ss0) recorrida por el cuerpo que se mueve en un círculo de radio r.

rw = \ triángulo s / \ triángulo t

Observe que la ecuación del lado derecho es la fórmula de la velocidad lineal (v).

Por lo tanto, la relación entre la velocidad lineal y la velocidad angular se puede escribir como,

rw = v

¿Cómo se relacionan el movimiento circular uniforme y el movimiento armónico simple?

Significado de movimiento circular uniforme

  • Cuando el cuerpo gira o gira con un movimiento constante a lo largo de una trayectoria circular, se dice que el cuerpo está en 'Movimiento circular uniforme (UCM)'.
  • Cuando el cuerpo define un movimiento circular, su dirección cambia continuamente y la distancia total recorrida por el cuerpo desde el centro del eje permanece fija en todo momento.

Significado del movimiento armónico simple

  • Es un tipo especial de movimiento periódico del cuerpo en el que se mueve de un lado a otro repetidamente con movimientos variables sobre la posición media.
  • Una fuerza restauradora que actúa sobre el cuerpo responsable de su movimiento periódico de vaivén.

Relación entre movimiento armónico simple (SHM) y movimiento circular uniforme (UCM)

Demostremos un método simple que relaciona el movimiento circular uniforme con el movimiento armónico simple.

Movimiento periódico simple con movimiento circular uniforme
(Credito de imagen: lumenlearning)

La figura muestra que una bola está unida a un plato giratorio vertical que gira en una dirección circular con velocidad angular w. Dado que la fuente de luz se ilumina desde arriba, las sombras de la bola se proyectan sobre el suelo. 

Cuando la bola se mueve en la parte superior de un plato giratorio, sus proyecciones comienzan a moverse hacia la izquierda. Cuando la bola se mueve en la parte inferior de un plato giratorio, sus proyecciones comienzan a moverse hacia la derecha.

Por lo tanto, la pelota se balancea con velocidad v de izquierda a derecha y nuevamente de derecha a izquierda desde la posición x muestra su movimiento de vaivén, que se llama movimiento armónico simple.

La posición de la pelota cuando realiza un movimiento armónico simple:

x = Acos \ theta ……………… (*)

Donde A es la amplitud y θ es el desplazamiento angular de la bola.

Según ecuación (12), \ theta = peso

La ecuación anterior se convierte en,

x = Acoswt

En el movimiento armónico simple, la velocidad angular w es 2π radianes por unidad de un tiempo de revolución.

Es decir, w = 2 \ pi / T

Sustituyendo el valor de w, obtenemos

x (t) = cos (2 \ pi t / T) ……………… (13)

¿Cómo se relacionan la frecuencia y el período en el movimiento armónico simple??

La frecuencia y el período relacionados en los movimientos armónicos simples de la siguiente manera:

Como el movimiento armónico simple es una oscilación repetida,

  • La cantidad total de tiempo necesaria para realizar una oscilación se denomina período T de SHM.
  • Este número de oscilaciones en unidad de tiempo es el movimiento armónico simple frecuencia (F). 

f = 1 / T

Por lo tanto, la ecuación (13) se convierte en

x (t) = cos2 \ pi ft

La ecuación anterior es la misma que la ecuación de SHM.

El movimiento armónico simple (SHM) es la proyección de UCM en una dirección.

¿Cómo se relaciona la inercia con el movimiento?

La inercia es la tendencia natural del objeto a resistir cualquier cambio en su velocidad.

¿Cómo se relaciona la inercia con la primera ley del movimiento de Newton?

Aunque las leyes del movimiento de Newton se ajustan a los marcos de referencia inerciales, Newton nunca definió claramente las teorías de los marcos inerciales. Pero los marcos de referencia inerciales son una consecuencia natural de la primera ley de movimiento de Newton debido a la fuerza externa neta.

Primera ley del movimiento de Newton

"Un objeto permanece en reposo o se mueve con un movimiento constante a menos que haya una fuerza neta actuando sobre él".

Matemáticamente, F = ma

La inercia de un objeto depende de su masa; debe ser superado por una fuerza externa neta (mg) que actúa sobre el objeto para cambiar su velocidad para acelerar el objeto. Cuanto mayor sea la masa del objeto, se requiere una fuerza externa neta más significativa para mover ese objeto.

El concepto de inercia conduce a la idea del marco de referencia inercial en términos de movimiento relativo entre dos objetos en movimiento.

La primera ley del movimiento de Newton que explica la relación entre la inercia de un objeto y su movimiento; también conocida como la 'Ley de la inercia'.

Explicar la primera ley del movimiento de Newton con un ejemplo
La primera ley del movimiento de Newton relaciona la inercia con el movimiento

¿Cómo se relaciona la segunda ley del movimiento de Newton entre la fuerza y ​​la aceleración? 

Segunda ley del movimiento de Newton

"Una fuerza neta que actúa sobre cualquier objeto para cambiar su impulso con el tiempo".

Derivar la relación matemática de la segunda ley de movimiento de Newton

Matemáticamente, la segunda ley de movimiento de Newton se puede escribir como,

F_ {red} = \ triángulo P / \ triángulo t ……… (14)

Donde, ΔP es el cambio en el momento del cuerpo = PP0

P0 es el impulso inicial en el tiempo inicial t0 y P es el impulso final en el tiempo final t del cuerpo

La fórmula del momento es P = mv

Resolviendo el ecuación (14),

F_ {net} = P - P_ {0} / t - t_ {0}

Sustituyendo la fórmula del impulso,

F_ {net} = mv-mv_ {0} / tt ^ {_ {0}}

F_ {net} = m [v-v_ {0} / tt ^ {_ {0}}]

F_ {net} = m [\ triángulo v / \ triángulo t]

Dónde \ triángulo v / \ triángulo t es la aceleración 'a' del cuerpo

Por lo tanto, F_ {net} = ma se puede escribir en términos de aceleración como,

a = F_ {net} / m ……. (15)

La segunda ley del movimiento de Newton relaciona la aceleración del objeto con

Ecuación (15) también la segunda ley del movimiento de Newton que relaciona la fuerza con la aceleración de la siguiente manera:

"La aceleración de un objeto es directamente proporcional a su fuerza neta aplicada al objeto e inversamente proporcional a su masa".

La segunda ley del movimiento de Newton dice que cuando la fuerza externa neta actúa sobre el objeto, provoca un cambio en su velocidad. Este cambio de velocidad con el tiempo se conoce como el objeto se acelera. La aceleración se refiere a ralentizar o acelerar el objeto y cambiar la dirección del movimiento.

Para acelerar el objeto desde el reposo hasta cierta velocidad, necesita una fuerza externa neta. La fuerza externa neta es una suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo en cada dirección particular.

Sin embargo, suponga que el objeto ya está en movimiento. En ese caso, si observamos tal situación desde un marco de referencia inercial en movimiento, el objeto cambia sus movimientos o direcciones en función de las direcciones de la fuerza neta aplicada, y las direcciones de ese objeto y el marco de referencia se mueven entre sí. .

Por lo tanto, La segunda ley del movimiento de Newton también se conoce como la "Ley de la fuerza".

Explicar la segunda ley del movimiento de Newton con un ejemplo
La segunda ley del movimiento de Newton relaciona la aceleración con la fuerza

Relación entre la primera y la segunda ley del movimiento

La primera ley del movimiento de Newton, también reconocida como la ley de la inercia, descubre que cualquier objeto posee una masa particular para oponerse o resistir el cambio en su movimiento. 

Por lo tanto, cualquier objeto con gran inercia dificulta el movimiento o, una vez que se mueven, es difícil detenerlo. Entonces, la inercia del objeto es un factor significativo para determinar la fuerza que puede acelerar ese objeto a una velocidad determinada.

La segunda ley del movimiento de Newton en términos de masa es,

"La La masa de un objeto es directamente proporcional a su fuerza aplicada e inversamente proporcional a su aceleración."

Por lo tanto, cuanto más masivo es el objeto en movimiento, más fuerza neta requiere para moverse y menor aceleración se produce en el objeto masivo. 

Movimiento de pelota de críquet y fútbol americano:

Tomemos el caso de la pelota de cricket y el fútbol. La pelota de cricket tiene una masa interior más grande en comparación con el fútbol. Por lo tanto, cuando pateas una pelota de fútbol y una pelota de cricket, la pelota se moverá más que la pelota de cricket. 

Así es como la segunda ley del movimiento de Newton, también llamada "Ley de la fuerza", se relaciona directamente con la Ley de la inercia, la primera ley del movimiento de Newton.

Descubrimiento de la gravedad

Uno de los hechos famosos de la historia que lleva al descubrimiento de la primera fuerza conocida como “gravedad.

Un joven newton descansaba en la base del manzano. Una manzana le cayó sobre la cabeza y se dio cuenta de que lo que sería una cosa misteriosa es la responsable de que la manzana caiga al suelo.

Descubrimiento de la fuerza de gravedad
Sir Isaac Newton, quien descubrió la primera fuerza

Al observar el movimiento circular de la luna alrededor de la Tierra, Newton descubrió que alguna fuerza natural es responsable de hacer que un objeto caiga hacia el suelo. Eso está llevando al descubrimiento de la fuerza de gravedad, que cambia la forma en que entendemos el universo. El análisis de la fuerza de la gravedad se basó en comprender la relación entre movimiento y fuerza. Luego, también descubrió varios tipos de fuerzas existentes en el universo que causan el movimiento de un objeto. Por lo tanto, la unidad de medida de fuerza también se llama 'Newton'.

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Relacionar fuerza y ​​movimiento

  • Una fuerza se define como "ya sea un empujón o un tirón hacia el objeto que causa el cambio en su movimiento ". 
  • Una moción se define como "el cambio en la posición del objeto en un momento dado cuando se aplica una fuerza ".

De ambas definiciones, está claro que la fuerza afecta el estado de movimiento de cualquier objeto.

Explica cómo las fuerzas se relacionan con el movimiento.

Sir Isaac Newton nos dio la mejor descripción de los vínculos entre la fuerza y ​​el movimiento a través de sus leyes de movimiento. Le da una imagen clara de lo que sucede cuando se aplica una fuerza al objeto que tiene masa.

Combinando declaraciones de la primera y segunda ley del movimiento de Newton, entendemos que,

"Una fuerza desequilibrada requiere acelerar el objeto cambiando su movimiento, y esta cantidad de aceleración del objeto es directamente proporcional a una fuerza desequilibrada e inversamente proporcional a la masa del objeto".

¿Cómo se relacionan la fuerza y ​​el movimiento?

A partir de las leyes del movimiento de Newton, las siguientes conclusiones muestran que la fuerza y ​​el movimiento están relacionados entre sí:

  • Cuando una fuerza neta se aplica al objeto estacionario en una dirección similar, acelera el objeto.
  • Cuando una fuerza neta se aplica al objeto en movimiento en la dirección opuesta, desacelera el objeto.
  • Cuando se aplica una fuerza neta al objeto en movimiento en un ángulo diferente con respecto a la dirección de su movimiento, cambia la dirección de un objeto.
¿Cómo se relacionan la Fuerza y ​​el Movimiento?
Leyes del movimiento de Newton relacionadas con la fuerza con el movimiento

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Explicar cómo se relacionan las fuerzas equilibradas y desequilibradas con el movimiento.

Si dos fuerzas actúan sobre un objeto, una empuja el objeto hacia la izquierda y la otra hacia la derecha. El objeto solo se moverá en tal caso cuando una de las fuerzas sea más fuerte que la otra.

  • Si ambas fuerzas tienen fuerzas diferentes, entonces se dice que son 'fuerzas desequilibradas'que provocan el cambio en el movimiento del objeto.
  • Si ambas fuerzas tienen la misma fuerza, se dice que son las 'fuerzas equilibradas'que no causa el cambio en el movimiento del objeto.
Cómo se relacionan las fuerzas equilibradas y desequilibradas con el movimiento
Fuerzas equilibradas y desequilibradas

¿Cómo se relacionan las Fuerzas y el Movimiento con nuestras vidas?

Cuando recordamos cualquier movimiento, a menudo pensamos en niños corriendo, vehículos en movimiento, aviones volando, etc. Pero en realidad, el movimiento es mucho más que esto. Dado que los diversos tipos de fuerzas naturales siempre actúan sobre cada objeto del universo, están todo el tiempo en movimiento.

La fuerza y ​​el movimiento impactan muchas cosas que hacemos al hacer que las cosas se muevan y se queden quietas. El ejemplo principal es patear la pelota, que es fuerza y ​​hace que la pelota vuele en el aire, que es movimiento. Por eso, para realizar cualquier actividad, la fuerza y ​​el movimiento son cosas esenciales que necesitamos a diario.

Como todos los demás cuerpos en movimiento, el movimiento del cohete está dirigido por las leyes de movimiento de Newton. 

¿Cómo se relacionan los cohetes con la primera ley del movimiento de Newton?

La primera ley del movimiento de Newton explica cómo el cuerpo permanece estacionario o se mueve con movimiento constante, excepto que no hay ninguna fuerza que actúe sobre él.

De manera similar, los cohetes permanecen estacionarios hasta que se aplican fuerzas externas para expulsarlos. Luego, una vez que se proyecta al espacio, se mueve con su velocidad constante hasta que se aplica una fuerza más como el empuje.  

Ejemplo de la primera ley del movimiento de Newton
La 1ra ley del movimiento de Newton relacionada con los cohetes

¿Cómo se relacionan los cohetes con la segunda ley del movimiento de Newton?

La segunda ley del movimiento de Newton se utiliza para comprender que cuanto mayor sea la masa de un objeto, se requiere una fuerza más significativa para acelerar el objeto.

Por lo tanto, al implicar la regla de la segunda ley de movimiento de Newton en el funcionamiento del cohete, el cohete gigante habrá requerido más fuerza vital para acelerar los cohetes. Por lo general, el cohete necesitaba combustible de alrededor de siete libras por cada carga útil que transportaban.

Los científicos de cohetes utilizan la primera y segunda leyes del movimiento de Newton para calcular el empuje (fuerza), que requería acelerar el cohete en una trayectoria planificada.

Ejemplo de la segunda ley del movimiento de Newton
La segunda ley del movimiento de Newton relacionó el cohete

¿Cómo se relacionan los cohetes con la tercera ley del movimiento de Newton?

Tercera ley del movimiento de Newton

"Para cada acción sobre un objeto, hay una reacción igual y opuesta".

Un par de fuerzas actuarán sobre dos objetos que interactúan si uno ejerce una fuerza sobre otro y, a cambio, otro ejerce primero una fuerza igual pero opuesta. Estas fuerzas de pares iguales y opuestos sobre los objetos significan que ambas fuerzas tienen magnitud pero están en direcciones opuestas.

En un motor de cohete, el principio de acción o reacción es importante para la proyección:

  • La quema de combustible a alta temperatura y alta presión produjo un gas de escape caliente que se supone que es la primera fuerza del cohete. Este gas caliente fluye a través del cohete y finalmente acelera el cohete.
  • En reacción, se produce un empuje en el motor, que se supone que es la segunda fuerza que acelera el cohete según la segunda ley de movimiento de Newton.
  • Según establece la tercera ley de Newton, la acción es un gas de escape caliente y la reacción es el empuje necesario para acelerar el cohete.
Ejemplo de la tercera ley del movimiento de Newton
Tercera ley del movimiento de Newton relacionada con los cohetes

¿Cómo se relacionan la energía y el movimiento?

Hay varias energías que existen en diferentes formas en el universo, ya que el movimiento de un objeto es la energía almacenada en ese objeto en movimiento.

Una forma de energía es la energía cinética, correlacionada con el movimiento de un objeto; y otro es la energía potencial, correlacionada con la posición de un objeto.

Relación de la energía cinética con el movimiento

  • Si se trabaja sobre cualquier objeto aplicando una fuerza externa neta, transfiere energía lo que provoca el aumento de su movimiento y, finalmente, gana más energía cinética.
  • El movimiento de las moléculas depende de cómo interactúan de forma más o menos intensa entre sí. Este proceso conduce a la base de la energía cinética del objeto.
  • La energía cinética se almacena en un objeto para todos los movimientos, como lineal, rotación, vibración, traslación o cualquier combinación de movimientos. 
Relación energética con el movimiento
Energía cinética relacionada con el movimiento

Fórmula de energía cinética

La energía cinética del objeto depende tanto de su movimiento como de su masa.

La fórmula de la energía cinética viene dada por,

KE = \ frac {1} {2} mv ^ {2}

Esta fórmula es válida solo para velocidades bajas a relativamente altas. Cuando la velocidad del objeto se acerca a la velocidad de la luz c = 3 x 108 m / s, la teoría de la relatividad entra en escena.

La velocidad tiene valores tanto positivos como negativos, pero la velocidad al cuadrado es siempre positiva. Por tanto, la energía cinética es siempre cero o positiva.

Para aprender sobre la naturaleza de la temperatura asociada con el movimiento de las moléculas, primero, es importante reconocer que la materia consta de varias partículas diminutas que pueden ser átomos o moléculas, o ambos.

Cuando el movimiento aleatorio entre partículas es lento, las partículas forman sólidos. Cuando se aplica una fuerza a los sólidos, las partículas se mueven más rápido y luego se deslizan unas sobre otras, formando un líquido. Cuando tanto los átomos como las moléculas se mueven rápidamente debido a otra fuerza, se desconectan entre sí y forman un gas. Por tanto, el estado de la materia, como sólido, líquido y gas, depende del movimiento de las partículas.

Cómo la temperatura se relaciona con el movimiento
¿Cómo se relaciona la temperatura con el movimiento de partículas?

Aquí, la temperatura es una fuerza externa que cambia el movimiento para cambiar el estado de la materia. Por lo tanto, cuanto más temperatura se proporciona a las partículas, la materia se calienta y luego sus partículas se mueven más rápido. Así es como se relaciona la temperatura con los movimientos aleatorios de las partículas a nivel molecular. 

¿Cómo se relacionan la temperatura y el movimiento molecular?

La energía de las partículas dentro de la materia no tiene la misma energía ya que cambia constantemente debido al cambio en el movimiento a medida que las partículas experimentan la transición de diferentes estados de la materia.

En el gas, el movimiento de las moléculas se realiza a lo largo de una trayectoria recta denominada movimiento molecular. Mientras que en sólidos y líquidos, el movimiento de las partículas es más restringido y solo tienen energía potencial, lo que conduce a complicaciones en las mediciones de energía.

Por lo tanto, la temperatura está estrechamente relacionada con la energía cinética promedio de las moléculas que muestran movimiento molecular. Entonces, por ejemplo, el calor que sentimos cuando tocamos cualquier superficie caliente es la energía cinética transferida por las moléculas de gas al material sólido o líquido que tocamos.

La energía cinética de todas las moléculas en movimiento es proporcional a su movimiento molecular.

Por lo tanto, a medida que aumenta el movimiento de las moléculas en colisión, también aumenta la energía cinética total. Dado que es difícil medir el movimiento molecular de cada molécula de gas, la temperatura puede medir la energía cinética promedio de todas las moléculas de gas.

La relación matemática entre la temperatura y la energía cinética promedio

KE = \ frac {3} {2} \ frac {R} {N_ {A}} T

T es la temperatura del gas, R es la constante universal del gas, NA is El número de Avogadro.

Dado que, el término \ frac {R} {N_ {A}} también se conoce como Constante de Boltzmann KB.

KE = \ frac {3} {2} K_ {B} T

La energía cinética media resultante del movimiento molecular de las moléculas es directamente proporcional a su temperatura.

¿Cómo se relacionan la temperatura, la energía térmica y el movimiento de partículas?

La energía total de la sustancia es la energía total de todas las partículas como átomos y moléculas, y depende del número de partículas, la temperatura y el estado físico.

Aunque la temperatura solo mide la energía cinética promedio de las moléculas, la energía térmica de la sustancia mide la energía total de las partículas dentro de la sustancia. Por tanto, la energía térmica incluye tanto la energía potencial como la energía cinética. Cuanto mayor es el movimiento de las partículas, mayor es la temperatura de la sustancia, por lo que es energía térmica. Por lo tanto, la energía térmica es mayor en el gas debido al movimiento molecular, seguido del líquido y luego del sólido.

¿Cómo se relaciona la energía térmica con el movimiento de las partículas?

El concepto de temperatura relacionado con el movimiento ahora le resulta familiar, pero puede confundir la palabra temperatura con calor. Tenga en cuenta que la temperatura mide qué tan caliente o frío está un objeto con respecto a otro objeto. Por el contrario, el calor transporta la energía de un cuerpo a otro ya que ambos cuerpos tienen diferentes temperaturas. 

La primera ley de la termodinámica dice que “La pérdida o ganancia de energía térmica es proporcional a la cantidad de calor transferido cuando el calor entra o sale de las sustancias”. Por tanto, la medida de los cambios de temperatura de un objeto en contacto con otro; se utiliza para determinar la cantidad de energía térmica transferida entre ellos.

Calor relacionado con el movimiento
¿Cómo se relaciona la energía térmica con el movimiento molecular? (Credito de imagen: web.mit.edu)

Problemas de movimiento relativo

Si dos cuerpos M y N se mueven con la misma velocidad de 50 km / h en direcciones opuestas, calcule la velocidad relativa del cuerpo M con respecto al cuerpo N y la velocidad relativa del cuerpo N con respecto al cuerpo M.

Solución:

Dado:

VM es la velocidad del cuerpo M = 50 km / hr

VN es la velocidad de otro cuerpo N que se mueve en la dirección opuesta = -50 km / hr

Fórmula:

La velocidad relativa del cuerpo 1 que se mueve con respecto a 2 es

V12 V =1 - V2

La velocidad relativa del cuerpo 2 que se mueve con respecto a 1 es

V21V =2 - V1

Cálculo:

La velocidad relativa del cuerpo M que se mueve con respecto a N es

VMN V =M - VN = 50 - (-50) = 100 km / h

La velocidad relativa del cuerpo N que se mueve con respecto a M es

VNM V =M - VN = (-50) - 50 = -100 km / h

Si dos objetos se mueven con el mismo movimiento en direcciones opuestas, entonces su movimiento relativo es igual en magnitud pero de signo opuesto debido a la dirección opuesta.

Si dos cuerpos M y N se mueven con la misma velocidad de 50 km / h en las mismas direcciones, calcule la velocidad relativa del cuerpo M con respecto al cuerpo N y la velocidad relativa del cuerpo N con respecto al cuerpo M.

solución:

Dado:

VM es la velocidad del cuerpo M = 50 km / hr

VN es la velocidad de otro cuerpo N que se mueve en la misma dirección = 50 km / hr

Fórmula:

La velocidad relativa del cuerpo 1 que se mueve con respecto a 2 es

V12 V =1 - V2

La velocidad relativa del cuerpo 2 que se mueve con respecto a 1 es

V21V =2 - V1

Cálculo:

La velocidad relativa del cuerpo M que se mueve con respecto a N es

VMN V =M - VN = 50 - 50 = 0

La velocidad relativa del cuerpo N que se mueve con respecto a M es

VNM V =M - VN = 50 - 50 = 0

Si dos objetos se mueven con el mismo movimiento en direcciones exactas, el movimiento relativo entre ellos es cero.

Los pasajeros viajan en el avión que vuela a 250 m / s hacia el oeste con respecto al aire. La velocidad del aire es de 35 m / s que fluye hacia el sur con respecto al suelo. ¿Cuál es la velocidad del avión y su ángulo con respecto al suelo?

Solución:

Dado:

La velocidad del avión en relación con el aire VPA = 250 m / s

La velocidad del aire relativa al suelo VAG = 35 m / s

Fórmula:

La velocidad del avión en relación con el suelo VPG es igual a la suma de la velocidad del avión en relación con el aire VPA y la velocidad del aire relativa al suelo VAG.

Matemáticamente está escrito como,

VPG V =PA + VAG

Cálculo:

Dado que el avión se mueve hacia el oeste y el aire fluye hacia el sur, las direcciones del avión y del aire son perpendiculares.

En tal caso, dibujemos un diagrama de triángulo de movimiento relativo para resolver este problema.

Diagrama de triángulo de movimiento relativo

Según el diagrama de triángulo de movimiento relativo, la magnitud de la velocidad del avión con respecto al suelo se puede obtener utilizando el pitagórico Teorema:

V ^ {2} _ {PG} = V ^ {2} _ {PA} + V ^ {2} _ {AG}

V_ {PG} = \ sqrt {V ^ {2} _ {PA} + V ^ {2} _ {AG}}

V_ {PG} = \ sqrt {250 ^ {2} + 35 ^ {2}}

V_ {PG} = 252 m / s

Para encontrar el ángulo del avión con respecto al suelo, usamos el funciones trigonométricas,

Desde el triángulo de movimiento relativo,

tan θ = triángulo lado opuesto / triángulo lado adyacente

tan \ theta = \ frac {V_ {AG}} {V_ {PA}}

\ theta = tan ^ {- 1} [\ frac {V_ {AG}} {V_ {PA}}]

\ theta = tan ^ {- 1} [\ frac {35} {250}]

\ theta = 8 ^ {\ circ}

El avión vuela en un ángulo de 80 con una velocidad de 252 m / s con respecto al suelo.


Ejercicios de movimiento relativo

Una bicicleta que corre por la carretera a una velocidad de 80 km / h pasa a un camión que viaja a una velocidad de 60 km / h. ¿Cuál es la velocidad de la bicicleta con respecto al punto de vista del conductor del camión? 

Respuesta: 30 km / h

Un autobús viaja a 50 m / s hacia el este y un pasajero en el autobús camina hacia el oeste a 5 m / s. ¿Cuál es la velocidad de un pasajero en cuestión al suelo?

Respuesta: -45 km / h

Un automóvil 'M' corre a una velocidad de 40 m / s hacia el norte. Además, el auto 'N' corre hacia el sur con una velocidad de 60 m / s al lado del auto 'M'. 

1) Si el automóvil 'N' está circulando en la dirección opuesta al automóvil 'M', calcule la velocidad relativa al automóvil 'M' con respecto al automóvil 'N'.

2) Suponga que ambos coches van hacia el norte. es decir, en la misma dirección, luego calcule la velocidad relativa al automóvil 'M' con respecto al automóvil 'N'.

Respuesta: 100 m / sy -20 m / s


PREGUNTAS FRECUENTES

¿Cómo podemos decir que el cuerpo es movimiento relativo o no?

Respuesta: El movimiento relativo es la estimación del movimiento del cuerpo con respecto a otros objetos en movimiento o estacionarios.

Por lo tanto, cuando el cuerpo se mueve con respecto a otro cuerpo que se está moviendo o en reposo, se dice que el movimiento del cuerpo es un movimiento de relación con respecto a otro cuerpo.

Dos objetos están en movimiento relativo. ¿Es posible o no que uno de ellos tenga movimiento real?

Respuesta: Todo el movimiento es relativo. Cuando ambos objetos están en movimiento relativo, eso significa que se mueven entre sí.

Por lo tanto, no existe tal movimiento llamado "movimiento real".

¿Cuál es la diferencia entre movimiento relativo y movimiento absoluto?

ans: La diferencia entre movimiento relativo y movimiento absoluto es,

La posición de cualquier objeto no cambia con el tiempo en movimiento absoluto, y cambia con el tiempo en movimiento relativo. 

¿Cuál es el movimiento relativo de la galaxia en el universo?

Respuesta: Según la ley de Hubble, las galaxias del universo se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia entre ellas. 

Por tanto, cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias voladoras, mayor será el movimiento relativo entre ellas. 

¿En qué dos medidas estarán siempre de acuerdo dos observadores en movimiento relativo?

Respuesta: Ambos observadores siempre coinciden en las siguientes dos medidas: 

  • El intervalo espacio-temporal: Es la longitud de la línea recta entre dos situaciones en el espacio y el tiempo.
  • La velocidad de la luz: Es la velocidad máxima a la que puede moverse toda la materia y su energía en el universo.

Sobre Manish Naik

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