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1 2 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R DESPLAZAMIENTO Y VECTORES 1) Repaso de trigonometría • Definir y aplicar las 3 funciones trigonométricas básicas en triángulos rectángulos. • Definir las funciones trigonométricas en el círculo de radio = 1 (círculo goniométrico) • Aplicar el teorema del seno y el teorema del coseno a problemas simples. Con referencia al triángulo rectángulo de la figura 1, se definen las funciones trigonométricas. sen (θ ) = a 2 a +b 2 cos (θ ) = b 2 a +b 2 a tg (θ ) = b Figura 1) Triángulo rectángulo En la figura 2 se muestran algunos triángulos notables, de uso común en problemas de planteo, porque el cálculo de sus identidades trigonométricas es de fácil recordación Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R y A partir del círculo goniométrico (de radio r =1) de la figura 4, en el cual θ está en radianes, se puede deducir que x x = =x r 1 y y sen (θ ) = = = y r 1 s = r ⋅θ = θ y tan (θ ) = x y cos (θ ) = r=1 s θ O x Por semejanza de triángulos y y` y` = = ⇒ tan (θ ) = y` 1 x r Figura 4) Círculo goniométrico Cuando θ es muy chico, se cumple que: s ≈ y ≈ y’ = θ x≈r=1 Para este caso, se cumple que: Figura 2) Triángulos notables Para un triángulo cualquiera como el de la figura 3: Teorema del Seno sin(α ) sin(β ) sin(γ ) = = a b c Teorema del Coseno a 2 = b 2 + c 2 − 2bccos (α ) b 2 = a 2 + c 2 − 2accos (β ) c 2 = a 2 + b 2 − 2abcos (γ ) Figura 3) Teorema del seno y del coseno y' cos (θ ) ≈ 1 sen (θ ) ≈ tan (θ ) ≈ θ x 3 4 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R 2) Definición de Vectores • Definir y diferenciar escalares y vectores, usando ejemplos simples. Vector desplazamiento • Usar la notación ("a-con-flecha"), expresar un vector como (módulo y dirección). Introducción a vectores: el vector “posición” Se define la posición de un cuerpo como su ubicación de un cuerpo en el espacio respecto a un sistema de referencia previamente acordado. Así, se puede entender el movimiento de un cuerpo como su cambio de posición. Considere el mapa de la figura 5. Supongamos que un transeúnte pasea por Viña del Mar, y quiere moverse desde el punto A (referencia) al punto B. Para este efecto, el transeúnte puede tomar diferentes trayectorias (que son las que se muestran en azul en la figura 5), cada una de las cuales tiene asociada una distancia recorrida. Sin embargo, independientemente de la trayectoria tomada, el desplazamiento o cambio de posición del transeúnte es el trazo dirigido que va desde la posición inicial A hasta la posición final B (que se muestra en rojo de la figura 5). B A Figura 5) Diferencia entre distancia recorrida y vector desplazamiento. Para poder caracterizar el desplazamiento del transeúnte no basta con conocer su magnitud. También se necesita saber • El punto de inicio del desplazamiento (en este caso, A) • Dirección y sentido del desplazamiento El desplazamiento de A a B, que podemos simbolizar por AB , es uno de los ejemplos del ente matemático llamado vector. Vectores y Escalares Un vector es un ente matemático que se caracteriza por los siguientes parámetros: • Punto de aplicación • Orientación o Dirección o Sentido • Módulo o magnitud Aquellas cantidades físicas que se representan con un vector se denominan CANTIDADES VECTORIALES. Para determinarlas completamente, se necesita conocer las cuatro características antes citadas. Ejemplos: • Posición • • • • • Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Velocidad Aceleración Fuerza Torque Campo Eléctrico, etc. Por el contrario, un escalar es un ente matemático que se caracterizan solamente por su magnitud o intensidad. Aquellas variables físicas que se representan con un escalar se denominan CANTIDADES ESCALARES. Para determinarlas completamente, basta con conocer la magnitud. Ejemplos: • Tiempo • Masa • Distancia Recorrida • Rapidez • Volumen • Densidad • Carga Eléctrica Sentido • Resistencia Eléctrica n ió cc Vector • Temperatura AB re i D • Energía, etc. Representación de vectores Vamos a representar los vectores por trazos dirigidos (rayos), los cuales serán simbolizados con una expresión literal con una flecha encima, como por ejemplo a ,E ,CD . En el vector CD , el orden de las letras indica el punto inicial (de aplicación) y el final, respectivamente. En la figura 6 se muestran los parámetros de un vector: M ag u n it θ A B d Orientación Punto de Aplicación Figura 6) Parámetros de un vector Punto de aplicación: Es el punto a partir del cual se aplica el vector Módulo, Intensidad o Magnitud: Es indicada por la longitud del vector, y está expresada en las unidades correspondientes. La magnitud del vector CD se simboliza CD . Por definición, todo módulo de vector es mayor o igual a cero. Orientación: Se divide en: • Dirección: Es indicada por la recta a la que (a) (b) Figura 7) Concepto de sentido de un vector. (a) Igual dirección e igual sentido; (b) Igual dirección y sentidos opuestos. 5 6 • Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R pertenece el vector Sentido: Lo indica hacia dónde apunta la flecha. Una recta determina una dirección; pero cada dirección tiene dos posibles sentidos, y como se muestra en las figuras 7a y 7b. • Podemos relacionar el sistema de coordenadas cartesiano con el sistema de orientación Norte-SurEste-Oeste. Por lo general, el eje x apunta al Este, mientras el eje y apunta al Norte (ver figura 9b), aunque en algunos casos puede resultar conveniente definir los ejes de manera diferente. Orientación del vector respecto al eje +x 0 a 180º (0 a π [rad]) θ + x - 0 a -180º (0 a −π [rad]) Figura 8) Orientación de un vector respecto al eje +x En muchos problemas, la orientación del vector se entrega en función de la “rosa de los vientos”, que se muestra en la figura 9a. Al respecto, la interpretación correcta es la siguiente: • • La orientación NE corresponde a la de la bisectriz (45º) entre las orientaciones Norte y Este. La orientación SE corresponde a la de la bisectriz (45º) entre las orientaciones Sur y Este. La orientación SO corresponde a la de la bisectriz (45º) entre las orientaciones Sur y Oeste. L [m] αº al X del Y 1) Desde el punto de partida, muévase L[m] en la dirección Y. 2) Gire el vector αº hacia la dirección X. En la figura 10 se ilustra este procedimiento para el ejemplo anterior. N N NO (b) E O 30º E O E S S Figura 10) Ejemplo de obtención del vector a partir del sistema de orientación. (a) Punto de partida; (b) Muévase 5 [m] hacia el Este; (c) Gire 30º hacia el Norte SE SO S y Otra manera de expresar la orientación de los vectores se muestra en la figura 11, y se usa en aplicaciones marítimas para orientación de buques y cálculo de velocidades de navegación. N NE NO O E SO (b) 5 [m] E S (a) (c) 5 [m] O O(W) N N (a) NE Orientación de un vector en función del sistema de orientación N-S-E-O • Un ejemplo típico de enunciado es el siguiente: “Un móvil se desplaza 5 [m] 30º al Norte del Este”. Este tipo de casos se interpreta de la siguiente manera Muchas veces se entrega la orientación del vector en la forma de un ángulo θ con respecto al eje +x (Ver figura 8). Existen dos maneras de entender los ángulos • Una, donde θ puede tomar valores entre 0 y 360º. • Otra, donde los ángulos positivos (entre 0 y 180º) indican orientaciones en el sentido contrario al reloj, mientras que los ángulos negativos (entre 0 y -180º) indican orientaciones en el sentido a favor del reloj. En este formato, un vector se expresa en términos de su magnitud y ángulo. Por ejemplo: • Módulo 20 y ángulo 220º • Módulo 20 y ángulo -140º Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R La orientación NO corresponde a la de la bisectriz (45º) entre las orientaciones Norte y Oeste. x SE S Figura 9) (a) Sistema de orientación N-S-E-O; (b) Su relación con el sistema de coordenadas cartesianas 7 8 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R N N αº Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R 3) Operaciones Vectoriales • Usar la suma vectorial, usando la regla del triángulo y la del paralelogramo. • Calcular la magnitud y dirección de la suma usando teorema del seno y del coseno • Usar el producto de un vector por un escalar. Dividir un vector por un escalar diferente de cero • Usar la resta de vectores mediante la regla del triángulo y la del paralelogramo • Aplicar vectores a problemas simples de geometría. A A A A O αº E O E Notación Vectorial El vector cero o nulo (0 ) es aquel vector cuya magnitud es cero ( 0 = 0 ). Por convención, tiene cualquier dirección (a) y sentido (b) S S N Se considera que dos vectores son iguales cuando tienen igual magnitud, igual dirección e igual sentido. La igualdad es independiente del punto de aplicación (ver figura 12) N Multiplicación de un vector por un escalar Sea un vector a y un escalar λ. Se define la multiplicación de un vector por un escalar como la operación O E O αº (c) S A A b = λ ⋅a E A A (d) αº S Figura 11) Magnitud y orientación del vector A . (a) A , NE αº; (b) A , NO αº; (c) A , SE αº; (d) A , SO αº; Figura 12) Vectores iguales En la figura 13, se muestra el efecto de esta operación para diferentes valores de λ. Al respecto, caben las siguientes observaciones: • b = λa = λ ⋅ a • En todos los casos, los vectores a y b tienen la misma dirección, por lo que se dice que son paralelos. En el caso particular de que λ < 0, tienen sentidos opuestos, en cuyo caso se denominan antiparalelos. λ < −1 (*) λ = −1 −1 < λ < 0 λ =0 0 < λ <1 (**) λ = 1 λ >1 a b b b 0 b b b Sentidos Magnitud b > a Opuesto Opuesto b = a Opuesto Cualquiera Iguales Iguales Iguales b < a b b b b Figura 13) Multiplicación de vector por escalar. =0 < a = a > a 9 10 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R • En el caso indicado con (*), se cumple que a + b = 0 ⇒ b = −a , y se dice que b es el inverso aditivo de a . • En el caso indicado con (**), se cumple que b = a . Suma de vectores. La suma de vectores se puede hacer mediante dos métodos: la regla del triángulo (ilustrada en la figura 14) y la regla del paralelógramo (ilustrada en la figura 15) Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Regla del Paralelógramo (b) (a) Regla del Triángulo (a) (b) (d) (c) (e) (c) Figura 14) Suma de vectores usando la regla del triángulo (a) Dibuje el vector a (b) Dibuje el vector b a partir del punto final del vector a es el punto (c) Dibuje el vector a + b , que es aquel cuyo punto inicial inicial de a y cuyo punto final es el punto final de b Figura 15) Suma de vectores usando la regla del paralelógramo (a) Dibuje el vector a (b) Dibuje el vector b a partir del punto inicial del vector a , al que denominaremos O. (c) Trace la línea paralela al vector a que pase por el punto final del vector b . (d) Trace la línea paralela al vector b que pase por el punto final del vector a . La intersección entre lasrectas paralelas es el punto P. (e) Dibuje el vector a + b , que es aquel cuyo punto inicial es O y cuyo punto final es P. 11 12 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R La suma de vectores cumple con las (a) propiedades de: a a a+b = b+a • Conmutatividad: b b a +b (figura 16a) b • Asociatividad: a a+b +c =a+ b+c (figura a b +c (b) 16b) • Distributividad con respecto a la b a +b +c multiplicación por escalar: c a +b λ a + b = λ a + λ b (figura 16c) ( ) ( ( Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Resta de Vectores (a) ) ) Resta de vectores. ( ) En las figuras 17a y 17b se ilustra la resta de vectores a través de las reglas del triángulo y el paralelógramo, respectivamente. (c) b a +b La resta de vectores se define a partir de la suma. La resta entre los vectores a y b equivale a la suma de a y el inverso aditivo de b , o sea: a−b =a+ −b (b) a (c) λ⋅a λ⋅b ( ) λ⋅ a+b Figura 18) (a) a + b ; (b) a − b . Inicio en el punto final de b , y final en el punto final de a ; (c) b - a Inicio en el punto final de a , y final en el punto final de b . Figura 16) Propiedades de la suma de vectores. (a) Conmutatividad; (b) Asociatividad; (c) Distributividad (a) Resta de Vectores Vectores perpendiculares (a) θ En las figura 18a, 18b y 18c se resumen las ideas de suma y resta de vectores. En la figura 18 se ilustra la relación entre el ángulo de dos vectores a y b y las magnitudes de su suma a + b y su resta a-b: • Si θ > 90º, entonces se cumple que a + b > a − b (ver figura 19a) (b) • (b) -b (c) Si θ < 90º, entonces se cumple que a + b < a − b (ver figura 19b) • b a+b a−b a θ θ Si θ = 90º, que corresponde al caso de vectores perpendiculares ( a ⊥ b ), entonces se cumple que a + b = a − b (ver figura 19c) Figura 17) Resta de vectores. (a) Según la regla del triángulo; (b) Según la regla del paralelógramo. Figura 19) Relación entre el ángulo de los sumandos y la magnitud de la suma y resta de vectores. (a) θ > 90º; (b) θ < 90º;(c) θ = 90º. 13 14 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Análisis de la magnitud de a + b Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Sacando raíz cuadrada, se obtiene que a + b = a − b . Este caso corresponde a la mínima En la figura 20a se muestra la suma a + b según la regla del triángulo. Aplicando el teorema del coseno, se puede obtener el módulo de la suma a + b en función del ángulo θ, a y b . magnitud posible de la suma de dos vectores, y es coherente con la figura 20d. Cabe hacer notar que la resta de módulos va en valor absoluto, pues existe la posibilidad de que b > a y, por a+b 2 = a 2 + b 2 (a) definición, el módulo de un vector no puede ser negativo. − 2 ⋅ a ⋅ b ⋅ cos (θ ) (c) A continuación vamos a analizar este resultado para tres casos particulares. • θ = 180º (Figura 20b) (d) En este caso, cos(θ) = -1, por lo que la ecuación para la magnitud de la suma se ve reducida a: a+b En general, se puede afirmar que a − b ≤ a + b ≤ a + b . (b) 2 = a 2 + b 2 ( +2⋅ a ⋅ b = a + b ) 2 Figura 20) Análisis de la magnitud de a + b . (a) Caso general (b) θ = 180º; (c) θ = 90º;(d) θ = 0º. Sacando raíz cuadrada, se obtiene que a + b = a + b . Este caso corresponde a la máxima magnitud posible de la suma de dos vectores, y es coherente con la figura 20b. • θ = 90º (Figura 20c) En este caso, cos(θ) = 0, por lo que la ecuación para la magnitud de la suma se ve reducida a: a+b 2 = a Sacando raíz cuadrada, se obtiene que a + b = 2 + b a 2 2 + b 2 . Este caso corresponde a dos vectores perpendiculares, y es coherente con la figura 20c. • θ = 0º (Figura 20d) En este caso, cos(θ) = 1, por lo que la ecuación para la magnitud de la suma se ve reducida a: a+b 2 = a 2 + b 2 ( −2⋅ a ⋅ b = a − b ) 2 15 16 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R 4) Componentes Vectoriales • Definir y calcular vectores unitarios • Descomponer un vector en componentes vectoriales, y en componentes escalares, usando vectores unitarios" • Definir el sistema de coordenadas cartesianas en dos y tres dimensiones. • Escribir vectores en forma cartesiana y polar. • Expresar y calcular componentes de vectores en dos y tres dimensiones, en casos simples • Definir y usar los vectores posición y desplazamiento d = ∆r = r2 − r1 • Resolver problemas simples de suma y resta de fuerzas. • Resolver problemas simples de suma y resta de velocidades Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Vector unitario o unimodular ( ) Un mismo vector se puede expresar como la suma de numerosos conjuntos de dos, tres o más vectores, como se aprecia en la figura 20. A los vectores que sumados dan el vector original los llamaremos componentes vectoriales del vector. En particular, podemos descomponer un mismo vector en infinitas sumas de dos componentes vectoriales. Sistemas de Coordenadas Al problema de determinar dos vectores u y v cuya suma es igual al vector a , se le pueden agregar dos condiciones adicional para lograr que la solución sea única. • • Vectores u y v coplanares al vector a. Vectores u y v de direcciones fijas y predeterminadas En la figura 21 se observa que los vectores u y v , que tienen respectivamente direcciones dadas por las rectas LL’ y MM’, son los únicos vectores cuyas suma es igual a a . Las rectas LL’ y MM’ definen un sistema de coordenadas. u v s Figura 22) Vector unitario y su uso en nomenclatura de vectores. Observaciones: • p || u ⇒ p = pu uˆ , con pu escalar no nulo • p = pu uˆ = pu ⋅ uˆ = pu M' u v a = u +v L L' M Figura 21) Componentes vectoriales del vector a en las direcciones LL’ y MM’ En la figura 20, se muestra el sistema de coordenadas de la figura 21, al cual se le han agregado los vectores unitarios û y v̂ , que representan las direcciones LL’ y MM’, respectivamente. Si u = u a y v = v a , se puede establecer que: L' v̂ û a = u +v L q = + q ⋅ pˆ s = − s ⋅ pˆ q Un vector unitario se usa para identificar o caracterizar una determinada dirección. Por definición, todo vector unitario tiene magnitud 1. En la figura 22 se muestra la definición de vector unitario, y su uso para expresar vectores con tres componentes: • El signo (+ ó -), que indica el sentido del vector. • La magnitud del vector • El vector unitario, que indica la dirección del vector. M' Sentido p̂ u uˆ = u u 1 uˆ = = ⋅ u = 1 u u Figura 20) Componentes vectoriales de un vector Dirección Magnitud p Dado un vector u no nulo llamamos “vector unitario o unimodular” en la dirección de u al vector: M Figura 23) Sistema de coordenadas de la figura 18 considerando vectores unitarios u = +u a ⋅ uˆ v = +v a ⋅ vˆ Así, el vector a se puede escribir como a = u + v = u a ⋅ uˆ + v a ⋅ vˆ En este caso, ua y va son denominadas las componentes escalares del vector a . 17 18 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R Finalmente, se pueden relacionar el ángulo y las componentes a través de En principio, cualquier sistema de coordenadas puede servir para expresar vectores. Sin embargo, los sistemas de coordenadas más utilizados son aquellos donde los vectores unitarios son perpendiculares entre sí, que son denominados ortogonales. Estos son: el cartesiano o rectangular, el cilíndrico y el esférico. La gran ventaja de estos sistemas de coordenadas es que permite relacionar componentes escalares, magnitudes y ángulos a través de relaciones trigonométricas simples, usando cosenos, senos y tangentes, lo cual facilita enormemente el trabajo con los vectores. Para efectos de este curso, nos limitaremos al sistema de coordenadas cartesiano en 2 y 3 dimensiones. • • y vy El vector x̂ , iˆ ó i , que representa la dirección +x. El vector ŷ , ĵ ó j , que representa la dirección +y A partir de los datos de la figura, se puede escribir el vector v como: θ ŷ x̂ v = v x xˆ + v y yˆ = v x iˆ + v y jˆ = v x i + v y j vx x Figura 24) Sistema de coordenadas cartesianas en dos dimensiones Donde vx y vy son las componentes escalares de del vector. También se puede escribir como par ordenado, en la forma v = (v x ; v y ) . Otra forma de escribirlo es la polar, en donde los parámetros son su módulo v y su ángulo θ con respecto al eje +x. Se suele expresar en la forma v ∠θ o jθ bien la forma v ⋅ e . vx Sistema de coordenadas cartesianas en tres dimensiones En la figura, vx, vy y vz son las componentes escalares del vector, el cual se pude expresar en la forma v = v x xˆ + v y yˆ + v z zˆ = v x iˆ + v y ˆj + v z kˆ = v xi + v y j + v zk v vy El sistema cartesiano en particular facilita enormemente la operatoria con vectores, puesto que la lleva desde el ámbito de la geometría (donde muchas veces resulta engorrosa) al del álgebra, en el cual se facilita mucho el trabajo. En la figura 25 se observa el vector v dibujado en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional. En ella, a los ejes coordenados, x e y se agrega el eje coordenado z, caracterizado por el vector unitario ẑ , k̂ ó k , que representa la dirección +z. Sistema de coordenadas cartesianas en dos dimensiones En la figura 24 se observa el vector v dibujado en un sistema de coordenadas cartesianas bidimensional. En ella, hay dos ejes coordenados, x e y, caracterizados por dos vectores unitarios: tan (θ ) = La magnitud de v está dada por: z vz ẑ ŷ x̂ componentes escalares a través de relaciones trigonométricas v x = v ⋅ cos (θ ) v y = v ⋅ sen(θ ) v φ φ y vy θ vx x v = v x2 + v y2 + v z2 Figura 25) Sistema de coordenadas cartesiano en tres dimensiones También se puede escribir como trío ordenado, en la forma v = (v x ; v y ; v z ) . v xy como el vector proyección de v sobre el plano XY. Se define (a) v v xy = v x xˆ + v y yˆ El módulo del vector es v = v x2 + v y2 . Además, éste se puede relacionar con el ángulo θ y las v xy La magnitud de v xy etá dada por: v xy = v x2 + v y2 v xy φ v z (b) vx θ v xy vy Figura 26) Relaciones entre módulos, ángulos y componentes escalares. (a) ángulo φ; (b) ángulo θ 19 Introducción a la Física Paralelos 10 y 13. Profesor RodrigoVergara R A partir de la figura 25, se pueden extraer los triángulos de las figuras 25a y 25b, con los cuales vamos a establecer las siguientes relaciones entre los vectores v y v xy , sus respectivos módulos v y v xy , las componentes escalares, vx, vy y vz, y los ángulos θ y φ De la figura 26a: v cos (φ ) = z ⇒ v z = v ⋅ cos (φ ) v v xy sen (φ ) = ⇒ v xy = v ⋅ sen(φ ) v tan (φ ) = v xy vz = v x2 + v y2 vz De la figura 26b: v cos (θ ) = x ⇒ v x = v xy ⋅ cos (θ ) = v ⋅ cos (θ ) ⋅ sen (φ ) v xy vy sen (θ ) = ⇒ v y = v xy ⋅ sen(θ ) = v ⋅ sen(θ ) ⋅ sen(φ ) v xy tan (θ ) = vy vx Vector Posición Para indicar la posición de un punto es necesario elegir previamente un sistema de referencia, cuyo origen se indica con un punto O. y P ry La posición de un punto P está dada por el vector (ver figura 27) R R = OP = r x xˆ + r y yˆ = (r x ; r y ) Este vector es el vector posición del punto P. El módulo de este vector determina la distancia mínima entre O y P. θ ŷ o x̂ rx x Figura 26) Concepto de vector posición