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Movimiento rotacional · Cinemática rotacional, inercia y energía

Cinemática rotacional

Un carrusel en un parque de Denver empieza a girar. Un niño en el borde y otro cerca del centro dan la misma cantidad de vueltas por minuto, pero el del borde "siente" que va mucho más rápido. ¿Cómo describimos el giro con pocos números y por qué los dos puntos se mueven distinto? Vamos a verlo.

Ángulo, revoluciones y radianes

Para un objeto que gira, la posición se da con un ángulo θ medido desde una línea de referencia. El desplazamiento angular es Δθ = θ − θ₀. Igual que en el movimiento lineal, el signo indica el sentido: por convención, antihorario es positivo y horario es negativo.

El ángulo se puede medir de tres maneras:

  • Grados: una vuelta completa = 360°.

  • Revoluciones (rev): una vuelta completa = 1 rev.

  • Radianes (rad): una vuelta completa = $2\pi$ rad.

Un radian es el ángulo que abarca un arco de longitud igual al radio. Por eso la longitud de arco es $s = r\theta$ cuando θ está en radianes.

Círculo de radio r con un arco de longitud igual a r, que corresponde a un ángulo de 1 radian θ = 1 rad r arco = r

Las conversiones que necesitas:

$$1\ \text{rev} = 2\pi\ \text{rad} = 360^\circ$$
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Una rueda de bicicleta da $12$ revoluciones completas mientras Emma va por su calle. Expresa el desplazamiento angular de la rueda en radianes. Da tu respuesta en…

Una rueda de bicicleta da $12$ revoluciones completas mientras Emma va por su calle. Expresa el desplazamiento angular de la rueda en radianes. Da tu respuesta en términos de $\pi$ y también como número decimal.

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Velocidad y aceleración angular

La velocidad angular promedio es cuánto cambia el ángulo por unidad de tiempo:

$$\omega_{\text{prom}} = \frac{\Delta\theta}{\Delta t}$$

Se mide en rad/s. Si el giro es constante, ω es igual en todo momento. Los aparatos suelen dar la rapidez en rev/min (rpm), así que hay que convertir:

$$\omega = 2\pi f, \qquad T = \frac{1}{f} = \frac{2\pi}{\omega}$$

donde $f$ es la frecuencia (rev/s) y $T$ el período (tiempo de una vuelta).

La aceleración angular es cuánto cambia ω por unidad de tiempo:

$$\alpha = \frac{\Delta\omega}{\Delta t}$$

Su unidad es rad/s². Igual que en el movimiento lineal: si α y ω tienen el mismo signo, el objeto gira cada vez más rápido; si tienen signos opuestos, frena.

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Un disco de vinilo en un tocadiscos gira con rapidez constante de $33\tfrac{1}{3}$ revoluciones por minuto. Convierte esta rapidez a velocidad angular en rad/s y luego…

Un disco de vinilo en un tocadiscos gira con rapidez constante de $33\tfrac{1}{3}$ revoluciones por minuto. Convierte esta rapidez a velocidad angular en rad/s y luego calcula el tiempo que tarda el disco en completar una revolución.

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Ecuaciones con aceleración angular constante

Todo lo que aprendiste de cinemática lineal con aceleración constante tiene una versión rotacional. Solo cambias las letras:

Lineal Rotacional
$x$ $\theta$
$v$ $\omega$
$a$ $\alpha$
$v = v_0 + at$ $\omega = \omega_0 + \alpha t$
$x = x_0 + v_0 t + \tfrac12 a t^2$ $\theta = \theta_0 + \omega_0 t + \tfrac12 \alpha t^2$
$v^2 = v_0^2 + 2a\Delta x$ $\omega^2 = \omega_0^2 + 2\alpha\Delta\theta$

Funcionan solo si α es constante. Es la misma matemática: por eso también valen las gráficas. En una gráfica ω–t, la pendiente es α y el área bajo la recta es Δθ.

Gráfica de velocidad angular contra tiempo: una recta creciente cuya pendiente es la aceleración angular y cuya área es el desplazamiento angular t (s) ω (rad/s) área = Δθ pendiente = α
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Un ventilador de techo parte del reposo y aumenta su rapidez con aceleración angular constante de $0.80$ rad/s$^2$ durante $10$ s. (a) Calcula la velocidad angular del…

Un ventilador de techo parte del reposo y aumenta su rapidez con aceleración angular constante de $0.80$ rad/s$^2$ durante $10$ s. (a) Calcula la velocidad angular del ventilador en $t = 10$ s. (b) Calcula el desplazamiento angular durante esos $10$ s. (c) Calcula cuántas revoluciones da en ese tiempo.

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Una rueda de esmeril que gira a $60$ rad/s se apaga y se detiene de manera uniforme en $15$ s. (a) Calcula la magnitud de su aceleración angular. (b) Calcula el…

Una rueda de esmeril que gira a $60$ rad/s se apaga y se detiene de manera uniforme en $15$ s. (a) Calcula la magnitud de su aceleración angular. (b) Calcula el desplazamiento angular mientras se frena. (c) Un punto de la rueda está a $0.10$ m del eje. Calcula la aceleración tangencial de ese punto.

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Conectar el giro con el movimiento lineal

Volvamos al carrusel. Todos los puntos giran el mismo ángulo en el mismo tiempo, así que tienen la misma ω. Pero un punto a mayor distancia $r$ del eje recorre un arco más largo: $s = r\theta$. Dividiendo entre el tiempo:

$$v = r\omega$$

Esta es la rapidez lineal (tangente al círculo) de un punto a distancia $r$ del eje. Por eso el niño del borde va más rápido: mismo ω, mayor $r$.

Si ω cambia, la rapidez cambia, y aparece una aceleración tangencial:

$$a_t = r\alpha$$

Además, un punto que gira siempre cambia de dirección, así que tiene aceleración centrípeta (hacia el centro):

$$a_c = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r$$

Estas dos aceleraciones son perpendiculares. La magnitud de la aceleración total es:

$$a = \sqrt{a_t^2 + a_c^2}$$ Punto en el borde de un disco con su aceleración tangencial, su aceleración centrípeta y la aceleración total at ac a total r
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Un punto en el borde de un carrusel de un parque en Denver está a $2.0$ m del centro. El carrusel gira con velocidad angular constante de $1.5$ rad/s. Calcula la rapidez…

Un punto en el borde de un carrusel de un parque en Denver está a $2.0$ m del centro. El carrusel gira con velocidad angular constante de $1.5$ rad/s. Calcula la rapidez lineal de ese punto.

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La llanta del carro de Marcus tiene radio de $0.32$ m. El carro acelera desde el reposo hasta $20$ m/s en $8.0$ s sobre un camino recto, y las llantas ruedan sin…

La llanta del carro de Marcus tiene radio de $0.32$ m. El carro acelera desde el reposo hasta $20$ m/s en $8.0$ s sobre un camino recto, y las llantas ruedan sin deslizar. Suponiendo aceleración constante, calcula (a) la aceleración angular de la llanta y (b) la velocidad angular de la llanta en $t = 8.0$ s.

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El tambor de una secadora de ropa, de radio $0.30$ m, parte del reposo con aceleración angular constante de $2.0$ rad/s$^2$. Un calcetín está pegado a la pared interior…

El tambor de una secadora de ropa, de radio $0.30$ m, parte del reposo con aceleración angular constante de $2.0$ rad/s$^2$. Un calcetín está pegado a la pared interior del tambor y se mueve con él. En $t = 3.0$ s, calcula (a) la aceleración tangencial del calcetín, (b) su aceleración centrípeta y (c) la magnitud de su aceleración total. (d) Explica por qué el ángulo entre el vector de aceleración total y la dirección radial cambia con el tiempo, e indica si aumenta o disminuye.

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Analizar datos de un giro

A veces no te dan α: te dan una tabla de ω contra $t$. Para saber si α es constante, calcula $\Delta\omega/\Delta t$ en cada intervalo. Si siempre sale lo mismo, la gráfica ω–t es una recta y puedes usar las ecuaciones de la sección anterior. El desplazamiento angular es el área bajo esa recta (un trapecio): $\Delta\theta = \tfrac12(\omega_0 + \omega)\,t$.

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Dos estudiantes estudian un disco que gira. La velocidad angular del disco aparece en la tabla. | $t$ (s) | 0 | 2.0 | 4.0 | 6.0 | 8.0 | |---|---|---|---|---|---| |…

Dos estudiantes estudian un disco que gira. La velocidad angular del disco aparece en la tabla.

$t$ (s) 0 2.0 4.0 6.0 8.0
$\omega$ (rad/s) 4.0 10.0 16.0 22.0 28.0

(a) Demuestra que la aceleración angular es constante y calcula su valor. (b) Calcula el desplazamiento angular de $t = 0$ a $t = 8.0$ s. (c) Aaliyah dice que el disco da cerca de $22$ revoluciones en ese intervalo. Verifica si tiene razón y explica tu razonamiento con un cálculo.

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Vuelve al principio: los dos niños del carrusel comparten la misma ω, pero el del borde tiene mayor $r$, así que $v = r\omega$ es mayor para él.

Resumen

  • El ángulo se mide en grados, revoluciones o radianes: $1\ \text{rev} = 2\pi\ \text{rad} = 360^\circ$. Antihorario es positivo.

  • $\omega = \Delta\theta/\Delta t$ (rad/s), $\alpha = \Delta\omega/\Delta t$ (rad/s²), $\omega = 2\pi f$ y $T = 1/f$.

  • Con α constante: $\omega = \omega_0 + \alpha t$, $\theta = \theta_0 + \omega_0 t + \tfrac12\alpha t^2$, $\omega^2 = \omega_0^2 + 2\alpha\Delta\theta$.

  • En una gráfica ω–t, la pendiente es α y el área es Δθ.

  • Un punto a distancia $r$ del eje: $v = r\omega$, $a_t = r\alpha$, $a_c = \omega^2 r$, y $a = \sqrt{a_t^2 + a_c^2}$.

  • Usa siempre radianes en las relaciones entre giro y movimiento lineal.

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