En cinemática , la velocidad (comúnmente denominada v ) de un objeto es la magnitud del cambio de su posición a lo largo del tiempo o la magnitud del cambio de su posición por unidad de tiempo; por lo tanto, es una cantidad escalar no negativa . [1] La velocidad media 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. La rapidez es la magnitud de la velocidad (un vector), que indica además la dirección del movimiento.
La velocidad tiene las dimensiones de la distancia dividida por el tiempo. La unidad de velocidad del SI es el metro por segundo (m/s), pero la unidad de velocidad más común en el uso cotidiano es el kilómetro por hora (km/h) o, en los EE. UU. y el Reino Unido, las millas por hora (mph). Para los viajes aéreos y marítimos, se utiliza comúnmente el nudo .
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 km/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.
Al físico italiano Galileo Galilei se le atribuye generalmente 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, esto es v = d t , {\displaystyle v={\frac {d}{t}},} donde es la velocidad, es la distancia y es el tiempo. 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/h y luego alcanzar los 30 km/h).
La velocidad en un instante dado, o que se supone constante durante un período de tiempo muy corto , se denomina velocidad instantánea . Observando un velocímetro , se puede leer la velocidad instantánea de un automóvil en cualquier instante. [3] Un automóvil que viaja a 50 km/h generalmente va durante menos de una hora a una velocidad constante, pero si fuera a esa velocidad durante una hora completa, recorrería 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 aproximadamente 833 m.
En términos matemáticos, la velocidad instantánea se define como la magnitud de la velocidad instantánea , es decir, la derivada de la posición con respecto al tiempo : [2] [4]
Si es la longitud del camino (también conocido como distancia) recorrido hasta el tiempo , la velocidad es igual a la derivada temporal de : [2]
En el caso especial en el que la velocidad es constante (es decir, rapidez constante en línea recta), esto se puede simplificar a . La velocidad promedio durante un intervalo de tiempo finito es la distancia total recorrida dividida por la duración del tiempo.
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 media es de 80 kilómetros por hora. Del mismo modo, si se recorren 320 kilómetros en 4 horas, la velocidad media también es de 80 kilómetros por hora. Cuando se divide una distancia en kilómetros (km) por un tiempo en horas (h), el resultado se expresa en kilómetros por hora (km/h).
La velocidad media no describe las variaciones de velocidad que pueden haber tenido lugar durante intervalos de tiempo más cortos (ya que es la distancia total recorrida dividida por el tiempo total de viaje), por lo que la velocidad media suele ser bastante diferente de un valor de velocidad instantánea. [3] Si se conocen la velocidad media y el tiempo de viaje, la distancia recorrida se puede calcular reorganizando la definición a
Utilizando esta ecuación para una velocidad promedio de 80 kilómetros por hora en un viaje de 4 horas, la distancia recorrida es de 320 kilómetros.
Expresada en lenguaje gráfico, la pendiente de una recta tangente en cualquier punto de una gráfica de distancia-tiempo es la velocidad instantánea en ese punto, mientras que la pendiente de una recta cuerda de la misma gráfica es la velocidad media durante el intervalo de tiempo recorrido por la cuerda. La velocidad media de un objeto es Vav = s÷t
La velocidad indica únicamente la velocidad a la que se mueve un objeto, mientras que la velocidad describe tanto la velocidad como la dirección en la que se mueve el objeto. [5] Si se dice que un automóvil viaja a 60 km/h, su velocidad ya está especificada. 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 percibir cuando se considera el movimiento alrededor de un círculo . Cuando algo se mueve en una trayectoria circular y regresa a su punto de partida, su velocidad media es cero, pero su rapidez media se obtiene dividiendo la circunferencia del círculo por el tiempo que tarda en moverse alrededor del círculo. Esto se debe a que la velocidad media se calcula considerando solo el desplazamiento entre los puntos de partida y final, mientras que la rapidez media considera solo la distancia total recorrida.
Las unidades de velocidad incluyen:
(* = valores aproximados)
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 en una pregunta que le hizo en 1928 Albert Einstein : "¿En qué orden adquieren los niños los conceptos de tiempo y velocidad?" [12] El concepto temprano de velocidad de los niños se basa en el "adelantamiento", tomando en consideración únicamente órdenes temporales y espaciales, específicamente: "Un objeto en movimiento se juzga más rápido que otro cuando en un momento dado el primer objeto está detrás y un momento más o menos después delante del otro objeto". [13]
