Física diferencial: Repaso de contenidos de cinemática y dinámica circular.

 

Movimiento Circular: Un Giro en Nuestro Día a Día

El movimiento circular está presente en muchas de las cosas que nos rodean, desde un carrusel hasta los engranajes de un reloj. Se trata del movimiento de un objeto que se desplaza alrededor de un punto central, describiendo una trayectoria en forma de círculo.

Para entenderlo mejor, usamos algunas ideas clave:

• Posición angular (θ): Imagina que estás en el centro de un reloj y observas la manecilla de los segundos. La posición angular nos dice dónde se encuentra el objeto en un momento dado dentro de su trayectoria circular, midiéndose en radianes. Es como la "coordenada" de un objeto en un círculo.

• Periodo (T): Este es el tiempo que tarda un objeto en dar una vuelta completa. Por ejemplo, el periodo de la Tierra alrededor del Sol es de aproximadamente 365 días. Se mide en segundos.

• Frecuencia (f): Es lo opuesto al periodo. La frecuencia nos dice cuántas vueltas completas da un objeto en un segundo. Si un tocadiscos gira 33 veces por minuto, su frecuencia sería de 33/60 = 0.55 revoluciones por segundo. Se mide en Hertz (Hz).

• Velocidad angular (ω): No es lo mismo que la velocidad lineal que conocemos. La velocidad angular nos dice qué tan rápido cambia la posición angular de un objeto. Piensa en qué tan rápido giran las aspas de un ventilador. Se mide en radianes por segundo (rad/s). A mayor velocidad angular, más rápido gira el objeto.

• Velocidad tangencial (vt​): Aunque el objeto se mueve en círculo, en cada instante tiene una velocidad que apunta en la dirección de la tangente a la trayectoria circular. Imagina una piedra atada a una cuerda que giras y luego sueltas: la piedra saldrá disparada en línea recta, en la dirección de la velocidad tangencial que tenía en ese momento. Se mide en metros por segundo (m/s).

• Aceleración centrípeta (ac​): ¡Aquí viene una parte importante! Aunque la velocidad tangencial puede tener una magnitud constante, su dirección está cambiando constantemente. Para que un objeto se mueva en un círculo, debe haber una aceleración que siempre apunta hacia el centro del círculo. Esta es la aceleración centrípeta y es la responsable de "doblar" la trayectoria del objeto. Se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s²).

• Fuerza centrípeta (Fc​): Si hay aceleración, por la segunda ley de Newton (F=ma), debe haber una fuerza. La fuerza centrípeta es la fuerza neta que actúa sobre un objeto para mantenerlo en una trayectoria circular, y al igual que la aceleración centrípeta, siempre apunta hacia el centro del círculo. Por ejemplo, la tensión en la cuerda que sostiene una piedra girando es la fuerza centrípeta.

• Fuerza centrífuga: Esta es una "fuerza ficticia" que percibimos cuando estamos en un sistema de referencia giratorio. Si vas en un auto que dobla bruscamente, sientes que una fuerza te empuja hacia afuera. Sin embargo, no hay una fuerza real empujándote hacia afuera; lo que sucede es que tu inercia tiende a mantenerte en línea recta, y es el asiento o la puerta del auto lo que ejerce la fuerza centrípeta sobre ti para que cambies de dirección.

Actividad con décimas.

Preguntas Conceptuales para Reforzar (¡Pensando en el día a día!)

1. Montaña rusa y la vuelta invertida: Cuando estás en la parte más alta de una vuelta invertida en una montaña rusa, ¿por qué no te caes, incluso si te parece que estás "de cabeza"? ¿Qué fuerza te mantiene unido al asiento? ¿Hacia dónde apunta esa fuerza?

2. Lavadora en acción: Piensen en el ciclo de centrifugado de una lavadora. ¿Cómo ayuda este proceso a secar la ropa? ¿Qué fuerza está "sacando" el agua de la ropa y hacia dónde se dirige esa fuerza?

3. Un auto doblando una esquina: Cuando un auto toma una curva a alta velocidad, ¿por qué es importante que los neumáticos tengan buen agarre a la carretera? ¿Qué papel juega la fuerza de roce en este movimiento? Si no hubiera suficiente roce, ¿qué pasaría con el auto?

4. El Sistema Solar: ¿Qué fuerza mantiene a la Tierra girando alrededor del Sol en una órbita aproximadamente circular? Si esta fuerza desapareciera de repente, ¿qué le pasaría a la Tierra?

5. Bailarines girando: Cuando un bailarín de ballet hace un giro muy rápido, sus brazos suelen estar pegados al cuerpo. Si extiende los brazos, ¿qué le ocurre a su velocidad de giro (velocidad angular)? ¿Por qué crees que sucede esto?

6. Un patinador en hielo: Imagina un patinador que está dando vueltas. Si de repente suelta una pelota mientras gira, ¿en qué dirección saldrá la pelota? ¿Esto demuestra la existencia de una fuerza centrífuga real empujando la pelota, o tiene que ver con otro concepto que estudiamos?