Aceleración centrípeta
El movimiento circular uniforme es un tipo específico de movimiento en el que un objeto se desplaza en círculo con una velocidad constante. Por ejemplo, cualquier punto de una hélice que gire a velocidad constante está ejecutando un movimiento circular uniforme. Otros ejemplos son las manecillas de los segundos, los minutos y las horas de un reloj. Resulta sorprendente que los puntos de estos objetos giratorios se aceleren, aunque la velocidad de rotación sea constante. Para ver esto, debemos analizar el movimiento en términos de vectores.
(a) Una partícula se mueve en un círculo a velocidad constante, con vectores de posición y velocidad en los tiempos tt y t+Δt.t+Δt. (b) Vectores velocidad formando un triángulo. Los dos triángulos de la figura son similares. El vector Δv→Δv→ apunta hacia el centro del círculo en el límite Δt→0.Δt→0.
La dirección de la aceleración también puede hallarse observando que a medida que ΔtΔt y, por tanto, ΔθΔθ se aproximan a cero, el vector Δv→Δv→ se aproxima a una dirección perpendicular a v→.v→. En el límite Δt→0,Δt→0,Δv→Δv→ es perpendicular a v→.v→. Como v→v→ es tangente al círculo, la aceleración dv→/dtdv→/dt apunta hacia el centro del círculo. Resumiendo, una partícula que se mueve en una circunferencia a velocidad constante tiene una aceleración con magnitud
Definición de movimiento
En el apartado anterior hemos definido el movimiento circular. El caso más sencillo de movimiento circular es el movimiento circular uniforme, en el que un objeto recorre una trayectoria circular a velocidad constante. Observa que, a diferencia de la velocidad, la velocidad lineal de un objeto en movimiento circular cambia constantemente porque siempre cambia de dirección. Sabemos por cinemática que la aceleración es un cambio en la velocidad, ya sea en magnitud, en dirección o en ambas. Por tanto, un objeto que experimenta un movimiento circular uniforme siempre se está acelerando, aunque la magnitud de su velocidad sea constante.
Tú mismo experimentas esta aceleración cada vez que viajas en un coche mientras gira en una curva. Si mantienes el volante firme durante el giro y te mueves a velocidad constante, estás ejecutando un movimiento circular uniforme. Lo que notas es una sensación de deslizamiento (o de ser arrojado, según la velocidad) lejos del centro de la curva. No se trata de una fuerza real que actúe sobre ti, sino que se debe a que tu cuerpo quiere seguir moviéndose en línea recta (según la primera ley de Newton), mientras que el coche se sale de esa trayectoria. Dentro del coche, parece como si usted se viera forzado a alejarse del centro de la curva. Esta fuerza ficticia se conoce como fuerza centrífuga. Cuanto más pronunciada sea la curva y mayor sea tu velocidad, más perceptible será este efecto.
Movimiento uniforme
Un objeto en movimiento circular uniforme recorre una trayectoria circular a velocidad constante. Dado que la dirección del movimiento cambia constantemente, velocidad constante no implica velocidad constante. Por tanto, un movimiento circular uniforme también tiene aceleración, como veremos a continuación.
Sea (R) el radio del círculo y (T) el tiempo necesario para completar un ciclo. Es decir, el objeto cubre una distancia de una circunferencia, (2pi Rtext{,}) en el tiempo (ttext{,}) Entonces, la velocidad media (v) del movimiento será
Ahora, se podría pensar que el requisito de que la velocidad sea constante en el movimiento limitará severamente la aplicación de las fórmulas en esta sección. Resulta que, incluso en lugares de no uniforme en arco circular, no necesariamente movimiento en un círculo, una aplicación de las fórmulas de esta sección proporciona un buen punto de partida. Un ejemplo es la aplicación de las fórmulas del movimiento circular uniforme al movimiento elíptico de la Tierra alrededor del Sol, donde el movimiento no es ni circular ni uniforme.
En general, una tangente a la trayectoria del movimiento indica la dirección de la velocidad. En el caso de un círculo, la tangente es perpendicular a la línea radial desde el centro del círculo. Como puede verse inmediatamente en la figura 5.3.1, la dirección de la tangente es diferente en los distintos puntos del círculo. Por lo tanto, aunque la magnitud de la velocidad, es decir, la rapidez, sea la misma en todos los puntos de un movimiento uniforme, la propia velocidad cambia con el tiempo.
Inercia
En física, el movimiento circular es un movimiento de un objeto a lo largo de la circunferencia de un círculo o la rotación a lo largo de una trayectoria circular. Puede ser uniforme, con un índice angular de rotación y velocidad constantes, o no uniforme, con un índice de rotación cambiante. La rotación alrededor de un eje fijo de un cuerpo tridimensional implica el movimiento circular de sus partes. Las ecuaciones del movimiento describen el movimiento del centro de masa de un cuerpo. En el movimiento circular, la distancia entre el cuerpo y un punto fijo de la superficie permanece invariable.
Algunos ejemplos de movimiento circular son: un satélite artificial que orbita alrededor de la Tierra a una altura constante, las aspas de un ventilador de techo que giran alrededor de un cubo, una piedra que está atada a una cuerda y se balancea en círculos, un coche que gira en una curva en una pista de carreras, un electrón que se mueve perpendicularmente a un campo magnético uniforme y un engranaje que gira dentro de un mecanismo.
Dado que el vector velocidad del objeto cambia constantemente de dirección, el objeto en movimiento está sufriendo una aceleración por una fuerza centrípeta en la dirección del centro de rotación. Sin esta aceleración, el objeto se movería en línea recta, según las leyes del movimiento de Newton.