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Trigonometria y fisica

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La trigonometría es una rama de la matemática, cuyo significado etimológico es "la medición de
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son iguales. El teorema también se puede definir de otra forma: si las
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Trigonometria y fisica

  1. 1. La trigonometría es una rama de la matemática, cuyo significado etimológico es "la medición de los triángulos". Deriva de los términos griegos trigōno triángulo y μετρον metronmedida.1 En términos generales, la trigonometría es el estudio de las razones trigonométricas: seno, coseno; tangente, cotangente; secante y cosecante. Interviene directa o indirectamente en las demás ramas de la matemática y se aplica en todos aquellos ámbitos donde se requieren medidas de precisión. La trigonometría se aplica a otras ramas de la geometría, como es el caso del estudio de las esferas en la geometría del espacio. Posee numerosas aplicaciones: las técnicas de triangulación, por ejemplo, son usadas en astronomía para medir distancias a estrellas próximas, en la medición de distancias entre puntos geográficos, y en sistemas de navegación por satélites. Las funciones trigonométricas Función trigonométrica. La trigonometría es una rama importante de las matemáticas dedicada al estudio de la relación entre los lados y ángulos de un triángulo rectángulo, con una aplicación inmediata en geometría. Con este propósito se definieron una serie de funciones, las que han sobrepasado su fin original para convertirse en elementos matemáticos estudiados en sí mismos y con aplicaciones en los campos más diversos. Razones trigonométricas[ El triángulo ABC es un triángulo rectángulo en C; lo usaremos para definir las razones seno, coseno y tangente, del ángulo , correspondiente al vértice A, situado en el centro de la circunferencia. El seno (abreviado como sen, o sin por llamarse "sĭnus" en latín) es la razón entre el cateto opuesto sobre la hipotenusa. El coseno (abreviado como cos) es la razón entre el cateto adyacente sobre la hipotenusa, La tangente (abreviado como tan o tg) es la razón entre el cateto opuesto sobre el cateto adyacente, Razones trigonométricas inversas Artículo principal: Inverso multiplicativo.
  2. 2. Triángulo ABC proporcional con un ángulo inscrito en una circunferencia de centro A y radio 1 La Cosecante: (abreviado como csc o cosec) es la razón inversa de seno, o también su inverso multiplicativo: En el esquema su representación geométrica es: La Secante: (abreviado como sec) es la razón inversa de coseno, o también su inverso multiplicativo: En el esquema su representación geométrica es: La Cotangente: (abreviado como cot o cta) es la razón inversa de la tangente, o también su inverso multiplicativo: En el esquema su representación geométrica es: Normalmente se emplean las relaciones trigonométricas seno, coseno y tangente, y salvo que haya un interés específico en hablar de ellos o las expresiones matemáticas se simplifiquen mucho, los términos cosecante, secante y cotangente no suelen utilizarse. (M-6) El Teorema de Pitágoras Pitágoras de Samos fue un filósofo griego que vivió alrededor del año 530 a.C., residiendo la mayor parte de su vida en la colonia griega de Crotona, en el sur de Italia. De acuerdo con la tradición fue el primero en probar la afirmación (teorema) que hoy lleva su nombre: Si un triángulo tiene lados de longitud (a,b,c), con los lados (a,b) formando un ángulo de 90 grados ("ángulo recto"), tenemos que a2 + b2 = c2 Un ángulo recto se puede definir como el ángulo formado cuando dos líneas rectas se cruzan de tal forma que los cuatro ángulos que forman
  3. 3. son iguales. El teorema también se puede definir de otra forma: si las longitudes de los tres lados (a,b,c) de un triángulo satisfacen la relación anterior, el ángulo entre los lados a y b debe ser de 90 grados. Por ejemplo, un triángulo con los lados a = 3, b = 4, c = 5 (pulgadas, pies, metros,... lo que sea) es rectángulo porque a2 + b2 = 32 + 42 = 9 + 16 = 25 = c2 Los maestros de obras del antiguo Egipto pudieron conocer el triángulo (3,4,5) y usarlo (mediante cañas o cuerdas calibradas) para construir ángulos rectos; aún hoy en día los albañiles usan tableros con clavos con esas longitudes que les ayudan a alinear una esquina. Existen muchas pruebas, y las más fáciles son probablemente las que están basadas en el álgebra, usando las igualdades elementales presentadas en la sección precedente, a saber (a + b)2 = a2 + 2ab + b2 (recuerde que 2ab significa 2 veces a veces b). Por ejemplo 152 = (10 + 5)2 = 102 + (2)(10)(5) + 52 = 100 + 100 + 25 = 225 y (a - b) 2 = a2 - 2ab + b2 Por ejemplo: 52 = (10 - 5)2 = 102 - (2)(10)(5) + 52 = 100 - 100 + 25 = 25 También es necesario conocer algunas áreas simples: el área de un rectángulo es (longitud) por (altura), de tal forma que el área del presentado arriba es ab. Una diagonal lo divide en dos triángulos rectángulos siendo los lados cortos a y b, y el área de ese triángulo es, por consiguiente, (1/2) ab. Vea el cuadrado de la izquierda construido por cuatro triángulos (a,b,c). la longitud de cada lado es (a+b) y, por lo tanto, el cuadrado tiene un área de (a+b)2 . No obstante, el cuadrado se puede a su vez dividir en cuatro triángulos (a,b,c) más un cuadrado de lado c en el centro (en rigor, también debemos de probar que es un cuadrado, pero nos saltaremos esto). El área de cada triángulo, como se mostró anteriormente, es (1/2)ab, y el área del cuadrado es c2 . Como el cuadrado grande es igual a la suma de todas sus partes (a + b) 2 = (4)(1/2)(a)(b) + c2
  4. 4. Usando la igualdad para (a + b)2 y multiplicando (4)(1/2) = 2 a2 + 2ab + b2 = 2ab + c2 Reste 2ab de ambos lados y obtendrá a2 + b2 = c2 Se puede mostrar el mismo resultado usando un cuadrado diferente, de área c2 . Como muestra el dibujo de la derecha, esa área puede dividirse en cuatro triángulos como los anteriores, más un pequeño cuadrado de lado (a-b). Obtenemos c2 = (4)(1/2)(a)(b) + (a-b) 2 = 2ab + (a2 - 2ab + b2 ) = a2 + b2 Q.E.D. Q.E.D. simboliza "quod erat demonstrandum," en latín "lo que queda demostrado," que en los libros de geometría, tradicionalmente, marcaban el final de una demostración. La importancia del trabajo de Pitágoras y de los siguientes maestros de geometría griegos, especialmente Euclides, no fue solo lo que probaron, sino elmétodo que desarrollaron: comenzar desde algunas afirmaciones básicas ("axiomas") y deducir mediante la lógica sus consecuencias más complicadas ("teoremas"). Los matemáticos aún siguen ese modelo. Teorema del Seno En el triángulo ABC, este es inscrito en una circunferencia* de centro O. El diámetro* trazado por A, corta a la circunferencia en el punto C'. El ángulo ABC' esta recto en el punto B, por que se trata de un ángulo inscrito*, que abarca un arco 180°. En él se cumple que: Sen C' = AB = c = c . AC' diametro 2Radio
  5. 5. El ángulo C y el ángulo C' son iguales por ser ángulos inscritos, o sea el arco AB es: Sen C = c/2R o sea, 2R = c . Sen C Lo mismo ocurre con los otros lados, o sea podemos deducir que: 2R= b . Y 2R= a . Sen B Sen A A partir de esta comprobación, podemos deducir como todos los enunciados empiezan en “2R”, que: 2R= b . = a . = c . Sen B Sen A Sen C Glosario Circunferencia: es el conjunto de puntos cuya distancia a otro punto llamado centro es siempre la misma. Los puntos de la circunferencia y los que se encuentran dentro de ella forman una superficie llamada círculo. Diámetro: Un diámetro de un círculo es una recta cualquiera que pasa por el centro y que acaba en ambas direcciones en la circunferencia del círculo; esta línea recta también divide el círculo en dos partes iguales. Radio: Un segmento lineal que une el centro del círculo con cualquier punto de la circunferencia Una identidad trigonométrica es una igualdad entre expresiones que contienen funciones trigonométricas y es válida para todos los valores del ángulo en los que están definidas las funciones (y las operaciones aritméticas involucradas). Notación: se define sin2 α como (sin α)2 . Lo mismo se aplica a las demás funciones trigonométricas. FISICA ENERGÍA (E) La energía es una aplicación del trabajo y la potencia, ya que entre estas magnitudes un cuerpo puede ser movido o ubicado con distintos valores, lo que hace que haya 3 tipos de energía: Energía Cinética (Ec) Es el trabajo efectuado sobre un cuerpo de masa m; para acelerar un cuerpo desde una velocidad inicial hasta una velocidad final, dependiendo de la masa del cuerpo a movilizar La fórmula de la energía cinética es Ec – energía cinética
  6. 6. Ec = m . V 2 m – masa del cuerpo 2 V – velocidad del cuerpo Energía Potencial (Ep) Todo cuerpo de masa m que se encuentre a una altura h con respecto a un nivel dado posee energía potencial gravitacional. La fórmula de la energía cinética es Ep – energía potencial Ep = m . g .h m – masa del cuerpo h – altura Energía Potencial elástica (Epe) Todo cuerpo de masa m que se encuentre sometido a la fuerza elástica de un resorte, el sistema masa-resorte posee energía potencial elástica La fórmula de la energía cinética es Epe – energía potencial elástica Epe = K . X2 k – constante elástica 2 X – estiramiento o contracción del resorte Ejemplos Calcular la energía cinética y potencial de un cuerpo de 14kg cuando se mueve con una velocidad de 15 m/sg y cuando se encuentra a una altura de 11 m de altura. Datos m = 10kg v = 15 m/sg h = 11m Ec - ? Ec = m . V 2 / 2 entonces Ec = 10kg . (15 m/sg)2 / 2 es decir Ec = 10kg . 225 m2 /sg2 / 2 o sea Ec =2250kg m2 /sg2 Ec = 1125Jul 2 Ep - ? Ep = m . g .h entonces Ep = 10kg . 10m/sg2 . 11m es decir Ep = 1100kg m2 /sg2 o sea Ep = 1100Jul Calcular la energía potencial elástica de un cuerpo suspendido de un resorte cuya constante elástica es de 24Nw/m y lo estira 0,5m Datos K = 24Nw/m X = 0,5m
  7. 7. Epe - ? Epe = K . X2 / 2 entonces Epe = 24Nw/m . (0,5m)2 es decir Epe = 24Nw/m . 0,25m2 o sea Epe = 6Jjul FUERZAS MECÁNICAS Identificación de variables: fr – fuerza de rozamiento, Fe –fuerza elástica, Fc – fuerza centrípeta Ej. Calcular el rozamiento de un cuerpo si los coeficientes cinético y estático son 0,5 y 0,8 respectivamente y la normal es de 450Nw Datos fr -? uc = 0,5 ue = 0,8 N = 450Nw fr = uc . N fr = ue . N Reemplazo datos: fr = uc . N entonces fr = 0,5 . 450Nw o sea fr = 225Nw Reemplazo datos: fr = ue . N entonces fr = 0,8 . 450Nw o sea fr = 360Nw Ej. Calcular la fuerza elástica de un resorte de constante 0,87Nw/cm si sostiene suspendida una masa que lo estira 2m Datos Fe -? x = 2m = 200cm k = 0,87Nw/cm Fe = -k . x Reemplazo datos: Fe = -k . x entonces Fe = -0,87Nw/cm . 200cm o sea Fe = -174Nw Ej. Calcular la fuerza centrípeta de un cuerpo de masa 20kg si su velocidad tangencial es de 12m/sg y un radio de 3m Datos Fc -? vt = 12m/sg r = 3m Fc = m . (vt)2 / r Reemplazo datos: Fc = (vt)2 / r entonces Fc = 20kg . (12m/sg)2 / 3m o sea Fc = 20kg .144m2 /sg2 / 3m es decir Fc = 2880 kg . m/sg2 / 3 por tanto Fc = 960Nw Desarrollar los siguientes ejercicios
  8. 8. Posición Sitio se encuentra un cuerpo. Se acostumbra reconocer este lugar mediante una letra mayúscula. Ej. Escribe la posición de cada cuerpo. -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6____ X F A B D C E A está en -1 B está en 0 C está en 4 D está en 2 E está en 5 F está en -3 EJERCICIOS DE POSICIÓN Escribe la posición de cada cuerpo. a) -3 -2 -1 0 1 2 3__4 5 6 7 8_ X F A B D C G E H b) -3 -2 -1 0 1 2 3__________ X A B C D c) -3 -2 -1 0 1 2 3__________ X A B C D
  9. 9. EJERCICIOS DE ANALISIS GRAFICO Calculemos posiciones y desplazamientos según los siguientes dibujos. X (m) X (m) C B 3 3 B D C 2 2 A A E E 1 1 1 2 3 4 5 6 7 t (sg) 1 2 3 4 5 6 7 t (sg) X (m) 3 A E 2 B D F 1 C 1 2 3 4 5 6 7 8 t (sg)
  10. 10. . Velocidad. Es el distancia sobre el tiempo Movimiento Rectilíneo Uniforme (M.R.U.). Se presenta cuando un cuerpo recorre distancias iguales en tiempos iguales Fórmula fundamental. V = x / t Identificación de variables relacionadas: v – velocidad, x – distancia, t - tiempo Unidades de velocidad: m / sg; km / h EJEMPLOS DE VELOCIDAD Calcular la velocidad de un auto que recorre 480km en 8 horas. Como v = x / t entonces v = 480km / 8 h v = 60km/h EJERCICIOS DE VELOCIDAD MOVIMIENTO UNIFORME ACELERADO Conceptos. Aceleración (a). Es la velocidad entre el tiempo. Movimiento Uniformemente Acelerado (MUA). Se presenta cuando un cuerpo cambia velocidades iguales en tiempos iguales Fórmulas. a = v / t 1 vf = vi + a . t 2 x = vi . t + a . t2 / 2 3 2 . a . x = vf 2 – vi 2 4 Identificación de variables relacionadas: a–aceleración; v–velocidad; t–tiempo; vi, vf -velocidades inicial y final; x -posición
  11. 11. EJEMPLOS DE LAS FORMULAS 1 Y 2 Calcular la aceleración de un auto si aumenta su velocidad a razón de 10m/sg durante 20 segundos. Solución. Como a = v / t 1 entonces a = 10m/sg / 20sg por tanto a = 0,5m/sg2 Calcular la velocidad final del auto anterior si su velocidad inicial fue de 3m/sg. Solución. Como vf = vi + a . t 2 entonces vf = 3m/sg + (0,5m/sg2 . 20sg) por tanto vf = 3m/sg + 10m/sg o sea vf = 13m/sg EJEMPLOS DE LAS FORMULAS 3 Y 4 Calcular la distancia que recorrió el auto anterior. Solución. Como x = vi . t + a . t2 / 2 3 entonces x = (3m/sg . 20 sg) + 0,5m/sg2 . (20sg)2 /2 por tanto x = 60m + 0,5m/sg2 . 400sg2 /2 entonces x = 60m + 100m o sea x = 160m Calcular la distancia recorrida por un auto que acelera 1m/sg2 al cambiar su velocidad de 2m/sg a 6 m/sg. Solución. Como 2 . a . x = vf 2 – vi 2 4 entonces 2 . 1m/sg2 . x = (6 m/sg)2 – (2m/sg)2 o sea 2m/sg2 . x = 36m2 /sg2 - 4 m2 /sg2 Por tanto 2m/sg2 . x = 32 m2 /sg2 entonces x = 16m
  12. 12. MOVIMIENTO SEMIPARABÓLICO Y PARABÓLICO Instrucciones: Desarrollar ordenadamente los ejercicios de acuerdo a los ejemplos resueltos y conceptos. No olvides pegar esta guía en tu cuaderno Movimiento semiparabólico. Si un objeto esférico es lanzado desde el filo de una superficie alta entonces el cuerpo se somete a dos movimientos simultáneos ( X, Y), cada uno se realiza independientemente. Movimiento parabólico. Cuando un cuerpo se lanza con un ángulo de inclinación cerca de la tierra. -= y x Movimiento semiparabólico Fórmulas del movimiento semiparabólico. alcance horizontal altura x = vi . t y = g . t2 / 2 EJEMPLOS RESUELTOS
  13. 13. Del movimiento semiparabólico: Calcular posición y altura de un paracaidista que se lanzó desde un avión hace 20sg con una velocidad inicial de 167m/sg Datos t = 20sg vi = 167 m/sg Posición x = vi . t Reemplazo datos x = 167m/sg . 20sg entonces x = 334m Altura y = g . t2 / 2 Reemplazo datos y = 10m/sg2 . (20sg)2 / 2 entonces y = 10m/sg2 . 400sg2 / 2 por tanto y = 400m / 2 o sea y = 200m MOVIMIENTO PARABÓLICO Ymax tv Xmax Movimiento parabólico Fórmulas del movimiento parabólico.
  14. 14. Alcance máximo Altura máxima Tiempo de vuelo Xmax = vi 2 . sen2 ymáx = Vi 2 . sen2 tv = 2Vi . sen g g g Identificación de variables relacionadas: x - posición t-tiempo vi-velocidad inicial g-gravedad (10m/sg2 ) ángulo de tiro EJEMPLO RESUELTO Calcular alcance máximo, la altura máxima y el tiempo de vuelo de un balón que fue lanzado con una velocidad de 8 m/sg y un ángulo de tiro de 30º Datos Xmax - ? Xmax = vi 2 . sen2 ymáx = Vi 2 . cos2 tv = 2Vi . sen Ymax – ? g g g tv - ? Vi = 8 m/sg 30º Reemplazo datos Xmax = (8 m/sg)2 . sen 2 . 30º Xmax = 64 m2 /sg2 . sen 60º : Xmax = 6,4 m . 0,8 : Xmax = 5,12m 10m/sg2 10m/sg2 Ymax = (8 m/sg)2 . cos2 . 30º Ymax = 64 m2 /sg2 . (0,5)2 : Ymax = 6,4 m . 0,25 : Ymax = 1,6m
  15. 15. 10m/sg2 10m/sg2 tv = 2 . 8 m/sg . sen 30º : tv = 16 m/sg . 0,5 : tv = 1,6 sg . 0,5 : tv = 0,8sg 10 m/sg2 10 m/sg2 EJERCICIOS MOVIMIENTO PARABÓLICO MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME (M.C.U.) Conceptos Frecuencia es el tiempo que tarda un cuerpo en realizar una oscilación. Se mide en Hertz y su abreviatura Hz Periodo es el número de oscilaciones que realiza un cuerpo en la unidad del tiempo Velocidad tangencial Es la rapidez tangente a la trayectoria con la que se mueve un cuerpo circularmente. Velocidad angular Es la rapidez con la que barre un ángulo un cuerpo que se mueve circularmente Fórmulas del movimiento circular uniforme. Periodo (T) Frecuencia (f) velocidad tangencial (vt) velocidad angular aceleración centrípeta (ac) T = t / # vueltas 1 f = # vueltas / t 2 vt = 2 r / T 3 w = 2 / T 4 ac = ( vt )2 / r 5 Identificación de variables relacionadas:
  16. 16. T-periodo; f- frecuencia; t-tiempo; w-velocidad angular; vt-velocidad tangencial; =3,14; aceleración centrípeta (ac); r-radio Ejemplo resuelto Calcular la frecuencia, periodo, velocidad angular, velocidad tangencial y aceleración centrípeta de un motor que en 10segundos realiza 50 vueltas, si el radio del M.C.U. es de 30 cm Datos t = 10 sg # vueltas = 50 r = 30 cm T - ? T = t / # vueltas entonces T = 10 sg / 50 o sea T = 0,2 sg f - ? f = # vueltas / t entonces f = 50 / 10 sg o sea f = 5 Hertz ó f = 5 Hz vt- ? vt = 2 r / T entonces vt = 2 3,14 . 30 cm / 0,2 sg es decir vt = 6, 28 . 30 cm / 0,2 sg entonces vt = 188,84 cm / 0,2 sg o sea vt = 942 cm / sg w - ? w = 2 / T entonces w = 2 . 3,14 / 0,2 sg o sea w = 6,28 / 0,2 sg w = 31,4 / sg ac - ? ac = ( vt )2 entonces ac = (942 cm / sg )2 es decir ac = 887364 cm2 /sg2 o sea ac = 29578,8 cm/sg2 30 cm 30 cm 30 cm

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