gl.wikipedia.org

Aceleración - Wikipedia, a enciclopedia libre

Gráfico que mostra a variación da velocidade v ao longo do tempo t dun móbil que non cambia de dirección. En cada punto do gráfico v( t), o módulo da aceleración corresponde ao valor da pendente da recta tanxente á curva que pasa por cada punto: a(1), a(2), a(3). Así a(1) é positiva, a(2) é nula e a(3) é negativa.
No baleiro (sen resistencia do aire), os obxectos atraídos pola Terra gañan velocidade a un ritmo constante.

A aceleración é unha magnitude física vectorial que mide a variación da velocidade respecto á variación do tempo. Descrito en termos diferenciais, dada unha función da posición dun móbil respecto ó tempo, a aceleración será a segunda derivada desta función respecto á variable temporal.

No contexto da mecánica vectorial newtoniana represéntase normalmente como {\displaystyle {\vec {a}}\,} ou {\displaystyle \mathbf {a} \,} e o seu módulo como {\displaystyle a\,}. As súas dimensións son {\displaystyle \scriptstyle [L\cdot T^{-2}]}. Mídese en m/s2 no Sistema Internacional.

A magnitude da aceleración dun obxecto, tal e como a describe a segunda lei de Newton,[1] é o efecto combinado de dúas causas:

  • o balance neto de todas as forzas externas que actúan sobre ese obxecto - a magnitude é directamente proporcional a esta forza neta resultante;
  • a masa dese obxecto , dependendo dos materiais dos que está feito, a magnitude é inversamente proporcional á masa do obxecto.

Na mecánica newtoniana, para un corpo con masa constante, a aceleración do corpo é proporcional á forza que actúa sobre o mesmo (segunda lei de Newton):


{\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} \quad \to \quad \mathbf {a} ={\cfrac {\mathbf {F} }{m}}}

onde F é a forza resultante que actúa sobre o corpo, m é a masa do corpo, e a é a aceleración. A relación anterior é válida en calquera sistema de referencia inercial.

As súas dimensións son {\displaystyle \scriptstyle [L\cdot T^{-2}]}. A súa unidade no Sistema Internacional é m/s². Por exemplo, cando un vehículo arrinca estando detido (velocidade cero, nun marco de referencia inercial) e viaxa en liña recta a velocidades crecentes, está a acelerar na dirección da marcha. Se o vehículo vira, prodúcese unha aceleración cara á nova dirección e cambia o seu vector de movemento. A aceleración do vehículo na súa dirección actual de movemento chámase aceleración lineal (ou tanxencial durante os movementos circulares), a reacción que experimentan os pasaxeiros a bordo como unha forza que os empuxa cara a atrás nos seus asentos. Ao cambiar de dirección, a aceleración que efectúa chámase aceleración radial (ortogonal durante os movementos circulares), a reacción que experimentan os pasaxeiros como unha forza centrífuga. Se a velocidade do vehículo diminúe, isto é unha aceleración na dirección oposta e matematicamente negativa, ás veces chamada desaceleración, e os pasaxeiros experimentan a reacción á desaceleración como unha forza inercial que os empuxa cara a adiante. Estas aceleracións negativas a miúdo lógranse mediante a combustión de retrocohetes en naves espaciais.[2] Tanto a aceleración como a desaceleración trátanse da mesma maneira, ambos son cambios de velocidade. Os pasaxeiros senten cada unha destas aceleracións (tanxencial, radial, desaceleración) ata que a súa velocidade relativa (diferencial) neutralízase con respecto ao vehículo.

Ilustracións do concepto de aceleración:
1) O movemento non sofre aceleración.
2) A velocidade aumenta constantemente.
3) A velocidade diminúe constantemente.
4) A aceleración describe unha curvatura da traxectoria.

Así como a velocidade describe a modificación da posición dun obxecto no tempo, a aceleración describe a «modificación da velocidade no tempo» (que as matemáticas formalizan coa noción de derivada). Na vida cotiá, hai tres casos que o físico agrupa baixo o concepto único de aceleración:

  • ir máis rápido (acelerar no sentido común máis restritivo): nun automóbil, o velocímetro mostra que a velocidade está a aumentar;

desde un punto de vista matemático, a aceleración é positiva, é dicir que o vector de aceleración ten un compoñente na dirección da velocidade;

  • ir máis lento (frear, desacelerar ou diminuír a velocidade na linguaxe común): a indicación do velocímetro diminúe;

a aceleración é negativa, ou o vector de aceleración ten un compoñente oposta á dirección da velocidade;

  • cambio de dirección (xirar ou virar na linguaxe común): mesmo se a indicación do velocímetro non cambia, o cambio de dirección implica aceleración;

o vector de aceleración ten un compoñente perpendicular á velocidade; aquí interésanos a variación da dirección do vector velocidade, non a variación da súa norma.

Cando unha persoa está sometida a unha aceleración, sente un esforzo: forza que preme contra o asento cando o coche acelera (vai máis rápido), forza que empuxa cara ao parabrisas cando o coche frea, forza que empuxa ao carón cando o coche frea ou está a virar (forza centrífuga). sente esta tensión de maneira similar ao peso. A relación entre aceleración e esforzo é o dominio da dinámica ; pero a aceleración é unha noción de cinemática, é dicir que se define só a partir do movemento, sen involucrar as forzas.

En conformidade coa mecánica newtoniana, unha partícula non pode seguir unha traxectoria curva a menos que sobre ela actúe unha certa aceleración, como consecuencia da acción dunha forza, xa que se esta non existise, o seu movemento sería rectilíneo. Así mesmo, unha partícula en movemento rectilíneo só pode cambiar a súa velocidade baixo a acción dunha aceleración na mesma dirección da súa velocidade (dirixida no mesmo sentido se acelera; ou en sentido contrario se desacelera).

Algúns exemplos do concepto de aceleración serían:

  • A chamada aceleración da gravidade na Terra é a aceleración que produce a forza gravitatoria terrestre. O seu valor na superficie da Terra é, aproximadamente, de 9,8 m/s2. Isto quere dicir que se se deixara caer libremente un obxecto, aumentaría a súa velocidade de caída a razón de 9,8 m/s por cada segundo (sempre que omitamos a resistencia aerodinámica do aire). O obxecto caería, polo tanto, cada vez máis rápido, respondendo dita velocidade a ecuación:

{\displaystyle v=at=gt=9,8\,t}

  • Unha manobra de freado dun vehículo, que se correspondería cunha aceleración de signo negativo, ou desaceleración, ao opoñerse á velocidade que xa tiña o vehículo. Se o vehículo adquirise máis velocidade, dito efecto chamaríase aceleración e, neste caso, sería de signo positivo.

O vector de aceleración dun punto material en calquera momento atópase mediante unha diferenciación temporal única do vector velocidade dun punto material (ou diferenciación dobre do vector radio)

{\displaystyle {\vec {a}}={d{\vec {v}} \over dt}={d^{2}{\vec {r}} \over dt^{2}}.}

Se se coñecen as coordenadas do punto na traxectoria {\displaystyle {\vec {r}}(t_{0})={\vec {r}}_{0}} e o vector de velocidade {\displaystyle {\vec {v}}(t_{0})={\vec {v}}_{0}} en calquera momento do tempo t0, así como a dependencia da aceleración no tempo {\displaystyle {\vec {a}}(t),} ao integrar esta ecuación, pódense obter as coordenadas e a velocidade do punto en calquera momento do tempo t (tanto antes como despois do momento t0)

{\displaystyle {\vec {v}}(t)={\vec {v}}_{0}+\int _{t_{0}}^{t}{\vec {a}}(\tau )d\tau ,}
{\displaystyle {\vec {r}}(t)={\vec {r}}_{0}+(t-t_{0}){\vec {v}}_{0}+\int _{t_{0}}^{t}\int _{t_{0}}^{\xi }{\vec {a}}(\tau )d\tau d\xi .}

A derivada temporal da aceleración, é dicir, o valor que caracteriza a taxa de cambio na aceleración, chámase arrancada:

{\displaystyle {\vec {j}}={\frac {\mathrm {d} {\vec {a}}}{\mathrm {d} t}},} onde {\displaystyle {\vec {j}}} — é o vector da arrancada.
Definición da aceleración dunha partícula nun movemento calquera. Obsérvese que a aceleración non é tanxente á traxectoria.

Cada instante, ou sexa, en cada punto da traxectoria, queda definido un vector velocidade que, en xeral, cambia tanto en módulo como en dirección ao pasar dun punto a outro da traxectoria. A dirección da velocidade cambiará debido a que a velocidade é tanxente á traxectoria e esta, polo xeral, non é rectilínea. Na Figura represéntanse os vectores velocidade correspondentes aos instantes t e tt, cando a partícula pasa polos puntos P e Q, respectivamente. O cambio vectorial na velocidade da partícula durante ese intervalo de tempo está indicado por Δv, no triángulo vectorial ao pé da figura. Defínese a aceleración media da partícula, no intervalo de tempo Δt, como o cociente:


{\displaystyle <\mathbf {a} >=\mathbf {\bar {a}} ={\frac {\Delta \mathbf {v} }{\Delta t}}}

que é un vector paralelo a Δv e dependerá da duración do intervalo de tempo Δt considerado. A aceleración instantánea defínese como o límite ao que tende o cociente incremental Δvt cando Δt→0; isto é, a derivada do vector velocidade con respecto ao tempo:


{\displaystyle \mathbf {a} =\lim _{\Delta t\to 0}{\frac {\Delta \mathbf {v} }{\Delta t}}={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}}

Posto que a velocidade instantánea v á súa vez é a derivada do vector posición r respecto ao tempo, a aceleración é a derivada segunda da posición con respecto do tempo:


{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d^{2}\mathbf {r} }{dt^{2}}}}

De igual forma pódese definir a velocidade instantánea a partir da aceleración como:


{\displaystyle \mathbf {v} -\mathbf {v} _{0}=\int _{t_{0}}^{t}\left({\mathrm {d} \mathbf {v}  \over \mathrm {d} t}\right)\,\mathrm {d} t}

Pódese obter a velocidade a partir da aceleración mediante integración:


{\displaystyle \mathbf {v} =\int _{0}^{t}\mathbf {a} dt+\mathbf {v} _{0}}

A medida da aceleración pode facerse cun sistema de adquisición de datos e un simple acelerómetro. Os acelerómetros electrónicos son fabricados para medir a aceleración nunha, dúas ou tres direccións. Contan con dous elementos condutivos, separados por un material que varía a súa condutividade en función das medidas, que á súa vez serán relativas á aceleración do conxunto.

As unidades da aceleración son:

1 m/s2
1 cm/s2 = 1 Gal
Conversións entre diferentes unidades de aceleración
м/с² pé/с² g см/с²
1 м/с² = 1 3,28084 0,101972 100
1 Pie/с² = 0,304800 1 0,0310810 30,4800
g = 9,80665 32,1740 1 980,665
1 см/с² = 0,01 0,0328084 0,00101972 1

Valores das aceleracións de varios movementos:[3]

Tipo de movemento Aceleración, m/s²
Aceleración centrípeta do sistema solar orbitando a galaxia 2,2×10-10
0,0060
Aceleración centrípeta da Lúa que orbita ao redor da Terra 0,0027
Ascensor de pasaxeiros 0,9-1,6
Tren metro 1
Coche Zhiguli 1,5
Corredor de curta distancia 1,5
Ciclista 1.7
Patinador sobre xeo - 1.9
Motocicleta 3-6
Freado de emerxencia do coche 4-6
Usain Bolt, aceleración máxima 8.[4]
Coche de carreiras 8-9
Freado ao abrir o paracaídas 30 (3 g)
Lanzamento e desaceleración de nave espacial 40-60 (4-6 g)
Manobra dun avión de reacción ata 100 (ata 10 g)
Estaca despois do impacto dun bate estacas 300 (30 g)
Pistón motor de combustión interna 3×10³
Bala no canón dun rifle 2,5×105
Micropartículas no acelerador (2-50)×1014
Electrón entre o cátodo e o ánodo no tubo de raios catódicos dunha televisión en cor con (20 kV, 0,5 m) ≈7×1015
Electróns ao impactar con fósforo no tubo dun televisor en cor (20 kV) ≈1022
Partícula alfa no núcleo atómico ≈1027

Nota: aquí g ≈ 10 m/s².

Compoñentes intrínsecos da aceleración: aceleración tanxencial e aceleración normal

[editar | editar a fonte]

Compoñentes intrínsecos da aceleración.

En tanto que o vector velocidade v é tanxente á traxectoria, o vector aceleración a pode descompoñerse en dous compoñentes (chamados compoñentes intrínsecos) mutuamente perpendiculares: un compoñente tanxencial at (na dirección da tanxente á traxectoria), chamado aceleración tanxencial, e un compoñente normal an (na dirección da normal principal á traxectoria), chamado aceleración normal ou centrípeta (este último nome en razón a que sempre está dirixida cara ao centro de curvatura).

Derivando a velocidade con respecto ao tempo, tendo en conta que o vector tanxente cambia de dirección ao pasar dun punto a outro da traxectoria (isto é, non é constante) obtemos


{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}={\frac {d}{dt}}(v\,\mathbf {\hat {e}} _{t})={\frac {dv}{dt}}\mathbf {\hat {e}} _{t}+v{\frac {d\mathbf {\hat {e}} _{t}}{dt}}=a_{t}\mathbf {\hat {e}} _{t}+v({\boldsymbol {\omega }}\times \mathbf {\hat {e}} _{\text{t}})}

sendo {\displaystyle \mathbf {\hat {e}} _{t}} o vector unitario tanxente á traxectoria na mesma dirección que a velocidade e {\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}} a velocidade angular. Resulta conveniente escribir a expresión anterior na forma


{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}=a_{t}\mathbf {\hat {e}} _{t}+{\frac {v^{2}}{\rho }}\mathbf {\hat {e}} _{n}=a_{t}\mathbf {\hat {e}} _{t}+a_{n}\mathbf {\hat {e}} _{\text{n}}}

sendo

{\displaystyle \mathbf {\hat {e}} _{n}} o vector unitario normal á traxectoria, isto é, dirixido cara ao centro de curvatura da mesma,
{\displaystyle \rho \,} o raio de curvatura da traxectoria, isto é, o raio da circunferencia osculatriz á traxectoria.

As magnitudes destes dous compoñentes da aceleración son:


{\displaystyle a_{t}={\frac {dv}{dt}}\qquad \qquad \qquad a_{n}={\frac {v^{2}}{\rho }}}

Cada un destes dous compoñentes da aceleración ten un significado físico ben definido. Cando unha partícula se move, a súa velocidade pode cambiar e este cambio mídeo a aceleración tanxencial. Pero se a traxectoria é curva tamén cambia a dirección da velocidade e este cambio mídeo a aceleración normal.

  • Se no movemento curvilíneo a velocidade é constante (v=cte), a aceleración tanxencial será nula, pero haberá unha certa aceleración normal, de modo que nun movemento curvilíneo sempre haberá aceleración.
  • Se o movemento é circular, entón o raio de curvatura é o raio R da circunferencia e a aceleración normal escríbese como an = v2/R.
  • Se a traxectoria é rectilínea, entón o raio de curvatura é infinito (ρ→∞) de modo que an=0 (non hai cambio na dirección da velocidade) e a aceleración tanxencial at será nula ou non segundo a velocidade sexa ou non constante.

Os vectores que aparecen nas expresións anteriores son os vectores do triedro de Frênet que aparece na xeometría diferencial de curvas do seguinte xeito:

{\displaystyle \mathbf {\hat {e}} _{t}} é o vector unitario tanxente á curva.
{\displaystyle \mathbf {\hat {e}} _{n}} é o vector unitario normal á curva.
{\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}} é o vector velocidade angular que é paralelo ao vector binormal á curva.
Cinemática do movemento circular.

Un movemento circular uniforme é aquel no que a partícula percorre unha traxectoria circular de raio R con velocidade constante, é dicir, que a distancia percorrida en cada intervalo de tempo igual é a mesma. Para ese tipo de movemento o vector de velocidade mantén o seu módulo e vai variando a dirección seguindo unha traxectoria circular. Se se aplican as fórmulas anteriores, tense que a aceleración tanxencial é nula e a aceleración normal é constante: esta aceleración normal chámase "aceleración centrípeta". Neste tipo de movemento a aceleración simplemente modifica a traxectoria do obxecto e non a súa velocidade.


{\displaystyle \mathbf {a} ={\frac {d\mathbf {v} }{dt}}={\frac {dv}{dt}}\mathbf {\hat {e}} _{t}+{\frac {v^{2}}{R}}\mathbf {\hat {e}} _{n}=0\cdot \mathbf {\hat {e}} _{t}+{\frac {v^{2}}{R}}{\hat {\mathbf {e} }}_{n}=\omega ^{2}R\ {\hat {\mathbf {e} }}_{n}}

No Movemento Rectilíneo Acelerado, a aceleración instantánea queda representada como a pendente da recta tanxente á curva que representa graficamente a función v(t).

Se se aplican as fórmulas anteriores ao movemento rectilíneo, no que só existe aceleración tanxencial, ao estar todos os vectores contidos na traxectoria, podemos prescindir da notación vectorial e escribir simplemente:


{\displaystyle a={\frac {dv}{dt}}}

Xa que nese tipo de movemento os vectores {\displaystyle \scriptstyle \mathbf {a} } e {\displaystyle \scriptstyle \mathbf {v} } son paralelos, satisfacendo tamén a relación:


{\displaystyle v(t)=v_{0}+\int _{0}^{t}a(\tau )\ d\tau }

As coordenadas de posición veñen dada neste caso por:


{\displaystyle x(t)=x_{0}+v_{0}t+\int _{0}^{t}(t-\tau )a(\tau )\ d\tau }

Un caso particular de movemento rectilíneo acelerado é o movemento rectilíneo uniformemente acelerado, onde a aceleración é ademais constante e polo tanto, a velocidade e as coordenadas de posición veñen dadas por:


{\displaystyle v(t)=v_{0}+at,\qquad x(t)=x_{0}+v_{0}t+{\frac {at^{2}}{2}}}

O análogo da aceleración en mecánica relativista chámase cuadriaceleración e é un cuadrivector cuns tres compoñentes espaciais que para pequenas velocidades coinciden cos da aceleración newtoniana (o compoñente temporal para pequenas velocidades resulta proporcional á potencia da forza divida pola velocidade da luz e a masa da partícula).

En mecánica relativista a cuadrivelocidade e a cuadriaceleración son sempre ortogonais, iso vén de que a cuadrivelocidade ten un (pseudo)módulo constante:


{\displaystyle \mathbf {U} \cdot \mathbf {U} =c^{2}\ \Rightarrow \ 2\mathbf {U} \cdot {\frac {d\mathbf {U} }{d\tau }}=0\ \Rightarrow \ 2\mathbf {U} \cdot \mathbf {A} =0}

onde c é a velocidade da luz e o produto anterior é o produto asociado á métrica de Minkowski:


{\displaystyle V\cdot W:=\eta (V,W)=\eta _{\mu \nu }V^{\mu }V^{\nu }}

Na teoría xeral da relatividade o caso da aceleración é máis complicado, xa que debido a que o propio espazo-tempo é curvo (ver curvatura do espazo-tempo), unha partícula sobre a que non actúa ningunha forza pode seguir unha traxectoria curva, de feito a liña curva que segue unha partícula sobre a que non actúa ningunha forza exterior é unha liña xeodésica, de feito en relatividade xeral a forza gravitatoria non se interpreta como unha forza senón como un efecto da curvatura do espazo-tempo que fai que as partículas non sigan traxectorias rectas senón liñas xeodésicas. Neste contexto a aceleración non xeodésica dunha partícula é un vector cuxos catro compoñentes se calulan como:


{\displaystyle A^{\alpha }={\frac {dU^{\alpha }}{d\tau }}+\sum _{\beta ,\gamma }\Gamma _{\beta \gamma }^{\alpha }U^{\beta }U^{\gamma }}

Aquí {\displaystyle \scriptstyle \alpha =0,1,2,3} (compoñente temporal e tres compoñentes espaciais). Apréciase que cando os símbolos de Christoffel {\displaystyle \Gamma _{\beta \gamma }^{\alpha }} unha partícula pode ter aceleración cero aínda que o seu cuadrivelocidade non sexa constante, iso sucede cando a partícula segue unha liña xeodésica dun espazo-tempo de curvatura non nula.

A enxeñería mecánica é o deseño e fabricación de máquinas, é dicir, sistemas que realizan movementos. Unha parte importante é o dimensionamento, é dicir a elección de actuadores (gatos, motores) e pezas que soportan as forzas. Se as masas postas en movemento e/ou as aceleracións son grandes, os efectos dinámicos -as forzas necesarias para crear as aceleracións, ou as forzas resultantes das aceleracións- non son desprezables. Xa que logo, determinar a aceleración instantánea durante un movemento é fundamental para que as pezas resistan e para determinar o consumo enerxético do sistema.

O ballet de robots ao redor da carrocería dun automóbil que se ensambla é impresionante. Unha fábrica de automóbiles consome tanto como unha cidade media, e os robots son un gran contribuínte. É por iso que Siemens e Volkswagen abordaron o problema, enfocándose nas causas do consumo excesivo: as numerosas aceleracións e desaceleracións dos brazos do robot, en cada cambio de dirección. Por tanto, os socios desenvolveron un software de simulación que crea traxectorias menos empinadas para a mesma tarefa en cuestión. E demostrou no laboratorio que poderiamos gañar ata un 50 % de enerxía.[5]

En moitos casos, a especificación é "levar un obxecto do punto A ao momento B nun tempo t, co tempo t ás veces expresado como unha taxa (realizando o movemento n veces por hora). O deseño consiste en :

  1. Elixir unha solución tecnolóxica para guiar o movemento, xa sexa nos casos simples:
    • Traslado rectilíneo guiado por un elo deslizante ou equivalente (sistema de raíles/rodetes), o máis sinxelo de imaxinar, pero potencialmente suxeito o arrastre;
    • movemento circular de translación (se o obxecto debe manter a mesma orientación, tipicamente cun paralelogramo deformable) ou movemento de rotación, simple de imaxinar, e xeralmente máis interesante (elo pivotante son xeralmente máis baratos e máis robustos que os elos deslizantes), pero cunha traxectoria máis grande (polo tanto require unha maior velocidade, e máis espazo libre) ;
    • Traslado pseudo rectilíneo, por exemplo co paralelogramo de Watt, combinando a vantaxe de ambos os (ligazóns pivotantes robustos e baratos, traxectoria curta e compacta);
    • Traxectoria máis complexa, segundo requírase (guiado por carril ou leva, brazo robótico).
  2. Elixe unha solución tecnolóxica para crear o movemento ( actuador), controlalo (automatismo, leva) e transmitilo (transmisión).
  3. En función da traxectoria (polo tanto a solución tecnolóxica de guiado), determinar as leis do movemento para cumprir as especificacións (duración do movemento admisible) aforrando as pezas (limitación dos esforzos e, xa que logo, da aceleración) e o consumo de enerxía (limitación das aceleracións e da velocidade, ver os artigos Traballo dunha forza e Fricción).
  4. Segundo as leis do movemento, determinar a poder necesaria, e as forzas ás que están sometidas as partes.
  5. Dimensionar o sistema: elixir as pezas dos catálogos do provedor, ou deseñalas (elixir os materiais, as dimensións, debuxalas).
  1. Crew, Henry (2008). The Principles of Mechanics. BiblioBazaar, LLC. p. 43. ISBN 978-0-559-36871-4.
  2. Raymond A. Serway; Chris Vuille; Jerry S. Faughn (2008). College Physics, Volume 10. Cengage. p. 32. ISBN 9780495386933.
  3. Koshkin N.I., Shirkevich M.G. (1988). Periódico de física elemental (10.ª , revisión=M. ed.). M.: Nauka. pp. 256. ISBN 5-02-013833-9.
  4. Gráfico da aceleración de W. Bolt; carreira de 100 m nos Xogos Olímpicos de Verán de 2008 en Pequín. (en ruso)
  5. Thierry, Lucas (19 de xuño de 2014). "Automobile; des robots qui ménagent leur énergie" (3382). L'Usine nouvelle: 22.