Preguntas sobre movimiento acelerado Soluciones 1.- Si un objeto tiene una velocidad diferente de cero, ¿es posible que su aceleración sea nula? Si es así, de un ejemplo. Sí, basta con que tenga una velocidad constante. Ejemplo… un automóvil que viaja en línea recta sin que varíe la magnitud de su velocidad. Otro ejemplo, pero no de un objeto material, la luz en el vacío, o el sonido en el aire. 2.- Un objeto se mueve con velocidad variable. ¿Puede ocurrir que la magnitud de su velocidad instantánea, en algún instante cualquiera, sea mayor que la magnitud de su velocidad media? ¿Puede ser menor? Sí, puede ser mayor. Por ejemplo, un vehículo cambia la magnitud de su velocidad desde 0 m/s a 10 m/s en 5 s, de manera uniforme, entonces la magnitud de su velocidad media es de 5 m/s y, se observa en los datos, que a los 5 s tuvo una velocidad instantánea de 10 m/s. También puede ser menor, en el mismo ejemplo anterior, a los 0 s, la magnitud de la velocidad instantánea fue de 0 m/s, menor a la media que fue de 2 m/s. 3.- Si el velocímetro de un automóvil indica una rapidez constante de 62 km/h, ¿se puede afirmar que el vehículo tiene una velocidad constante? Argumente su respuesta. No, pues la velocidad constante requiere que sus tres características no se modifiquen, es decir, su magnitud, su dirección y su sentido. En el caso presentado solo se informa que su magnitud no cambia, pero nada se dice de su dirección y sentido. 4.- Una gota de lluvia cuando empieza a caer desde una nube a partir del reposo. Cae por efecto de la gravedad terrestre y la magnitud de su velocidad aumenta, por lo tanto está acelerando, sin embargo cuando llega a nivel del suelo su velocidad es uniforme. ¿Por qué cree que ocurre tal cosa? Un objeto en caída libre aumenta la magnitud de su velocidad, pero por efecto del roce la aceleración con que cae va disminuyendo, y si antes que llegue al suelo su aceleración se anula, entonces a partir de ese instante cae con velocidad uniforme, que es lo planteado en el enunciado. La fuerza de roce que afecta a la gota, es debido al aire, y esta depende de dos factores, la forma de la gota y su velocidad, entonces … a medida que aumenta su velocidad, también aumenta la fuerza de roce con el aire y por eso llega el instante en que la fuerza de roce con el aire anula la fuerza peso de la gota de agua, y desde ahí en más, sigue cayendo con aceleración nula… es decir, con velocidad uniforme. Listo, dos explicaciones para el mismo problema. 5.- Un objeto se lanza verticalmente hacia arriba y su velocidad disminuye por efecto de la gravedad. Alcanza su altura máxima y luego empieza a caer. En el instante preciso en que su velocidad cambia de sentido, desde ir hacia arriba a dirigirse hacia abajo, el objeto está un instante en reposo. En ese instante, en la parte más alta, la aceleración del objeto, ¿es nula? Argumente bien. Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl 1 No es nula, en todo momento la aceleración del objeto es la misma, haciendo omisión del efecto del roce con el aire, y es la de gravedad, y esta aceleración no depende del objeto que se lanza hacia arriba, sino que de las características de la Tierra, y esas no cambian por lanzar un objeto hacia arriba. 6.- El conductor de un automóvil verifica, en el velocímetro, que su rapidez es constante, sin embargo está pisando el pedal del acelerador. ¿Por qué acelera si se mueve con rapidez constante? Es para compensar el efecto del roce con el aire y el roce cinético entre sus piezas móviles, por ejemplo del neumático con los rodamientos del eje (con la masa). 7.- En el gran clásico de fútbol, de los azules versus los blancos, un jugador azul patea un tiro libre. Si el tiro libre sobrepasa la altura de la barrera. ¿En qué momento, de la trayectoria, la rapidez de la pelota es máxima? Justifique bien su respuesta. Al instante preciso que se desprende del pie que la pateo, de ahí en adelante le afecta el roce con el aire. Y no olvidar que la fuerza de roce sobre un objeto hace que este, si está en movimiento, disminuya su velocidad. 8.- Un abogado para justificar que un conductor era responsable de ir a exceso de velocidad hizo la estimación de que el vehículo que conducía el acusado no podía desacelerar a una aceleración mayor a la de gravedad, 10 m/s2 aproximadamente. Si además muestra una fotografía donde se ve claramente la huella del automóvil al patinar en la calle hasta que se detuvo. ¿Puede el abogado con la información que posee determinar si la velocidad que tenía el automovilista era o no excesiva? Justifique bien. Con la fotografía conoce la distancia recorrida por el automóvil durante la frenada, también conoce la magnitud de la velocidad final, 0 m/s (se detuvo). Y, suponiendo la desaceleración de 10 m/s2, entonces con la ecuación vf2 = vi2 + 2ad, puede conocer la velocidad inicial vi. En este procedimiento vi se determinó con el supuesto de la aceleración de -10 m/s2. Como se informa, la desaceleración no podría ser mayor a la indicada, por lo tanto, la máxima velocidad posible del automóvil sería la calculada vi, entonces es este el valor que se usa para compararla con la permitida en la carretera, o donde sea. O sea, efectivamente el abogado cuenta con la información necesaria para emitir una opinión fundada en argumentos físicos. 9.- Un automóvil viaja por una autopista: a) ¿puede tener, simultáneamente, una velocidad negativa y una aceleración positiva?, b) ¿puede cambiar la dirección de su velocidad cuando viaja con una aceleración constante? a) La velocidad negativa solo tiene sentido si esta es en relación a un sistema de referencia y una aceleración positiva indica que un objeto está aumentando la magnitud de su velocidad. Por lo tanto, si se escoge un sistema de referencia que señala positivo hacia la derecha y negativo hacia la izquierda, un automóvil puede tener velocidad negativa y aceleración positiva, basta que se mueva hacia la izquierda aumentando la magnitud de su velocidad. b) Si el automóvil se mueve en línea recta no será posible, pero si se mueve en una curva sí es posible, pero en este caso la aceleración constante sería de tipo centrípeta (no corresponde al tema de esta guía). Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl 2 10.- ¿Puede cambiar la velocidad de un objeto cuando su aceleración es constante? Si su respuesta es afirmativa, dé un ejemplo. Si su respuesta es negativa, explique por qué. Sí. Si la aceleración es no nula, entonces un ejemplo sería cualquier objeto que se mueva en línea recta aumentando, o disminuyendo, uniformemente la magnitud de su velocidad. Un objeto en caída libre es un buen ejemplo. 11.- ¿Qué mide la pendiente de una gráfica de velocidad v/s tiempo? Aceleración media. 12.- Si en una gráfica de velocidad v/s tiempo la curva es una línea paralela al eje del tiempo. ¿Qué puede concluirse acerca de la aceleración? Que el objeto cuyos datos originaron el gráfico se movía con velocidad uniforme. 13.- Si tiene una tabla de velocidades de un objeto para diferentes instantes de tiempo, ¿cómo podría averiguar si la aceleración del objeto es constante? Fijándome si los cambios de valores de velocidades son proporcionales a los intervalos de tiempo en que ocurren. Si lo son, entonces el objeto se movía con aceleración constante, de lo contrario no. 14.- Si conoce la aceleración y las velocidades inicial y final de un objeto, ¿qué ecuación utiliza para determinar la distancia que recorre? vf2 = vi2 + 2ad 15.- Haga un resumen de las ecuaciones para el desplazamiento, la velocidad y el tiempo de un objeto que se mueve con aceleración constante. vf = vi + at d = vit + at2/2 vf2 = vi2 + 2ad 16.- Explique por qué si dos esferas de tamaño y formas similares, una de aluminio y otra de acero, se dejan caer desde la misma altura, llegan al mismo tiempo al suelo. Esto es cierto solo si no se considera el roce con el aire. Si así fuera, es cierto porque un objeto que cae lo hace con la aceleración de gravedad, y ésta no depende del objeto que cae, sino que de la Tierra. Ahora, si se considera el roce y las esferas caen desde poca altura, es probable que el roce con el aire no alcance a afectar lo suficiente para que cambie la aceleración real que tienen al caer. Pero si caen de mucha altura, podría pasar lo que señaló en el ejercicio 4, entonces la esfera más liviana se verá más afectada por el roce y retardará su caída respecto a la esfera más pesada. 17.- Dé algunos ejemplos de objetos que caen para los cuales la resistencia del aire no es despreciable. Una hoja que cae de un árbol, un paracaidista (con el paracaídas abierto)… Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl 3 18.- Dé algunos ejemplos de objetos que caen para los cuales la resistencia del aire se puede considerar como despreciable. Una bolita de acero que cae de poca altura, un dardo que cae de poca altura, … 19.- La velocidad media y la velocidad instantánea son por lo general cantidades diferentes. ¿Pueden ser iguales en un tipo de movimiento específico? Explique. Sí, en un movimiento con velocidad uniforme. Porque la magnitud de la velocidad, en este tipo de movimiento, no se modifica en momento alguno. 20.- Si la velocidad de una partícula es diferente de cero, ¿su aceleración puede ser siempre cero? Explique. No. La aceleración explica cómo cambia la magnitud de la velocidad de un objeto, por lo tanto un ejemplo sería un objeto que aumenta o que disminuye la magnitud de su velocidad. 21.- Se lanza verticalmente hacia arriba un objeto, ¿cuál es su velocidad cuando alcanza la altura máxima? Nula. 22.- Se lanza verticalmente hacia arriba un objeto y luego vuelve al mismo lugar de donde fue lanzado, ¿qué medida tiene la rapidez cuando retorna al punto de partida? Si se omite el roce con el aire, tendrá la misma rapidez con que fue lanzado. 23.- Se lanza un objeto verticalmente hacia arriba demorando un tiempo t en alcanzar la altura máxima, ¿cuánto tarda, en total, desde que se lanzó hasta que llega al punto de partida? Si el movimiento es sin considerar el roce: 2t 24.- ¿Bajo qué condición importante un objeto en caída libre se puede estudiar con las ecuaciones de movimiento acelerado? Que no se considere el roce con el aire. Además, con la magnitud de la velocidad inicial nula (vi = 0 m/s). Hernán Verdugo Fabiani Profesor de Matemática y Física www.hverdugo.cl 4