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¿Por qué se expresa la aceleración en m/s/s?

Soy estudiante de filosofía (lamentablemente, no sé cálculo ni mucha física). El año pasado pasé algún tiempo aprendiendo cómo funcionan, potencia, velocidad, velocidad, energía, fuerza y aceleración se relacionan. Pero nunca pude encajar mi comprensión de la aceleración en mi comprensión del mundo. Creo que mi mayor desafío fue entender cómo se puede tener (m/s)/s. Es decir, la parte 'por segundo por segundo' no tiene sentido para mí y cómo eso representa un aumento en la velocidad. ¿Expresa, cada segundo una cosa viaja X metros/segundo más rápido? Esa es mi mejor conjetura, pero veo muchos problemas con esa conjetura, así que supongo que es incorrecta.

En pocas palabras, ¿por qué se expresa la aceleración como (m/s)/s? ¿Cómo se relaciona esa expresión (si es que lo hace) con la noción cotidiana de aceleración?

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Michael K Puntos 3235

Su interpretación es correcta si la aceleración es constante y el movimiento es en línea recta. El objeto cambiará su velocidad por esa cantidad cada segundo.

Un ejemplo rápido: si sueltas un objeto, su aceleración será de aproximadamente $9.8~\text{(m/s)/s}$. Esto significa que después de un segundo está viajando a $9.8~\text{m/s}$, después de dos segundos está viajando a $19.6~\text{m/s}$, y así sucesivamente.

Como nota al margen, la mayoría de las veces la gente "hace matemáticas" en las unidades para que (m/s)/s se escriba m/s$^2$. Sin embargo, esto oculta la interpretación de la aceleración. Tu forma de escribirlo es más clara y igual de correcta.

(La interpretación se complica un poco si la aceleración no es constante o no es en línea recta. En este último caso, se podría tener una velocidad constante pero una velocidad cambiante debido al cambio de dirección. Pero la interpretación sigue teniendo que ver con un cambio en la velocidad por unidad de tiempo.)

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Brian Bolton Puntos 1952

Tal vez te resulte aún más claro si alguien te lo explica de una manera más fundamental, pero para ello necesitamos un poco de matemáticas de nivel superior. Estoy asumiendo que has oído hablar de derivadas; si mi suposición es falsa, lo siento por eso, pero en este caso esta respuesta podría no ser útil para ti.

Vamos a aclarar algo importante (aunque más bien filosófico) primero. Esta velocidad y aceleración no son reales. Es una especie de experimento mental que resulta muy útil ya que ayuda a describir nuestro mundo.

Tomemos un objeto - sin restricción y por simplicidad, asumamos que es una manzana - y empújalo alrededor (en tu cabeza). ¿Qué está sucediendo? La posición del objeto cambia con el tiempo, por lo que aquí tenemos una conexión de dos unidades físicas fundamentales, distancia y tiempo. Puedes hablar de la distancia como una función en el tiempo (eso significa que puedes trazarla con el eje x siendo el eje del tiempo y la distancia en un tiempo dado son los valores de y).

Ahora, echemos un vistazo a la velocidad (y ahora, nuevamente por simplicidad, asumamos que el objeto viaja en línea recta, de lo contrario obtendrás espacios vectoriales más generales que pueden ser difíciles de imaginar). ¿Cómo calculas la velocidad promedio? Entonces, si la manzana hubiera estado viajando a la misma velocidad todo el tiempo, ¿qué tan grande debería ser esta velocidad?

Básicamente, la fórmula es $v_{promedio} = \frac{\text{distancia}}{\text{tiempo}}$ (bastante intuitivo, creo). Pero nuevamente, esto ya es de naturaleza teórica. No es una especie de "propiedad inherente", sino que los físicos lo han "inventado" para describir procesos.

Si no quieres calcular la velocidad promedio para toda la distancia, sino solo para un cierto período de tiempo, la fórmula sigue siendo $v_{promedio} = \frac{\text{distancia}}{\text{tiempo}}$, pero por supuesto, debes cambiar los valores de tiempo y distancia en consecuencia.

Aquí tienes una imagen:

Velocidad promedio

$\Delta$ es la letra griega Delta y significa "diferencia" - diferencia entre la distancia de inicio y final y el tiempo de inicio y final. La línea recta en la imagen se llama una secante y su pendiente es igual a la distancia promedio. (Créeme en este - no sé cómo hacer que parezca más plausible en este momento.)

Ahora puedes hacerte la pregunta sobre la velocidad en un momento dado y debes darte cuenta de que la ecuación anterior ya no funcionará. Al mirar solo un punto, la diferencia entre el tiempo de inicio y final y la posición de inicio y final es cero. Ahora, no se te permite dividir por cero, y eso es un problema.

Imagina esto geométricamente: mueves uno de los dos puntos a lo largo de la curva hasta que los dos puntos son idénticos. La secante de arriba siempre ha dependido de dos puntos. Ahora, solo hay uno, por lo que teóricamente, hay una cantidad infinita de líneas que pasan por este único punto. Sin embargo, solo una línea (bueno, suponiendo que todo esto sea diferenciable - ignora eso) en realidad nos da lo que queremos. Debería ser la tangente a la curva. Ahora, eso es lo que llamamos velocidad. Todas las pendientes de las tangentes en un punto de la curva forman un nuevo gráfico que te da velocidad en función del tiempo, que es la derivada de la posición respecto al tiempo.

De manera completamente análoga, si algo está viajando, es posible que desees saber cómo cambió la velocidad. Por ejemplo, imagina un plano inclinado con nuestra manzana en él. Dependiendo del material del plano y la pendiente del mismo, la manzana puede moverse más rápido (poca fricción), mantenerse constante (fricción igual a la gravedad que empuja la manzana hacia abajo) o volverse más lenta (mucha fricción).

ingresar descripción de la imagen aquí

Esto se describe con la aceleración. Si la velocidad es constante, la aceleración es cero, porque nada sucede. Si el objeto se acelera, la aceleración es positiva, porque la aceleración es la tasa de cambio de la velocidad. De manera similar, si la manzana se vuelve más lenta, hay una aceleración negativa. Ahora, para medir la aceleración promedio, hacemos lo mismo que arriba: $\text{tiempo} * \text{aceleración} = \text{velocidad} \implies \text{aceleración} = \frac{\text{velocidad}}{\text{tiempo}}$. Ahora solo mira las unidades: En el lado derecho, ya tienes metros por segundo para la velocidad, y ahora estás observando el cambio de esta velocidad con el tiempo. esto te da (metros por segundo) por segundo.

Por cierto, puedes aplicar exactamente las mismas ideas que mencioné antes (secante, tangente, derivada) al gráfico de velocidad y verás que la aceleración es la derivada de la velocidad.

Por cierto, realmente te animaría a seguir leyendo y pensando en física, matemáticas y las demás ciencias. Siempre es bueno trabajar interdisciplinariamente y creo que es crucial para un filósofo saber lo que esas personas de ciencias parecen "saber" sobre todo lo que hay ahí fuera. He visto a demasiados filósofos construir teorías que simplemente - bueno - no coincidían con la realidad.

Creo que, esta serie de YouTube sobre el tema está muy bien hecha y puede que disfrutes viéndola.

10voto

lcll256 Puntos 31

El problema que vi con mi entendimiento: Presumo que (m/s)/s o m/s^2 son definiciones completas de aceleración. Sin embargo, no veo nada en esas expresiones que defina la aceleración como la acumulación de velocidad. Es decir, en inglés podríamos expresar (m/s)/s como el número de metros que una persona viaja en un (o en x) segundo(s), en un (o en x) segundo(s). Me parece que la noción estaría mejor expresada así (y no sé cuál sea la expresión correcta, por eso presumo que estoy entendiendo mal) como la diferencia entre la velocidad de una cosa en un instante y su velocidad en otro instante.

Pero, una parte fundamental de mi pregunta sigue siendo: la aceleración es la tasa por la cual la velocidad está aumentando en un momento dado. ¿Cómo la expresión (m/s)/s transmite algo sobre un aumento en cualquier cosa?

Realmente no se puede hablar de velocidad sin especificar un tiempo. No se puede decir que un objeto está viajando 10 metros. Hay que especificar cuánto tiempo le toma a ese objeto viajar esos 10 metros. Podría estar moviéndose a 10 metros por segundo, o por minuto, o por año. La velocidad tiene que tener una unidad de tiempo.

Podemos decir que un objeto se está moviendo a 10 m/s en el momento A, y a 20 m/s en el momento B. La velocidad aumentó en 10 m/s. Pero esto no nos dice nada sobre la aceleración. La aceleración se trata de cuánto tiempo le toma a un objeto cambiar de velocidad. Si nuestro objeto solo tardó un segundo en cambiar de 10 m/s a 20 m/s, aceleró muy rápidamente. Si tardó 10 minutos, aceleró mucho más lentamente. El tiempo que tomó para que ocurriera el cambio es a lo que se refiere el segundo "por segundo". La aceleración (m/s/s) es acerca de cuánto cambia la velocidad (metros por segundo) por segundo.

Aquí tienes un ejemplo para acompañar la explicación. La aceleración debido a la gravedad es de 9.8 metros por segundo por segundo. Voy a redondear eso a 10 para simplificar. Supongamos que vas a la cima de un edificio alto y dejas caer una bola de bolos. Su velocidad inicial es de 0 m/s. La gravedad la atrae hacia abajo. Después de 1 segundo, su velocidad es de 10 m/s. Después de 2 segundos, su velocidad es de 20 m/s. Después de 3 segundos, se está moviendo a 30 m/s, etc. La velocidad de la bola de bolos está cambiando por 10 metros por segundo por (o por) cada segundo que cae: 10 metros por segundo por segundo.

Espero que esto ayude. La física puede ser difícil de entender, especialmente si no tienes formación en ciencias exactas.

9voto

qed Puntos 113

Para añadir a la respuesta de BMS, las palabras "velocidad" y "velocidad" tienen diferentes significados en la ciencia. La velocidad de un objeto es un número que indica a qué velocidad se está moviendo. La velocidad indica tanto la velocidad como la dirección del movimiento, lo que la convierte en una "cantidad vectorial". Por ejemplo, la velocidad de un cohete podría ser de 100 mph y su velocidad podría ser {70.7 mph en la dirección x y 70.7 mph en la dirección y}. Estos dos componentes de velocidad perpendiculares se combinan según la fórmula $V_{tot} = \sqrt{V_x^2 + V_y^2}$

3voto

tidbeck Puntos 281

Tenemos una terrible "comprensión cotidiana de la aceleración":

Creo que tu verdadero problema es que no tenemos una muy buena comprensión cotidiana de la aceleración. Pasamos la mayor parte de nuestro tiempo yendo a la misma velocidad. El único lugar donde comúnmente pensamos en la aceleración es en los autos. Los autos de alto rendimiento a menudo presumirán de su aceleración como "va de 0 a 60 mph en 6.2 segundos". Mezclan unidades de tiempo, usando horas y segundos, "millas por hora" es distancia / tiempo, y "en 6.2 segundos" es 1 / tiempo. Podemos poner esto en Google para traducirlo a 5.58 m/s/s, pero es un número mucho más difícil de interpretar (¡especialmente para un estadounidense!).

Pero en "0 a 60 mph en 6.2 segundos", espero que las unidades tengan sentido. Desde un alto, se tardan 6.2 segundos en alcanzar la velocidad de la autopista. Detener un auto es otro lugar donde pensamos mucho sobre cambios en la velocidad, pero incluso allí no tendemos a enfocarnos en la (des)aceleración, sino que nos enfocamos en la distancia recorrida mientras se detiene---lo que requeriría un par de integrales para calcular según los datos de aceleración!

Un poco de información adicional: la tasa de cambio de la aceleración es [sacudida](http://en.wikipedia.org/wiki/Jerk%28physics%29)_, lo que siempre me hace pensar en estar en una montaña rusa. A menudo, al final de una montaña rusa, cuando llegas a la plataforma de carga, los autos están ligeramente frenados, por lo que estás desacelerando un poco. Luego ponen un freno duro y te detienen, lo que te da muy rápidamente una gran aceleración negativa, luego ninguna aceleración (gran sacudida). Y generalmente la sacudida hace que tu cabeza choque contra el cabezal.


Explicación con unidades:

Vamos a definir

Tasa de Cambio: cantidad de cambio dividida por la longitud de tiempo de cambio.

Cualquiera que sean las unidades que uses para medir una cantidad, esas son las unidades utilizadas para medir las diferencias en esas cantidades.

Para la velocidad, que es la tasa de cambio de posición, usamos metros para medir la posición. Si vas 20 metros en 5 segundos, entonces tu velocidad (promedio) es 20 m / 5 s = 4 m/s.

Prácticamente cada vez que el tiempo está en la parte inferior de una fracción, tienes una tasa de cambio para todo lo demás. De esta manera, m/s es una tasa de cambio para metros (posición).

La velocidad, como dijimos anteriormente, se mide en m/s. Si vas a 4 m/s, y luego 10 segundos después vas a 9 m/s, ¡tu velocidad ha cambiado claramente así que has acelerado! La resta nos dice el cambio en la velocidad, 9 m/s - 4 m/s = 5 m/s, pero para obtener la tasa de cambio necesitamos dividir por el tiempo que tomó el cambio en suceder: 10 segundos. 5 m/s / 10 s = 0.5 m/s/s.

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