En el uso diario y en cinemática , la velocidad (comúnmente conocida como v ) de un objeto es la magnitud de la tasa de cambio de su posición con el tiempo o la magnitud del cambio de su posición por unidad de tiempo; por tanto, es una cantidad escalar . [1] La velocidad promedio de un objeto en un intervalo de tiempo es la distancia recorrida por el objeto dividida por la duración del intervalo; [2] la velocidad instantánea es el límite de la velocidad media cuando la duración del intervalo de tiempo se acerca a cero.
Velocidad | |
---|---|
Símbolos comunes | v |
Unidad SI | m / s, m s −1 |
Dimensión | L T −1 |
La velocidad tiene las dimensiones de la distancia dividida por el tiempo. La unidad SI de velocidad es el metro por segundo (m / s), pero la unidad de velocidad más común en el uso diario es el kilómetro por hora (km / h) o, en los EE. UU. Y el Reino Unido, millas por hora (mph ). Para viajes aéreos y marítimos, el nudo se usa comúnmente.
La velocidad más rápida posible a la que puede viajar la energía o la información, según la relatividad especial , es la velocidad de la luz en el vacío c =299 792 458 metros por segundo (aproximadamente1 079 000 000 kilometros / h o671 000 000 mph ). La materia no puede alcanzar la velocidad de la luz, ya que esto requeriría una cantidad infinita de energía. En la física de la relatividad, el concepto de rapidez reemplaza la idea clásica de velocidad.
Definición
Definición histórica
Al físico italiano Galileo Galilei generalmente se le atribuye el mérito de ser el primero en medir la velocidad considerando la distancia recorrida y el tiempo que lleva. Galileo definió la velocidad como la distancia recorrida por unidad de tiempo. [3] En forma de ecuación, es decir
dónde es la velocidad, es la distancia, y es hora. Un ciclista que recorre 30 metros en un tiempo de 2 segundos, por ejemplo, tiene una velocidad de 15 metros por segundo. Los objetos en movimiento a menudo tienen variaciones de velocidad (un automóvil puede viajar por una calle a 50 km / h, reducir la velocidad a 0 km / hy luego alcanzar los 30 km / h).
Velocidad instantanea
La velocidad en algún instante, o que se asume constante durante un período de tiempo muy corto , se llama velocidad instantánea . Al mirar un velocímetro , se puede leer la velocidad instantánea de un automóvil en cualquier instante. [3] Un automóvil que viaja a 50 km / h generalmente recorre menos de una hora a una velocidad constante, pero si lo hiciera a esa velocidad durante una hora completa, viajaría 50 km. Si el vehículo continuara a esa velocidad durante media hora, cubriría la mitad de esa distancia (25 km). Si continuara durante solo un minuto, cubriría unos 833 m.
En términos matemáticos, la velocidad instantánea se define como la magnitud de la velocidad instantánea , es decir, la derivada de la posicióncon respecto al tiempo : [2] [4]
Si es la longitud del camino (también conocido como la distancia) recorrida hasta el momento , la velocidad es igual a la derivada de tiempo de : [2]
En el caso especial donde la velocidad es constante (es decir, velocidad constante en línea recta), esto se puede simplificar a . La velocidad promedio en un intervalo de tiempo finito es la distancia total recorrida dividida por la duración del tiempo.
Velocidad media
A diferencia de la velocidad instantánea, la velocidad media se define como la distancia total recorrida dividida por el intervalo de tiempo. Por ejemplo, si se recorre una distancia de 80 kilómetros en 1 hora, la velocidad promedio es de 80 kilómetros por hora. Asimismo, si se recorren 320 kilómetros en 4 horas, la velocidad media también es de 80 kilómetros por hora. Cuando una distancia en kilómetros (km) se divide por un tiempo en horas (h), el resultado está en kilómetros por hora (km / h).
La velocidad promedio no describe las variaciones de velocidad que pueden haber tenido lugar durante intervalos de tiempo más cortos (ya que es la distancia completa cubierta dividida por el tiempo total de viaje), por lo que la velocidad promedio a menudo es bastante diferente de un valor de velocidad instantánea. [3] Si se conocen la velocidad promedio y el tiempo de viaje, la distancia recorrida se puede calcular reordenando la definición a
Usando esta ecuación para una velocidad promedio de 80 kilómetros por hora en un viaje de 4 horas, se encuentra que la distancia recorrida es de 320 kilómetros.
Expresada en lenguaje gráfico, la pendiente de una línea tangente en cualquier punto de un gráfico de distancia-tiempo es la velocidad instantánea en este punto, mientras que la pendiente de una línea de cuerda del mismo gráfico es la velocidad promedio durante el intervalo de tiempo cubierto por el acorde. La velocidad promedio de un objeto es Vav = s ÷ t
Diferencia entre velocidad y velocidad
La velocidad indica solo qué tan rápido se mueve un objeto, mientras que la velocidad describe tanto qué tan rápido y en qué dirección se mueve el objeto. [5] Si se dice que un automóvil viaja a 60 km / h, se ha especificado su velocidad . Sin embargo, si se dice que el automóvil se mueve a 60 km / h hacia el norte, ahora se ha especificado su velocidad .
La gran diferencia se puede discernir al considerar el movimiento alrededor de un círculo . Cuando algo se mueve en una trayectoria circular y regresa a su punto de partida, su velocidad promedio es cero, pero su velocidad promedio se encuentra dividiendo la circunferencia del círculo por el tiempo que tarda en moverse alrededor del círculo. Esto se debe a que la velocidad promedio se calcula considerando solo el desplazamiento entre los puntos inicial y final, mientras que la velocidad promedio considera solo la distancia total recorrida.
Velocidad tangencial
La velocidad lineal es la distancia recorrida por unidad de tiempo, mientras que la velocidad tangencial (o velocidad tangencial) es la velocidad lineal de algo que se mueve a lo largo de una trayectoria circular. [6] Un punto en el borde exterior de un carrusel o plato giratorio recorre una distancia mayor en una rotación completa que un punto más cercano al centro. Viajar una distancia mayor al mismo tiempo significa una mayor velocidad, por lo que la velocidad lineal es mayor en el borde exterior de un objeto en rotación que más cerca del eje. Esta velocidad a lo largo de una trayectoria circular se conoce como velocidad tangencial porque la dirección del movimiento es tangente a la circunferencia del círculo. Para el movimiento circular, los términos velocidad lineal y velocidad tangencial se usan indistintamente, y ambos usan unidades de m / s, km / hy otras.
La velocidad de rotación (o velocidad angular ) implica el número de revoluciones por unidad de tiempo. Todas las partes de un tiovivo rígido o un plato giratorio giran alrededor del eje de rotación en la misma cantidad de tiempo. Por lo tanto, todas las partes comparten la misma velocidad de rotación, o el mismo número de rotaciones o revoluciones por unidad de tiempo. Es común expresar las velocidades de rotación en revoluciones por minuto (RPM) o en términos del número de "radianes" girados en una unidad de tiempo. Hay poco más de 6 radianes en una rotación completa (2 π radianes exactamente). Cuando se asigna una dirección a la velocidad de rotación, se conoce como velocidad de rotación o velocidad angular . La velocidad de rotación es un vector cuya magnitud es la velocidad de rotación.
La velocidad tangencial y la velocidad de rotación están relacionadas: cuanto mayores son las RPM, mayor es la velocidad en metros por segundo. La velocidad tangencial es directamente proporcional a la velocidad de rotación a cualquier distancia fija del eje de rotación. [6] Sin embargo, la velocidad tangencial, a diferencia de la velocidad de rotación, depende de la distancia radial (la distancia desde el eje). Para una plataforma que gira con una velocidad de rotación fija, la velocidad tangencial en el centro es cero. Hacia el borde de la plataforma la velocidad tangencial aumenta proporcionalmente a la distancia del eje. [7] En forma de ecuación:
donde v es la velocidad tangencial y ω (letra griega omega ) es la velocidad de rotación. Uno se mueve más rápido si aumenta la velocidad de rotación (un valor mayor para ω), y también se mueve más rápido si ocurre un movimiento más alejado del eje (un valor mayor para r ). Si se mueve el doble del eje de rotación en el centro, se mueve el doble de rápido. Muévase tres veces más lejos y tendrá tres veces más velocidad tangencial. En cualquier tipo de sistema de rotación, la velocidad tangencial depende de qué tan lejos se encuentre del eje de rotación.
Cuando se utilizan las unidades adecuadas para la velocidad tangencial v , la velocidad de rotación ω y la distancia radial r , la proporción directa de v tanto para r como para ω se convierte en la ecuación exacta
Por lo tanto, la velocidad tangencial será directamente proporcional r cuando todas las partes de un sistema tengan simultáneamente el mismo ω, como para una rueda, un disco o una varilla rígida.
Unidades
Las unidades de velocidad incluyen:
- metros por segundo (símbolo m s −1 om / s), la unidad derivada del SI ;
- kilómetros por hora (símbolo km / h);
- millas por hora (símbolo mi / ho mph);
- nudos ( millas náuticas por hora, símbolo kn o kt);
- pies por segundo (símbolo fps o ft / s);
- Número de Mach ( adimensional ), velocidad dividida por la velocidad del sonido ;
- en unidades naturales (adimensionales), velocidad dividida por la velocidad de la luz en el vacío (símbolo c =299 792 458 m / s ).
Sra | km / h | mph | nudo | pies / s | |
---|---|---|---|---|---|
1 m / s = | 1 | 3.6 | 2.236 936 * | 1.943 844 * | 3.280 840 * |
1 km / h = | 0,277 778 * | 1 | 0,621 371 * | 0,539 957 * | 0,911 344 * |
1 mph = | 0.447 04 | 1,609 344 | 1 | 0,868 976 * | 1.466 667 * |
1 nudo = | 0,514 444 * | 1.852 | 1.150 779 * | 1 | 1,687 810 * |
1 pie / s = | 0.3048 | 1.097 28 | 0,681 818 * | 0,592 484 * | 1 |
(* = valores aproximados)
Ejemplos de diferentes velocidades
Velocidad | Sra | pies / s | km / h | mph | Notas |
---|---|---|---|---|---|
Tasa aproximada de deriva continental | 0,000 000 01 | 0,000 000 03 | 0,000 000 04 | 0,000 000 02 | 4 cm / año. Varía según la ubicación. |
Velocidad de un caracol común | 0,001 | 0,003 | 0,004 | 0,002 | 1 milímetro por segundo |
Una caminata enérgica | 1,7 | 5.5 | 6.1 | 3.8 | |
Un ciclista de carretera típico | 4.4 | 14,4 | dieciséis | 10 | Varía ampliamente según la persona, el terreno, la bicicleta, el esfuerzo, el clima |
Una patada rápida de artes marciales | 7.7 | 25,2 | 27,7 | 17.2 | La patada más rápida registrada a 130 milisegundos desde el suelo al objetivo a 1 metro de distancia. Velocidad de velocidad media a lo largo de la duración de la patada [8] |
Corredores de velocidad | 12,2 | 40 | 43,92 | 27 | El récord mundial de 100 metros de Usain Bolt . |
Velocidad media aproximada de los ciclistas de carretera | 12,5 | 41,0 | 45 | 28 | En terreno llano, variará |
Límite de velocidad suburbano típico en la mayor parte del mundo | 13,8 | 45,3 | 50 | 30 | |
Ascensor del observatorio Taipei 101 | 16,7 | 54,8 | 60,6 | 37,6 | 1010 m / min |
Límite de velocidad rural típico | 24,6 | 80,66 | 88,5 | 56 | |
Límite de velocidad nacional británico (calzada única) | 26,8 | 88 | 96,56 | 60 | |
Huracán de categoría 1 | 33 | 108 | 119 | 74 | Velocidad mínima sostenida durante 1 minuto |
Velocidad máxima promedio de un guepardo | 33,53 | 110 | 120,7 | 75 | |
Límite de velocidad en una autopista francesa | 36,1 | 118 | 130 | 81 | |
Velocidad impulsada por humanos más alta registrada | 37.02 | 121,5 | 133,2 | 82,8 | Sam Whittingham en una bicicleta reclinada [9] |
Velocidad media del estornudo humano | 44,44 | 145,82 | 160 | 99,42 | |
Velocidad de salida de un marcador de paintball | 90 | 295 | 320 | 200 | |
Velocidad de crucero de un avión de pasajeros Boeing 747-8 | 255 | 836 | 917 | 570 | Mach 0.85 en35 000 pies (10 668 m ) de altitud |
Velocidad de una bala de rifle largo calibre .22 | 326,14 | 1070 | 1174.09 | 729,55 | |
El récord oficial de velocidad en tierra | 341,1 | 1119.1 | 1227,98 | 763 | |
La velocidad del sonido en aire seco a presión al nivel del mar y 20 ° C | 343 | 1125 | 1235 | 768 | Mach 1 por definición. 20 ° C = 293,15 kelvin . |
Velocidad de salida de un cartucho de 7,62 × 39 mm | 710 | 2330 | 2600 | 1600 | La ronda de 7,62 × 39 mm es un cartucho de rifle de origen soviético. |
Récord oficial de velocidad aérea de vuelo para aviones con motor a reacción | 980 | 3215 | 3530 | 2194 | Lockheed SR-71 Blackbird |
Transbordador espacial al reingresar | 7800 | 25 600 | 28 000 | 17.500 | |
Velocidad de escape en la Tierra | 11 200 | 36 700 | 40 000 | 25 000 | 11,2 kilometros · s −1 |
Voyager 1 velocidad relativa al Sol en 2013 | 17 000 | 55 800 | 61 200 | 38 000 | La velocidad de recesión heliocéntrica más rápida de cualquier objeto creado por humanos. [10] (11 mi / s) |
Velocidad orbital media del planeta Tierra alrededor del Sol | 29 783 | 97 713 | 107 218 | 66 623 | |
La velocidad más rápida registrada de las sondas Helios . | 70,220 | 230,381 | 252,792 | 157,078 | Reconocida como la velocidad más rápida alcanzada por una nave espacial artificial, lograda en órbita solar . |
Velocidad de la luz en el vacío (símbolo c ) | 299 792 458 | 983 571 056 | 1 079 252 848 | 670 616 629 | Exactamente 299 792 458 m / s , por definición del metro |
Psicología
Según Jean Piaget , la intuición de la noción de velocidad en los humanos precede a la de duración y se basa en la noción de distanciamiento. [11] Piaget estudió este tema inspirado por una pregunta que le hizo Albert Einstein en 1928 : "¿En qué orden adquieren los niños los conceptos de tiempo y velocidad?" [12] El concepto inicial de velocidad de los niños se basa en "adelantar", teniendo en cuenta solo los órdenes temporales y espaciales, específicamente: "Se considera que un objeto en movimiento es más rápido que otro cuando en un momento dado el primer objeto está detrás y un un momento más tarde por delante del otro objeto ". [13]
Ver también
- Velocidad del aire
- Velocidad de la tierra
- Lista de récords de velocidad de vehículos
- Velocidades típicas de proyectiles
- Velocímetro
- Velocidades V
Referencias
- Richard P. Feynman , Robert B. Leighton, Matthew Sands. Las Conferencias de Física de Feynman , Volumen I, Sección 8-2. Addison-Wesley , Reading, Massachusetts (1963). ISBN 0-201-02116-1 .
- ^ Wilson, Edwin Bidwell (1901). Análisis vectorial: un libro de texto para uso de estudiantes de matemáticas y física, basado en las conferencias de J. Willard Gibbs . pag. 125. hdl : 2027 / mdp.39015000962285 . Este es el origen probable de la terminología de velocidad / velocidad en la física vectorial.
- ^ a b c Elert, Glenn. "Velocidad y velocidad" . El hipertexto de física . Consultado el 8 de junio de 2017 .
- ↑ a b c Hewitt (2006), pág. 42
- ^ "IEC 60050 - Detalles para el número de IEV 113-01-33:" velocidad " " . Electropedia: el vocabulario electrotécnico en línea del mundo . Consultado el 8 de junio de 2017 .
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- ↑ a b Hewitt (2006), p. 131
- ^ Hewitt (2006), p. 132
- ^ http://www.kickspeed.com.au/Improve-measure-kicking-speed.html
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 11 de agosto de 2013 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Querido, David. "Nave espacial más rápida" . Consultado el 19 de agosto de 2013 .
- ^ Jean Piaget, Psicología y epistemología: hacia una teoría del conocimiento , The Viking Press, págs. 82–83 y págs. 110–112, 1973. SBN 670-00362-x
- ^ Siegler, Robert S .; Richards, D. Dean (1979). "Desarrollo de conceptos de tiempo, velocidad y distancia" (PDF) . Psicología del desarrollo . 15 (3): 288-298. doi : 10.1037 / 0012-1649.15.3.288 .
- ^ Educación de la primera infancia: historias y tradiciones, volumen 1 . Taylor y Francis. 2006. p. 164. ISBN 9780415326704.