La velocitat física es refereix a la magnitud vectorial que indica la variació de la posició d'un objecte per cada unitat de temps. Aquest és un concepte crucial per a l'estudi de la cinemàtica dels objectes.
El concepte de velocitat també es fa servir en moltes altres disciplines a més de la física. Així, per exemple, també hi ha els conceptes de velocitat de reacció en química, velocitat d'internet en informàtica o la velocitat de recuperació en educació física.
Què és la velocitat?
En física definim la velocitat com una magnitud física que expressa el grau de desplaçament d'un cos respecte a un punt en un temps determinat. Aquesta variació s'expressa a l'espai, per tant, és un valor vectorial, que indica una magnitud i una direcció.
Hi ha dos tipus de velocitat: mitjana i instantània. La primera es calcula dividint la distància recorreguda entre el temps transcorregut, mentre que la velocitat instantània correspon al límit quan l'interval de temps tendeix a zero.
Les unitats al sistema internacional d'unitats són metres per segon (m/s), quilòmetres per hora (km/h) o milles per hora (mph).
Tipus de velocitat
Hi ha diferents tipus de velocitats que es poden classificar en diverses categories segons el context en què s'apliquin.
Els tipus de velocitat més rellevants en l'estudi de la cinemàtica són les següents:
Velocitat lineal
La velocitat lineal és la que mesura la distància recorreguda per un objecte en una adreça específica per unitat de temps. Per exemple, la velocitat d'un automòbil a quilòmetres per hora (km/h).
Velocitat angular
La velocitat angular es refereix a la velocitat de rotació dun objecte al voltant dun punt o eix. Es mesura en radians per segon (rad/s) o graus per segon (°/s).
quan un cos gira respecte a un eix apareix la velocitat angular ω. La velocitat angular indica la variació de la posició angular al temps.
Els cossos en rotació tenen els dos tipus de velocitats: l'angular, que indica la variació de l'angle i la velocitat tangencial que és la velocitat lineal amb direcció tangent a la curvatura a cada moment.
Velocitat instantània
És la velocitat dun objecte en un punt específic de la seva trajectòria en un moment donat. El valor pot ser diferent de la velocitat mitjana.
Velocitat mitjana
És la velocitat mitjana dun objecte durant un interval de temps determinat. Es calcula dividint la distància total recorreguda pel temps transcorregut.
Velocitat relativa
És la velocitat dun objecte en relació amb un altre. Es fa servir comunament en física per descriure el moviment relatiu de dos objectes en moviment.
Per exemple, en el cas que el passatger d'un autobús es passeja pel passadís mentre està en marxa tenen dues velocitats relatives: la velocitat respecte a un observador situat dins l'autobús i la que percep un observador situat al carrer.
Velocitat terminal
És la velocitat màxima que arriba a un objecte en caiguda lliure a causa de la resistència de l'aire. Quan s'arriba a aquesta velocitat, l'objecte no accelerarà més.
La força de resistència que exerceix l'aire sobre un objecte en caiguda lliure és proporcional a la velocitat de l'objecte. Aquesta força augmenta a mesura que l'objecte guanya velocitat a causa de l'acceleració provocada per la gravetat segons la segona llei de Newton. Finalment arriba un moment en què la força de l'aire s'equilibra amb la força de la gravetat.
Altres tipus de velocitats
Des d'un altre punt de vista més específic, també es defineixen aquests tipus particulars:
- Velocitat del so : És la velocitat a què es propaga una ona sonora a través d'un medi, com l'aire o l'aigua. A l'aire a temperatura ambient, la velocitat del so és d'aproximadament 343 metres per segon.
- Velocitat de la llum: És la velocitat a la qual viatja la llum al buit, que és d'aproximadament 299,792,458 metres per segon. És una constant fonamental a la física moderna.
- Velocitat orbital És la velocitat a la qual un objecte, com un satèl·lit, s'ha de moure per mantenir una òrbita estable al voltant d'un altre cos celeste, com la Terra perquè la força de la gravetat no el faci caure. En aquest cas, la força de la gravetat és igual a la força centrípeta.
Fórmules de la velocitat
La velocitat es defineix com el canvi en la posició dun objecte respecte al temps.
Fórmula de la velocitat lineal
La fórmula de la velocitat mitjana d'un objecte és:
v = Δx/Δt
On:
v representa la velocitat.
Δx representa el canvi a la posició o l'espai recorregut (el vector de posició final menys el vector de posició inicial)
Δt representa el temps transcorregut.
La velocitat pot ser negativa, cosa que significa que l'objecte s'està movent enrere. També pot ser nul·la, cosa que vol dir que l'objecte no s'està movent.
Fórmula de la velocitat angular
Per calcular la velocitat angular mitjana s'utilitza la fórmula següent:
ω = 2π/T
On,
ω és la velocitat angular en radians per segon
T és el període de rotació en segons (el temps que l'objecte triga a fer una volta completa)
π és la constant PI.
Diferència entre velocitat, rapidesa i celeritat
La velocitat ens indica la variació de la posició dun objecte per unitat de temps. La variació de la posició es determina per la diferència de dos vectors; per tant, la velocitat és un vector que ens indica la direcció de l'objecte.
D'altra banda, celeritat i rapidesa són dos sinònims i fan referència a la magnitud física de la velocitat sense importar la direcció. La celeritat ens indica la variació de la distància recorreguda per unitat de temps, però no tenim cap informació sobre la direcció i la posició de l'objecte.
Tot i això, és habitual parlar de velocitat referint-se a la celeritat.
Exemples de velocitat
Al moviment rectilini uniforme, l'objecte té velocitat constant i no canvia de direcció.
En el moviment rectilini uniformement accelerat, l'objecte no canvia de direcció, però la seva velocitat varia perquè està afectada per una acceleració constant. En aquest cas, la velocitat inicial i final són diferents.
Al moviment circular uniforme, l'objecte gira sobre un eix però no està sotmès a cap acceleració (ni angular ni tangencial)
Al moviment circular uniformement accelerat, l'objecte trencada sobre un eix i està sotmès a una acceleració constant que pot ser angular o lineal.
