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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Movimiento del carrito de juguete: posición, velocidad y aceleración

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

a) Posición D (cuadrante IV: x>0, y<0). b) Posición C (la rapidez aumenta, \vec{a}\cdot\vec{v}>0). c) Posición A (la rapidez disminuye, \vec{a}\cdot\vec{v}<0). d) Posición B (aceleración centrípeta perpendicular a la velocidad tangente). e) \vec{a}=a_x\vec{i}-a_x\vec{j}. f) \vec{v}=-V_x\vec{i}+V_x\vec{j}.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 5 min lectura

Solución — Página 24

Fisica 3° · 2024

2
Ejercicio 2

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).

a
Parte 2.a

¿En qué posición se encuentra en el cuarto cuadrante?

  1. 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.
  2. El carrito en la posición D está a la derecha y debajo del origen: x_D>0 y y_D<0.
  3. Esa combinación de signos corresponde exactamente al cuarto cuadrante.
Respuesta

Posición D.

b
Parte 2.b

¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección y sentido?

  1. 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.
  2. 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.
  3. La trayectoria circular descendente que genera aceleración es la del cuadrante III (posición C), donde el carrito gana velocidad al descender.
Respuesta

Posición C.

c
Parte 2.c

¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección, pero sentido contrario?

  1. Si los vectores son paralelos pero opuestos, el ángulo entre ellos es 180^\circ, luego \vec{a}\cdot\vec{v}=-av<0.
  2. Por lo tanto la rapidez disminuye: el carrito desacelera mientras asciende (se transforma energía cinética en energía potencial).
  3. 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.
Respuesta

Posición A.

d
Parte 2.d

¿En qué posición la aceleración y la velocidad son perpendiculares?

  1. Dos vectores son perpendiculares cuando su producto punto se anula: \vec{a}\cdot\vec{v}=0.
  2. 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.
  3. 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).
Respuesta

Posición B.

e
Parte 2.e

¿Qué opción representa la aceleración del carrito en la posición A?

  1. 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}).
  2. 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.
  3. 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}.
  4. 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.
Respuesta

\vec{a}=a_{x}\vec{i}-a_{x}\vec{j} (tercer recuadro).

f
Parte 2.f

¿Qué opción representa la velocidad del carrito en la posición A?

  1. En una trayectoria circular, la velocidad es siempre tangente a la curva: \vec{v}=v\,\hat{t}.
  2. 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.
  3. 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}

  1. 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).

Respuesta

\vec{v}=-V_{x}\vec{i}+V_{x}\vec{j} (segundo recuadro).

Contenido de la página

Analizo el movimiento del carrito de juguete y selecciono la o las respuestas correctas

El carrito describe una trayectoria circular en el plano. Las posiciones A, B, C y D se encuentran en los cuatro cuadrantes (A: cuadrante I; B: cuadrante II; C: cuadrante III; D: cuadrante IV) y el carrito se mueve en sentido antihorario.

Se solicita:

  1. Determinar en qué posición se encuentra el carrito en el cuarto cuadrante.
  2. Seleccionar la posición donde velocidad y aceleración tienen la misma dirección y sentido.
  3. Seleccionar la posición donde ambos vectores tienen la misma dirección pero sentido contrario.
  4. Seleccionar la posición donde aceleración y velocidad son perpendiculares.
  5. Elegir la expresión vectorial de la aceleración en la posición A entre: \vec{a}=a_x\vec{i}+a_x\vec{j}, \vec{a}=-a_x\vec{i}+a_x\vec{j}, \vec{a}=a_x\vec{i}-a_x\vec{j}, \vec{a}=-a_x\vec{i}-a_x\vec{j}.
  6. Elegir la expresión vectorial de la velocidad en la posición A entre: \vec{v}=V_x\vec{i}+V_x\vec{j}, \vec{v}=-V_x\vec{i}+V_x\vec{j}, \vec{v}=V_x\vec{i}-V_x\vec{j}, \vec{v}=-V_x\vec{i}-V_x\vec{j}.

Criterio de análisis

  • Si \vec{a}\cdot\vec{v}>0 (mismo sentido), la rapidez aumenta.
  • Si \vec{a}\cdot\vec{v}<0 (sentido contrario), la rapidez disminuye.
  • Si \vec{a}\cdot\vec{v}=0 (perpendiculares), la rapidez es constante y \vec{a} es puramente centrípeta: \vec{a}=\dfrac{v^{2}}{R}\,(-\hat{r}).

Resultados

Ítem Pregunta Respuesta
2.a Posición en el cuarto cuadrante Posición D
2.b Misma dirección y sentido Posición C
2.c Misma dirección, sentido contrario Posición A
2.d Perpendiculares Posición B
2.e Aceleración en A \vec{a}=a_x\vec{i}-a_x\vec{j}
2.f Velocidad en A \vec{v}=-V_x\vec{i}+V_x\vec{j}

Nota de integridad: la imagen con los vectores trazados en las posiciones A, B, C y D se encuentra en la página anterior del libro (pág. 23), que no forma parte de esta página; la resolución se presenta con la configuración estándar de este ejercicio y debe verificarse contra dicha figura.

Ejemplos resueltos

Un carrito se desplaza sobre una trayectoria circular de radio R en sentido antihorario y acelera. En la posición \theta=45^\circ (cuadrante I), escribir \vec{v} y \vec{a} en componentes.

El vector tangente antihorario en \theta=45^\circ es \hat{t}=(-\sin45^\circ)\vec{i}+(\cos45^\circ)\vec{j}, luego \vec{v}=v\left(-\frac{\sqrt2}{2}\vec{i}+\frac{\sqrt2}{2}\vec{j}\right). La aceleración centrípeta apunta al centro: \vec{a}_{c}=-\frac{v^{2}}{R}\left(\frac{\sqrt2}{2}\vec{i}+\frac{\sqrt2}{2}\vec{j}\right); al acelerar se suma la tangencial \vec{a}_t=a_t\hat{t} en el mismo sentido de \vec{v}.

Tabla

Posición Cuadrante Coordenadas Relación \vec{a} y \vec{v} Rapidez Respuesta
A I x>0,\ y>0 Misma dirección, sentido contrario Disminuye Desacelera
B II x<0,\ y>0 Perpendiculares (\vec{a}_c centrípeta) Constante 2.d
C III x<0,\ y<0 Misma dirección y sentido Aumenta Acelera
D IV x>0,\ y<0 — — 2.a

Diagrama

graph LR
  O((O))
  I["Cuadrante I: x>0, y>0"]
  II["Cuadrante II: x<0, y>0"]
  III["Cuadrante III: x<0, y<0"]
  IV["Cuadrante IV: x>0, y<0"]
  O --- I
  O --- II
  O --- III
  O --- IV
  I ---|posición A: v arriba-izq., a abajo-der.| A["A: v=-Vx i + Vx j;  a= ax i - ax j"]
  II ---|posición B: a centrípeta, v tangente| B["B: a perpendicular a v"]
  III ---|posición C: rapidez aumenta| C["C: a y v mismo sentido"]
  IV ---|posición D: 4º cuadrante| D["D"]

Fórmulas y ecuaciones

\vec{a}\cdot\vec{v}>0 ⇒ la rapidez aumenta

\vec{a}\cdot\vec{v}<0 ⇒ la rapidez disminuye

\vec{a}\cdot\vec{v}=0 ⇒ rapidez constante, \vec{a}=\vec{a}_{c} centrípeta

a_{c}=\dfrac{v^{2}}{R}, dirigida hacia el centro de la trayectoria

\vec{v}@@MATH_0@@\vec{i}@@MATH_1@@\vec{j}

\vec{a}@@MATH_0@@\vec{i}@@MATH_1@@\vec{j}

\vec{a}@@MATH_0@@\vec{v}=a_x v_x + a_y v_y = a v \cos\theta

a_{c}=\frac{v^{2}}{R}

\vec{a}=\vec{a}@@MATH_0@@\vec{a}_{c}

\hat{r}@@MATH_0@@+\sin\theta\,\vec{j}

Glosario (6)

Vector velocidad
Vector tangente a la trayectoria que indica la dirección y el sentido en que se desplaza el cuerpo, con magnitud igual a la rapidez: $\vec{v}=v\,\hat{t}$.
Vector aceleración
Vector que describe la rapidez con la que cambia la velocidad en el tiempo; posee componente tangencial (cambia la rapidez) y componente centrípeta (cambia la dirección).
Aceleración centrípeta
Componente de la aceleración dirigida hacia el centro de la trayectoria curva, con módulo $a_c=v^{2}/R$; es perpendicular a la velocidad y por eso no modifica la rapidez.
Cuadrante
Cuadrante
Cada una de las cuatro regiones en las que el plano cartesiano queda dividido por los ejes: I ($x>0,y>0$), II ($x<0,y>0$), III ($x<0,y<0$), IV ($x>0,y<0$).
Producto punto
Operación $\vec{a}\cdot\vec{v}=av\cos\theta$ que permite saber si dos vectores forman un ángulo agudo (positivo), recto (cero) u obtuso (negativo).

Preguntas para practicar

¿Cómo se puede decidir, solo con la figura del libro, si la rapidez del carrito aumenta o disminuye en un punto de su trayectoria?

Se traza el vector velocidad tangente a la curva y el vector aceleración en ese punto; si ambos apuntan en el mismo sentido el producto punto es positivo y la rapidez aumenta; si forman un ángulo obtuso (apuntan en sentidos opuestos sobre la misma recta) la rapidez disminuye; si son perpendiculares la rapidez se mantiene constante y la aceleración es puramente centrípeta.

¿Por qué en la posición B, donde la aceleración y la velocidad son perpendiculares, la rapidez del carrito no cambia?

Porque la aceleración en ese punto no tiene componente tangente a la trayectoria: es puramente centrípeta, $\vec{a}_c=(v^{2}/R)(-\hat{r})$, y un vector perpendicular a la velocidad produce $\vec{a}\cdot\vec{v}=0$, es decir, no hay trabajo sobre el cuerpo y la energía cinética permanece constante.

Temas y conceptos clave

Movimiento de un carrito en una trayectoria curvaRelación entre la dirección de los vectores velocidad y aceleraciónCuadrantes del plano cartesianoAceleración centrípeta y componente tangencialVector velocidad tangente a la trayectoriaAceleración con componentes tangencial y centrípetaProducto punto y ángulo entre vectoresSentido de los vectores según los signos de sus componentesCuarto cuadrante: $x>0$, $y<0$

Fuentes y referencias

  • Ministerio de Educación del Ecuador — Bachillerato General Unificado, Materia: Física (libro bgu-3-fisica-2024)
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¿Cuándo la velocidad y la aceleración son perpendiculares?
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¿Cómo se determina el cuadrante en el que se encuentra un punto en el plano?
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📌 Antes de leer esto
  • • Representación de vectores en el plano cartesiano con los vectores unitarios i y j
  • • Signo de las componentes x e y según el cuadrante
  • • Producto punto de vectores y su relación con el ángulo entre ellos
  • • Conceptos de rapidez, velocidad y aceleración
  • • Descomposición de un vector en componentes rectangulares
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Descomposición de vectores velocidad y aceleración en componentes rectangulares y cálculo numérico de la aceleración en trayectorias curvas
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 897 caracteres
  1. Analizo el movimiento del carrito de juguete y selecciono la o las respuestas correctas.

¿En qué posición se encuentra en el cuarto cuadrante?

Posición A

Posición B

Posición C

Posición D

¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección y sentido?

Posición A

Posición B

Posición C

Posición D

¿En qué posición la velocidad y la aceleración poseen la misma dirección, pero sentido

contrario?

Posición A Posición B Posición C Posición D ¿En qué posición la aceleración y la velocidad son perpendiculares?

Posición A Posición B Posición C Posición D

¿Cuál de las siguientes opciones representa la aceleración del juguete en la posición A?

G =axi+axj

á = —axi +axj

G =axi— axj

a = —axi —axj

¿Cuál de las siguientes opciones representa la velocidad del juguete en la posición A?

V =Vxi +Vxj

V = -—Vxi+ Vxj

V =Vxi —Vxj

V = —Vxi— Vxj

Texto de Física | 53

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