Movimiento en un Plano

1. Movimiento en un Plano • El estudio de la Física va de lo sencillo a lo complejo y de lo particular a lo general. • En este contexto, se analiza el movimiento de un cuerpo que se mueve ya no en un eje (recta), sino en dos ejes mutuamente perpendiculares que forman una superficie. • Estos ejes serán ahora nuestro sistema de referencia, al cual también se le conoce como:

2. y + ( unidades) eje vertical 3 (variable dependiente) ordenadas 2 l l l 1 abscisas l l l l l l l l l l 0 1 x + (unidades) 4 2 3 -2 -3 -4 -1 eje horizontal -1 (variable independiente) -2 l l ll -3 Sistema de coordenadas cartesiano o coordenadas rectangulares

3. Localización de un punto en el plano cartesiano • Se hace a partir del origen del sistema, ya sea: • Mediante la pareja de puntos coordenados(x,y) • Especificando ladistancia, el ánguloy a partir de queejeyhacia dondese mide el ángulo. y + (m) II cuadrante I cuadrante 3 (4,3) d 2 1 q l l l l l l l l l l l x + (m) 0 -2 -3 3 -4 -1 4 2 1 -1 III cuadrante - 2 IV cuadrante

4. Como medir DISTANCIAS EN EL PLANO(Teorema de Pitágoras) y + (m) (x 2 , y 2) 3 ( 4 , 3 ) 2 y 2 - y 1 d 1 q (x 1 , y 1) ( 0 , 0 ) l l l l l l l l l l l x + (m) 0 -2 -3 3 -4 -1 4 2 1 -1 x 2 - x 1 - 2

5. y + (m) (4,3) 3 Hipotenusa 2 Cateto opuesto 1 q 0 -2 -3 3 -4 -1 4 2 1 x + (m) -1 Cateto adyacente - 2 Como medir el ANGULO • Se forma un triángulo rectángulo, donde el lado más largo se denomina hipotenusa y los lados más cortos catetos. • El lado que está junto al ángulo se denomina cateto adyacente • El cateto opuesto es el que se encuentra en el lado contrario al ángulo. • Se requiere conocer las funciones trigonométricas

6. y + (m) (4,3) 3 Hipotenusa 2 Cateto opuesto 1 q 0 -2 -3 3 -4 -1 4 2 1 x + (m) -1 Cateto adyacente - 2 Funciones trigonométricas

7. El ángulo se encuentra sacando el inverso de la función seleccionada • El sentido se estipula haciendo referencia a los puntos cardinales. El ángulo anterior se expresa en función de dichos puntos como: • Lo cual indica que el ángulo se está midiendo hacia el Norte a partir del Este.

8. CAMBIO DE POSICIÓN EN EL PLANO • Un cuerpo cambia de posición, si cambia una de las parejas coordenadas (x , y) • Eso implica que hay desplazamiento. • Este se calcula de la forma acostumbrada Posición final – Posición inicial • Como involucra dos variables (x , y) se utiliza el teorema de Pitágoras para determinar la magnitud del desplazamiento (que en la mayoría de las situaciones, no es igual a la distancia recorrida). • Veámoslo mediante un ejemplo que involucra dos movimientos sucesivos.

9. Ejemplo CAMBIO DE POSICIÓN EN EL PLANO • Un cuerpo inicialmente se encuentra en el origen. Recorre 4 m en dirección horizontal en el sentido del eje de las x positivo. Posteriormente se mueve 3 m en dirección vertical en sentido del eje y positivo. • Los cambios de posición se representan gráficamente en el plano cartesiano mediante flechas A y B. • La longitud de las flechas es proporcional a la distancia que recorre. • La punta de la flecha indica el sentido en el cual a ocurrido el movimiento.

10. y + (m) (4,3) 3 Posición final 2 B 1 A Posición inicial -2 -3 3 -4 -1 4 0 2 1 x + (m) -1 - 2 Representación gráfica de CAMBIO DE POSICIÓN EN EL PLANO

11. N y + (m) (4,3) 3 Posición final C 2 1 E O Posición inicial -2 -3 3 -4 -1 4 0 2 1 x + (m) -1 - 2 S Vector DESPLAZAMIENTO • El DESPLAZAMIENTO resultante o cambio de posición se representa mediante la flechaC que va desde la posición inicial hasta la posición final. Tiene las siguientes características: Magnitud (o longitud): 5 Unidad: metros Dirección: 36.87 0 Sentido: al Norte del Este Todas las cantidades físicas que cumplan con las características anteriores, se les denominan VECTORES .

12. E s c a l a r e s • Son todas aquellas cantidades físicas que para especificarse completamente basta con dar un número y su unidad correspondiente. • Se manejan mediante las operaciones ordinarias de la aritmética: suma, resta, multiplicación y división.

13. V E C T O R E S • Son todas aquellas cantidades físicas que para especificarse completamente hay que proporcionar: • un número (4); • una unidad (m, m/s, Newton, Newton / Coulomb); • una dirección (horizontal, vertical, inclinada); • un sentido (derecha, izquierda, arriba, abajo, eje x positivo, eje x negativo) Se representan gráficamente mediante flechas. • Se manejan mediante operaciones especiales: • Suma y resta vectorial • Producto punto o producto escalar • Producto cruz o producto vectorial

14. Cantidades Vectoriales

15. Diferencia entre escalares y vectores Para diferenciar entre escalares y vectores analicemos los siguientes ejemplos: • La distancia entre dos puntos es de 5 metros (es un escalar). • Una persona recorre 5 metros de donde estaba inicialmente. (hay un cambio de posición o desplazamiento) 5 es el NÚMERO de metros y éste a su vez es la UNIDAD. Sin embargo no podemos localizar a la persona, puede estar ubicada en cualquier punto de una circunferencia de radio 5 metros, medidos a partir de donde estaba inicialmente. Tenemos que dar su DIRECCIÓN y SENTIDO, por ejemplo, 300al S del O

16. NOTACIÓN DE VECTORES • Se denotan (escriben) mediante letras mayúsculas o minúsculas, a las cuales se les pone encima una flechita para indicar que es un vector. Ejemplo: • Generalmente en libros de textos o notas de clase donde se facilita más la escritura, se suprime la flechita pero se remarca la letra por ejemplo: A, B, C, D, E, etc. ó a, b, c, etc. que comúnmente son llamadas "negritas" o "bold".

17. c c F F A b M B A A = B = c ≠ F ≠ M Representación, magnitud e igualdad de Vectores • Se representan mediante flechas. • Su magnitud es proporcional a la longitud de la flecha Magnitud del vectorA= valor absoluto del vectorA A = |A| = |A| A • Dos o más vectores son iguales si tienen la misma magnitud, dirección y sentido, no importa si sus orígenes no coincidan.

18. Operaciones con Vectores Como se mencionó anteriormente, los vectores se manejan mediante operaciones especiales siendo éstas: • SUMA VECTORIAL.- Sean A y B dos vectores, se define la suma vectorial como: A + B = C donde C es un nuevo vector con su propia magnitud, dirección y sentido. • PRODUCTO ESCALAR O PRODUCTO PUNTO.- Sean A y B dos vectores, se define el producto punto entre los dos vectores como: A ● B = |A| |B| cos θ = A B cos θ = B A cos θ =C donde A B cos θ = C es un escalar que posee únicamente magnitud y unidad. θes el MENOR ÁNGULO que se forma entre los dos vectores. Si ….

19. Operaciones con Vectores … 00 <θ< 900A ● B > 0 θ = 900A ● B = 0 900 < θ < 2700A ● B < 0 θ = 2700A ● B = 0 2700 < θ < 3600A ● B > 0

20. Operaciones con Vectores … AxB = C • PRODUCTO VECTORIAL O PRODUCTO CRUZ Sean A y B dos vectores, se define el producto vectorial como: donde C es un nuevo vector • La MAGNITUD del vector C viene dada por: |C| = C= |AxB|= |A| | B | sen θ = AB sen θAB DondeθABes el menor ángulo que se forma entre los vectores • La DIRECCIÓN del vector C es perpendicular tanto al vector A como al B • Su SENTIDOviene dado por la REGLA DE LA MANO DERECHA

21. Regla de la mano derecha • Con los dedos extendidos de la mano derecha y el pulgar perpendicular a ellos, tratar de empujar la punta del primer vector hacia la punta del segundo vector cerrando los dedos y dejando extendido el pulgar, el sentido en el que apunta este pulgar, nos indicará el sentido hacia donde apunta el vector C o producto vectorial entre los dos vectores Si el ángulo entre los dos vectores es de 900, entonces el producto vectorial entre ellos es el VECTOR NULO o Vector cero, ya que Sen 900 = 0 Nota: Los vectores A y B forman o están en un plano, siendo el vector C perpendicular a dicho plano, por ejemplo, es como si los vectores A y B estuviesen en el piso, luego entonces, el vector C estaría saliendo o entrando perpendicularmente al piso.

22. Suma deV e c t o r e s Para sumar dos o más vectores, existen dos métodos: • Métodos Gráficos • Método del paralelogramo (es ideal para dos vectores) • Método del polígono ( Para sumar más de dos vectores) • Método Analítico

23. Método del Paralelogramo Consiste en sumar dos vectores gráficamente y se realiza de la siguiente manera: • Se unen los orígenes de los dos vectores. • A partir de sus puntas o terminaciones se trazan paralelas a cada uno de ellos formando una paralelogramo. • La diagonal de dicho paralelogramo es el vector suma, lo cual se ilustra mediante el siguiente ejemplo:

24. Método del Paralelogramo ejemplo: A Resultante A B B

25. Método del Polígono Consiste en unir el origen del segundo vector con la punta del primero. Si son mas de dos vectores, unir el origen del tercer vector con la punta del segundo y así sucesivamente, el vector resultante es el que va desde el origen del primero hasta la punta del último. D D Resultante B C A A B C

26. Propiedades de la Suma Vectorial Ley conmutativa de la suma: • Al sumar dos o mas vectores se obtiene el mismo resultado, no importa el orden en que se sumen. Del ejemplo anterior: A B D D Resultante C D B Resultante A A C C B

27. Propiedades de la Suma Vectorial Ley asociativa de la suma: • Al sumar dos o mas vectores, algunos o todos se pueden asociar para obtener semi-resultantes, las cuales se suman a su vez para obtener el vector resultante. Del ejemplo anterior: B D B C A D C A +D Resultante A C +B

28. Propiedades de la Suma Vectorial Multiplicación de un vector por un escalar • Al multiplicar un vector por un escalar, se obtiene un nuevo vector ( B ) que es k veces mayor, k veces menor o bien igual que el vector que le dio origen, todo depende del escalar. Ejemplo: k= 2 B= 2 F F k= 1/2 W = 1/2 F = F/2

29. k= - 1 B= -S Propiedades de la Suma Vectorial Negativo de un vector • El negativo de un vector S es aquél que tiene la misma magnitud y dirección que S pero sentido contrario. • El negativo de un vector S es aquél que hay que sumarle a S para obtener el vector nulo. • O bien el vector multiplicado por un escalar unitario negativo. Ejemplo: S - S S +( - S ) =0

30. Resta de Vectores Se define la resta de vectores como: A - B = A + ( - B ) = R Para restar un vector B al vector A, se procede igual que en la suma con la única salvedad de que se toma el negativo del vector B. Ejemplo A +( -B) =R A - B B A

31. A B Resta de Vectores … Se define la resta de vectores como: A - B = A + ( - B ) = R Para restar un vector B al vector A, se procede igual que en la suma con la única salvedad de que se toma el negativo del vector B. Ejemplo A –B = A + ( - B ) = R - B B– A = -(A -B) =- R A B - A

32. M E T O D O A N A L Í T I C O • El método analítico consiste en hablar de vectores con respecto a un sistema de referencia, en el caso del plano, éste es el plano cartesiano y+ 3 A l l l 2 1 l l l l l l l l l l 0 x+ 1 4 2 3 -2 -3 -4 -1 -1 -2 l l ll -3

33. Método analítico: componentes rectangulares • Una vez elegido el plano, se definen las componentes Ax y Ay de un vector como las proyecciones o sombras del vector sobre los ejes coordenados, éstas se obtienen trazando paralelas a los ejes a partir de la terminación del vector. y+ 3 A A y l l l 2 1 l l l l l l l l l l 0 x+ 1 2 4 3 -2 -3 -4 -1 A x -1 -2 l l ll -3

34. cateto opuesto A y senq= = hipotenusa |A| cateto Adyacente A x cosq= = hipotenusa |A| Método analítico: cálculo de las componentes rectangulares • Cuando se proporciona la magnitud del vector y su orientación mediante el ángulo, las componentes rectangulares se calculan utilizando las funciones trigonométricas. • Se forma un triángulo rectángulo, en donde lascomponentes vienen siendo loscatetos y la hipotenusa la magnitud del vector. Aplicando las funciones trigonométricas: y+ A 3 despejando la componente vertical: hipotenusa A y l l cateto opuesto q A y = |A| senq 1 cateto adyacente l l l A x 0 4 1 -1 x+ -1 despejando la componente horizontal: A x= |A| cosq

35. y+ A 3 hipotenusa A y A y cateto opuesto tanq = = l l q cateto adyacente A x 1 l l l A x 0 A y 4 1 -1 x+ -1 Método analítico:cálculo de la magnitud y ángulo de un vector • Cuando se proporcionan las componentes rectangulares (A x ,A y) de un vector, se puede conocer: • Su magnitud aplicando el teorema de Pitágoras • Su orientación mediante el inverso de la función tangente del ángulo. |A|= √ (A x )2+ ( A y )2 q= tan -1 A x

36. N y+ y+ A x < 0 A E O q 3 A y < 0 A y l l A 1 l l l A x S 0 4 1 -1 x+ -1 Método analítico: ubicación y orientación de un vector Cuando se proporcionan las componentes rectangulares (A x , A y) de un vector, éste puede estar en: • I cuadrante si: Ax > 0 y Ay > 0 sentido al N del E • II cuadrante si: Ax < 0 y Ay > 0 sentido al N del O • III cuadrante si: Ax < 0 y Ay < 0 sentido al S del O • IV cuadrante si: Ax > 0 y Ay < 0 sentido al S del E Aplicando la igualdad de vectores x+

37. Método analítico: problema de la tangente A x yA y > 0 A x y A y < 0 y+ N y+ A A x < 0 -4 E O q 2 A y < 0 A y > 0 l q -2 x+ A l l 0 4 -1 A x > 0 x+ -1 S En ambos casos la función tan θ es positiva. Se recomienda graficarlos para visualizarlos o, analizar signos para ubicarlos en el cuadrante respectivo. Su orientación será de acuerdo a: si: | Ax | > |Ay | mas orientado al eje X si: | Ay | > |Ax | mas orientado al eje Y

38. A y |A| Método analítico:problema del ángulo y los ejes y+ • El ángulo puede ser dado respecto al eje xo con respecto al eje y. Hay que tener cuidado al aplicar las funciones trigonométricas para calcular las componentes, ya que para la misma función, las componentes CAMBIAN. y+ A A 2 2 q l q l l l l l 0 4 0 -1 4 -1 x+ x+ -1 -1 cat. op. cat. op. A x = senq = = senq = hip. hip. |A| A x=|A|senq A y =|A|senq A y = |A|cosq A x=|A|cosq

39. Ry qR= tan -1 Rx Suma de vectores: método analítico | R|= √ ( Rx)2 + (Ry)2 y + B Donde: Rx= Ax + Bx B y qB R Ry= Ay + By R y A Además: A y Ax = | A|cos θA qR qA Ay = | A|sen θA x + Bx = | B|cos θB Ax B x By = | B|sen θB Rx

40. Ejercicio: suma de vectores La magnitud del vector Aes de 200 unidades y forma una ángulo de 300 con respecto a la horizontal; la magnitud del vector Bes de 300 unidades y forma una ángulo de 1350 con respecto a la horizontal; la magnitud del vector Ces de 150 unidades y forma un ángulo de 2350 con respecto a la horizontal. Todos los ángulos son medidos en sentido contrario a las manecillas del reloj. a) Utilizando el método gráfico, encuentre: i ) A + B + C ii )B +A + C iii )A - B +C iv )C-B– A b) Encuentre los puntos del i ) al iv ) del inciso anterior utilizando el método analítico.

41. Representación de vectores: vectores unitarios Para representar un vector en forma vectorial, lo analizaremos mediante los siguientes ejemplos: A = |A| Simbología incorrecta, ya que un vector no puede ser igual a un escalar como lo es la magnitud de un vector. A = A x + A y Simbología incorrecta, ya que un vector no puede ser igual a la suma de dos escalares como lo son las componentes rectangulares de un vector. |A| = A x + A y Simbología incorrecta, ya que la magnitud de un vector se determina mediante el teorema de Pitágoras. Como se puede apreciar, aún no contamos con una terminología para describir a un vector en notación vectorial. Para suplir esta falta de información, se definen los vectores unitariosî , ĵcuya magnitud como su propio nombre lo indica es la unidad y su dirección es a lo largo de los ejes coordenados, su sentidosaliendodel origen. Veámoslos en el plano.

42. y + 2 1 ĵ x + î 1 2 Vectores unitarios Para indicar que se trata de un vector unitario, encima de la letra se le pone un gorrito. La letra î se reserva para el vector unitario en la dirección del eje de las x positivo La letra ĵ para el vector unitario en la dirección del eje de las y positivo. También pueden ser escritos en negritas. Se le conocen también como vectores direccionales î = i ĵ = j | î| = | ĵ | = 1 Un vector se representa como: A = Axi + Ay j

43. Suma de Vectores: método de vectores unitarios Dibujar los vectores y sumarlos y + 10 Sumar los siguientes vectores: A = 4 i + 5 j B = 6 i + 2 j Solución C = A + B = (4 i + 5 j ) + (6 i + 2 j ) = 4 i + 6 i + 5 j + 2 j = (4 + 6) i + (5 + 2) j =10 i + 7 j ó más sencillo A = 4 i + 5 j + B = 6 i + 2 j R = 10 i + 7 j R = |R| = √100+49 = √149 = 12.2 u θ = tan-1 (7/10) = 350 Como Rx y Ry son positivos, el vector resultante se encuentra en el I cuadrante; como Rx > Ry, mas cargado hacia el eje x. Es decir, al N del E 5 x + 5 10

44. Producto punto o producto escalar El producto punto o producto escalar se definió como: A ● B = |A| |B| cos θ = A B cos θ En función de los vectores unitarios A ● B = (A xi + A y j)● (B xi + B y j) Desarrollando: A●B =A x B x (i●i) + A x B y (i●j) + A yB x (j●i) + A yB y (j●j) Aplicando la definición i●i = (1) (1) cos 00 = 1 i●j = (1) (1) cos 900 = 0 j●j = (1) (1) cos 00 = 1 j●i = (1) (1) cos 900 = 0

45. A x B x + A y B y |A| |B| Producto punto … Sustituyendo los productos punto A ● B = A x B x + A y B y Igualando ambas definiciones |A| |B| cos θ = A x B x + A y B y Despejando el ángulo θ = cos-1

46. A x B x + A y B y |A| |B| Ejemplo: producto punto Encontrar el producto punto o producto escalar de los siguientes vectores: A = 4 i + 5 j análisis: I cuadrante a 51.340 al N del E; magnitud 6.4 B = 6 i + 2 j análisis: I cuadrante a 17.430 al N del E; magnitud 6.3 A ● B = A x B x + A y B y = 24 + 10 = 34 El menor ángulo que forman entre si los dos vectores es: θ = cos-1 θ = cos-1 θ = 32.90 34 √16+25 √36+4

47. Producto cruz o producto vectorial El producto cruz o producto vectorial se definió como: A x B = |A| |B| sen θ = A B sen θ En función de los vectores unitarios A x B = (A xi + A y j)x (B xi + B y j) Desarrollando: AxB =A x B x (ixi) + A x B y (ixj) + A yB x (jxi) + A yB y (jxj) Aplicando la definición ixi = (1) (1) sen 00 = 0 ixj = (1) (1) sen 900 = k (aplicando la regla de la mano derecha) jxj = (1) (1) sen 00 = 0 jxi = (1) (1) sen 900 = -k (aplicando la regla de la mano derecha)

48. Producto cruz … Sustituyendo los productos cruz de vectores unitarios A x B = A x B y (k) + A y B x (-k) A x B = (A x B y - A y B x ) k Un nuevo vector cuya: Magnitud es: A x B y - A y B x Dirección: perpendicular al plano formado por A y B. Sentido: Sale del plano si A x B y - A y B x > 0 Entra al plano si A x B y - A y B x > 0

49. Producto cruz en tres dimensiones El producto cruz o producto vectorial de vectores unitarios A x B = (A xi + A y j +A z k)x (B xi + B y j +B z k) Desarrollando: A x B =A x B x (ixi) + A x B y (ixj) + A x B z (ixk) +A yB x (jxi) + A yB y (jxj) + A yB z (jxk) + A z B x (kxi) + A z B y (kxj) + A z B z (kxk) Aplicando la definición ixi = (1) (1) sen 00 = 0 ixj = (1) (1) sen 900 = k ixk = (1) (1) sen 900 = - j jxi = (1) (1) sen 00 = - k jxj = (1) (1) sen 900 = 0 j xk = (1) (1) sen 900 = i kxi = (1) (1) sen 00 = j kxj = (1) (1) sen 900 = - i kxk = (1) (1) sen 900 = 0

50. Producto cruz … Sustituyendo A x B= AxBy (k) + AxBz (-j) +AyBx (-k) + AyBz (i) + AzBx (j) + AzBy (-i) Reagrupando A x B =(AyBz - AzBy) i + (AzBx - AxBz) j + (AxBy - AyBx) k