La cinemática es la rama de la física que estudia el movimiento de los objetos y de su trayectoria en función del tiempo sin tener en cuenta las causas que lo producen.
En el estudio de la cinemática no se tienen en cuenta las propiedades químicas y físicas de los cuerpos en movimiento, con excepción de las dimensiones, así como las fuerzas que actúan sobre ellos. Por esta razón, también se conoce como cinemática del sólido rígido.
Esta rama de la física se engloba dentro de la física clásica por lo que las fórmulas que presentaremos en los artículos de esta sección no tienen en cuenta la teoría de la relatividad de Einstein. Es decir, las ecuaciones que presentaremos sólo son válidas para velocidades pequeñas en comparación con la velocidad de la luz.
Conceptos básicos
Para comprender esta rama de la física, es esencial familiarizarse con algunos conceptos básicos:
1. Posición
La posición de un objeto se refiere a su ubicación en el espacio en relación con un sistema de referencia. Puede describirse utilizando coordenadas, como un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z), donde x, y, y z representan las dimensiones espaciales.
La posición se representa típicamente por un vector que indica tanto la magnitud (distancia) como la dirección desde el origen del sistema de referencia.
2. Desplazamiento
El desplazamiento es un cambio en la posición de un objeto.
Se expresa como un vector que conecta la posición inicial con la posición final del objeto. El desplazamiento es independiente del camino seguido por el objeto y se mide en términos de longitud y dirección.
3. Velocidad
La velocidad de un objeto se refiere a la tasa de cambio de su posición con respecto al tiempo.
Se expresa en términos de desplazamiento por unidad de tiempo y se representa como un vector. La velocidad puede ser constante (movimiento uniforme) o cambiar con el tiempo (movimiento acelerado).
4. Aceleración
La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad de un objeto con respecto al tiempo.
Al igual que la velocidad, se representa como un vector. La aceleración puede ser positiva (aumento de velocidad), negativa (disminución de velocidad) o nula (movimiento uniforme).
5. Tiempo
El tiempo es una variable fundamental en la cinemática que se utiliza para medir la duración de un evento. Permite describir cómo cambian las otras variables cinemáticas con el tiempo.
Tipos de movimientos
En la representación bidimensional de la cinemática existen varios tipos de movimiento que se pueden resumir en los siguientes:
- Movimiento rectilíneo uniforme (MRU): En este tipo de movimiento, un objeto se desplaza en línea recta a una velocidad constante, sin cambios en la magnitud ni la dirección de la velocidad.
- Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA): En el MRUA, un objeto experimenta un cambio constante en su velocidad, ya sea un aumento o una disminución, durante intervalos de tiempo iguales.
- Movimiento circular uniforme (MCU): En el MCU, la velocidad angular se mantiene constante mientras el objeto se mueve en una trayectoria circular.
- Movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA): El MCUA implica un cambio constante en la velocidad angular de un objeto en movimiento circular.
- Movimiento parabólico: En el movimiento parabólico, un objeto sigue una trayectoria curva que se asemeja a una parábola, resultante de la combinación de movimiento horizontal y vertical.
- Movimiento armónico simple. La dirección de la fuerza bajo la cual se mueve el objeto es siempre opuesta al desplazamiento y la magnitud es proporcional al desplazamiento.
Ejemplos de cinemática
La cinemática se manifiesta en diversas situaciones de la vida cotidiana y en campos científicos.
Movimiento de un automóvil
Un ejemplo común es el movimiento de un automóvil por una carretera recta a velocidad constante, lo que se ajusta al concepto de movimiento rectilíneo uniforme (MRU).
Cuando este automóvil acelera o frena, como al arrancar desde un semáforo o reducir la velocidad para detenerse, se trata de un ejemplo de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA).
En el momento en que el automóvil toma una curva, se pueden aplicar las fórmulas del movimiento circular uniforme (MCU) o del movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) si dentro de la curva está frenando o acelerando.
Deportes
En el ámbito deportivo, la cinemática se aplica al analizar el lanzamiento de una pelota de béisbol, donde la trayectoria de la pelota sigue un movimiento parabólico.
Astronomía
En astronomía, se utiliza para estudiar el movimiento de planetas alrededor del Sol y calcular sus órbitas.
Centrales nucleares y física nuclear
En la física nuclear, la cinemática se emplea para analizar la colisión de partículas subatómicas en aceleradores de partículas.
Además, las centrales nucleares disponen de turbinas de vapor que cuando están en funcionamiento experimentan un movimiento circular.
Diferencia entre cinemática y dinámica
La cinemática y la dinámica son dos ramas de la física que se centran en aspectos diferentes del movimiento de los objetos.
Por un lado, la cinemática se ocupa de describir el movimiento en términos de posición, velocidad y aceleración, sin considerar las causas que lo generan. Por otro lado, la dinámica se enfoca en el estudio de las fuerzas e interacciones que provocan el movimiento de los objetos.
Es decir, mientras que la cinemática se preocupa por "cómo" se mueven los objetos, la dinámica se concentra en "por qué" se mueven y cómo responden a las fuerzas aplicadas.
