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Aceleración

En física, la aceleración es una magnitud derivada vectorial que nos indica la variación de velocidad por unidad de tiempo. En el contexto de la mecánica vectorial newtoniana se representa normalmente por o y su módulo por .

Gráfico que muestra la variación de la velocidad v a lo largo del tiempo t de un móvil que no cambia de dirección. En cada punto del gráfico v(t), el módulo de la aceleración corresponde al valor de la pendiente de la recta tangente a la curva que pasa por cada punto: a(1), a(2), a(3). Así a(1) es positiva, a(2) es nula y a(3) es negativa).

Las aceleraciones son cantidades vectoriales (en el sentido de que tienen magnitud y dirección).[1][2]

La magnitud de la aceleración de un objeto, como la describe la Segunda Ley de Newton,[3]​ es el efecto combinado de dos causas:

  • el balance neto de todas las fuerzas externas que actúan sobre ese objeto - la magnitud es directamente proporcional a esta fuerza neta resultante;
  • la masa de ese objeto , dependiendo de los materiales de los que está hecho, la magnitud es inversamente proporcional a la masa del objeto.

Sus dimensiones son . Su unidad en el Sistema Internacional es m/s2.

Por ejemplo, cuando un vehículo arranca estando detenido (velocidad cero, en un marco de referencia inercial) y viaja en línea recta a velocidades crecientes, está acelerando en la dirección de la marcha. Si el vehículo gira, se produce una aceleración hacia la nueva dirección y cambia su vector de movimiento. La aceleración del vehículo en su dirección actual de movimiento se llama aceleración lineal (o tangencial durante los movimientos circulares), la reacción que experimentan los pasajeros a bordo como una fuerza que los empuja hacia atrás en sus asientos. Al cambiar de dirección, la aceleración que efectúa se llama aceleración radial (ortogonal durante los movimientos circulares), la reacción que experimentan los pasajeros como una fuerza centrífuga. Si la velocidad del vehículo disminuye, esto es una aceleración en la dirección opuesta y matemáticamente negativa, a veces llamada desaceleración, y los pasajeros experimentan la reacción a la desaceleración como una fuerza inercial que los empuja hacia adelante. Estas aceleraciones negativas a menudo se logran mediante la combustión de retrocohetes en naves espaciales.[4]​ Tanto la aceleración como la desaceleración se tratan de la misma manera, ambos son cambios de velocidad. Los pasajeros sienten cada una de estas aceleraciones (tangencial, radial, desaceleración) hasta que su velocidad relativa (diferencial) se neutraliza con respecto al vehículo.

Enfoque intuitivo

 
Ilustraciones del concepto de aceleración:
1) El movimiento no sufre aceleración.
2) La velocidad aumenta constantemente.
3) La velocidad disminuye constantemente.
4) La aceleración describe una curvatura de la trayectoria.

Así como la velocidad describe la modificación de la posición de un objeto en el tiempo, la aceleración describe la “modificación de la velocidad en el tiempo” (que las matemáticas formalizan con la noción de derivada ). En la vida cotidiana, hay tres casos que el físico agrupa bajo el concepto único de aceleración:

  • ir más rápido (acelerar en el sentido común más restrictivo): en un automóvil, el velocímetro muestra que la velocidad está aumentando;

desde un punto de vista matemático, la aceleración es positiva, es decir que el vector de aceleración tiene una componente en la dirección de la velocidad;

  • ir más lento (frenar, desacelerar o disminuir la velocidad en el lenguaje común): la indicación del velocímetro disminuye;

la aceleración es negativa, o el vector de aceleración tiene una componente opuesta a la dirección de la velocidad;

  • cambio de dirección (girar o virar en el lenguaje común): incluso si la indicación del velocímetro no cambia, el cambio de dirección implica aceleración;

el vector de aceleración tiene una componente perpendicular a la velocidad; aquí nos interesa la variación de la dirección del vector velocidad, no la variación de su norma .

Cuando una persona está sometida a una aceleración, se siente un esfuerzo: fuerza que presiona contra el asiento cuando el coche acelera (va más rápido), fuerza que empuja hacia el parabrisas cuando el coche frena, fuerza que empuja a un lado cuando el coche frena o está girando ( fuerza centrífuga ). Se siente esta tensión de manera similar al peso. La relación entre aceleración y esfuerzo es el dominio de la dinámica ; pero la aceleración es una noción de cinemática, es decir que se define solo a partir del movimiento, sin involucrar las fuerzas.

Introducción

Según la mecánica newtoniana, una partícula no puede seguir una trayectoria curva a menos que sobre ella actúe una cierta aceleración como consecuencia de la acción de una fuerza, ya que si esta no existiese, su movimiento sería rectilíneo. Asimismo, una partícula en movimiento rectilíneo solo puede cambiar su velocidad bajo la acción de una aceleración en la misma dirección de su velocidad (dirigida en el mismo sentido si acelera; o en sentido contrario si desacelera).

 

En la mecánica newtoniana, para un cuerpo con masa constante, la aceleración del cuerpo medida por un observador inercial es proporcional a la fuerza que actúa sobre el mismo (segunda ley de Newton):

 

donde F es la fuerza resultante que actúa sobre el cuerpo, m es la masa del cuerpo, y a es la aceleración. La relación anterior es válida en cualquier sistema de referencia inercial.

Algunos ejemplos del concepto de aceleración son:

  • La llamada aceleración de la gravedad en la Tierra es la aceleración que produce la fuerza gravitatoria terrestre; su valor en la superficie de la Tierra es, aproximadamente, de 9,8 m/s2. Esto quiere decir que si se dejara caer libremente un objeto, aumentaría su velocidad de caída a razón de 9,8 m/s por cada segundo (siempre que omitamos la resistencia aerodinámica del aire). El objeto caería, por tanto, cada vez más rápido, respondiendo dicha velocidad a la ecuación:

 

  • Una maniobra de frenada de un vehículo, que se correspondería con una aceleración de signo negativo, o desaceleración, al oponerse a la velocidad que ya tenía el vehículo. Si el vehículo adquiriese más velocidad, a dicho efecto se le llamaría aceleración y, en este caso, sería de signo positivo.

Aceleración en cinemática puntual

El caso más común

Aceleración y cantidades relacionadas

El vector de aceleración de un punto material en cualquier momento se encuentra mediante una diferenciación temporal única del vector velocidad de un punto material (o diferenciación doble del vector radio )

 

Si se conocen las coordenadas del punto en la trayectoria   y el vector de velocidad   en cualquier momento del tiempo t0 ,así como la dependencia de la aceleración en el tiempo   al integrar esta ecuación, se pueden obtener las coordenadas y la velocidad del punto en cualquier momento del tiempo t (tanto antes como después del momento t0)

 
 

La derivada temporal de la aceleración, es decir, el valor que caracteriza la tasa de cambio en la aceleración, se llama Sobreaceleración:

  donde   — es el vector de la sobreaceleración.

Aceleración media e instantánea

 
Definición de la aceleración de una partícula en un movimiento cualquiera. Obsérvese que la aceleración no es tangente a la trayectoria.

Para cada instante o punto de la trayectoria, queda definido un vector velocidad que, en general, cambia tanto en módulo como en dirección al pasar de un punto a otro de la trayectoria. La dirección de la velocidad cambiará debido a que la velocidad es tangente a la trayectoria y esta, por lo general, no es rectilínea. En la Figura se representan los vectores velocidad correspondientes a los instantes t y tt, cuando la partícula pasa por los puntos P y Q, respectivamente. El cambio vectorial en la velocidad de la partícula durante ese intervalo de tiempo está indicado por Δv, en el triángulo vectorial al pie de la figura. Se define la aceleración media de la partícula, en el intervalo de tiempo Δt, como el cociente:

 

Que es un vector paralelo a Δv y dependerá de la duración del intervalo de tiempo Δt considerado. La aceleración instantánea se la define como el límite al que tiende el cociente incremental Δvt cuando Δt→0; esto es la derivada del vector velocidad con respecto al tiempo:

 

Puesto que la velocidad instantánea v a su vez es la derivada del vector posición r respecto al tiempo, la aceleración es la derivada segunda de la posición con respecto del tiempo:

 

De igual forma se puede definir la velocidad instantánea a partir de la aceleración como:

 

Se puede obtener la velocidad a partir de la aceleración mediante integración:

 

Medición de la aceleración

La medida de la aceleración puede hacerse con un sistema de adquisición de datos y un simple acelerómetro. Los acelerómetros electrónicos son fabricados para medir la aceleración en una, dos o tres direcciones. Cuentan con dos elementos conductivos, separados por un material que varía su conductividad en función de las medidas, que a su vez serán relativas a la aceleración del conjunto.

Unidades

Las unidades de la aceleración son:

1 m/s2
1 cm/s2 = 1 Gal
Conversiones entre diferentes unidades de aceleración
м/с2 pie/с2 g см/с2
1 м/с² = 1 3,28084 0,101972 100
1 Pie/с² = 0,304800 1 0,0310810 30,4800
g = 9,80665 32,1740 1 980,665
1 см/с² = 0,01 0,0328084 0,00101972 1

Valores de aceleración en algunos casos

Valores de las aceleraciones de varios movimientos:[5]

Tipo de movimiento Aceleración, m/s2
Aceleración centrípeta del sistema solar orbitando la galaxia 2,2×10-10
0,0060
Aceleración centrípeta de la Luna que orbita alrededor de la Tierra 0,0027
Ascensor de pasajeros 0,9-1,6
Tren metro 1
Coche Zhiguli 1,5
Corredor de corta distancia 1,5
Ciclista 1.7
Patinador sobre hielo - 1.9
Motocicleta 3-6
Frenado de emergencia del coche 4-6
Usain Bolt, aceleración máxima 8.[6]
Coche de carreras 8-9
Frenado al abrir el paracaídas 30 (3 g)
Lanzamiento y desaceleración de Nave espacial 40-60 (4-6 g}
Maniobra de avión a reacción hasta 100 (hasta 10 g}
Pilote después del impacto de un hincador 300 (30 g}
Pistón motor de combustión interna 3×103
Bala en el cañón de un rifle 2,5×105
Micropartículas en acelerador (2-50)×1014
Electrón entre el cátodo y el ánodo en el tubo de rayos catódicos de una televisión en color con (20 kV, 0,5 m) ≈7×1015
Electrones al impactar con fósforo en el tubo de un televisor en color (20 kV) ≈1022
Partícula Alfa en el núcleo atómico ≈1027

Nota: aquí g ≈ 10 m/s2.

Componentes intrínsecas de la aceleración: aceleraciones tangencial y normal

 
Componentes intrínsecas de la aceleración.
 
Un péndulo oscilante, donde se indican los vectores instantáneos de aceleración y velocidad. Se observa que está sometido a aceleraciones tangencial y centrípeta.

En tanto que el vector velocidad v es tangente a la trayectoria, el vector aceleración a puede descomponerse en dos componentes (llamadas componentes intrínsecas) mutuamente perpendiculares: una componente tangencial at (en la dirección de la tangente a la trayectoria), llamada aceleración tangencial, y una componente normal an (en la dirección de la normal principal a la trayectoria), llamada aceleración normal o centrípeta (este último nombre en razón a que siempre está dirigida hacia el centro de curvatura).

Derivando la velocidad con respecto al tiempo, teniendo en cuenta que el vector tangente cambia de dirección al pasar de un punto a otro de la trayectoria (esto significa que no es constante) obtenemos

 

siendo   el vector unitario tangente a la trayectoria en la misma dirección que la velocidad y   la velocidad angular. Resulta conveniente escribir la expresión anterior en la forma

 

siendo

  el vector unitario normal a la trayectoria, esto es dirigido hacia el centro de curvatura de la misma,
  el radio de curvatura de la trayectoria, esto es el radio de la circunferencia osculatriz a la trayectoria.

Las magnitudes de estas dos componentes de la aceleración son:

 

Cada una de estas dos componentes de la aceleración tiene un significado físico bien definido. Cuando una partícula se mueve, su velocidad puede cambiar y este cambio lo mide la aceleración tangencial. Pero si la trayectoria es curva también cambia la dirección de la velocidad y este cambio lo mide la aceleración normal.

  • Si en el movimiento curvilíneo la velocidad es constante (v=cte), la aceleración tangencial será nula, pero habrá una cierta aceleración normal, de modo que en un movimiento curvilíneo siempre habrá aceleración.
  • Si el movimiento es circular, entonces el radio de curvatura es el radio R de la circunferencia y la aceleración normal se escribe como an = v2/R.
  • Si la trayectoria es rectilínea, entonces el radio de curvatura es infinito (ρ→∞) de modo que an=0 (no hay cambio en la dirección de la velocidad) y la aceleración tangencial at será nula o no según que la velocidad sea o no constante.

Los vectores que aparecen en las expresiones anteriores son los vectores del triedro de Frênet que aparece en la geometría diferencial de curvas del siguiente modo:

  es el vector unitario tangente a la curva.
  es el vector unitario normal a la curva.
  es el vector velocidad angular que es paralelo al vector binormal a la curva.

Movimiento circular uniforme

 
Cinemática del movimiento circular.

Un movimiento circular uniforme es aquel en el que la partícula recorre una trayectoria circular de radio R con rapidez constante, es decir, que la distancia recorrida en cada intervalo de tiempo igual es la misma. Para ese tipo de movimiento el vector de velocidad mantiene su módulo y va variando la dirección siguiendo una trayectoria circular. Si se aplican las fórmulas anteriores, se tiene que la aceleración tangencial es nula y la aceleración normal es constante: a esta aceleración normal se la llama "aceleración centrípeta". En este tipo de movimiento la aceleración aplicada al objeto se encarga de modificar la trayectoria del objeto y no en modificar su velocidad.

 

Movimiento rectilíneo acelerado

 
En el Movimiento Rectilíneo Acelerado, la aceleración instantánea queda representada como la pendiente de la recta tangente a la curva que representa gráficamente la función v(t).

Si se aplican las fórmulas anteriores al movimiento rectilíneo, en el que solo existe aceleración tangencial, al estar todos los vectores contenidos en la trayectoria, podemos prescindir de la notación vectorial y escribir simplemente:

 

Ya que en ese tipo de movimiento los vectores   y   son paralelos, satisfaciendo también la relación:

 

La coordenadas de posición viene dada en este caso por:

 

Un caso particular de movimiento rectilíneo acelerado es el movimiento rectilíneo uniformemente variado donde la aceleración es además constante y por tanto la velocidad y la coordenadas de posición vienen dados por:

 

Aceleración en mecánica relativista

Relatividad especial

El análogo de la aceleración en mecánica relativista se llama cuadriaceleración y es un cuadrivector cuyas tres componentes espaciales para pequeñas velocidades coinciden con las de la aceleración newtoniana (la componente temporal para pequeñas velocidades resulta proporcional a la potencia de la fuerza dividida por la velocidad de la luz y la masa de la partícula).

En mecánica relativista la cuadrivelocidad y la cuadriaceleración son siempre ortogonales, eso se sigue de que la cuadrivelocidad tiene un (pseudo)módulo constante:

 

Donde c es la velocidad de la luz y el producto anterior es el producto asociado a la métrica de Minkowski:

 

Relatividad general

En teoría general de la relatividad el caso de la aceleración es más complicado, ya que debido a que el propio espacio-tiempo es curvo (ver curvatura del espacio-tiempo), una partícula sobre la que no actúa ninguna fuerza puede seguir una trayectoria curva, de hecho la línea curva que sigue una partícula sobre la que no actúa ninguna fuerza exterior es una línea geodésica, de hecho en relatividad general la fuerza gravitatoria no se interpreta como una fuerza sino como un efecto de la curvatura del espacio-tiempo que hace que las partículas no trayectorias rectas sino líneas geodéscias. En este contexto la aceleración no geodésica de una partícula es un vector cuyas cuatro componentes se calulan como:

 

Aquí   (componente temporal y tres componentes espaciales). Se aprecia que cuando los símbolos de Christoffel   una partícula puede tener aceleración cero aunque su cuadrivelocidad no sea constante, eso sucede cuando la partícula sigue una línea geodésica de un espacio-tiempo de curvatura no nula.

Importancia de la aceleración en Ingeniería Mecánica

La ingeniería mecánica es el diseño y fabricación de máquinas , es decir, sistemas que realizan movimientos. Una parte importante es el dimensionamiento, es decir la elección de actuadores ( gatos , motores ) y piezas que soportan las fuerzas. Si las masas puestas en movimiento y / o las aceleraciones son grandes, los efectos dinámicos - las fuerzas necesarias para crear las aceleraciones, o las fuerzas resultantes de las aceleraciones - no son despreciables. Por tanto, determinar la aceleración instantánea durante un movimiento es fundamental para que las piezas resistan y para determinar el consumo energético del sistema.

El ballet de robots alrededor de la carrocería de un automóvil que se ensambla es impresionante. Una fábrica de automóviles consume tanto como una ciudad promedio, y los robots son un gran contribuyente. Es por eso que Siemens y Volkswagen han abordado el problema, enfocándose en las causas del consumo excesivo: las numerosas aceleraciones y desaceleraciones de los brazos del robot, en cada cambio de dirección. Por lo tanto, los socios han desarrollado un software de simulación que crea trayectorias menos empinadas para la misma tarea en cuestión. ¡Y demostró en el laboratorio que podríamos ganar hasta un 50% de energía. [7]

En muchos casos, la especificación es "llevar un objeto del punto A al punto B en un tiempo t, con el tiempo t a veces expresado como una tasa (realizando el movimiento n veces por hora). El diseño consiste en :

  1. Elegir una solución tecnológica para guiar el movimiento, ya sea en los casos simples:
    • Traslado rectilíneo guiado por un eslabón deslizante o equivalente (sistema de raíles/rodillos), el más sencillo de imaginar, pero potencialmente sujeto a arriostremiento ;
    • movimiento circular de traslación (si el objeto debe mantener la misma orientación, típicamente con un paralelogramo deformable) o movimiento de rotación, simple de imaginar, y generalmente más interesante (eslabón pivotante son generalmente más baratos y más robustos que los eslabones deslizantes), pero con una trayectoria más grande (por lo tanto requiere una mayor velocidad, y más espacio libre) ;
    • Traslado pseudo rectilíneo, por ejemplo con el paralelogramo de Watt, combinando la ventaja de ambos (enlaces pivotantes robustos y baratos, trayectoria corta y compacta) ;
    • Trayectoria más compleja, según se requiera (guiado por carril o leva, brazo robótico).
  2. Elige una solución tecnológica para crear el movimiento (actuador), controlarlo (automatismo, leva) y transmitirlo (transmisión).
  3. En función de la trayectoria (por tanto la solución tecnológica de guiado), determinar las leyes del movimiento para cumplir las especificaciones (duración del movimiento admisible) ahorrando las piezas (limitación de los esfuerzos y por tanto de la aceleración) y el consumo de energía (limitación de las aceleraciones y de la velocidad, ver los artículos Trabajo de una fuerza y Fricción).
  4. Según las leyes del movimiento, determinar la poder necesaria, y las fuerzas a las que están sometidas las partes.
  5. Dimensionar el sistema: elegir las piezas de los catálogos del proveedor, o diseñarlas (elegir los materiales, las dimensiones, dibujarlas).

Véase también

Referencias

  1. Bondi, Hermann (1980). org/details/relativitycommon0000bond/page/3 Relatividad y sentido común. Courier Dover Publications. pp. 3. ISBN 978-0-486-24021-3. 
  2. Lehrman, Robert L. (1998). Physics the Easy Way. Barron's Educational Series. pp. 27. ISBN 978-0-7641-0236-3. 
  3. Crew, Henry (2008). The Principles of Mechanics. BiblioBazaar, LLC. p. 43. ISBN 978-0-559-36871-4.
  4. Raymond A. Serway; Chris Vuille; Jerry S. Faughn (2008). College Physics, Volume 10. Cengage. p. 32. ISBN 9780495386933.
  5. Koshkin N.I., Shirkevich M.G. (1988). Periódico de física elemental (10ª , revisión=M. edición). M.: Nauka. p. 256. ISBN 5-02-013833-9. 
  6. [http://elementy.ru/news/430846 Gráfico de la aceleración de W. Bolt - carrera de 100 m en los Juegos Olímpicos de Verano de 2008 en Pekín
  7. Thierry, Lucas (19 de juin de 2014). Automobile; des robots qui ménagent leur énergie (3382). L'Usine nouvelle. p. 22. 

Bibliografía

  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed. edición). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7. 
  • Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (5th ed. edición). W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0809-4. 
  • Ortega, Manuel R. (1989-2006). Lecciones de Física (4 volúmenes). Monytex. ISBN 84-404-4290-4. 84-398-9218-7, 84-398-9219-5, 84-604-4445-7. 
  • Resnick,Robert & Krane, Kenneth S. (2001). Physics (en inglés). Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-32057-9. 
  • Tipler, Paul A. (2000). Física para la ciencia y la tecnología (2 volúmenes). Barcelona: Ed. Reverté. ISBN 84-291-4382-3. 
  • Landau L.D., Lifshits E.M. Mechanics. - Edición 5, estereotipada. - M .: Fizmatlit , 2004 . - 224 p. -("Física Teórica", volumen I).- ISBN 5-9221-0055-6 .
  • David C. Cassidy, Gerald James Holton y F. James Rutherford. Comprensión de la física . - Birkhäuser (inglés) ruso. , 2002. - ISBN 978-0-387-98756-9 .
  • Pauli W. Teoría de la relatividad. - Dover, 1981. - ISBN 978-0-486-64152-2 .
  • Michel Combarnous , Didier Desjardins y Christophe Bacon , Mecánica de sólidos y sistemas de sólidos , Dunod, coll. "Ciencias superiores",2004, 3 e ed. ( ISBN 978-2-10-048501-7 ) , pág. 25, 35-37, 38-40, 99-103
  • Jean-Louis Fanchon , guía mecánico , Nathan,2001 ( ISBN 978-2-09-178965-1 ) , pág. 134-135, 143-145, 153-154, 166-168, 180-181, 193-194

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Aceleración.
  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre aceleración.
  • Serie de vídeos explicativos sobre la aceleración en caída libre en YouTube.
  • Chile Científico: Análisis del Movimiento Circular
  • Acceleration and free fall - Un capítulo del libro de texto, en línea (en inglés)
  • (en inglés)
  • (en inglés)
  • Acceleration Calculator (en inglés)
  • (en inglés)
  •   Datos: Q11376
  •   Multimedia: Acceleration
  •   Recursos didácticos: Aceleración

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En fisica la aceleracion es una magnitud derivada vectorial que nos indica la variacion de velocidad por unidad de tiempo En el contexto de la mecanica vectorial newtoniana se representa normalmente por a displaystyle vec a o a displaystyle mathbf a y su modulo por a displaystyle a Grafico que muestra la variacion de la velocidad v a lo largo del tiempo t de un movil que no cambia de direccion En cada punto del grafico v t el modulo de la aceleracion corresponde al valor de la pendiente de la recta tangente a la curva que pasa por cada punto a 1 a 2 a 3 Asi a 1 es positiva a 2 es nula y a 3 es negativa Las aceleraciones son cantidades vectoriales en el sentido de que tienen magnitud y direccion 1 2 La magnitud de la aceleracion de un objeto como la describe la Segunda Ley de Newton 3 es el efecto combinado de dos causas el balance neto de todas las fuerzas externas que actuan sobre ese objeto la magnitud es directamente proporcional a esta fuerza neta resultante la masa de ese objeto dependiendo de los materiales de los que esta hecho la magnitud es inversamente proporcional a la masa del objeto Sus dimensiones son L T 2 displaystyle scriptstyle L cdot T 2 Su unidad en el Sistema Internacional es m s2 Por ejemplo cuando un vehiculo arranca estando detenido velocidad cero en un marco de referencia inercial y viaja en linea recta a velocidades crecientes esta acelerando en la direccion de la marcha Si el vehiculo gira se produce una aceleracion hacia la nueva direccion y cambia su vector de movimiento La aceleracion del vehiculo en su direccion actual de movimiento se llama aceleracion lineal o tangencial durante los movimientos circulares la reaccion que experimentan los pasajeros a bordo como una fuerza que los empuja hacia atras en sus asientos Al cambiar de direccion la aceleracion que efectua se llama aceleracion radial ortogonal durante los movimientos circulares la reaccion que experimentan los pasajeros como una fuerza centrifuga Si la velocidad del vehiculo disminuye esto es una aceleracion en la direccion opuesta y matematicamente negativa a veces llamada desaceleracion y los pasajeros experimentan la reaccion a la desaceleracion como una fuerza inercial que los empuja hacia adelante Estas aceleraciones negativas a menudo se logran mediante la combustion de retrocohetes en naves espaciales 4 Tanto la aceleracion como la desaceleracion se tratan de la misma manera ambos son cambios de velocidad Los pasajeros sienten cada una de estas aceleraciones tangencial radial desaceleracion hasta que su velocidad relativa diferencial se neutraliza con respecto al vehiculo Indice 1 Enfoque intuitivo 2 Introduccion 3 Aceleracion en cinematica puntual 3 1 El caso mas comun 3 1 1 Aceleracion y cantidades relacionadas 4 Aceleracion media e instantanea 4 1 Medicion de la aceleracion 4 2 Unidades 4 3 Valores de aceleracion en algunos casos 5 Componentes intrinsecas de la aceleracion aceleraciones tangencial y normal 5 1 Movimiento circular uniforme 5 2 Movimiento rectilineo acelerado 6 Aceleracion en mecanica relativista 6 1 Relatividad especial 6 2 Relatividad general 7 Importancia de la aceleracion en Ingenieria Mecanica 8 Vease tambien 9 Referencias 10 Bibliografia 11 Enlaces externosEnfoque intuitivo Editar Ilustraciones del concepto de aceleracion 1 El movimiento no sufre aceleracion 2 La velocidad aumenta constantemente 3 La velocidad disminuye constantemente 4 La aceleracion describe una curvatura de la trayectoria Asi como la velocidad describe la modificacion de la posicion de un objeto en el tiempo la aceleracion describe la modificacion de la velocidad en el tiempo que las matematicas formalizan con la nocion de derivada En la vida cotidiana hay tres casos que el fisico agrupa bajo el concepto unico de aceleracion ir mas rapido acelerar en el sentido comun mas restrictivo en un automovil el velocimetro muestra que la velocidad esta aumentando desde un punto de vista matematico la aceleracion es positiva es decir que el vector de aceleracion tiene una componente en la direccion de la velocidad ir mas lento frenar desacelerar o disminuir la velocidad en el lenguaje comun la indicacion del velocimetro disminuye la aceleracion es negativa o el vector de aceleracion tiene una componente opuesta a la direccion de la velocidad cambio de direccion girar o virar en el lenguaje comun incluso si la indicacion del velocimetro no cambia el cambio de direccion implica aceleracion el vector de aceleracion tiene una componente perpendicular a la velocidad aqui nos interesa la variacion de la direccion del vector velocidad no la variacion de su norma Cuando una persona esta sometida a una aceleracion se siente un esfuerzo fuerza que presiona contra el asiento cuando el coche acelera va mas rapido fuerza que empuja hacia el parabrisas cuando el coche frena fuerza que empuja a un lado cuando el coche frena o esta girando fuerza centrifuga Se siente esta tension de manera similar al peso La relacion entre aceleracion y esfuerzo es el dominio de la dinamica pero la aceleracion es una nocion de cinematica es decir que se define solo a partir del movimiento sin involucrar las fuerzas Introduccion EditarSegun la mecanica newtoniana una particula no puede seguir una trayectoria curva a menos que sobre ella actue una cierta aceleracion como consecuencia de la accion de una fuerza ya que si esta no existiese su movimiento seria rectilineo Asimismo una particula en movimiento rectilineo solo puede cambiar su velocidad bajo la accion de una aceleracion en la misma direccion de su velocidad dirigida en el mismo sentido si acelera o en sentido contrario si desacelera a d V d t displaystyle mathbf a cfrac d mathbf V d t En la mecanica newtoniana para un cuerpo con masa constante la aceleracion del cuerpo medida por un observador inercial es proporcional a la fuerza que actua sobre el mismo segunda ley de Newton F m a a F m displaystyle mathbf F m mathbf a quad to quad mathbf a cfrac mathbf F m donde F es la fuerza resultante que actua sobre el cuerpo m es la masa del cuerpo y a es la aceleracion La relacion anterior es valida en cualquier sistema de referencia inercial Algunos ejemplos del concepto de aceleracion son La llamada aceleracion de la gravedad en la Tierra es la aceleracion que produce la fuerza gravitatoria terrestre su valor en la superficie de la Tierra es aproximadamente de 9 8 m s2 Esto quiere decir que si se dejara caer libremente un objeto aumentaria su velocidad de caida a razon de 9 8 m s por cada segundo siempre que omitamos la resistencia aerodinamica del aire El objeto caeria por tanto cada vez mas rapido respondiendo dicha velocidad a la ecuacion v a t g t 9 8 t displaystyle v at gt 9 8 t Una maniobra de frenada de un vehiculo que se corresponderia con una aceleracion de signo negativo o desaceleracion al oponerse a la velocidad que ya tenia el vehiculo Si el vehiculo adquiriese mas velocidad a dicho efecto se le llamaria aceleracion y en este caso seria de signo positivo Aceleracion en cinematica puntual EditarEl caso mas comun Editar Aceleracion y cantidades relacionadas Editar El vector de aceleracion de un punto material en cualquier momento se encuentra mediante una diferenciacion temporal unica del vector velocidad de un punto material o diferenciacion doble del vector radio a d v d t d 2 r d t 2 displaystyle vec a d vec v over dt d 2 vec r over dt 2 Si se conocen las coordenadas del punto en la trayectoria r t 0 r 0 displaystyle vec r t 0 vec r 0 y el vector de velocidad v t 0 v 0 displaystyle vec v t 0 vec v 0 en cualquier momento del tiempo t0 asi como la dependencia de la aceleracion en el tiempo a t displaystyle vec a t al integrar esta ecuacion se pueden obtener las coordenadas y la velocidad del punto en cualquier momento del tiempo t tanto antes como despues del momento t0 v t v 0 t 0 t a t d t displaystyle vec v t vec v 0 int t 0 t vec a tau d tau r t r 0 t t 0 v 0 t 0 t t 0 3 a t d t d 3 displaystyle vec r t vec r 0 t t 0 vec v 0 int t 0 t int t 0 xi vec a tau d tau d xi La derivada temporal de la aceleracion es decir el valor que caracteriza la tasa de cambio en la aceleracion se llama Sobreaceleracion j d a d t displaystyle vec j frac mathrm d vec a mathrm d t donde j displaystyle vec j es el vector de la sobreaceleracion Aceleracion media e instantanea Editar Definicion de la aceleracion de una particula en un movimiento cualquiera Observese que la aceleracion no es tangente a la trayectoria Para cada instante o punto de la trayectoria queda definido un vector velocidad que en general cambia tanto en modulo como en direccion al pasar de un punto a otro de la trayectoria La direccion de la velocidad cambiara debido a que la velocidad es tangente a la trayectoria y esta por lo general no es rectilinea En la Figura se representan los vectores velocidad correspondientes a los instantes t y t Dt cuando la particula pasa por los puntos P y Q respectivamente El cambio vectorial en la velocidad de la particula durante ese intervalo de tiempo esta indicado por Dv en el triangulo vectorial al pie de la figura Se define la aceleracion media de la particula en el intervalo de tiempo Dt como el cociente a a D v D t displaystyle langle mathbf a rangle mathbf bar a frac Delta mathbf v Delta t Que es un vector paralelo a Dv y dependera de la duracion del intervalo de tiempo Dt considerado La aceleracion instantanea se la define como el limite al que tiende el cociente incremental Dv Dt cuando Dt 0 esto es la derivada del vector velocidad con respecto al tiempo a lim D t 0 D v D t d v d t displaystyle mathbf a lim Delta t to 0 frac Delta mathbf v Delta t frac d mathbf v dt Puesto que la velocidad instantanea v a su vez es la derivada del vector posicion r respecto al tiempo la aceleracion es la derivada segunda de la posicion con respecto del tiempo a d 2 r d t 2 displaystyle mathbf a frac d 2 mathbf r dt 2 De igual forma se puede definir la velocidad instantanea a partir de la aceleracion como v v 0 t 0 t d v d t d t displaystyle mathbf v mathbf v 0 int t 0 t left mathrm d mathbf v over mathrm d t right mathrm d t Se puede obtener la velocidad a partir de la aceleracion mediante integracion v 0 t a d t v 0 displaystyle mathbf v int 0 t mathbf a mathrm d t mathbf v 0 Medicion de la aceleracion Editar La medida de la aceleracion puede hacerse con un sistema de adquisicion de datos y un simple acelerometro Los acelerometros electronicos son fabricados para medir la aceleracion en una dos o tres direcciones Cuentan con dos elementos conductivos separados por un material que varia su conductividad en funcion de las medidas que a su vez seran relativas a la aceleracion del conjunto Unidades Editar Las unidades de la aceleracion son Sistema Internacional1 m s2Sistema Cegesimal1 cm s2 1 GalConversiones entre diferentes unidades de aceleracion m s2 pie s2 g sm s21 m s 1 3 28084 0 101972 1001 Pie s 0 304800 1 0 0310810 30 4800g 9 80665 32 1740 1 980 6651 sm s 0 01 0 0328084 0 00101972 1Valores de aceleracion en algunos casos Editar Valores de las aceleraciones de varios movimientos 5 Tipo de movimiento Aceleracion m s2Aceleracion centripeta del sistema solar orbitando la galaxia 2 2 10 100 0060Aceleracion centripeta de la Luna que orbita alrededor de la Tierra 0 0027Ascensor de pasajeros 0 9 1 6Tren metro 1Coche Zhiguli 1 5Corredor de corta distancia 1 5Ciclista 1 7Patinador sobre hielo 1 9Motocicleta 3 6Frenado de emergencia del coche 4 6Usain Bolt aceleracion maxima 8 6 Coche de carreras 8 9Frenado al abrir el paracaidas 30 3 g Lanzamiento y desaceleracion de Nave espacial 40 60 4 6 g Maniobra de avion a reaccion hasta 100 hasta 10 g Pilote despues del impacto de un hincador 300 30 g Piston motor de combustion interna 3 103Bala en el canon de un rifle 2 5 105Microparticulas en acelerador 2 50 1014Electron entre el catodo y el anodo en el tubo de rayos catodicos de una television en color con 20 kV 0 5 m 7 1015Electrones al impactar con fosforo en el tubo de un televisor en color 20 kV 1022Particula Alfa en el nucleo atomico 1027Nota aqui g 10 m s2 Componentes intrinsecas de la aceleracion aceleraciones tangencial y normal Editar Componentes intrinsecas de la aceleracion Un pendulo oscilante donde se indican los vectores instantaneos de aceleracion y velocidad Se observa que esta sometido a aceleraciones tangencial y centripeta En tanto que el vector velocidad v es tangente a la trayectoria el vector aceleracion a puede descomponerse en dos componentes llamadas componentes intrinsecas mutuamente perpendiculares una componente tangencial at en la direccion de la tangente a la trayectoria llamada aceleracion tangencial y una componente normal an en la direccion de la normal principal a la trayectoria llamada aceleracion normal o centripeta este ultimo nombre en razon a que siempre esta dirigida hacia el centro de curvatura Derivando la velocidad con respecto al tiempo teniendo en cuenta que el vector tangente cambia de direccion al pasar de un punto a otro de la trayectoria esto significa que no es constante obtenemos a d v d t d d t v e t d v d t e t v d e t d t a t e t v w e t displaystyle mathbf a frac d mathbf v dt frac d dt v mathbf hat e t frac dv dt mathbf hat e t v frac d mathbf hat e t dt a t mathbf hat e t v boldsymbol omega times mathbf hat e text t siendo e t displaystyle mathbf hat e t el vector unitario tangente a la trayectoria en la misma direccion que la velocidad y w displaystyle boldsymbol omega la velocidad angular Resulta conveniente escribir la expresion anterior en la forma a d v d t a t e t v 2 r e n a t e t a n e n displaystyle mathbf a frac d mathbf v dt a t mathbf hat e t frac v 2 rho mathbf hat e n a t mathbf hat e t a n mathbf hat e text n siendo e n displaystyle mathbf hat e n el vector unitario normal a la trayectoria esto es dirigido hacia el centro de curvatura de la misma r displaystyle rho el radio de curvatura de la trayectoria esto es el radio de la circunferencia osculatriz a la trayectoria Las magnitudes de estas dos componentes de la aceleracion son a t d v d t a n v 2 r displaystyle a t frac dv dt qquad qquad qquad a n frac v 2 rho Cada una de estas dos componentes de la aceleracion tiene un significado fisico bien definido Cuando una particula se mueve su velocidad puede cambiar y este cambio lo mide la aceleracion tangencial Pero si la trayectoria es curva tambien cambia la direccion de la velocidad y este cambio lo mide la aceleracion normal Si en el movimiento curvilineo la velocidad es constante v cte la aceleracion tangencial sera nula pero habra una cierta aceleracion normal de modo que en un movimiento curvilineo siempre habra aceleracion Si el movimiento es circular entonces el radio de curvatura es el radio R de la circunferencia y la aceleracion normal se escribe como an v2 R Si la trayectoria es rectilinea entonces el radio de curvatura es infinito r de modo que an 0 no hay cambio en la direccion de la velocidad y la aceleracion tangencial at sera nula o no segun que la velocidad sea o no constante Los vectores que aparecen en las expresiones anteriores son los vectores del triedro de Frenet que aparece en la geometria diferencial de curvas del siguiente modo e t displaystyle mathbf hat e t es el vector unitario tangente a la curva e n displaystyle mathbf hat e n es el vector unitario normal a la curva w displaystyle boldsymbol omega es el vector velocidad angular que es paralelo al vector binormal a la curva Movimiento circular uniforme Editar Cinematica del movimiento circular Articulo principal Movimiento circular uniforme Un movimiento circular uniforme es aquel en el que la particula recorre una trayectoria circular de radio R con rapidez constante es decir que la distancia recorrida en cada intervalo de tiempo igual es la misma Para ese tipo de movimiento el vector de velocidad mantiene su modulo y va variando la direccion siguiendo una trayectoria circular Si se aplican las formulas anteriores se tiene que la aceleracion tangencial es nula y la aceleracion normal es constante a esta aceleracion normal se la llama aceleracion centripeta En este tipo de movimiento la aceleracion aplicada al objeto se encarga de modificar la trayectoria del objeto y no en modificar su velocidad a d v d t d v d t e t v 2 R e n 0 e t v 2 R e n w 2 R e n displaystyle mathbf a frac d mathbf v dt frac dv dt mathbf hat e t frac v 2 R mathbf hat e n 0 cdot mathbf hat e t frac v 2 R hat mathbf e n omega 2 R hat mathbf e n Movimiento rectilineo acelerado Editar Articulo principal Movimiento rectilineo uniformemente acelerado En el Movimiento Rectilineo Acelerado la aceleracion instantanea queda representada como la pendiente de la recta tangente a la curva que representa graficamente la funcion v t Si se aplican las formulas anteriores al movimiento rectilineo en el que solo existe aceleracion tangencial al estar todos los vectores contenidos en la trayectoria podemos prescindir de la notacion vectorial y escribir simplemente a d v d t displaystyle a frac dv dt Ya que en ese tipo de movimiento los vectores a displaystyle scriptstyle mathbf a y v displaystyle scriptstyle mathbf v son paralelos satisfaciendo tambien la relacion v t v 0 0 t a t d t displaystyle v t v 0 int 0 t a tau d tau La coordenadas de posicion viene dada en este caso por x t x 0 v 0 t 0 t t t a t d t displaystyle x t x 0 v 0 t int 0 t t tau a tau d tau Un caso particular de movimiento rectilineo acelerado es el movimiento rectilineo uniformemente variado donde la aceleracion es ademas constante y por tanto la velocidad y la coordenadas de posicion vienen dados por v t v 0 a t x t x 0 v 0 t a t 2 2 displaystyle v t v 0 at qquad x t x 0 v 0 t frac at 2 2 Aceleracion en mecanica relativista EditarArticulo principal Cuadriaceleracion Relatividad especial Editar El analogo de la aceleracion en mecanica relativista se llama cuadriaceleracion y es un cuadrivector cuyas tres componentes espaciales para pequenas velocidades coinciden con las de la aceleracion newtoniana la componente temporal para pequenas velocidades resulta proporcional a la potencia de la fuerza dividida por la velocidad de la luz y la masa de la particula En mecanica relativista la cuadrivelocidad y la cuadriaceleracion son siempre ortogonales eso se sigue de que la cuadrivelocidad tiene un pseudo modulo constante U U c 2 2 U d U d t 0 2 U A 0 displaystyle mathbf U cdot mathbf U c 2 Rightarrow 2 mathbf U cdot frac d mathbf U d tau 0 Rightarrow 2 mathbf U cdot mathbf A 0 Donde c es la velocidad de la luz y el producto anterior es el producto asociado a la metrica de Minkowski V W h V W h m n V m V n displaystyle V cdot W eta V W eta mu nu V mu V nu Relatividad general Editar En teoria general de la relatividad el caso de la aceleracion es mas complicado ya que debido a que el propio espacio tiempo es curvo ver curvatura del espacio tiempo una particula sobre la que no actua ninguna fuerza puede seguir una trayectoria curva de hecho la linea curva que sigue una particula sobre la que no actua ninguna fuerza exterior es una linea geodesica de hecho en relatividad general la fuerza gravitatoria no se interpreta como una fuerza sino como un efecto de la curvatura del espacio tiempo que hace que las particulas no trayectorias rectas sino lineas geodescias En este contexto la aceleracion no geodesica de una particula es un vector cuyas cuatro componentes se calulan como A a d U a d t b g G b g a U b U g displaystyle A alpha frac dU alpha d tau sum beta gamma Gamma beta gamma alpha U beta U gamma Aqui a 0 1 2 3 displaystyle scriptstyle alpha 0 1 2 3 componente temporal y tres componentes espaciales Se aprecia que cuando los simbolos de Christoffel G b g a displaystyle Gamma beta gamma alpha una particula puede tener aceleracion cero aunque su cuadrivelocidad no sea constante eso sucede cuando la particula sigue una linea geodesica de un espacio tiempo de curvatura no nula Importancia de la aceleracion en Ingenieria Mecanica EditarLa ingenieria mecanica es el diseno y fabricacion de maquinas es decir sistemas que realizan movimientos Una parte importante es el dimensionamiento es decir la eleccion de actuadores gatos motores y piezas que soportan las fuerzas Si las masas puestas en movimiento y o las aceleraciones son grandes los efectos dinamicos las fuerzas necesarias para crear las aceleraciones o las fuerzas resultantes de las aceleraciones no son despreciables Por tanto determinar la aceleracion instantanea durante un movimiento es fundamental para que las piezas resistan y para determinar el consumo energetico del sistema El ballet de robots alrededor de la carroceria de un automovil que se ensambla es impresionante Una fabrica de automoviles consume tanto como una ciudad promedio y los robots son un gran contribuyente Es por eso que Siemens y Volkswagen han abordado el problema enfocandose en las causas del consumo excesivo las numerosas aceleraciones y desaceleraciones de los brazos del robot en cada cambio de direccion Por lo tanto los socios han desarrollado un software de simulacion que crea trayectorias menos empinadas para la misma tarea en cuestion Y demostro en el laboratorio que podriamos ganar hasta un 50 de energia 7 En muchos casos la especificacion es llevar un objeto del punto A al punto B en un tiempo t con el tiempo t a veces expresado como una tasa realizando el movimiento n veces por hora El diseno consiste en Elegir una solucion tecnologica para guiar el movimiento ya sea en los casos simples Traslado rectilineo guiado por un eslabon deslizante o equivalente sistema de railes rodillos el mas sencillo de imaginar pero potencialmente sujeto a arriostremiento movimiento circular de traslacion si el objeto debe mantener la misma orientacion tipicamente con un paralelogramo deformable o movimiento de rotacion simple de imaginar y generalmente mas interesante eslabon pivotante son generalmente mas baratos y mas robustos que los eslabones deslizantes pero con una trayectoria mas grande por lo tanto requiere una mayor velocidad y mas espacio libre Traslado pseudo rectilineo por ejemplo con el paralelogramo de Watt combinando la ventaja de ambos enlaces pivotantes robustos y baratos trayectoria corta y compacta Trayectoria mas compleja segun se requiera guiado por carril o leva brazo robotico Elige una solucion tecnologica para crear el movimiento actuador controlarlo automatismo leva y transmitirlo transmision En funcion de la trayectoria por tanto la solucion tecnologica de guiado determinar las leyes del movimiento para cumplir las especificaciones duracion del movimiento admisible ahorrando las piezas limitacion de los esfuerzos y por tanto de la aceleracion y el consumo de energia limitacion de las aceleraciones y de la velocidad ver los articulos Trabajo de una fuerza y Friccion Segun las leyes del movimiento determinar la poder necesaria y las fuerzas a las que estan sometidas las partes Dimensionar el sistema elegir las piezas de los catalogos del proveedor o disenarlas elegir los materiales las dimensiones dibujarlas Vease tambien EditarCinematica Velocidad Derivada Caida libre Movimiento rectilineo uniformemente aceleradoReferencias Editar Bondi Hermann 1980 org details relativitycommon0000bond page 3 Relatividad y sentido comun Courier Dover Publications pp 3 ISBN 978 0 486 24021 3 Lehrman Robert L 1998 Physics the Easy Way Barron s Educational Series pp 27 ISBN 978 0 7641 0236 3 Crew Henry 2008 The Principles of Mechanics BiblioBazaar LLC p 43 ISBN 978 0 559 36871 4 Raymond A Serway Chris Vuille Jerry S Faughn 2008 College Physics Volume 10 Cengage p 32 ISBN 9780495386933 Koshkin N I Shirkevich M G 1988 Periodico de fisica elemental 10ª revision M edicion M Nauka p 256 ISBN 5 02 013833 9 http elementy ru news 430846 Grafico de la aceleracion de W Bolt carrera de 100 m en los Juegos Olimpicos de Verano de 2008 en Pekin Thierry Lucas 19 de juin de 2014 Automobile des robots qui menagent leur energie 3382 L Usine nouvelle p 22 La referencia utiliza el parametro obsoleto mes ayuda La referencia utiliza el parametro obsoleto dia ayuda Bibliografia EditarSerway Raymond A Jewett John W 2004 Physics for Scientists and Engineers 6th ed edicion Brooks Cole ISBN 0 534 40842 7 Tipler Paul 2004 Physics for Scientists and Engineers Mechanics Oscillations and Waves Thermodynamics 5th ed edicion W H Freeman ISBN 0 7167 0809 4 Ortega Manuel R 1989 2006 Lecciones de Fisica 4 volumenes Monytex ISBN 84 404 4290 4 84 398 9218 7 84 398 9219 5 84 604 4445 7 Resnick Robert amp Krane Kenneth S 2001 Physics en ingles Nueva York John Wiley amp Sons ISBN 0 471 32057 9 Tipler Paul A 2000 Fisica para la ciencia y la tecnologia 2 volumenes Barcelona Ed Reverte ISBN 84 291 4382 3 Landau L D Lifshits E M Mechanics Edicion 5 estereotipada M Fizmatlit 2004 224 p Fisica Teorica volumen I ISBN 5 9221 0055 6 David C Cassidy Gerald James Holton y F James Rutherford Comprension de la fisica Birkhauser ingles ruso 2002 ISBN 978 0 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wikipedia org w index php title Aceleracion amp oldid 139355434, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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