La cinemàtica és la branca de la física que estudia el moviment dels objectes i de la seva trajectòria en funció del temps sense tenir en compte les causes que el produeixen.
A l'estudi de la cinemàtica no es tenen en compte les propietats químiques i físiques dels cossos en moviment, a excepció de les dimensions, així com les forces que hi actuen. Per aquesta raó, també es coneix com a cinemàtica del sòlid rígid.
Aquesta branca de la física s'engloba dins de la física clàssica, per això les fórmules que presentarem als articles d'aquesta secció no tenen en compte la teoria de la relativitat d'Einstein. És a dir, les equacions que presentarem només són vàlides per a velocitats petites en comparació de la velocitat de la llum.
Conceptes bàsics
Per comprendre aquesta branca de la física, és essencial familiaritzar-se amb alguns conceptes bàsics:
1. Posició
La posició d'un objecte es refereix a la vostra ubicació a l'espai en relació amb un sistema de referència. Es pot descriure utilitzant coordenades, com un sistema de coordenades cartesianes (x, y, z), on x, y, iz representen les dimensions espacials.
La posició es representa típicament per un vector que indica tant la magnitud (distància) com la direcció des de lorigen del sistema de referència.
2. Desplaçament
El desplaçament és un canvi en la posició dun objecte.
S'expressa com a vector que connecta la posició inicial amb la posició final de l'objecte. El desplaçament és independent del camí seguit per lobjecte i es mesura en termes de longitud i direcció.
3. Velocitat
La velocitat d'un objecte fa referència a la taxa de canvi de la seva posició respecte al temps.
S'expressa en termes de desplaçament per unitat de temps i es representa com a vector. La velocitat pot ser constant (moviment uniforme) o canviar amb el temps (moviment accelerat).
4. Acceleració
L'acceleració és la taxa de canvi de la velocitat d'un objecte pel que fa al temps.
Com la velocitat, es representa com un vector. L'acceleració pot ser positiva (augment de velocitat), negativa (disminució de velocitat) o nul·la (moviment uniforme).
5. Temps
El temps és una variable fonamental a la cinemàtica que s'utilitza per mesurar la durada d'un esdeveniment. Permet descriure com canvien les altres variables cinemàtiques amb el temps.
Tipus de moviments
En la representació bidimensional de la cinemàtica hi ha diversos tipus de moviment que es poden resumir en els següents:
- Moviment rectilini uniforme (MRU) : En aquest tipus de moviment, un objecte es desplaça en línia recta a una velocitat constant, sense canvis en la magnitud ni la direcció de la velocitat.
- Moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA) : A l'MRUA, un objecte experimenta un canvi constant en la seva velocitat, ja sigui un augment o una disminució, durant intervals de temps iguals.
- Moviment circular uniforme (MCU) : Al MCU, la velocitat angular es manté constant mentre l'objecte es mou en una trajectòria circular.
- Moviment circular uniformement accelerat (MCUA) : El MCUA implica un canvi constant en la velocitat angular d'un objecte en moviment circular.
- Moviment parabòlic : En el moviment parabòlic , un objecte segueix una trajectòria corba que s'assembla a una paràbola, resultant de la combinació de moviment horitzontal i vertical.
- Moviment harmònic simple. La direcció de la força sota la qual es mou l'objecte és sempre oposada al desplaçament i la magnitud és proporcional al desplaçament.
Exemples de cinemàtica
La cinemàtica es manifesta en diverses situacions de la vida quotidiana i en camps científics.
Moviment d'un automòbil
Un exemple comú és el moviment d'un automòbil per una carretera recta a velocitat constant, cosa que s'ajusta al concepte de moviment rectilini uniforme (MRU).
Quan aquest automòbil accelera o frena, com en arrencar des d'un semàfor o reduir la velocitat per aturar-se, es tracta d'un exemple de moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA).
En el moment en què l'automòbil pren una corba, es poden aplicar les fórmules del moviment circular uniforme (MCU) o del moviment circular uniformement accelerat (MCUA) si dintre de la corba està frenant o accelerant.
Esports
A nivell esportiu, la cinemàtica s'aplica en analitzar el llançament d'una pilota de beisbol, on la trajectòria de la pilota segueix un moviment parabòlic .
Astronomia
En astronomia, s'utilitza per estudiar el moviment de planetes al voltant del Sol i calcular-ne les òrbites.
Centrals nuclears i física nuclear
A la física nuclear, la cinemàtica s'empra per analitzar la col·lisió de partícules subatòmiques en acceleradors de partícules.
A més, les centrals nuclears disposen de turbines de vapor que quan estan en funcionament experimenten un moviment circular.
Diferència entre cinemàtica i dinàmica
La cinemàtica i la dinàmica són dues branques de la física que se centren en aspectes diferents del moviment dels objectes.
D'una banda, la cinemàtica té cura de descriure el moviment en termes de posició, velocitat i acceleració, sense considerar les causes que el generen. D'altra banda, la dinàmica s'enfoca a l'estudi de les forces i les interaccions que provoquen el moviment dels objectes.
És a dir, mentre que la cinemàtica es preocupa per “com” es mouen els objectes, la dinàmica es concentra en “per què” es mouen i com responen a les forces aplicades.
