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| ==Enunciado==
| | Ya a la venta: |
| La posición de una partícula en distintos instantes de tiempo es, aproximadamente
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| {| class="bordeado"
| | [[Archivo:portada.jpg|266px]] |
| |-
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| | −1.728
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| | −0.440
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| | 0.560
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| | 1.792
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| | 2.072
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| | 2.160
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| |} | |
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| | ''[https://editorial.us.es/es/detalle-libro/720177/fisica-general-mecanica Física general: Mecánica]'', de Antonio González Fernández, editado por la Universidad de Sevilla (2020), que reúne y mejora gran parte del contenido de teoría y ejemplos de esta wiki. Disponible en, por ejemplo, la copistería de la ETSI de Sevilla. |
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| {| class="bordeado"
| | ==Programa== |
| |- | | # Introducción |
| ! t (s)
| | ## [[Metrología (G.I.T.I.)|Metrología]] |
| | 0.7 | | ###[[Problemas de metrología]] |
| | 0.8 | | # Punto material |
| | 0.9 | | ## [[Cinemática_del_movimiento_rectilíneo_(GIE)|Movimiento rectilíneo]] |
| | 1.0 | | ###[[Problemas_de_movimiento_rectilíneo_(GIC) | Problemas de movimiento rectilíneo]] |
| | 1.1 | | ## [[Vectores libres|Vectores libres]] |
| | 1.2 | | ###[[Problemas de vectores libres (GIC) | Problemas de vectores libres]] |
| | 1.3 | | ## [[Cinemática_tridimensional_de_la_partícula_(GIE)| Movimiento en dos y tres dimensiones]] |
| |- | | ###[[Problemas de Cinemática del punto (G.I.C.)|Problemas de Cinemática del punto ]] |
| ! x (m)
| | # [[Dinámica de la partícula (GIE)|Dinámica de la partícula]] |
| | 2.080 | | ##[[Problemas_de_Dinámica_del_punto_(GIC)|Problemas de Dinámica de la partícula]] |
| | 1.856 | | #[[Energía_y_leyes_de_conservación_(GIE)| Cinética de la partícula ]] |
| | 1.512 | | ## [[Problemas de cinética de la partícula | Problemas de Cinética de la partícula]] |
| | 1.072 | | #[[Cinemática del sólido rígido (G.I.T.I.)|Cinemática del sólido rígido]] |
| | 0.560 | | ##{{ac|Problemas de Cinemática del sólido rígido (MR G.I.C.)}} |
| | 0.000 | | #[[Movimiento relativo (G.I.T.I.)|Movimiento relativo]] |
| | −0.584 | | ##[[Problemas de movimiento relativo y movimiento plano F1-GIERM| Problemas de movimiento relativo y movimiento plano]] |
| |} | | ##{{ac|Problemas de Movimiento relativo}} |
| | #[[Movimiento plano (G.I.T.I.)|Movimiento plano]] |
| | ##{{ac|Problemas de Movimiento plano (MR G.I.C.)}} |
| | # [[Dinámica de un sistema de partículas|Dinámica del Sólido Rígido]] |
| | ##[[Problemas de dinámica de un sistema de partículas F1-GIC| Problemas de Dinámica del Sólido Rígido]] |
| | # [[Movimiento oscilatorio]] |
| | ##{{ac| Problemas de Movimiento oscilatorio (GIC)}} |
| | # [[Movimiento_ondulatorio |Ondas]] |
| | ##{{ac| Problemas de Movimiento ondulatorio (GIC) }} |
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| | # Material didáctico auxiliar |
| | ## [[Tabla de fórmulas de trigonometría]] |
| | ## [[Tabla de fórmulas de variable compleja]] |
| | ## [[Tabla de derivadas y primitivas]] |
| | ## [[Vectores en física. Definiciones y operaciones]] |
| | ## [[Vectores en física. Coordenadas y componentes]] |
| | ## [[Problemas_de_herramientas_matemáticas_(GIE)|Problemas]] |
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| {| class="bordeado"
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| |-
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| ! t (s)
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| | 1.4
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| | 1.5
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| | 1.6
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| | 1.7
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| | 1.8
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| | 1.9
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| | 2.0
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| |-
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| ! x (m)
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| | −1.168
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| | −1.728
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| | −2.240
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| | −2.680
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| | −3.024
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| | −3.248
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| | −3.328
| |
| |}
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| Para este movimiento, halle:
| | # [[Exámanes (G.I.E.R.M.) | Exámenes]] |
| | ##[[Exámenes 2017/18 (G.I.E.R.M.)| Curso 2017/18]] |
| | ##[[Exámenes 2018/19 (G.I.E.R.M.)| Curso 2018/19]] |
| | ##[[Exámenes 2019/20 (G.I.E.R.M.)| Curso 2019/20]] |
| | ##[[Exámenes 2020/21 (G.I.E.R.M.)| Curso 2020/21]] |
|
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|
| # El desplazamiento entre <math>t = 0.0\,\mathrm{s}</math> y <math>t=2.0\,\mathrm{s}</math>, así como el valor aproximado de la distancia recorrida en dicho intervalo. | | <!-- |
| # La velocidad media y la rapidez media en el intervalo anterior. | | # Diapositivas y boletines de problemas |
| # La velocidad media en los intervalos (0.0s, 0.6s), (0.2s, 1.1s) y (0.6s, 1.5s). | | ## Tema 0 |
| # El valor aproximado de la velocidad en <math>t= 1.2\,\mathrm{s}</math>. | | ###Diapositivas:[[File:GIERM_Tema00.pdf]] |
| # El valor aproximado de la aceleración en <math>t= 1.2\,\mathrm{s}</math>. | | ## Tema 1 |
| # Sabiendo que este movimiento sigue una ley de la forma | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema01.pdf]] |
| | | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol01.pdf]] |
| <center><math>x = A_0 + A_1 t + A_2 t^2 + A_3 t^3\,</math></center>
| | ## Tema 2 |
| | | ### Diapositivas[[File:GIERM_Tema02.pdf]] |
| :: Calcule | | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol02.pdf]] |
| :# Los valores de las constantes <math>A_k</math>. | | ## Tema 3 |
| :# El valor exacto de la distancia recorrida y la rapidez media.
| | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_03.pdf]] |
| :# El valor exacto de la velocidad y de la aceleración en <math>t = 1.2\,\mathrm{s}</math>.
| | ### Problemas:[[File:GIERM_Bol_03.pdf]] |
| | | ## Tema 4 |
| ==Desplazamiento en el intervalo completo==
| | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_04.pdf]] |
| ===Desplazamiento===
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_04.pdf]] |
| El desplazamiento lo calculamos como la diferencia entre la posición final y la inicial
| | ## Tema 5 |
| | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_05.pdf]] |
| <center><math>\Delta x = x(2.0\,\mathrm{s})-x(0.0\,\mathrm{s})=-3.328\,\mathrm{m}-(-1.728\,\mathrm{m})= -1.600\,\mathrm{m}</math></center>
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_05.pdf]] |
| | | ## Tema 6 |
| Este desplazamiento corresponde gráficamente a la distancia vertical entre el punto inicial y el final.
| | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_06_1819.pdf]] |
| <center>
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_06_1819.pdf]] |
| [[Archivo:cubica-01.png|600px]]</center> | | ## Tema 7 |
| | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_07_1819.pdf]] |
| ===Distancia recorrida===
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_07_1819.pdf]] |
| Podemos hallar de forma aproximada la distancia recorrida sumando las diferencias entre posiciones, con valor absoluto.
| | ## Tema 8 |
| | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_08_1819.pdf]] |
| <center><math>\Delta s = \int_{x_0}^{x_n} |\mathrm{d}x|\simeq \sum_{i=1}^{n} |\Delta x_i|</math></center>
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_08_1819.pdf]] |
| | | ## Tema 9 |
| Para ello, construimos una tabla de diferencias y sumamos (con ayuda de un ordenador).
| | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_09_1819.pdf]] |
| | | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_09_1819.pdf]] |
| <center>[[Archivo:cubica-02.png]]</center>
| | ## Tema 10 |
| | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_10_1819.pdf]] |
| Vemos que la distancia recorrida es de 9.376m.
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_10_1819.pdf]] |
| | | ## Tema 11 |
| Este procedimiento es general siempre que tengamos una tabla de valores. Sin embargo, para este caso podemos calcular la distancia recorrida por simple inspección. Vemos que la masa parte de un valor de x negativo va aumentando hasta un máximo y a partir de ahi retrocede hasta otro valor negativo. Podemos hallar la distancia total sumando lo que recorre en la ida con lo que recorre en la vuelta
| | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_11_1718.pdf]] |
| | | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_11_1718.pdf]] |
| <center><math>\Delta s = \left|2.160\,\mathrm{m}-(-1.728\,\mathrm{m})\right| + \left|-3.328\,\mathrm{m}-2.160\,\mathrm{m}\right|=3.888\,\mathrm{m}+5.488\,\mathrm{m}</math></center>
| | ## Tema 12 |
| | | ### Diapositivas:[[File:GIERM_Tema_12_1718.pdf]] |
| ==Velocidad y rapidez media==
| | ### Problemas: [[File:GIERM_Bol_12_1718.pdf]] |
| La velocidad media la calculamos como el desplazamiento dividido por el intervalo de tiempo
| | --> |
| | |
| <center><math>v_m=\frac{\Delta x}{\Delta t}=\frac{-1.600\,\mathrm{m}}{2.0\mathrm{s}}=-0.800\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| y la rapidez media se calcula de la misma forma pero con la distancia recorrida
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| | |
| <center><math>|v|_m=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{9.376\,\mathrm{m}}{2.00\mathrm{s}}=4.688\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
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| ==Velocidades medias==
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| Para cada uno de los tres intervalos se calcula la velocidad media como el cociente entre el desplzamiento y el intervalo. Resulta en el primer caso
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| <center><math>v_m=\frac{x_6-x_0}{0.6\,\mathrm{s}-0.0\,\mathrm{s}}= \frac{3.888\,\mathrm{m}}{0.6\,\mathrm{s}}= +6.48\,\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| en el segundo
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| <center><math>v_m=\frac{x_{11}-x_2}{1.1\,\mathrm{s}-0.2\,\mathrm{s}}= \frac{0.000\,\mathrm{m}}{0.9\,\mathrm{s}}= 0.000\,\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| y en el tercero
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| <center><math>v_m=\frac{x_{15}-x_6}{1.5\,\mathrm{s}-0.6\,\mathrm{s}}= \frac{-3.888\,\mathrm{m}}{0.9\,\mathrm{s}}= -4.32\,\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
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| | |
| Vemos que la velocidad media puede tener cualquier signo o ser nula, dependiendo de hacia donde es el desplazamiento. En cada caso se trata de la pendiente de la secante que pasa por los dos instantes indicados.
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| <center>[[Archivo:cubica-03.png|600px]]</center>
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| ==Velocidad instantánea==
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| Para calcular la velocidad instantánea necesitamos hallar la derivada, lo cual no podemos hacer exactamente pues no disponemos de una función para derivar.
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| | |
| No obstante, si el intervalo de tiempo es pequeño, podemos aproximar la velocidad instantánea por la velocidad media en ese pequeño intervalo.
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| En este caso podemos tomar el intervalo (1.1s,1.2s) y el (1.2s,1.3s). En el primer caso obtenemos la aproximación
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| | |
| <center><math>v\simeq \frac{x_{12}-x_11}{1.2\,\mathrm{s}-1.1\,\mathrm{s}}= \frac{-0.560\,\mathrm{m}}{0.1\,\mathrm{s}}= -5.60\,\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| y en el segundo
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| <center><math>v\simeq \frac{x_{13}-x_12}{1.3\,\mathrm{s}-1.2\,\mathrm{s}}= \frac{-0.584\,\mathrm{m}}{0.1\,\mathrm{s}}= -5.84\,\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| Una mejor aproximación es la media de estos dos valores
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| <center><math>v\simeq \frac{-5.60-5.84}{2}\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}= -5.72\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
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| | |
| Con ayuda del ordenador podemos calcular la velocidad instantánea aproximada para cada par de datos, añadiendo una nueva columna a la tabla.
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| <center>[[Archivo:cubica-04.png]]</center>
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| ==Aceleración instantánea==
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| Para el cálculo aproximado de la aceleración instantánea realizamos el mismo razonamiento empleando el incremento de velocidades
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| <center><math>a\simeq \frac{\Delta v}{\Delta t}</math></center>
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| En nuestro caso, ya hemos calculado la velocidad un poco antes y un poco después del instante t =1.2s, por lo que podemos emplearlas para estimar la aceleración
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| | |
| <center><math>a\simeq \frac{(-5.84-(-5.60))\mathrm{m}/\mathrm{s}}{0.1\,\mathrm{s}}= -2.40\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center>
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| De nuevo podemos construir una tabla de las aceleraciones aproximadas en cada instante
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| <center>[[Archivo:cubica-05.png]]</center>
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| Vemos que en cada derivación aproximada vamos perdiendo una fila de datos, ya que cada uno se calcula a partir de diferencias entre valores sucesivos.
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| Nótese también que una cosa es la posición, una diferente la velocidad y otra distinta la aceleración. En los puntos en que la posición es nula la velocidad no lo es y viceversa, y lo mismo ocurre con la velocidad y la aceleración.
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| ==Cálculos exactos==
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| Cuando de lo que se dispone es de una serie de datos numéricos pueden hacerse cálculos analíticos buscando funciones que se aproximen a la serie de datos. Existen diferrentes técnicas aunque es habitual aproximar la función que pasa por varios puntos sucesivos como una parábola o una cúbica.
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| En este caso se nos dice explícitamente que existe una función cúbica que pasa por todos los puntos.
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| <center><math>x = A_0 + A_1 t + A_2 t^2 + A_3 t^3\,</math></center>
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| | |
| Para determinar estos coeficientes nos basta con imponer por cuatro de los puntos. Lo más sencillo es elegir los valores enteros del tiemo (0.0s, 1.0s y 2.0s) y, dado que necesitamos cuatro, como cuarto punto tomamos <math>t = 0.5\,\mathrm{s}</math>. Si sustituimos nos queda el sistema de ecuaciones
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| | |
| <center><math>\begin{array}{lrcl}
| |
| (t=0.0\,\mathrm{s})\qquad & A_0 & = & -1.728\\
| |
| (t=1.0\,\mathrm{s})\qquad &A_0+A_1+A_2+A_3 & = & 1.072\\
| |
| (t=2.0\,\mathrm{s})\qquad &A_0+2A_1+4A_2+8A_3 & = & -3.328\\
| |
| (t=0.5\,\mathrm{s})\qquad &A_0+0.5A_1+0.25A_2+0.125A_3 & = & 2.072
| |
| \end{array}</math></center>
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| | |
| con solución, en el SI,
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| <center><math>A_0=-1.728\qquad\qquad A_1=14.4\qquad\qquad A_2=-15.6\qquad\qquad A_3=4.0</math></center>
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| | |
| de manera que la fórmula analítica es
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| | |
| <center><math>x=-1.728+14.4t-15.6t^2+4.0t^3\,</math></center>
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| | |
| A partir de aquí podemos calcular la distancia recorrida. Hallamos en primer lugar la velocidad
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| | |
| <center><math>v = 14.4-31.2t+12.0t^2\,</math></center>
| |
| | |
| Si resolvemos la ecuación de segundo grado <math>v = 0</math> vemos que se anula en <math>t=0.6\,\mathrm{s}</math> y en <math>t=2.0\,\mathrm{s}</math> (como se ve de la propia gráfica, donde es máxima y mínima la posición). Hasta 0.6s es positiva y de ahí en adelante negativa, por lo que la distancia recorrida vale
| |
| | |
| <center><math>\Delta s = \int_{0.0}^{2.0}|v|\mathrm{d}t=\int_{0.0}^{0.6}v\mathrm{d}t+\int_{0.6}^{2.0}(-v)\mathrm{d}t</math></center>
| |
| | |
| Las integrales son de una simple función polinómica de integral inmediata. El resultado es
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| | |
| <center><math>\Delta s = 3.888\,\mathrm{m}+5.488\,\mathrm{m}=9.376\,\mathrm{m}</math></center>
| |
| | |
| El resultado coincide con el que hallamos a partir de la serie de datos por coincidir el máximo con uno de los puntos de la serie.
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| | |
| La rapidez media, lógicamente, es la misma que ya conocemos
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| <center><math>|v|_m=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{9.376\,\mathrm{m}}{2.00\mathrm{s}}=4.688\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| Para la velocidad instantánea sustituimos t por 1.2s y queda
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| | |
| <center><math>v(t=1.2\,\mathrm{s})=14.4-31.2(1.2)+12.0(1.2)^2 = -5.76\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}</math></center>
| |
| | |
| Si comparamos este valor con el de −5.72m/s que hallamos antes, vemos que la diferencia es del 0.7%.
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| | |
| Para hallar la aceleración derivamos de nuevo
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| <center><math>a=-31.2+24.0t\,</math></center>
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| | |
| que en <math>t = 1.2\,\mathrm{s}</math> vale
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| | |
| <center><math>a(t=1.2\,\mathrm{s})=-2.4\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2}</math></center>
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| | |
| que en este caso coincide con el valor obtenido a partir de la serie de datos.
| |
| [[Categoría:Problemas de cinemática del movimiento rectilíneo (GIOI)]] | |
