Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrá:
- Describir la diferencia entre cantidades vectoriales y escalares.
- Identificar la magnitud y la dirección de un vector.
- Explicar el efecto de multiplicar una cantidad vectorial por un escalar.
- Describir cómo se suman o restan cantidades vectoriales unidimensionales.
- Explicar la construcción geométrica para la suma o la resta de vectores en un plano.
- Distinguir entre una ecuación vectorial y una ecuación escalar.
Muchas magnitudes físicas conocidas pueden especificarse completamente con un solo número y la unidad apropiada. Por ejemplo, "un periodo de clase dura 50 min" o "el tanque de gasolina de mi auto tiene capacidad de 65 L" o "la distancia entre dos postes es de 100 m". La cantidad física que puede especificarse completamente de esta manera se denomina cantidad escalar. Escalar es sinónimo de "número". El tiempo, la masa, la distancia, la longitud, el volumen, la temperatura y la energía son ejemplos de cantidades escalares.
Las cantidades escalares que tienen las mismas unidades físicas pueden sumarse o restarse según las reglas habituales del álgebra de los números. Por ejemplo, una clase que termina 10 min antes de los 50 min dura . Del mismo modo, una porción de 60 calorías (cal) de maíz seguida de una porción de 200 calorías de donas da de energía. Cuando multiplicamos una cantidad escalar por un número, obtenemos la misma cantidad escalar, pero con un valor mayor (o menor). Por ejemplo, si el desayuno de ayer tenía 200 cal de energía y el de hoy tiene cuatro veces más energía que ayer, entonces el desayuno de hoy tiene de energía. Dos cantidades escalares también pueden multiplicarse o dividirse entre sí para formar una cantidad escalar derivada. Por ejemplo, si un tren recorre una distancia de 100 km en 1,0 h, su rapidez es de 100,0 km/1,0 h = 27,8 m/s, donde la rapidez es una cantidad escalar derivada que se obtiene al dividir la distancia entre el tiempo.
Sin embargo, muchas cantidades físicas no pueden describirse completamente con un solo número de unidades físicas. Por ejemplo, cuando los guardacostas estadounidenses envían un barco o un helicóptero para una misión de rescate, el equipo de rescate debe conocer, no solo la distancia a la que se encuentra la señal de socorro, sino también la dirección de la que procede esta para poder llegar a su origen lo antes posible. Las cantidades físicas que se especifican completamente con un número de unidades (magnitud) y una dirección se llaman cantidades vectoriales. Algunos ejemplos de cantidades vectoriales son el desplazamiento, la velocidad, la posición, la fuerza y el torque. En el lenguaje matemático, las cantidades físicas vectoriales se representan mediante objetos matemáticos, denominados vectores (Figura 2.2). Podemos sumar o restar dos vectores, y podemos multiplicar un vector por un escalar o por otro vector, pero no podemos dividir por un vector. La operación de división por un vector no está definida.
Examinemos el álgebra vectorial con un método gráfico para conocer los términos básicos y desarrollar una comprensión cualitativa. En la práctica, sin embargo, cuando se trata de resolver problemas de física, utilizamos métodos analíticos, que veremos en la siguiente sección. Los métodos analíticos son más sencillos desde el punto de vista computacional y más precisos que los métodos gráficos. A partir de ahora, para distinguir entre una cantidad vectorial y una escalar, adoptamos la convención común de que una letra en negritas con una flecha encima denota un vector, y una letra sin flecha denota un escalar. Por ejemplo, una distancia de 2,0 km, que es una cantidad escalar, se denota por d = 2,0 km, mientras que un desplazamiento de 2,0 km en alguna dirección, que es una cantidad vectorial, se denota por .
Supongamos que le dice a un amigo con el que está de acampada que ha descubierto un estupendo agujero para pescar a 6 km de su carpa. Es poco probable que su amigo encuentre el agujero con facilidad, a menos que también le comunique la dirección en la que se encuentre con respecto a su campamento. Puede decir, por ejemplo, "camine unos 6 km al noreste de mi carpa". El concepto clave aquí es que hay que dar no uno, sino dos datos: la distancia o magnitud (6 km) y la dirección (noreste).
Desplazamiento es un término general que se utiliza para describir un cambio de posición, por ejemplo, durante un viaje desde la carpa hasta el agujero de pesca. El desplazamiento es un ejemplo de cantidad vectorial. Si se camina desde la carpa (lugar A) hasta el agujero (lugar B), como se muestra en la Figura 2.3, el vector , que representa su desplazamiento, se dibuja como la flecha que se origina en el punto A y termina en el punto B. La punta de la flecha marca el final del vector. La dirección del vector de desplazamiento es la dirección de la flecha. La longitud de la flecha representa la magnitud D del vector . Aquí, D = 6 km. Como la magnitud de un vector es su longitud, que es un número positivo, la magnitud también se indica al colocar la notación de valor absoluto alrededor del símbolo que denota el vector; por lo tanto, podemos escribir de forma equivalente que . Para resolver un problema vectorial gráficamente, necesitamos dibujar el vector a escala. Por ejemplo, si suponemos que 1 unidad de distancia (1 km) está representada en el dibujo por un segmento de línea de longitud u = 2 cm, entonces el desplazamiento total en este ejemplo está representado por un vector de longitud , como se muestra en la Figura 2.4. Observe que aquí, para evitar confusiones, utilizamos para denotar la magnitud del desplazamiento real y d = 12 cm para denotar la longitud de su representación en el dibujo.
Supongamos que su amigo camina desde el campamento en A hasta el estanque de pesca en B y luego regresa: desde el estanque de pesca en B hasta el campamento en A. La magnitud del vector de desplazamiento de A a B es igual a la magnitud del vector de desplazamiento de B a A (es igual a 6 km en ambos casos), por lo que podemos escribir . Sin embargo, el vector no es igual al vector porque estos dos vectores tienen direcciones diferentes: . En la Figura 2.3, el vector se representaría mediante un vector con origen en el punto B y final en el punto A, lo cual indica que el vector apunta al suroeste, que es exactamente opuesto a la dirección del vector . Diremos que el vector es antiparalelo al vector y escribimos , donde el signo menos indica la dirección antiparalela.
Se dice que dos vectores que tienen direcciones idénticas son vectores paralelos, es decir, que son paralelos entre sí. Dos vectores paralelos y son iguales, indicado por , si y solo si tienen magnitudes iguales . Se dice que dos vectores con direcciones perpendiculares entre sí son vectores ortogonales. Estas relaciones entre vectores se ilustran en la Figura 2.5.
Compruebe Lo Aprendido 2.1
Dos lanchas a motor llamadas Alice y Bob se desplazan por un lago. Dada la información sobre sus vectores de velocidad en cada una de las siguientes situaciones, indique si sus vectores de velocidad son iguales o no. (a) Alice se desplaza hacia el norte a 6 nudos y Bob se desplaza hacia el oeste a 6 nudos. (b) Alice se desplaza hacia el oeste a 6 nudos y Bob se desplaza hacia el oeste a 3 nudos. (c) Alice se desplaza hacia el noreste a 6 nudos y Bob se desplaza hacia el sur a 3 nudos. (d) Alice se desplaza hacia el noreste a 6 nudos y Bob se desplaza hacia el suroeste a 6 nudos. (e) Alice se desplaza hacia el noreste a 2 nudos y Bob se acerca a la costa hacia el noreste a 2 nudos.
Álgebra de vectores en una dimensión
Los vectores pueden multiplicarse por escalares, sumarse a otros vectores o restarse de otros. Podemos ilustrar estos conceptos vectoriales con un ejemplo de excursión de pesca, que se ve en la Figura 2.6.
Supongamos que su amigo parte del punto A (el campamento) y camina en dirección al punto B (el estanque de pesca), pero, por el camino, se detiene a descansar en algún punto C situado a tres cuartas partes de la distancia entre A y B, partiendo del punto A (Figura 2.6(a)). ¿Cuál es su vector de desplazamiento cuando llega al punto C? Sabemos que si camina hasta B, su vector de desplazamiento con respecto a A es , que tiene una magnitud y una dirección al noreste. Si camina solo una fracción de 0,75 de la distancia total, y mantiene la dirección noreste, en el punto C debe estar a lejos del campamento en A. Así, su vector de desplazamiento en el punto de reposo C tiene magnitud y es paralelo al vector de desplazamiento . Todo esto se puede resumir en la siguiente ecuación vectorial:
En una ecuación vectorial, ambos lados de la ecuación son vectores. La ecuación anterior es un ejemplo de vector multiplicado por un escalar positivo (número) . El resultado, , de tal multiplicación es un nuevo vector con una dirección paralela a la dirección del vector original .
En general, cuando un vector se multiplica por un escalar positivo , el resultado es un nuevo vector que es paralelo a :
La magnitud de este nuevo vector se obtiene al multiplicar la magnitud del vector original, expresada por la ecuación escalar:
En una ecuación escalar, ambos lados de la ecuación son números. La Ecuación 2.2 es una ecuación escalar porque las magnitudes de los vectores son cantidades escalares (y números positivos). Si el escalar es negativo en la ecuación vectorial de la Ecuación 2.1, entonces la magnitud del nuevo vector sigue siendo dada por la Ecuación 2.2, pero la dirección del nuevo vector es antiparalela a la dirección de . Estos principios se ilustran en la Figura 2.7(a) con dos ejemplos en los que la longitud del vector es de 1,5 unidades. Cuando , el nuevo vector tiene longitud (el doble de largo que el vector original) y es paralelo al vector original. Cuando , el nuevo vector tiene longitud (dos veces más largo que el vector original) y es antiparalelo al vector original.
Supongamos ahora que su compañero de pesca parte del punto A (el campamento), y camina en dirección al punto B (el agujero de pesca), pero se da cuenta de que ha perdido su caja de anzuelos cuando se ha parado a descansar en el punto C (situado a tres cuartas partes de la distancia entre A y B, al partir del punto A). Entonces, da la vuelta y vuelve sobre sus pasos en dirección al campamento y encuentra la caja tirada en el camino en un punto D a solo 1,2 km del punto C (vea la Figura 2.6(b)). ¿Cuál es su vector de desplazamiento cuando encuentra la caja en el punto D? ¿Cuál es su vector de desplazamiento desde el punto D hasta el agujero? Ya hemos establecido que en el punto de reposo C su vector de desplazamiento es . Partiendo del punto C, camina hacia el suroeste (hacia el campamento), lo que significa que su nuevo vector de desplazamiento del punto C al punto D es antiparalelo a . Su magnitud es , por lo que su segundo vector de desplazamiento es . Su desplazamiento total con respecto al campamento es la suma vectorial de los dos vectores de desplazamiento: vector (desde el campamento hasta el punto de descanso) y el vector (desde el punto de descanso hasta el punto donde encuentra su caja):
La suma vectorial de dos (o más) vectores se denomina vector resultante o, para abreviar, la resultante. Cuando se conocen los vectores del lado derecho de la Ecuación 2.3, podemos encontrar la resultante de la siguiente forma:
Cuando su amigo llega finalmente al estanque en B, su vector de desplazamiento desde el punto A es la suma vectorial de su vector de desplazamiento del punto A al punto D y su vector de desplazamiento desde el punto D hasta el agujero de pesca: (vea la Figura 2.6(c)). Esto significa que su vector de desplazamiento es la diferencia de dos vectores:
Observe que una diferencia de dos vectores no es más que la suma vectorial de dos vectores porque el segundo término de la Ecuación 2.5 es el vector (que es antiparalelo a . Cuando sustituimos la Ecuación 2.4 en la Ecuación 2.5, obtenemos el segundo vector de desplazamiento:
Este resultado significa que su amigo caminó desde el punto donde encuentra su caja de anzuelos hasta el agujero de pesca.
Cuando los vectores y se encuentran a lo largo de una línea (es decir, en una dimensión), como en el ejemplo del campamento, su resultante y su diferencia ambas se encuentran en la misma dirección. Podemos ilustrar la suma o la resta de vectores dibujando los vectores correspondientes a escala en una dimensión, como se muestra en la Figura 2.7.
Para ilustrar la resultante cuando y son dos vectores paralelos, los dibujamos a lo largo de una línea al colocar el origen de un vector en el extremo del otro vector en forma de cabeza a cola (vea la Figura 2.7(b)). La magnitud de esta resultante es la suma de sus magnitudes: R = A + B. La dirección de la resultante es paralela a ambos vectores. Cuando el vector es antiparalelo al vector , los dibujamos a lo largo de una línea, ya sea de cabeza a cabeza (Figura 2.7(c)) o de cola a cola. La magnitud de la diferencia de vectores, entonces, es el valor absoluto de la diferencia de sus magnitudes. La dirección de la diferencia de vectores es paralela a la dirección del vector más largo.
En general, en una dimensión, así como en dimensiones superiores, como en un plano o en el espacio, podemos sumar cualquier número de vectores y podemos hacerlo en cualquier orden porque la suma de vectores es conmutativa,
y asociativa,
Además, la multiplicación por un escalar es distributiva:
Utilizamos la propiedad distributiva en la Ecuación 2.4 y la Ecuación 2.6.
Al sumar muchos vectores en una dimensión, es conveniente utilizar el concepto de vector unitario. Un vector unitario, que se denota con un símbolo de letra con acento circunflejo, como , tiene una magnitud de uno y no tiene ninguna unidad física de modo que . La única función de un vector unitario es especificar la dirección. Por ejemplo, en lugar de decir que el vector tiene una magnitud de 6,0 km y una dirección de noreste, podemos introducir un vector unitario que apunta al noreste y decir de forma resumida que . Entonces la dirección suroeste viene dada simplemente por el vector unitario . De este modo, el desplazamiento de 6,0 km en dirección suroeste se expresa mediante el vector
Ejemplo 2.1
Una mariquita caminante
Una larga regla para medir se apoya en la pared de un laboratorio de física con su extremo de 200 cm en el suelo. Una mariquita se posa en la marca de 100 cm y se arrastra aleatoriamente por la regla. Primero camina 15 cm hacia el suelo, luego camina 56 cm hacia la pared, y después vuelve a caminar 3 cm hacia el suelo. A continuación, tras una breve parada, continúa 25 cm hacia el suelo y luego, de nuevo, se arrastra 19 cm hacia la pared antes de detenerse por completo (Figura 2.8). Halle el vector de su desplazamiento total y su posición final de reposo en la regla.Estrategia
Si elegimos la dirección a lo largo de la regla hacia el suelo como la dirección del vector unitario , entonces la dirección hacia el suelo es y la dirección hacia la pared es . La mariquita realiza un total de cinco desplazamientos:El desplazamiento total es la resultante de todos sus vectores de desplazamiento.
Solución
La resultante de todos los vectores de desplazamiento esEn este cálculo, utilizamos la ley distributiva dada por la Ecuación 2.9. El resultado es que el vector de desplazamiento total apunta lejos de la marca de 100 cm (lugar de aterrizaje inicial) hacia el extremo de la regla para medir que toca la pared. El extremo que toca la pared está marcado 0 cm, por lo que la posición final de la mariquita está en la marca (100 - 32)cm = 68 cm.
Compruebe Lo Aprendido 2.2
Un buceador de cuevas entra en un largo túnel submarino. Cuando su desplazamiento con respecto al punto de entrada es de 20 m, se le cae accidentalmente la cámara, pero no se da cuenta de que no la tiene hasta que se adentra unos 6 m en el túnel. Vuelve a nadar 10 m pero no encuentra la cámara, así que decide terminar la inmersión. ¿A qué distancia está del punto de entrada? Tomando la dirección positiva de salida del túnel, ¿cuál es su vector de desplazamiento con respecto al punto de entrada?
Álgebra de vectores en dos dimensiones
Cuando los vectores se encuentran en un plano, es decir, cuando están en dos dimensiones, pueden multiplicarse por escalares, sumarse a otros vectores o restarse de otros de acuerdo con las leyes generales expresadas por la Ecuación 2.1, la Ecuación 2.2, la Ecuación 2.7 y la Ecuación 2.8. Sin embargo, la regla de adición de dos vectores en un plano se complica más que la regla de adición de vectores en una dimensión. Tenemos que utilizar las leyes de la geometría para construir vectores resultantes, seguidos de la trigonometría para encontrar las magnitudes y direcciones de los vectores. Este enfoque geométrico se utiliza habitualmente en la navegación (Figura 2.9). En este apartado, necesitamos tener a mano dos reglas, una escuadra, un transportador, un lápiz y una goma de borrar para dibujar vectores a escala mediante construcciones geométricas.
Para una construcción geométrica de la suma de dos vectores en un plano, seguimos la regla del paralelogramo. Supongamos que dos vectores y están en las posiciones arbitrarias indicadas en la Figura 2.10. Traslade cualquiera de ellos en paralelo al inicio del otro vector, de forma que, luego de la traslación, ambos vectores tengan su origen en el mismo punto. Ahora, al final del vector dibujamos una línea paralela al vector y al final del vector dibujamos una línea paralela al vector (las líneas discontinuas en la Figura 2.10). De este modo, obtenemos un paralelogramo. Desde el origen de los dos vectores dibujamos una diagonal que es la resultante de los dos vectores: (Figura 2.10(a)). La otra diagonal de este paralelogramo es la diferencia de los dos vectores , como se muestra en la Figura 2.10(b). Observe que el final de la diferencia de vectores se sitúa al final del vector .
De la regla del paralelogramo se deduce que ni la magnitud del vector resultante ni la magnitud de la diferencia de vectores pueden expresarse como una simple suma o diferencia de las magnitudes A y B, porque la longitud de una diagonal no puede expresarse como una simple suma de las longitudes de los lados. Cuando se utiliza una construcción geométrica para encontrar las magnitudes y , tenemos que utilizar las leyes de la trigonometría para los triángulos, lo que puede llevar a un álgebra complicada. Hay dos maneras de evitar esta complejidad algebraica. Una forma es utilizar el método de los componentes, que examinamos en la siguiente sección. La otra forma es dibujar los vectores a escala, como se hace en la navegación, y leer las longitudes y ángulos aproximados de los vectores (direcciones) a partir de los gráficos. En esta sección examinamos el segundo enfoque.
Si necesitamos sumar tres o más vectores, repetimos la regla del paralelogramo para los pares de vectores hasta encontrar la resultante de todas las resultantes. Para tres vectores, por ejemplo, primero encontramos la resultante del vector 1 y el vector 2, y luego encontramos la resultante de esta resultante y el vector 3. El orden en el que seleccionemos los pares de vectores no importa porque la operación de suma de vectores es conmutativa y asociativa (vea la Ecuación 2.7 y la Ecuación 2.8). Antes de enunciar una regla general que derive de las aplicaciones repetidas de la regla del paralelogramo, veamos el siguiente ejemplo.
Suponga que planea un viaje de vacaciones en Florida. Saliendo de Tallahassee, la capital del estado, planea visitar a su tío Joe en Jacksonville, ver a su primo Vinny en Daytona Beach, realizar una parada para divertirse un poco en Orlando, ver un espectáculo de circo en Tampa y visitar la Universidad de Florida en Gainesville. Su ruta se puede representar por cinco vectores de desplazamiento , , y , que se indican con los vectores rojos en la Figura 2.11. ¿Cuál es su desplazamiento total al llegar a Gainesville? El desplazamiento total es la suma vectorial de los cinco vectores de desplazamiento, que se puede encontrar con la regla del paralelogramo cuatro veces. Alternativamente, recordemos que el vector de desplazamiento tiene su comienzo en la posición inicial (Tallahassee) y su final en la posición final (Gainesville), por lo que el vector de desplazamiento total puede dibujarse directamente como una flecha que conecta Tallahassee con Gainesville (vea el vector verde en la Figura 2.11). Cuando usamos la regla del paralelogramo cuatro veces, la resultante que obtenemos es exactamente este vector verde que conecta Tallahassee con Gainesville: .
El dibujo del vector resultante de muchos vectores puede generalizarse con la siguiente construcción geométrica de cola a cabeza. Supongamos que queremos dibujar el vector resultante de cuatro vectores , , y (Figura 2.12(a)). Seleccionamos cualquiera de los vectores como primer vector y hacemos una traslación paralela de un segundo vector a una posición en la que el origen ("cola") del segundo vector coincide con el final ("cabeza") del primer vector. Luego, seleccionamos un tercer vector y realizamos una traslación paralela del tercer vector a una posición en la que el origen del tercer vector coincida con el final del segundo vector. Repetimos este procedimiento hasta que todos los vectores estén en una disposición de cabeza a cola como la que se muestra en la Figura 2.12. Dibujamos el vector resultante conectando el origen ("cola") del primer vector con el final ("cabeza") del último vector. El final del vector resultante está en el final del último vector. Como la suma de vectores es asociativa y conmutativa, obtenemos el mismo vector resultante, independientemente del vector que elijamos como primero, segundo, tercero o cuarto en esta construcción.
Ejemplo 2.2
Construcción geométrica de la resultante
Los tres vectores de desplazamiento , y en la Figura 2.13 se especifican por sus magnitudes A = 10,0, B = 7,0 y C = 8,0, respectivamente, y por sus respectivos ángulos direccionales con la dirección horizontal , y . Las unidades físicas de las magnitudes son los centímetros. Elija una escala conveniente y utilice una regla y un transportador para encontrar las siguientes sumas vectoriales: (a) , (b) (c) .Estrategia
En la construcción geométrica, encontrar un vector significa encontrar su magnitud y su ángulo direccional con la dirección horizontal. La estrategia consiste en dibujar a escala los vectores que aparecen en el lado derecho de la ecuación y construir el vector resultante. Luego, utilice una regla y un transportador para leer la magnitud de la resultante y el ángulo direccional. Para las partes (a) y (b) utilizamos la regla del paralelogramo. Para (c) utilizamos el método de cola a cabeza.Solución
Para las partes (a) y (b), unimos el origen del vector al origen del vector , como se muestra en la Figura 2.14, y construimos un paralelogramo. La diagonal más corta de este paralelogramo es la suma . La mayor de las diagonales es la diferencia . Utilizamos una regla para medir las longitudes de las diagonales y un transportador para medir los ángulos con la horizontal. Para la resultante , obtenemos R = 5,8 cm y . Para la diferencia , obtenemos D = 16,2 cm y , que se muestran en la Figura 2.14.Para (c), podemos empezar con el vector y dibujar los vectores restantes de cola a cabeza como se muestra en la Figura 2.15. En la suma de vectores, el orden en el que dibujamos los vectores no es importante, pero dibujar los vectores a escala sí es muy importante. A continuación, dibujamos el vector desde el origen del primer vector hasta el final del último vector y colocamos la punta de la flecha al final de . Utilizamos una regla para medir la longitud de , y encontramos que su magnitud es
S = 36,9 cm. Usamos un transportador y encontramos que su ángulo direccional es . Esta solución se muestra en la Figura 2.15.
Compruebe Lo Aprendido 2.3
Utilizando los tres vectores de desplazamiento , y en la Figura 2.13, elija una escala conveniente y utilice una regla y un transportador para encontrar el vector dado por la ecuación vectorial .
Interactivo
Observe la suma de vectores en un plano; consulte esta calculadora de vectores y esta simulación de Phet.