Ciencias Naturales 9.º

Gráficas del movimiento uniforme

50 min · DBA 1

Lo que vas a aprender
  • Reconocer un movimiento rectilíneo uniforme en una tabla porque tiene desplazamientos iguales en tiempos iguales.
  • Dibujar e interpretar la gráfica posición–tiempo de un movimiento uniforme como una recta cuya pendiente es la velocidad.
  • Calcular la velocidad como la pendiente de la gráfica posición–tiempo a partir de dos de sus puntos, y leer la posición en un instante.
  • Construir la gráfica velocidad–tiempo de un movimiento uniforme como una recta horizontal.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

Una tabla con veinte posiciones y veinte tiempos es difícil de leer: hay que comparar los números uno por uno para saber si el cuerpo iba rápido o despacio, hacia dónde iba o si se detuvo. Una gráfica muestra todo eso de un vistazo. Con práctica, mirar la forma de una línea te dice cómo se movió un cuerpo, igual que mirar un mapa te dice por dónde va un camino.

En esta lección vas a estudiar el movimiento más sencillo que existe, el movimiento rectilíneo uniforme, y sus dos gráficas: la de posición contra tiempo y la de velocidad contra tiempo. Las personas, las posiciones y los tiempos de los ejemplos son inventados para practicar.

Antes de empezar recuerda cómo se ubica un punto $(a;\ b)$ en el plano cartesiano y cómo se calcula la pendiente de una recta que pasa por dos puntos.

Explicación

El movimiento rectilíneo uniforme

Un cuerpo tiene movimiento rectilíneo uniforme (MRU) cuando se mueve en línea recta con velocidad constante: no acelera, no frena y no cambia de sentido. En una tabla de posiciones tomadas a intervalos iguales, eso se nota porque los desplazamientos de cada intervalo son iguales.

Andrea va en patineta por una ciclovía recta. El cuerpo de referencia es el suelo, el origen es un poste de la luz y el sentido positivo es el de su avance. Esta es su tabla:

Instante t (s) 0 2 4 6 8
Posición x (m) 5 11 17 23 29

Ejemplo resuelto

¿Es un movimiento uniforme?

Con la tabla de Andrea, comprueba que su movimiento es uniforme y halla su velocidad y su posición inicial.

Ver la solución paso a paso
  1. Calculamos el desplazamiento de cada intervalo de 2 s, final menos inicial:

    $$11 - 5 = 6 \quad\text{y}\quad 17 - 11 = 6 \quad\text{y}\quad 23 - 17 = 6 \quad\text{y}\quad 29 - 23 = 6$$

  2. Los cuatro desplazamientos valen 6 m: en tiempos iguales, desplazamientos iguales. La tabla es la de un MRU. Su velocidad es el desplazamiento de un intervalo dividido entre su duración:

    $$\frac{6}{2}$$

  3. Andrea va a $3$ m/s, en el sentido positivo.

  4. La posición inicial es la del instante $t = 0$, que se lee en la tabla: $x_0 = 5$ m. Andrea no salió del origen sino 5 m más adelante. Desde ahí, cada segundo suma 3 m; a los 6 s, por ejemplo, está en

    $$5 + 3 \cdot 6$$

  5. $23$ m, como dice la tabla.

Respuesta: La tabla es la de un MRU, con velocidad de 3 m/s y posición inicial de 5 m.

La gráfica posición–tiempo

Lo que acabas de hacer con Andrea vale para cualquier MRU: la posición en cada instante es la posición inicial más lo que se avanzó, y lo que se avanzó es la velocidad por el tiempo.

$$x = x_0 + v\,t$$

Si dibujas esa relación con el tiempo en el eje horizontal y la posición en el vertical, obtienes una recta. Dos de sus rasgos se leen directamente:

  • el corte con el eje vertical es la posición inicial $x_0$, porque ahí $t = 0$;
  • la pendiente es la velocidad $v$, porque la pendiente es el cambio de posición dividido entre el cambio de tiempo, y eso es justamente $\dfrac{\Delta x}{\Delta t}$.

Para calcular la pendiente se escogen dos puntos cualesquiera de la recta, lo más alejados posible para leerlos mejor, y se divide el cambio vertical entre el cambio horizontal.

12345678910510152025303540t (s)x (m)x = 5 + 3t(0; 5)(2; 11)(8; 29)

Gráfica posición–tiempo de Andrea, dibujada desde x = 5 + 3t. Es una recta que corta el eje vertical en 5 m (su posición inicial) y pasa por (2; 11) y (8; 29). Su pendiente, 3 m/s, es la velocidad.

Qué dice la forma de la recta

  • Una recta más empinada es un cuerpo más rápido: en el mismo tiempo, su posición cambia más.
  • Una recta que sube tiene pendiente positiva: el cuerpo avanza en el sentido positivo.
  • Una recta que baja tiene pendiente negativa: el cuerpo avanza en el sentido negativo, con rapidez constante. Cuidado: bajar no es frenar. Un cuerpo que frena tendría una gráfica que se va acostando poco a poco, y eso ya no es una recta ni un MRU.
  • Una recta horizontal tiene pendiente cero: la posición no cambia, y el cuerpo está en reposo respecto al marco de referencia.

La gráfica x–t no es un dibujo del camino. Que la recta baje no quiere decir que el cuerpo baje una loma: quiere decir que su posición disminuye con el tiempo. El camino de todos estos cuerpos es una línea recta; la gráfica dice dónde está el cuerpo cuándo.

1234567891010203040506070t (s)x (m)x = 60 − 6t(0; 60)(5; 30)(8; 12)

Gráfica posición–tiempo de una moto, dibujada desde x = 60 − 6t. La recta baja: la moto avanza en el sentido negativo. Pasa por (0; 60), (5; 30) y (8; 12).

Ejemplo resuelto

Leer la gráfica de la moto

En la gráfica de la moto, la recta pasa por los puntos (0; 60) y (5; 30). Halla la velocidad de la moto y la posición que marca la gráfica en el instante 8 s.

Ver la solución paso a paso
  1. La velocidad es la pendiente: cambio de posición entre cambio de tiempo, con los dos puntos en el mismo orden.

    $$\frac{30 - 60}{5 - 0}$$

  2. Da $-6$ m/s. Es negativa: la moto avanza 6 m en cada segundo, en el sentido negativo.

  3. La recta corta el eje vertical en 60 m, así que la posición es $x = 60 - 6t$. En el instante 8 s:

    $$60 - 6 \cdot 8$$

  4. La gráfica marca $12$ m: es el punto (8; 12) de la figura.

Respuesta: La velocidad de la moto es −6 m/s, y en el instante 8 s está en la posición 12 m.

La gráfica velocidad–tiempo

En un MRU la velocidad no cambia. Si dibujas la velocidad en el eje vertical y el tiempo en el horizontal, obtienes una recta horizontal a la altura de la velocidad. Si el cuerpo va en el sentido positivo, la recta queda por encima del eje del tiempo; si va en el sentido negativo, por debajo; si está en reposo, coincide con el eje.

Las dos gráficas cuentan la misma historia de dos maneras: la pendiente de la gráfica x–t es la altura de la gráfica v–t.

12345678910−8−6−4−224t (s)v (m/s)Andreamoto(4; 3)(4; −6)

Gráficas velocidad–tiempo de Andrea (v = 3 m/s, por encima del eje) y de la moto (v = −6 m/s, por debajo del eje). Las dos son rectas horizontales porque las velocidades no cambian. Pasan por (4; 3) y (4; −6).

Ejemplo resuelto

Un movimiento que no es uniforme

Un carrito baja por una rampa recta. En los instantes 0, 1, 2 y 3 s está en las posiciones 0, 4, 10 y 18 m. ¿Es un MRU?

Ver la solución paso a paso
  1. Calculamos el desplazamiento de cada segundo:

    $$4 - 0 = 4 \quad\text{y}\quad 10 - 4 = 6 \quad\text{y}\quad 18 - 10 = 8$$

  2. Los desplazamientos son 4 m, 6 m y 8 m: en tiempos iguales, desplazamientos distintos. El carrito va cada vez más rápido, así que no es un MRU. Su gráfica x–t no sería una recta sino una curva, y ese movimiento lo estudiarás en la siguiente unidad. Su velocidad media en los 3 s sí se puede calcular.

  3. La velocidad media es el desplazamiento entre el tiempo:

    $$\frac{18 - 0}{3 - 0}$$

  4. Da $6$ m/s, pero el carrito no fue a esa velocidad todo el tiempo.

Respuesta: No es un MRU: los desplazamientos de cada segundo son 4 m, 6 m y 8 m, distintos.

Práctica

La gráfica posición–tiempo de un carrito es una recta que pasa por t = 1 s, x = 7 m y por t = 5 s, x = 19 m. ¿Cuál es su velocidad, en m/s?

La gráfica posición–tiempo de un ciclista es una recta que pasa por t = 0 s, x = 50 m y por t = 10 s, x = 20 m. ¿Cuál es su velocidad, en m/s?

La gráfica posición–tiempo de una patinadora se dibujó desde $x =$ $12 + 4t$, con x en metros y t en segundos. ¿Qué posición marca la gráfica en el instante 5 s, en metros?

Cada opción es la pendiente, Δx ÷ Δt, de una gráfica posición–tiempo calculada entre dos de sus puntos. Marca todas las que corresponden a un cuerpo en reposo.

Marca todas las que apliquen.

Un cuerpo en MRU tiene su gráfica posición–tiempo dada por $x =$ $30 - 5t$, con x en metros y t en segundos. ¿A qué altura queda la recta horizontal de su gráfica velocidad–tiempo, en m/s?

Un carro va en MRU. En t = 0 s está en la posición 10 m y en t = 4 s está en la posición 26 m. ¿En qué posición estaba en t = 2 s, en metros?

La recta posición–tiempo de Ana pasa por t = 0 s, x = 0 m y por t = 4 s, x = 12 m. La de Beto pasa por t = 0 s, x = 6 m y por t = 4 s, x = 14 m. ¿Cuántos m/s más rápido va Ana que Beto?

La gráfica velocidad–tiempo de un cuerpo es una recta horizontal en −4 m/s. ¿Verdadero o falso? En 5 s el cuerpo se desplaza −20 m, es decir, 20 m en el sentido negativo.

La gráfica posición–tiempo de un MRU empieza en t = 0 s, x = 8 m y el cuerpo va a 2 m/s. ¿Verdadero o falso? En el instante 6 s la gráfica marca x = 20 m.

La gráfica posición–tiempo de un cuerpo es una recta que baja. ¿Qué movimiento describe?

Reto

¿Cuál gráfica no es como las demás?

Cada ficha es la pendiente de una gráfica posición–tiempo, en m/s. En cada ronda, tres cuerpos van en el mismo sentido (o los tres están quietos) y uno no: toca el distinto.

Reto

Une cada rasgo de la gráfica con lo que significa.

Toca una ficha y luego la que le corresponde.

Cierre

En resumen

  • En un movimiento rectilíneo uniforme la velocidad es constante, y en tiempos iguales hay desplazamientos iguales.

  • La gráfica posición–tiempo de un MRU es una recta, x = x₀ + vt; su corte con el eje vertical es la posición inicial y su pendiente es la velocidad.

  • Una recta x–t que sube es velocidad positiva, una que baja es velocidad negativa y una horizontal es reposo; bajar no es frenar.

  • La gráfica velocidad–tiempo de un MRU es una recta horizontal a la altura de la velocidad.

  • La gráfica x–t dice dónde está el cuerpo en cada instante; no es un dibujo de su camino.

Vocabulario

Movimiento rectilíneo uniforme

Movimiento en línea recta con velocidad constante: en tiempos iguales, el cuerpo tiene desplazamientos iguales. Se abrevia MRU.

Gráfica posición–tiempo

La gráfica con el tiempo en el eje horizontal y la posición en el vertical; se abrevia x–t. En un MRU es una recta.

Pendiente

El cambio en el eje vertical dividido entre el cambio en el eje horizontal. En la gráfica x–t es la velocidad.

Gráfica velocidad–tiempo

La gráfica con el tiempo en el eje horizontal y la velocidad en el vertical; se abrevia v–t. En un MRU es una recta horizontal.

Posición inicial

La posición x₀ del cuerpo en el instante t = 0. En la gráfica x–t es el corte con el eje vertical.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Con un compañero y un cronómetro, caminar a paso constante por el patio y anotar la posición cada 5 s respecto a una marca de tiza. Hacer la tabla, la gráfica x–t y la gráfica v–t, y calcular la velocidad con la pendiente.