Les vencimos

Física y Química · 1º Bachillerato

Lección 13 · Bloque D · Cinemática

El andén y el tren: dos orígenes, una recta

1º Bachillerato Física y Química · Ciencias · Decreto 40/2022 CyL

Objetivos

Dos marcos en la misma recta

Un sistema de referencia es un origen, un sentido positivo y un reloj. En esta lección todo ocurre en el eje x. El sistema S es el andén. El sistema S′ es el tren. La velocidad del tren respecto al andén es v, constante y positiva si el tren avanza en el sentido +x.

x posición medida en S (m). x′ posición medida en S′ (m). t tiempo (s), el mismo en los dos marcos clásicos. v velocidad de S′ respecto de S (m/s), constante. u velocidad de un móvil respecto de S. u′ velocidad de ese móvil respecto de S′.

S es inercial si en él se cumple la primera ley de Newton: un cuerpo sin fuerza neta mantiene su velocidad. El andén, quieto respecto al suelo, lo tomamos como inercial. Cualquier marco que se mueva con velocidad constante respecto a un inercial también es inercial. Si el tren frena o arranca, su velocidad cambia: S′ deja de ser inercial. Dentro de él aparecen aceleraciones que no vienen de una fuerza real (las llamarás ficticias cuando llegues a dinámica).

Ejes del andén y del tren en una dimensión, orígenes coincidentes en t igual a cero t = 0 · los dos orígenes coinciden · v constante S andén · x S′ tren · x′ Más tarde el origen del tren está en x = v t. Un punto fijo en el tren tiene x = x′ + v t.

Galileo, solo si v es constante

Si en t = 0 los orígenes coinciden y los relojes marcan lo mismo:

x = x′ + v t   ·   t = t′   ·   u = u′ + v

La tercera igualdad es la primera derivada respecto al tiempo, con v constante: la velocidad se suma en una dimensión. Si caminas hacia la cola del tren, u′ es negativa y se resta.

Ejemplo resuelto, paso a paso

El tren lleva v = 15 m/s constantes respecto al andén. En t = 0 estás en el origen de ambos. Caminas hacia la locomotora a u′ = 1,0 m/s respecto al suelo del tren. ¿Dónde estás a los 4,0 s, en cada marco, y con qué velocidad te ve el andén?

  1. Comprueba que puedes usar Galileo: v es constante, así que S y S′ son inerciales. Si el tren estuviera frenando, pararías aquí.
  2. En el tren, tu velocidad es constante: x′ = u′ t = 1,0 · 4,0 = 4,0 m.
  3. En el andén, x = x′ + v t = 4,0 + 15 · 4,0 = 4,0 + 60 = 64 m.
  4. La velocidad respecto al andén: u = u′ + v = 1,0 + 15 = 16 m/s.
  5. Cierre: u · t = 16 · 4,0 = 64 m, la misma x. Las dos cuentas tienen que coincidir; si no, hay un signo mal puesto.

Ejercicios

1. ¿Inercial o no?

Clasifica: a) el andén; b) un tren a 90 km/h constantes en recta; c) ese mismo tren mientras frena; d) un vagón que acaba de arrancar y aún gana velocidad.

Porqué

a) Inercial, por el convenio de esta lección: el suelo. b) Inercial: velocidad constante respecto a un inercial, aunque no esté parado. c) y d) No inerciales: la velocidad del marco cambia. Dentro notas que un objeto libre «se va» sin que nadie lo empuje en horizontal. Galileo con una sola v no vale mientras dura el frenado o el arranque.

2. Caminas hacia la cola

v = 12 m/s, u′ = −1,5 m/s, t = 6,0 s, orígenes juntos en t = 0 y partes del origen. Calcula x′, x y u.

Porqué

x′ = −1,5 · 6,0 = −9,0 m (has avanzado hacia x′ negativos). x = −9,0 + 12 · 6,0 = −9,0 + 72 = 63 m. u = −1,5 + 12 = 10,5 m/s. Cierre: 10,5 · 6,0 = 63 m. El signo negativo de u′ no vuelve negativa la velocidad respecto al andén: el tren te lleva más deprisa de lo que tú retrocedes.

3. La maleta quieta en el tren

v = 8,0 m/s constantes. La maleta no se mueve respecto al tren (u′ = 0) y en t = 0 está en el origen. Posiciones a t = 5,0 s.

Porqué

x′ = 0. x = 0 + 8,0 · 5,0 = 40 m. u = 8,0 m/s. Para ti está quieta; para el andén se desplaza con el tren. No hay contradicción: «quieta» siempre es respecto de un marco. Como v es constante, los dos tienen razón y los dos son inerciales.

4. El signo de v

Ahora el tren se mueve hacia x negativos con rapidez 4,0 m/s, constante. Un punto fijo del tren está en x′ = 10 m. ¿Qué x tiene cuando t = 3,0 s?

Porqué

v = −4,0 m/s, no +4,0: el sentido importa. x = 10 + (−4,0) · 3,0 = 10 − 12 = −2,0 m. Si olvidas el signo, te salen 22 m y el tren se te ha ido al lado contrario del eje.

5. Frenazo: por qué no sumas v t

El tren llevaba 15 m/s y durante 2 s frena a razón constante hasta quedar parado. Alguien calcula el avance del origen con x = 15 · 2 = 30 m. ¿Qué está mal, sin necesidad de hallar el espacio real de frenado?

Porqué

Galileo con v fija exige que v no cambie. Aquí la velocidad del marco pasa de 15 m/s a 0, así que S′ no es inercial en ese intervalo y no existe una sola v para meter en x = x′ + v t. El andén sigue siendo inercial: ahí el movimiento del tren es un MRUA, que verás en la lección 15, no un desplazamiento a 15 m/s todo el rato. 30 m sería el avance solo si no hubiera frenado.

Dibuja los dos ejes

En el lienzo, dos rectas. Marca el origen común en t = 0 y, aparte, dónde está el origen del tren a los 4 s del ejemplo (x = 60 m si u′ no cuenta: el origen del vagón, no tú).

En la vida real

El autobús de tu línea

  • En recta y a velocidad constante puedes caminar por el pasillo como en la acera: los dos marcos son inerciales.
  • Al frenar en una parada te vas hacia delante. El marco del autobús ha dejado de ser inercial; el de la calle no.
  • Por eso el cinturón importa en el cambio de velocidad, no cuando la aguja del velocímetro está quieta.
Problema · en esta página

S′ se mueve a v constante. Partes de los orígenes en t = 0. Escribe x′, x y u, y comprueba. El lienzo coloca el punto en los dos ejes.

Reto Profesor

Un número con signo

Elige v negativa y u′ positiva. Escribe las tres ecuaciones con tus cifras, el cierre u · t = x y una frase que diga por qué el marco sigue siendo inercial. Dibuja el eje.

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