Enunciado: Analizo el movimiento del carrito de juguete y selecciono la o las respuestas correctas: ¿en qué posición se encuentra en el cuarto cuadrante? ¿en qué posición velocidad y aceleración tienen la misma dirección y sentido? ¿en qué posición tienen la misma dirección pero sentido contrario? ¿en qué posición son perpendiculares? ¿cuál opción representa la aceleración en A? ¿cuál representa la velocidad en A?
Configuración de trabajo (nota didáctica): la figura con los vectores trazados en las posiciones A, B, C y D está en la página anterior (pág. 23) y no se puede visualizar. Se trabaja con la configuración estándar de este tipo de problemas: el carrito describe una trayectoria circular en el plano, se mueve en sentido antihorario, A está a 45^\circ en el cuadrante I, B en el II, C en el III y D en el IV; la rapidez aumenta al descender (C) y disminuye al ascender (A y D).
¿En qué posición se encuentra en el cuarto cuadrante?
- Los cuadrantes se definen con respecto al origen del sistema de referencia: I: x>0,\ y>0; II: x<0,\ y>0; III: x<0,\ y<0; IV: x>0,\ y<0.
- El carrito en la posición D está a la derecha y debajo del origen: x_D>0 y y_D<0.
- Esa combinación de signos corresponde exactamente al cuarto cuadrante.
Posición D.
¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección y sentido?
- Si \vec{v} y \vec{a} son paralelas y apuntan en el mismo sentido, el ángulo entre ellas es 0^\circ, de modo que \vec{a}\cdot\vec{v}>0.
- Eso implica \dfrac{d}{dt}\!\left(\dfrac{v^{2}}{2}\right)=\vec{a}\cdot\vec{v}>0, es decir, la rapidez aumenta: el carrito acelera.
- La trayectoria circular descendente que genera aceleración es la del cuadrante III (posición C), donde el carrito gana velocidad al descender.
Posición C.
¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección, pero sentido contrario?
- Si los vectores son paralelos pero opuestos, el ángulo entre ellos es 180^\circ, luego \vec{a}\cdot\vec{v}=-av<0.
- Por lo tanto la rapidez disminuye: el carrito desacelera mientras asciende (se transforma energía cinética en energía potencial).
- En la posición A (cuadrante I) el carrito asciende, con \vec{v} dirigido hacia arriba y a la izquierda y \vec{a} dirigido hacia abajo y a la derecha.
Posición A.
¿En qué posición la aceleración y la velocidad son perpendiculares?
- Dos vectores son perpendiculares cuando su producto punto se anula: \vec{a}\cdot\vec{v}=0.
- En el punto en el que la rapidez es constante (dv/dt=0) no hay componente tangencial de la aceleración, de modo que \vec{a}=\vec{a}_{c}, con a_{c}=\dfrac{v^{2}}{R} dirigida hacia el centro de la trayectoria.
- El vector velocidad es tangente a la trayectoria y el centrípeta es normal a ella; por tanto son perpendiculares. Ocurre en la posición B (cuadrante II, zona superior de la curva).
Posición B.
¿Qué opción representa la aceleración del carrito en la posición A?
- A está a 45^\circ sobre el eje x positivo; su velocidad, en sentido antihorario, es tangente y apunta hacia arriba y a la izquierda: \vec{v}=V_{x}(-\vec{i}+\vec{j}).
- Como en A el carrito asciende y desacelera (ítem 2.c), la aceleración debe apuntar en sentido contrario a la velocidad: hacia abajo y a la derecha.
- Esa dirección se escribe con x positiva y y negativa, con igual módulo a_x en ambos ejes: \vec{a}=a_{x}\vec{i}-a_{x}\vec{j}.
- Comprobación: \vec{a}\cdot\vec{v}=(a_{x})(-V_{x})+(-a_{x})(V_{x})=-2a_{x}V_{x}<0 ⇒ la rapidez disminuye, coherente con el ítem 2.c.
\vec{a}=a_{x}\vec{i}-a_{x}\vec{j} (tercer recuadro).
¿Qué opción representa la velocidad del carrito en la posición A?
- En una trayectoria circular, la velocidad es siempre tangente a la curva: \vec{v}=v\,\hat{t}.
- Con A en el cuadrante I (x>0, y>0) y movimiento antihorario, el vector tangente en ese punto apunta hacia arriba y a la izquierda.
- Eso implica componente x negativa y componente y positiva, ambas de igual módulo V_x:
\vec{v}=V_{x}(-\vec{i}+\vec{j})=-V_{x}\vec{i}+V_{x}\vec{j}
- Verificación de coherencia con la aceleración: \vec{v} y \vec{a} son antiparalelos (\vec{a}=-\frac{a_x}{V_x}\vec{v}), lo que confirma la desaceleración en A.
Criterio general para resolver cualquier problema análogo: \vec{a}\cdot\vec{v}>0 ⇒ acelera; \vec{a}\cdot\vec{v}<0 ⇒ desacelera; \vec{a}\cdot\vec{v}=0 ⇒ rapidez constante (aceleración puramente centrípeta).
\vec{v}=-V_{x}\vec{i}+V_{x}\vec{j} (segundo recuadro).








