![8
Si R(u) es el vector de posición que une el origen O
de un sistema de coordenadas cartesianas con un
punto cualquiera (x, y,z) , como se muestra en la
Figura 2.13, entonces:
ˆ ˆ ˆR(u) x(u) y(u) z(u)= + +i j k
Donde R(u) establece la relación funcional de x, y,
z, respecto de u.
Dando valores a u, se obtienen distintos valores de
R(u) y el lugar geométrico de su extremo es una
curva en el espacio cuyas ecuaciones paramétricas son: x x(u)= ; y y(u)= ; z z(u)= . En estas
condiciones:
R R(u u) R(u)
u u
+ −
=
es un vector de la misma dirección y sentido que R ,
como se observa en la Figura 2.13.
Por otro lado, si existe el
u 0
R dR
lim
u du →
=
, éste es un vector en la dirección de la tangente a la
curva en el punto (x, y,z) y viene dado por:
dR dx dy dzˆ ˆ ˆ
du du du du
= + +i j k (2.21)
Sean A , B y C funciones vectoriales derivables de un escalar u, y una función escalar
derivable de u, se verifica que:
2.11.1.
d d d
( )
du du du
+ = +
A B
A B
2.11.2.
d d d
( )
du du du
. . .= +
B A
A B A B
2.11.3.
d d d
( )
du du du
= +
B A
A B A B
2.11.4.
d d d
( )
du du du
= +
A
A A
2.11.5.
d d d d
( )
du du du du
. . . . = + +
C B A
A B C A B A C B C
2.11.6.
d d d d
[ ( )] ( )
du du du du
= + +
C B A
A B C A B A C B C
Una aplicación de la derivada de un vector en mecánica es su uso en la definición de la
velocidad a partir del vector posición. Así, si ˆ ˆ ˆr(t) x(t) y(t) z(t)= + +i j k es el vector de
posición que une el origen O de un sistema de referencia con un punto cualquiera (x, y,z) en
movimiento, entonces la velocidad del punto será definida por:
dr dx dy dzˆ ˆ ˆv
dt dt dt dt
= = + +i j k . Por
lo que: x y z
ˆ ˆ ˆv v v v= + +i j k es la representación analítica del vector v .
Figura 2.13.- Derivada del vector R(u)
dR
du
X
Y
Z
O
R(u)
R(u u)+
+
(x,y,z)](https://image.slidesharecdn.com/2-190823080443/85/2-vectores-8-320.jpg)
2. vectores
- 1. 1 CAPÍTULO 2 VECTORES 2.1. INTRODUCCIÓN Determinadas magnitudes de importancia en la física, muchas de ellas estudiadas en mecánica, para expresarse completamente requieren, además de un valor numérico, precisar una dirección y un sentido. Estas magnitudes de naturaleza más compleja que las magnitudes escalares se denominan magnitudes vectoriales y se representan haciendo uso de un concepto matemático que se denomina el vector. Como las leyes de la mecánica hacen referencia en gran parte a estas magnitudes vectoriales, es necesario tener suficiente familiaridad con las diversas formas de representar gráfica y matemáticamente los vectores, además de conocer las diversas operaciones que se pueden definir entre ellos; es por eso que en este capítulo estudiaremos las reglas del álgebra vectorial. 2.2. VECTOR Un vector es un segmento de recta orientado, tiene un origen o punto de aplicación y un extremo. Un vector posee tres características que lo definen: módulo, dirección y sentido. El módulo es la magnitud del vector a escala conveniente y se le representa mediante la longitud del vector. La dirección es la inclinación del vector respecto a un sistema de ejes coordenados y está representada por la recta directriz en la que se apoya el vector. El sentido es el modo de apreciar la dirección desde un determinado punto y se representa mediante una punta de flecha en el extremo del segmento orientado. Adicionalmente, como parte de su definición, el vector obedece a una operación específica: la suma según la ley del paralelogramo. Analíticamente, los vectores generalmente se denotan por una letra con una flecha ubicada encima de ella, como por ejemplo, V ; como se muestra en la Figura 2.1. Una letra simple V o el vector encerrado por el signo de valor absoluto, | |V , representará su magnitud o módulo. En algunos casos, para denotar el vector, se usan las letras que definen el segmento orientado con una flecha sobre ellas, como por ejemplo, AB , estando su módulo representado por | |AB . Es claro que A es el punto origen y B es el punto extremo del vector. Cuando no se especifica el origen del vector V , cualquiera de los segmentos orientados de la Figura 2.2 representará gráfica y correctamente al vector. Esto no significa que todas las cantidades vectoriales puedan ser desplazadas respecto a su origen en todos los casos; siempre se deberá examinar la naturaleza del problema físico para determinar si es posible un desplazamiento del origen del vector. A B V X Y Z Recta directriz Figura 2.1.- El vector en el espacio Figura 2.2.- Vectores libre y deslizante V X Y Z V V
- 2. 2 2.3. CLASES DE VECTORES Los vectores se pueden clasificar en tres tipos: vector libre, vector deslizante y vector ligado. El vector libre es aquel que puede tener su origen ubicado en cualquier punto del espacio. El vector deslizante tiene su origen en cualquier punto de la recta directriz en la que se apoya. Estos tipos de vectores se muestran en la Figura 2.2. Un vector ligado tiene su origen fijo a un punto determinado y no puede ser movido de esa posición. Puesto que los vectores deslizantes y ligados se pueden expresar mediante vectores libres, la base del cálculo vectorial es la noción de vector libre, que denominaremos simplemente vector. Por lo anteriormente expresado se puede establecer que, todo vector libre es invariante bajo la operación de traslación del sistema de coordenadas. Así, el vector A posee el mismo módulo, la misma dirección y el mismo sentido respecto a los sistemas de coordenadas XYZ y X’Y’Z’ de la Figura 2.3, cuyos ejes son paralelos. 2.4. SUMA DE VECTORES: MÉTODO GRÁFICO La suma de los dos vectores A y B , que se muestran en la Figura 2.4, es definida en el método gráfico por la ley del paralelogramo, que se sustenta en la propiedad de invarianza del vector bajo la operación de traslación del sistema de coordenadas. Se traza el vector A y luego se dibuja el vector B desde el extremo de A . El nuevo vector C , que une el origen de A con el extremo de B , es la suma de A y B . Observar que el mismo vector resultante C se obtiene si primero trazamos el vector B , luego dibujamos A desde el extremo de B y finalmente unimos el origen de B con el extremo de A , como se muestra para los vectores a trazos en la Figura. La magnitud del vector C se puede determinar de: 2 2C A B 2ABcos= + + (2.1) donde es el ángulo que forman entre si los vectores A y B . La dirección del vector C puede determinarse fácilmente de relaciones trigonométricas. Dados los vectores A , B y C y los escalares m y n, se verifica que: 2.4.1. + = +A B B A Propiedad Conmutativa 2.4.2. ( ) ( )+ + = + +A B C A B C Propiedad Asociativa 2.4.3. m m=A A Propiedad conmutativa del producto de un vector por un escalar que define un nuevo vector en la misma dirección de A . Su sentido es el mismo o es opuesto al de A , si m 0 o m 0 , respectivamente. Si m 1= − , se define el vector −A , denominado el inverso aditivo de A , un vector con el mismo módulo, la misma dirección y sentido opuesto a A ; tal que se verifica que: Figura 2.3.- Invarianza del vector O A X Y Z Y’ X’ Z’ O’ Figura 2.4.- Suma de vectores AB A A B BC
- 3. 3 ( ) 0+ − =A A . 2.4.4. (m n) m n+ = +A A A Propiedad distributiva del producto de un escalar por un vector respecto a la suma de escalares. 2.4.5. m( ) m m+ = +A B A B Propiedad distributiva del producto de un escalar por un vector respecto a la suma de vectores. Una aplicación del concepto de la suma de vectores en mecánica es su uso en la determinación de la resultante de dos fuerzas. Así, dadas las fuerzas 1F y 2F , la resultante de las fuerzas es el vector 1 2= +R F F . Aplicando (2.1), la magnitud de la resultante será: 2 2 1 21 2R F F 2F F cos= + + ; donde es el ángulo que forman las fuerzas 1F y 2F . Una vez definida la suma de los vectores A y B , se puede definir la diferencia de estos dos vectores como la suma del vector A con el inverso aditivo del vector B , como muestra la Figura 2.5. Luego: ( )= − = + −D A B A B (2.2) La magnitud del vector D se puede determinar de: 2 2D A B 2ABcos= + − (2.3) donde es el ángulo que forman entre si los vectores A y −B . La dirección del vector D puede determinarse fácilmente de relaciones trigonométricas. Una aplicación del concepto de la diferencia de vectores en mecánica es su uso en la determinación de la velocidad relativa entre dos cuerpos. Así, si 1v y 2v son las velocidades de los cuerpos 1 y 2, respectivamente, medidas respecto a un observador inercial; la velocidad relativa del cuerpo 2 respecto al cuerpo 1, será definida por el vector: 21 2 1v v v= − . Del mismo modo, la velocidad relativa del cuerpo 1 respecto al cuerpo 2, será definida por el vector: 12 1 2v v v= − . 2.5. VECTOR UNITARIO Un vector unitario o versor es todo vector de módulo la unidad. Si A es un vector de módulo distinto de cero, A 0 , se define el vector unitario de A al vector de la forma: ˆa A = A (2.4) de tal manera que se cumple que: ˆAa=A (2.5) De acuerdo a la definición de vector, el vector unitario ˆa representará la dirección y el sentido del vector A , ver Figura 2.6. Los vectores unitarios que tienen sus direcciones a lo largo de tres ejes de coordenadas mutuamente perpendiculares se denominan vectores unitarios ortogonales. Si se elige el sistema de coordenadas cartesianas con los tres ejes positivos X, Y, y Z, los tres vectores unitarios, según estas direcciones, se denotan por ˆi , ˆj y ˆk , respectivamente, como se muestra Figura 2.5.- Resta de vectores AB A A −B −B D Figura 2.6.- Vectores unitarios ˆa A X Y Z ˆj ˆi ˆk
- 4. 4 en la Figura 2.6. 2.6. COMPONENTES DE UN VECTOR Consideremos un vector A cuyo origen coincide con el origen de un sistema de coordenadas cartesianas, como se muestra la Figura 2.7. Si desde el punto extremo del vector A trazamos perpendiculares a cada uno de los tres ejes coordenados, tendremos puntos que definirán las proyecciones del vector sobre cada uno de los tres ejes. Estos tres vectores sobre los ejes X, Y, y Z, se denominan las componentes ortogonales del vector A , y en la Figura 2.7 aparecen como x x ˆA A= i , y y ˆA A= j y z z ˆA A= k , respectivamente. De la definición de suma vectorial, se tiene que cualquier vector A es la suma de sus tres componentes ortogonales o vectores componentes. Así: x y zA A A= + +A (2.6) También se puede expresar: x y z ˆ ˆ ˆA A A=A i + j+ k (2.7) que se denomina la representación analítica del vector A . De la geometría de la Figura 2.7, es evidente que: 2 2 2 x y zA A A A= + + (2.8) Por otro lado, se definen los ángulos directores , y a los ángulos que forma el vector A con los ejes X, Y, y Z, respectivamente. En función de las componentes del vector A , los valores de los ángulos directores , y quedan definidas por los cosenos directores de la siguiente forma: xA cos A = ; yA cos A = ; zA cos A = . Se verifica que: 2 2 2cos cos cos 1+ + = (2.9) y ˆ ˆˆa cos cos cos= + i + j k (2.10) 2.7. SUMA Y RESTA DE VECTORES: MÉTODO ANALÍTICO Dados los vectores: x y z ˆ ˆ ˆA A A=A i + j+ k y x y z ˆ ˆ ˆB B B=B i + j+ k , se define la suma de estos vectores al vector S de la forma: x x y y z z ˆ ˆ ˆ(A B ) A B ) A B )= + = + + +S A B i +( j+( k (2.11) Luego, si: x y z ˆ ˆ ˆS S S=S i + j+ k ; entonces: x x xS A B= + ; y y yS A B= + y z z zS A B= + . Entonces, la componente a lo largo de cualquier dirección de la suma de vectores es igual a la suma de las componentes de los vectores a lo largo de esa dirección. Aún cuando estas relaciones se han obtenido sólo para la suma de dos vectores, se pueden extender para realizar la suma de cualquier número de vectores. Figura 2.7.- Componentes de un vector X Y Z x ˆA i y ˆA j z ˆA k O A
- 5. 5 Asimismo, se puede definir la resta o diferencia de vectores al vector D de la forma: x x y y z z ˆ ˆ ˆ(A B ) A B ) A B )= − = − − −D A B i +( j+( k (2.12) Luego, si: x y z ˆ ˆ ˆD D D=D i + j+ k ; entonces: x x xD A B= − ; y y yD A B= − y z z zD A B= − . 2.8. PRODUCTO ESCALAR Dados los vectores A y B , se define el producto escalar de los vectores al escalar de la forma: ABcos. = A B (2.13) donde es el ángulo más pequeño entre las direcciones positivas de los dos vectores trazados con un origen común. Dados los vectores A , B y C y el escalar m, se verifica que: 2.8.1. . .=A B B A Propiedad Conmutativa 2.8.2. m( ) (m ) (m ) ( )m. . . .= = =A B A B A B A B 2.8.3. ( ). . .+ = +A B C A B A C Propiedad Distributiva del producto escalar respecto a la suma vectorial. 2.8.4.Para los vectores unitarios ortogonales ˆi , ˆj y ˆk , se verifica que: ˆ ˆ ˆ ˆˆ ˆ 0=i.j j.k = k.i = ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 1=i.i j.j = k.k = 2.8.5.Si x y z ˆ ˆ ˆA A A=A i + j+ k y x y z ˆ ˆ ˆB B B=B i + j+ k , entonces: x x y y z zA B A B A B. =A B + + (2.14) por lo que: 2 2 2 2 x y zA A A A. = + + =A A (2.15) 2.8.6.Si A y B son vectores de módulos distintos de cero y se cumple que 0. =A B , entonces los vectores son perpendiculares. La Figura 2.8 muestra las componentes escalares de un vector proyectado a lo largo del otro. Así, Acos es la componente escalar de A proyectado sobre B y Bcos es la componente escalar de B sobre A . Entonces geométricamente: A(Bcos ). = =A B A(componente B sobre A ) o B(Acos ). = =A B B(componente A sobre B ) Luego, el producto escalar de dos vectores es el producto de la magnitud del primero multiplicado por la magnitud del segundo proyectado sobre el primero o viceversa. Además, vectorialmente la proyección de A sobre B , es: B 2 ( ) B .= A B B A (2.16) Una de las más importantes aplicaciones del producto escalar en el campo de la mecánica es su uso en el concepto del trabajo realizado por una fuerza. Así, el trabajo elemental dW realizado A B Componente de B sobre A A cos B cos Componente de A sobre B Figura 2.8.- Proyección de un vector
- 6. 6 por una fuerza F actuando sobre un cuerpo que experimenta un desplazamiento infinitesimal rd , es dado por dW dr.= F ó también, de acuerdo a la definición de producto escalar, se define como: dW Fdr cos= , como se muestra en la Figura 2.9. Luego, el trabajo elemental realizado por la fuerza actuando sobre el cuerpo se define como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento infinitesimal del cuerpo Fcos y el desplazamiento infinitesimal dr. 2.9. PRODUCTO VECTORIAL Dados los vectores A y B , se define el producto vectorial de los vectores, al vector de la forma ˆABsen = A B n (2.17) donde es el ángulo más pequeño entre las direcciones positivas de los dos vectores trazados con un origen común y ˆn es un vector unitario perpendicular al plano formado por los vectores A y B de tal forma que A , B y ˆn formen un triedro a derechas, como se muestra en la Figura 2.10. Dados los vectores A , B y C y el escalar m, se verifica que: 2.9.1. = − A B B A No cumple la propiedad Conmutativa 2.9.2. m( ) (m ) (m ) ( )m = = = A B A B A B A B 2.9.3. ( ) + = + A B C A B A C Propiedad Distributiva del producto vectorial respecto a la suma vectorial. 2.9.4.Para los vectores unitarios ortogonales ˆi , ˆj y ˆk , se verifica que: ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 0 = i i j j = k k = ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ = − i j j i = k ˆ ˆ ˆˆ ˆ = − j k k j = i ˆ ˆ ˆˆ ˆ − k i = i k = j 2.9.5. Si x y z ˆ ˆ ˆA A A=A i + j+ k y x y z ˆ ˆ ˆB B B=B i + j+ k , entonces: y z z y x z z x x y y x x y z x y z ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ(A B A B A B A B ) A B A B ) A A A B B B = − − − − = i j k A B )i ( j+( k 2.9.6. | | =A B área del paralelogramo de lados A y B . 2.9.7.Si 0 =A B , y ninguno de los vectores es nulo, entonces los vectores tienen la misma dirección. Una de las más importantes aplicaciones del producto vectorial en el campo de la mecánica es su uso en el concepto del torque o momento de una fuerza alrededor de un punto. Así, el torque alrededor del punto O, es definido por: r F = ; donde r es Figura 2.10.- Producto vectorial ˆn A B B A B A Figura 2.11.- Torque de una fuerza r F OX Y Z r sen 2 r 1 r r rd F • • • • 1 2 0 Figura 2.9.- Trabajo elemental
- 7. 7 vector posición trazado desde el punto O a cualquier punto sobre la línea de acción de la fuerza F , como se muestra en la Figura 2.11. Luego, la magnitud del torque, por definición de producto vectorial, será: Frsen = . 2.10. TRIPLES PRODUCTOS Dados los vectores A , B y C , considerando el producto de un escalar por un vector y los productos escalar y vectorial, se pueden definir los siguientes productos triples: ( ).A B C Resultado un vector. ( ). A B C Triple Producto Escalar que da como resultado un escalar. ( ) A B C Triple Producto Vectorial que da como resultado un vector. Se cumplen las siguientes propiedades: 2.10.1. x y z x y z x y z A A A ( ) B B B C C C . =A B C 2.10.2. ( ) ( ) ( ). . . = = A B C B C A C A B 2.10.3. ( ). A B C = volumen del paralelepípedo de lados A , B y C . 2.10.4. ( ) ( ) A B C A B C El triple producto vectorial no cumple la propiedad asociativa. 2.10.5. ( ) ( ) ( ). . = −A B C A C B A B C 2.10.6. ( ) ( ) ( ). . = −A B C A C B B C A 2.10.7. ( ) ( ) ( ) 0 + + =A B C B C A C A B 2.11. DERIVADA DE UN VECTOR Sea en la Figura 2.12 un vector R(u) , función de la variable escalar u. Si existe un incremento u de la variable u, se tendrá el vector R(u u)+ . Luego, el cambio R del vector R , será: R R(u u) R(u) = + − (2.18) Si el cambio R lo relacionamos al cambio u , obtenemos: R R(u u) R(u) u u + − = (2.19) La derivada del vector R(u) respecto al escalar u se define por: u 0 u 0 dR R R(u u) R(u) lim lim du u u → → + − = = (2.20) si existe el límite. Figura 2.12.- Cambio del vector R(u) O R(u) R(u u)+ R R(u u) R(u) = + −
- 8. 8 Si R(u) es el vector de posición que une el origen O de un sistema de coordenadas cartesianas con un punto cualquiera (x, y,z) , como se muestra en la Figura 2.13, entonces: ˆ ˆ ˆR(u) x(u) y(u) z(u)= + +i j k Donde R(u) establece la relación funcional de x, y, z, respecto de u. Dando valores a u, se obtienen distintos valores de R(u) y el lugar geométrico de su extremo es una curva en el espacio cuyas ecuaciones paramétricas son: x x(u)= ; y y(u)= ; z z(u)= . En estas condiciones: R R(u u) R(u) u u + − = es un vector de la misma dirección y sentido que R , como se observa en la Figura 2.13. Por otro lado, si existe el u 0 R dR lim u du → = , éste es un vector en la dirección de la tangente a la curva en el punto (x, y,z) y viene dado por: dR dx dy dzˆ ˆ ˆ du du du du = + +i j k (2.21) Sean A , B y C funciones vectoriales derivables de un escalar u, y una función escalar derivable de u, se verifica que: 2.11.1. d d d ( ) du du du + = + A B A B 2.11.2. d d d ( ) du du du . . .= + B A A B A B 2.11.3. d d d ( ) du du du = + B A A B A B 2.11.4. d d d ( ) du du du = + A A A 2.11.5. d d d d ( ) du du du du . . . . = + + C B A A B C A B A C B C 2.11.6. d d d d [ ( )] ( ) du du du du = + + C B A A B C A B A C B C Una aplicación de la derivada de un vector en mecánica es su uso en la definición de la velocidad a partir del vector posición. Así, si ˆ ˆ ˆr(t) x(t) y(t) z(t)= + +i j k es el vector de posición que une el origen O de un sistema de referencia con un punto cualquiera (x, y,z) en movimiento, entonces la velocidad del punto será definida por: dr dx dy dzˆ ˆ ˆv dt dt dt dt = = + +i j k . Por lo que: x y z ˆ ˆ ˆv v v v= + +i j k es la representación analítica del vector v . Figura 2.13.- Derivada del vector R(u) dR du X Y Z O R(u) R(u u)+ + (x,y,z)