Cinemática

En este artículo se expondrá el concepto básico de la cinemática, con ejemplos que puedan ayudar a comprender mejor el estudio del movimiento, aparte de los tipos de movimientos que hay y su clasificación.

Definición de cinemática

La cinemática es la rama de la física y parte de la mecánica que estudia el movimiento de un cuerpo sin considerar las causas (fuerzas) que lo producen. En cinemática si hay causantes de un movimiento pero solo a nivel de aceleraciones o velocidades, por ejemplo, para mover una carretilla de supermercado es necesario que una persona la empuje con cierta fuerza para poder moverla, pero en este estudio las causantes del movimiento son las aceleraciones o velocidades que son producidas por la fuerza.

El objetivo principal de la cinemática es estudiar la trayectoria de un cuerpo en movimiento, esto con el fin de poder predecir la posición de un móvil en un instante en concreto, pero aunque la trayectoria es lo principal, también se debe estudiar todos los factores que afectan de una manera u otra la trayectoria de un objeto. La distancia, la velocidad, la aceleración y el tiempo son las magnitudes físicas en las que se basa este estudio, donde cada una se ve afectada por otra, por ejemplo en el caso de la aceleración, la aceleración hace que la velocidad de un móvil aumente o disminuya constantemente, y la velocidad hace que la distancia recorrida por un móvil sea mayor o menor, lo que tienen en común estas magnitudes es que todas cambian con respecto al tiempo.

Conceptos y magnitudes fisicas en la Cinemática

La aceleración define la variación de la velocidad y en ejemplos reales la puede ejercer el motor de un vehículo o las piernas de una persona al iniciar a correr, pero, una aceleración que todos los cuerpos tienen a cada momento es la gravedad, esta es una fuerza que hace que un cuerpo acelere hacia abajo (esto hace que nos mantengamos siempre "pegados" a la tierra) y su valor aproximado es de 9.8m/s.

Tanto la aceleración como la velocidad son magnitudes vectoriales, esto quiere decir que no se representan por un solo número, como se podría hacer con la distancia, que la distancia se expresa únicamente en metros, kilómetros, millas etc. pero la velocidad y aceleración no. El vector velocidad y el vector aceleración aparte de tener un módulo que es su valor principal, también tiene una dirección y sentido, esto porque al haber una velocidad o aceleración es importante saber hacia adonde apuntan, un ejemplo donde se puede ver esto es en la gravedad, la gravedad como se menciona antes tiene un modulo de 9.8m/s, pero como ya se sabe, la gravedad apunta hacia abajo y esto es la dirección y el sentido de la gravedad.

La cinemática y dinámica son dos temas que se estudian en conjunto, porque el primero es el estudio puro del movimiento, y la dinámica es muy parecido a la cinemática pero esta si estudia las causas que producen un movimiento, como fuerzas u otros factores que hacen que un objeto se mueva, entonces es muy importante comprender como se desarrollan los estudios en ambas ramas para que cuando estas se combinen sea fácil de aprender.

Cualquier movimiento que se produzca puede ser un ejemplo de cinemática, Algunos movimientos un poco más complicados de ser estudiados, pero de igual manera pertenecen a la cinemática. Aqui una lista de ejemplos que se pueden ver muy comunmente:

Entre parentesis el tipo de movimiento al que pertenece cada ejemplo.

El famoso ejemplo de la "manzana de newton" (aunque no se sabe a ciencia cierta si le cayó una manzana sobre la cabeza o simplemente la vio caer a lo lejos o no pasó nada de esto) es un ejemplo de una caída libre, y fue uno de los primeros estudios que se realizaron con el fin de comprender el movimiento de los objetos y fue un gran avance para desarrollar la física que se tiene hoy en día.

Hay varios tipos de movimientos que son parte de la cinemática, estos se clasifican dependiendo del tipo de aceleración y trayectoria que tengan, porque existen algunos movimientos que no tienen aceleración (es decir que su aceleración es igual a 0), o que la dirección de la aceleración cambia constantemente, o que tienen una trayectoria recta o no. Para cada movimiento existen diferentes ecuaciones o formulas que permiten encontrar todas las magnitudes físicas que se ven en el movimiento, aunque en algunos movimientos las ecuaciones pueden ser muy similares entre sí, y solo cambian algunos factores, también se clasifican por las dimensiones en las que se mueven, porque hay movimientos unidimensionales (que solo se mueven en una dimensión), bidimensionales (que se mueven en dos dimensiones) y tridimensionales (que se mueven en 3 dimensiones).

Tipos de movimientos en cinemática

Movimientos como el mcu y el mcua son parte de la cinemática rotacional, que son por lo general objetos o partículas que rotan en torno a un eje, estos son un poco mas complejos de ser estudiados por el hecho en ellos intervienen otros tipos de velocidades y aceleraciones que están relacionadas con la rotación, como son la velocidad angular y tangencial o la aceleración tangencial y centrípeta. Mientras que todos los objetos que se mueven en línea recta son parte de la cinemática lineal.

Los movimientos antes mencionados son solamente en una o dos dimensiones, pero también existe la cinemática 3d, que son algunos de los movimientos en la lista, pero en diferentes condiciones.

Planteamientos de problemas en el estudio del movimiento

En cinemática existen dos tipos de planteamientos, el primero es el más común y es cuando se dan ciertos datos del movimiento y se tiene que encontrar el resto de magnitudes físicas, y el segundo es cuando el problema da una función de posición, donde el dominio de la función representa el tiempo y el rango o imagen de la función es la posición o distancia del cuerpo a través del tiempo, aunque en pocas ocasiones se encuentran problemas con funciones de posición.

Para las funciones de posición se ocupan las técnicas de derivación y anti-derivación para poder determinar cualquier magnitud física. siendo la primera función de posición por tiempo, la primer derivada de esta función es de velocidad por tiempo y la segunda derivada es la de aceleración por tiempo.

Sistemas de referencias

Un sistema de referencia en física es una manera de representar un movimiento desde un punto de vista fijo, esto es útil para calcular las magnitudes físicas apreciadas desde un punto de referencia, esto debido a que todas las magnitudes físicas son relativas, por lo que un mismo movimiento visto desde dos sistemas de referencias diferentes puede cambiar totalmente el movimiento que se percibe.

Por ejemplo: si una persona camina a lo largo de un autobús en movimiento y se tomaran dos puntos de referencias, uno dentro del autobús y otro abajo del autobús, se apreciarán dos movimientos diferentes, el que está dentro del autobús percibirá que la persona se está moviendo a la velocidad que está caminando, mientras que el que está abajo del autobús apreciara la velocidad de la persona al caminar sumado a la velocidad del autobús.

Dentro del autobús

Fuera del autobús

En el ejemplo anterior se demuestra como un mismo movimiento puede verse de maneras totalmente diferentes si se mira desde dos perspectivas distintas, es por esto que es importante definir un sistema de referencias en el estudio de la cinemática.

Un sistema de referencia se representa en un plano cartesiano ya sea bidimensional o tridimensional, dependiendo de las necesidades del movimiento planteado.

Plano cartesiano bidimensional

Plano cartesiano tridimensional

Cinemática relativista y clásica

La diferencia entre estas dos partes es que en la cinemática clásica (y en la física en general) se creía que algunas de las magnitudes eran constantes, por ejemplo en el caso del tiempo, antes se creía que un segundo en la tierra estando quieto era igual que estar en el otro lado del universo viajando a gran velocidad, pero esto cambio con la teoría de la relatividad de Einstein, donde se demostró que ni las longitudes, ni el tiempo son constantes en todo el universo, lo que puede ser un minuto para alguien que este en estado de reposo puede ser una cantidad de tiempo mayor para alguien que este viajando a gran velocidad, es por eso que se hicieron unos cambios en los estudios de la cinemática tomando en cuenta la relatividad y fue entonces que se creo otra rama que ahora se conoce como: “Cinemática relativista”.