Movimiento parabólico

Respuesta de
mikel1970
a
Usuario
Cuales son todas las ecuaciones del movimiento parabólico o de proyectiles
Experto
Me gusta la pregunta, precisamente para desmontar una creencia generalizada de que la física consiste en aplicar fórmulas, algo que se debe a cómo interpretan la física los libros de física.

En realidad la física consiste en sólo unas pocas definiciones generales, y a partir de ellas estudiar casos particulares obteniendo unas fórmulas que SOLO valen para ese caso muy concreto. Fórmulas que en su mayoría es mejor no saber, pero sí el cómo se han obtenido, para precisamente aplicar el desarrollo a un caso parecido pero no igual, donde esa fórmula ya no es correcta.
En el caso de la cinemática sólo hay que saber las definiciones de velocidad y aceleración.
Y ya empezamos a estudiar un caso concreto, cuando el movimiento es rectilíneo y la aceleración es constante, integrando llegamos a las ecuaciones del m.r.u.a ( movimiento rectilíneo uniformemente acelerado)

V = Vo + a*t
s = so + Vo*t + (1/2)*a*t^2

Ecuaciones sólo válidas cuando a = cte, o sea, en caso que la aceleración no sea constante no son válidas y hay que integrar de nuevo. Como caso particular de este caso particular, a=0=cte, y sacaremos las ecuaciones del m.r.u ( movimiento rectilíneo uniforme), como caso particular del m.r.u.a

V=Vo
s=so + Vo*t

Y sólo con esto podemos sacar todas las fórmulas del tiro parabólico.
¿En qué consiste y por qué se llama tiro parabólico?. Pues simplemente es el movimiento que describiría un cuerpo que se mueve sobre la superficie de la Tierra ( o cualquier planeta), y que está sometido a una única fuerza vertical hacia abajo debido a su propio peso ). En tal caso, si tomamos un eje X horizontal y un eje Y vertical, comprobamos que en eje X tenemos un m.r.u ( no hay fuerza, a=0), y en el eje Y un m.r.u.a ( si consideramos el peso constante, claro, hay una a=g=cte hacia abajo). Así pues las ecuaciones del tiro serán

Eje X (m.r.u)
Vx=Vox=cte
x=xo+Vx*t=xo+Vox*t

Eje Y (m.r.u.a)
Vy=Voy+a*t
y=yo+Voy*t+(1/2)*a*t^2

Siendo
Pero distancia horizontal del origen al punto de lanzamiento
yo distancia vertical del origen al punto de lanzamiento
Vox Velocidad inicial en el eje X
Voy Velocidad inicial en el eje Y
A la aceleración

Bien con sólo esto ya puedes hacer prácticamente todos los problemas, sustituyendo sólo las condiciones iniciales de tu problema.

Y ahora es donde viene en los libros el baile de casos particulares y sus fórmulas.
Primero veremos por qué se llama tiro parabólico
Tenemos dos ecuaciones x(t), y(t) que nos proporcionan la posición del cuerpo en función del tiempo. Eliminando ese parámetro, sacaremos una ecuación y=y(x), que nos da la trayectoria del cuerpo

x=xo+Vox*t ----> t=(x-xo)/Vox
y=yo+Voy*t+(1/2)*a*t^2 --->y=yo+Voy*(x-xo)/Vox+(1/2)*a*(x-xo)^2/Vox^2

que desarrollada un poco nos quedará algo como

y=A*x^2+B*x+C

O sea una parábola, y por eso se llama tiro parabólico (nombre poco original, por cierto)

Bien veamos que dicen los libros, diferenciando ya, erróneamente entre tiro parabólico y tiro horizontal, que es tan tiro parabólico como el otro.

TIRO PARABÓLICO ( o mejor un caso particular del mismo)

Se lanza un objeto desde el suelo con una velovidad inicial Vo y formando un ángulo A con la horizontal
En este caso conviene coger el origen en el punto de lanzamiento ( para que xo=yo=0), y proyectando Vo sobre los ejes, obtenemos

xo=yo=0
Vox=Vo*cosA
Voy=Vo*senA
a=-g ( va en contra del eje)

Así pues

Vx=Vo*cosA
x=Vo*cosA*t
Vy=Vo*senA-g*t
y=Vo*senA*t-(1/2)*g*t^2

¿Que nos suele interesar?. La altura a la que llega y el alcance máximo

Para calcular la altura, sabemos que arriba Vy=0, luego

0=Vo*senA-g*t-->t=Vo*senA/g

y en ese instante la altura será

y=Vo*senA*Vo*senA/g-(1/2)*g*(Vo*senA/g)^2

ymax=Vo^2*sen^2A/2g

Para el alcance máximo sabemos que la altura es y=0

0=Vo*senA*t-(1/2)*g*t^2
t*(Vo*senA-(1/2)*g*t)=0
t=0 situación inicial que no nos interesa
Vo*senA-(1/2)*g*t=0 --->t=2*Vo*senA/g (el doble del anterior)

con lo que en ese momento el alcance será

xmax=2*Vo*cosA*Vo*senA/g

y como sen(2A)=2*senA*cosA

xmax=Vo^2*sen(2A)/g




Experto
Y aquí viene ahora la pregunta: ¿Necesitas saber esas fórmulas?. Mi opinión NO. Razones: esas fórmulas sólo te sirven para este caso tan particular, es decir, bastaría con que no lanzases el cuerpo desde el suelo, haya un escalón, el suelo este inclinado... para que no te sirvieran de nada.

TIRO HORIZONTAL ( también es un tiro parabólico)

Lanzamos un cuerpo desde una altura h con una velocidad horizontal Vo

Es el mismo caso que antes

Vx=Vox=cte
x=xo+Vx*t=xo+Vox*t
Vy=Voy+a*t
y=yo+Voy*t+(1/2)*a*t^2

y volviendo a coger el origen en el suelo y ejes de la misma forma

xo=0
yo=h
Vox=Vo
Voy=0 (toda la velocidad inicial está en el eje X)
a=-g

Vx=Vo
x=Vot
Vy=-gt
y=h-(1/2)*g*t^2

Como ves, el movimiento es el mismo, pero al cambiar un poco las condiciones iniciales, las fórmulas del alcance ahora no son válidas

Para hallarla, sólo has de sacar el tiempo en que y=0 y sustituirlo en la ecuación de x




Si entiendes bien el problema, y no sólo aprendes las fórmulas, habrás conseguido dominar todas las variantes y no tendrás problemas.

Por ejemplo, supón que tenemos un tiro parecido, pero existe un viento horizontal en contra que provoca al cuerpo una aceleración hacia atrás de valor a

Ahora, tanto en el eje X como en el Y, tenemos un m.r.u.a

Vy=Vox+ax*t
x=xo+Vox*t+(1/2)*ax*t^2
Vy=Voy+ay*t
y=yo+Voy*t+(1/2)*ay*t^2

xo=yo=0
Vox=Vo*cosA
Voy=Vo*senA
ax=-a
ay=-g

Vox=Vo*cosA-a*t
xo=Vo*cosA*t-(1/2)*a*t^2
Voy=Vo*senA-g*t
y=Vo*senA*t-(1/2)*g*t^2


Como ves, el concepto es siempre el mismo, y ahora las fórmulas de altura máxima y alcance máximo no nos valen,(además ahora no es un tiro parabólico), si bien el procedimiento para sacarlas es igual

Altura máxima Vy=0
Alcance máximo y=0

Te dejo esta página interesante sonbre tiros parabólicos


http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cinematica/parabolico/parabolico.htm

Experto
En el último caso, la fórmula de la altura máxima sí es la misma que en el primer caso, no así el alcance.
De todas formas, basta con el que viento sople de forma inclinada sobre el eje vertical para que ya ni siquiera sea válida la de la altura máxima