3.1.2 Ecuaciones de movimiento
El movimiento de un cuerpo está completamente definido si se puede determinar la posición de cualquier punto perteneciente a él en cualquier tiempo. A continuación se presentarán para cada tipo de movimiento las relaciones matemáticas que permiten definir el movimiento de un cuerpo con base en los conceptos explicados con anterioridad.
Traslación
Consideremos dos puntos A y B de un cuerpo en traslación, [Fig. 3-5]
La posición de A y B con respecto a un sistema xy de referencia se representan por medio de los vectores de posición
y
respectivamente, y la posición de B con respecto de A por
. Como
se tiene que
Figura 3-5
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Donde
y como
Es decir, en traslación, todos los puntos de un cuerpo tienen la misma velocidad. De otra parte, la aceleración de B es:
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Movimiento alrededor de un eje fijo
Sin perder generalidad supongamos que el eje de rotación es el eje z. Sea A un punto del cuerpo rígido y
su vector de posición, [Fig. 3-6]. Como se sabe, la velocidad de A,
, es tangente a la trayectoria y ésta está contenida en un plano perpendicular al eje de rotación. El desplazamiento angular de la recta OA se denota por
y su velocidad angular por
.
(a) (b) Figura 3-6
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Al vector contenido en el eje de rotación
Volviendo a la figura 3-6a y recordando que la velocidad de A es y teniendo en cuenta que Notando que
puesto que también se puede generalizar que la derivada de un vector
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Movimiento plano general
Como se mencionó anteriormente, el movimiento plano general es la combinación de una traslación y una rotación alrededor de un punto (intersección del eje con el plano de movimiento) arbitrariamente seleccionado.
Entonces de acuerdo a la figura 3-7, para determinar la velocidad del punto A se debe conocer la velocidad de cualquier otro punto, por ejemplo B, y la velocidad angular del cuerpo en el instante considerado.
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Figura 3-7
En consecuencia la velocidad
comprende una velocidad de traslación,
y otra debida a la rotación alrededor de B
[3-8]Esta expresión se puede obtener a partir de los vectores de posición de A y B, [Fig. 3-8].
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Figura 3-8
y como
es un vector que está en rotación alrededor de B, su derivada
es, de acuerdo a la ecuación [3-5],
, entonces
La aceleración de A es
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[3-9]
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Figura 3-9 |
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Movimiento restringido
Consideremos el mecanismo biela-manivela-corredera representado en la figura 3-10, que es utilizado para transformar el movimiento circular en un movimiento rectilíneo alternativo. En este mecanismo se pueden identificar los movimientos descritos anteriormente.
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Figura 3-10
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La manivela AB rota alrededor de un eje fijo que pasa por A. La corredera posee un movimiento de traslación rectilínea y la biela BC un movimiento plano general. Supongamos que se desea conocer tanto la velocidad como la aceleración de la corredera conocida la velocidad angular de la manivela AB que se supone constante. Es importante hacer notar que para transmitir un movimiento debe haber uniones (pares cinemáticos) entre los diferentes elementos. En el caso en que se esta considerando, en el punto A que pertenece al bastidor, que se considera fijo, y a la manivela, existe un par cinemático. |
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Análisis de velocidades, [Fig. 3-11]
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Figura 3-11
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De |
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La aceleración de B normal es La aceleración de C es
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| Interpretación física de los resultados | |
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En la figura 3-11b se ve que la velocidad de la corredera es hacia la izquierda y se deduce que la velocidad angular de la biela BC es antihoraria. De la figura 3-12 se deduce que la aceleración
de la corredera, |
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