La Cinemática (del griego ?????, kineo, movimiento) es la rama de la mecánica clásica que estudia las leyes del movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose, esencialmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo. En la Cinemática se utiliza un sistema de coordenadas para describir las trayectorias, denominado sistema de referencia. La velocidad es el ritmo con que cambia la posición un cuerpo. La aceleración es el ritmo con que cambia su velocidad. La velocidad y la aceleración son las dos principales cantidades que describen cómo cambia su posición en función del tiempo.
Elementos básicos de la cinemática
Los elementos básicos de la Cinemática son: espacio, tiempo y móvil. En la Mecánica Clásica se admite la existencia de un espacio absoluto; es decir, un espacio anterior a todos los objetos materiales e independientes de la existencia de estos. Este espacio es el escenario donde ocurren todos los fenómenos físicos, y se supone que todas las leyes de la física se cumplen rigurosamente en todas las regiones del mismo. El espacio físico se representa en la Mecánica Clásica mediante un espacio puntual euclídeo.
Análogamente, la Mecánica Clásica admite la existencia de un tiempo absoluto que transcurre del mismo modo en todas las regiones del Universo y que es independiente de la existencia de los objetos materiales y de la ocurrencia de los fenómenos físicos. El móvil más simple que se puede considerar es el punto material o partícula; cuando en la Cinemática se estudia este caso particular de móvil, se denomina «Cinemática de la partícula«; y cuando el móvil bajo estudio es un cuerpo rígido, se lo puede considerar como un sistema de partículas y hacer extensivos análogos conceptos; en este caso se la denomina Cinemática del sólido rígido o del cuerpo rígido.
Relativismo
El relativismo es una posición filosófica que sostiene en ciertos aspectos que no existen hechos o principios universales compartidos por todas las culturas humanas. En general las discusiones sobre el relativismo se centran en aspectos particulares así se habla de: relativismo cultural, relativismo moral, relativismo lingüístico, etc.
Cinemática relativista
La relatividad especial de Einstein introduce un cambio conceptual en la mecánica de Newton. Por un lado mantiene el principio de relatividad intro-ducido por Galileo en el sentido que las leyes fundamentales de la física son las mismas (invariantes en forma; o sea, covariantes) en todos los sistemas inerciales. Por otro lado, incluye explícitamente entre estas leyes al electro-magnetismo de Maxwell. En particular, la velocidad de la luz en el vacío c, al ser la velocidad con la que se propagan las ondas electromagnéticas, deducida de las leyes de Maxwell, debe ser la misma en todos los sistemas inerciales. Así, dos observadores inerciales, en movimiento relativo uno al otro, deben obtener el mismo valor al medir la velocidad de un mismo frente de luz. Postulando esto último, más el principio de relatividad en sistemas inerciales puede deducirse la relatividad especial.
Leyes de transformación relativistas
El estado y el tipo de movimiento de cualquier objeto depende del sistema de referencia (SR) adoptado para estudiarlo. Por ejemplo, un satélite con un movimiento circular alrededor de la tierra, describe una trayectoria mucho más complicada respecto del Sol, tal como muestra una animación interactiva Modellus elaborada por nosotros.
El reto de la relatividad consiste en la búsqueda de unas leyes únicas para el estudio de los movimientos y, al mismo tiempo, capaces de proporcionar descripciones diferentes de cualquier movimiento según cual sea el SR que se adopte Observadores situados en SR distintos (en este ejemplo, en la Tierra o en el Sol) han de poder utilizar esas leyes compartidas para estudiar cada movimiento (como el del satélite), pero, al hacerlo, cada uno obtendrá un valor distinto de magnitudes relativas, como son la posición y la velocidad. Además de poseer esa capacidad extraordinaria de adaptación de las leyes a cada SR, una teoría relativista debe incluir un conjunto adicional de ecuaciones adecuado para trasladar los valores de las magnitudes que caracterizan a cada movimiento al pasar de un SR a otro.
Fundamentos de la cinemática clásica
La cinemática trata del estudio del movimiento de los cuerpos en general, y en particular, el caso simplificado del movimiento de un punto material. Para sistemas de muchas partículas, tales como los fluidos, las leyes de movimiento se estudian en la mecánica de fluidos. El movimiento trazado por una partícula lo mide un observador respecto a un sistema de referencia. Desde el punto de vista matemático, la cinemática expresa cómo varían las coordenadas de posición de la partícula (o partículas) en función del tiempo. La función que describe la trayectoria recorrida por el cuerpo (o partícula) depende de la velocidad (la rapidez con la que cambia de posición un móvil) y de la aceleración (variación de la velocidad respecto del tiempo).
El movimiento de una partícula (o cuerpo rígido) se puede describir según los valores de velocidad y aceleración, que son magnitudes vectoriales. Si la aceleración es nula, da lugar a un movimiento rectilíneo uniforme y la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo. Si la aceleración es constante con igual dirección que la velocidad, da lugar al movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y la velocidad variará a lo largo del tiempo. Si la aceleración es constante con dirección perpendicular a la velocidad, da lugar al movimiento circular uniforme, donde el módulo de la velocidad es constante, cambiando su dirección con el tiempo.
Cuando la aceleración es constante y está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, tenemos el caso del movimiento parabólico, donde la componente de la velocidad en la dirección de la aceleración se comporta como un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, y la componente perpendicular se comporta como un movimiento rectilíneo uniforme, generándose una trayectoria parabólica al componer ambas. Cuando la aceleración es constante pero no está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, se observa el efecto de Coriolis.
En el movimiento armónico simple se tiene un movimiento periódico de vaivén, como el del péndulo, en el cual un cuerpo oscila a un lado y a otro desde la posición de equilibrio en una dirección determinada y en intervalos iguales de tiempo. La aceleración y la velocidad son funciones, en este caso, sinusoidales del tiempo.
- Movimiento rectilíneo Es aquel en el que el móvil describe una trayectoria en línea recta.
- Movimiento rectilíneo uniforme Para este caso la aceleración es cero por lo que la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo. Esto corresponde al movimiento de un objeto lanzado en el espacio fuera de toda interacción, o al movimiento de un objeto que se desliza sin fricción.
- Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado En éste movimiento la aceleración es constante, por lo que la velocidad de móvil varía linealmente y la posición cuadráticamente con tiempo.
- Movimiento parabólico El movimiento parabólico se puede analizar como la composición de dos movimientos rectilíneos distintos: uno horizontal (según el eje x) de velocidad constante y otro vertical (según eje y) uniformemente acelerado, con la aceleración gravitatoria; la composición de ambos da como resultado una trayectoria parabólica. Claramente, la componente horizontal de la velocidad permanece invariable, pero la componente vertical y el ángulo ? cambian en el transcurso del movimiento.
- Movimiento circular Lo experimentan, por ejemplo, las partículas de un disco que gira sobre su eje, las de una noria, las de las agujas de un reloj, las de las paletas de un ventilador, etc. Para el caso de un disco en rotación alrededor de un eje fijo, cualquiera de sus puntos describe trayectorias circulares, realizando un cierto número de vueltas durante determinado intervalo de tiempo.
- Movimiento circular uniforme Se caracteriza por tener una velocidad angular constante por lo que la aceleración angular es nula. La velocidad lineal de la partícula no varía en módulo, pero sí en dirección. La aceleración tangencial es nula; pero existe aceleración centrípeta (la aceleración normal), que es causante del cambio de dirección.
- Movimiento circular uniformemente acelerado En este movimiento, la velocidad angular varía linealmente respecto del tiempo, por estar sometido el móvil a una aceleración angular constante.
Fuentes: es.wikipedia.org / es.scribd.com / intercentres.cult.gva.es / cinematicaabirta.blogspot.com