Vectores: producto escalar y vectorial: problemas de práctica con soluciones paso a paso

También llamado: producto escalar · producto vectorial · producto punto · producto cruz

Problemas gratis de Vectores: producto escalar y vectorial con diagramas, pistas y soluciones completas. Valores nuevos cada vez, en tres niveles: módulo y componentes, producto escalar, producto vectorial y momentos.

Problema de práctica gratisFácil
xyza

Halla el módulo |a| del vector a = (6, −5, 9).

a = (6, −5, 9)
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Qué practicas

  1. Fácilmódulo y componentes
  2. Mediaproducto escalar
  3. Difícilproducto vectorial y momentos

Cómo resolver problemas de Vectores: producto escalar y vectorial

  1. Escribe cada vector en componentes; para una fuerza dada por un módulo y un ángulo, usa F·cos θ y F·sin θ.
  2. Para longitudes y direcciones usa el módulo √(x² + y² + z²) y el vector unitario a/|a|.
  3. Usa el producto escalar para ángulos, proyecciones, perpendicularidad y trabajo: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Usa el producto vectorial para vectores perpendiculares, áreas y momentos: escribe con cuidado las tres componentes, manteniendo el orden a × b.

Errores frecuentes

  • Sumar módulos en lugar de componentes.
  • Equivocarse en el signo de la componente central (y) de un producto vectorial.
  • Usar la posición del punto en lugar de r = A − O en un momento.
  • Tomar el arctan sin comprobar el cuadrante.

Fórmulas clave

Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vector unitario
û = a/|a|
Componentes a partir de un ángulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Producto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proyección escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabajo
W = F·d
Producto vectorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triángulo ½|a × b|
Momento respecto a O
MO = r × F, r = A − O
Volumen de un paralelepípedo
V = |a·(b × c)|

Aprende Vectores: producto escalar y vectorial desde cero

1Qué es un vector

Algunas magnitudes solo necesitan un número: una masa de 5 kg o una temperatura de 20 °C. Son escalares.

Otras magnitudes necesitan además una dirección. Una fuerza de 40 N que empuja hacia arriba es muy distinta de 40 N que empujan de lado. Son vectores.

Un vector se describe con sus componentes: hasta dónde llega a lo largo de x, de y y de z. El vector a = (4, 3, 0) llega 4 unidades en x, 3 en y y 0 en z.

xyaax​ = 4ay​ = 3θO

Las fuerzas, los desplazamientos y las velocidades son vectores. Los ingenieros usan las matemáticas vectoriales para sumar fuerzas, hallar ángulos y calcular momentos en tres dimensiones.

Los vectores se suman componente a componente: (1, 2, 0) + (3, −1, 4) = (4, 1, 4). Así se halla la resultante de varias fuerzas.

Autoevaluación ¿Cuál es la longitud del vector a = (3, 4, 0)?
  1. 1
  2. 25
  3. 5
  4. 7

Respuesta: 5. La longitud es √(3² + 4² + 0²) = √25 = 5. Sumar las componentes (7) es incorrecto porque son perpendiculares, y 25 olvida la raíz cuadrada.

2Longitud, dirección y componentes

El módulo |a| es la longitud del vector. Es Pitágoras en tres dimensiones:

|a| = √(ax² + ay² + az²)

Un vector unitario tiene longitud 1 y apunta en la misma dirección. Se obtiene dividiendo cada componente entre el módulo:

û = a / |a|

Para a = (0, 3, 4) el módulo es 5, así que û = (0; 0,6; 0,8). Comprobación: 0,6² + 0,8² = 1.

Una fuerza en el plano xy suele darse como un tamaño F y un ángulo θ, medido en sentido antihorario desde el eje x positivo. Sus componentes son:

Fx = F·cos θ Fy = F·sin θ

El coseno y el seno dan los signos automáticamente. Una fuerza a 120° tiene componente x negativa porque cos 120° = −0,5.

Al volver de las componentes a un ángulo, arctan(Ry/Rx) solo da respuestas entre −90° y 90°. Si Rx es negativa, suma 180°. Si solo Ry es negativa, suma 360°.

Autoevaluación ¿Cuál es la componente y del vector unitario en la dirección de a = (0, 3, 4)?
  1. 0,12
  2. 0,43
  3. 0,6
  4. 3

Respuesta: 0,6. Divide entre el módulo 5: 3/5 = 0,6. 3 olvida dividir, 0,12 divide entre |a|² = 25, y 0,43 divide entre la suma de las componentes (7).

3El producto escalar y el producto vectorial

Hay dos maneras de multiplicar dos vectores. El producto escalar da un número. El producto vectorial da un vector nuevo.

a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ

Aquí θ es el ángulo entre los dos vectores. El producto escalar mide cuánto apuntan los vectores en el mismo sentido. Es cero cuando son perpendiculares.

dFθ|F|·cos θ
  • El ángulo: cos θ = a·b / (|a|·|b|).
  • La proyección escalar de a sobre b (la parte de a a lo largo de b): a·b / |b|.
  • El trabajo realizado por una fuerza constante en un desplazamiento: W = F·d.
  • Dos vectores son perpendiculares cuando a·b = 0.

El producto vectorial a × b es un vector perpendicular a a y a b. Su longitud es igual al área del paralelogramo que generan los dos vectores.

a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
aba × bA

Para a = (1, 2, 0) y b = (3, 1, 0): a × b = (2·0 − 0·1, 0·3 − 1·0, 1·1 − 2·3) = (0, 0, −5). El paralelogramo tiene área 5 y el triángulo la mitad, 2,5.

El orden importa: b × a = −(a × b). El momento de una fuerza F que actúa en el punto A respecto al punto O es M = r × F, con r = A − O.

Autoevaluación Para a = (2, 1, 0) y b = (1, 4, 0), ¿cuál es la componente z de a × b?
  1. 6
  2. 7
  3. 9
  4. −7

Respuesta: 7. componente z = axby − aybx = 2·4 − 1·1 = 7. −7 es b × a (con el orden cambiado), 6 es el producto escalar, y 9 suma los dos productos en lugar de restarlos.

4El método paso a paso

  1. Escribe cada vector en componentes. Para una fuerza dada por su tamaño y un ángulo, usa F·cos θ y F·sen θ.
  2. Si la pregunta da puntos, construye los vectores a partir de ellos: el vector de A a B es B − A.
  3. Decide qué herramienta necesitas. Longitudes y direcciones: módulo y vector unitario. Ángulos, proyecciones y trabajo: producto escalar. Áreas, vectores perpendiculares y momentos: producto vectorial.
  4. Escribe primero la fórmula y luego sustituye los números componente a componente. Mantén los signos entre paréntesis.
  5. Comprueba el resultado: un vector unitario tiene longitud 1, a × b es perpendicular a a (así que a·(a × b) = 0), y el ángulo entre vectores está entre 0° y 180°.

Para un vector unitario perpendicular a dos vectores, toma n = a × b y divídelo entre su longitud. Si la pregunta quiere una componente z positiva y la tuya es negativa, cambia todos los signos.

El volumen del paralelepípedo con aristas a, b y c es |a·(b × c)|: primero el producto vectorial, luego el producto escalar.

5Un ejemplo resuelto

Sigue cada paso. Intenta adivinar el siguiente antes de abrirlo.

Ejemplo resuelto

Una fuerza constante F = (6, 2, −3) N empuja un objeto en línea recta desde el punto A(1, 0, 2) hasta el punto B(3, 4, 2). Las coordenadas están en metros. Halla el trabajo W realizado por la fuerza y el ángulo θ entre la fuerza y el desplazamiento.

1

Construye el desplazamiento

El desplazamiento es el vector de A a B: resta el inicio al final.

d = B − A = (3 − 1, 4 − 0, 2 − 2) = (2, 4, 0) m
2

Trabaja con el producto escalar

El trabajo es el producto escalar de la fuerza y el desplazamiento. Multiplica las componentes correspondientes y suma.

W = F·d = 6·2 + 2·4 + (−3)·0 = 12 + 8 + 0 = 20 J
3

Los dos módulos

|F| = √(6² + 2² + (−3)²) = √49 = 7 N
|d| = √(2² + 4² + 0²) = √20 ≈ 4,472 m
4

El ángulo

dFθ|F|·cos θ

Usa la otra forma del producto escalar, F·d = |F|·|d|·cos θ, y despeja cos θ.

cos θ = 20 / (7 · 4,472) = 0,6389
θ = arccos 0,6389 ≈ 50,3°
5

Comprueba la respuesta

El trabajo es positivo, así que el ángulo debe ser menor de 90°. Lo es.

La parte de la fuerza en la dirección del movimiento es |F|·cos θ = 7 · 0,6389 ≈ 4,47 N. Multiplicada por la distancia 4,472 m vuelve a dar 20 J.

Respuesta

W = 20 J y θ ≈ 50,3°.

6Errores frecuentes

  • Sumar módulos en lugar de componentes. Dos fuerzas de 3 N y 4 N en ángulo recto dan 5 N, no 7 N.
  • Usar las coordenadas del punto en lugar de r = A − O en un momento.
  • Equivocarse con el signo de la componente central (y) de un producto vectorial. Es azbx − axbz, no al revés.
  • Cambiar el orden en un producto vectorial. b × a apunta en sentido contrario a a × b.
  • Tomar arctan para una dirección sin comprobar en qué cuadrante está el vector.
  • Olvidar el ½ en el área de un triángulo: es la mitad de |AB × AC|.
Autoevaluación Una fuerza F = (0, 10, 0) N actúa en el punto A(3, 0, 0) m. ¿Cuál es el módulo de su momento respecto a O(1, 0, 0) m?
  1. 10 N·m
  2. 20 N·m
  3. 30 N·m
  4. 40 N·m

Respuesta: 20 N·m. r = A − O = (2, 0, 0) m, así que M = r × F = (0, 0, 2·10) = (0, 0, 20) N·m. Usar el propio punto A como r da 30 N·m, A + O da 40 N·m, y solo O da 10 N·m.

7Cómo son las preguntas de examen

  • Fácil: módulo y componentes. La longitud de un vector, una componente de un vector unitario, una componente de una fuerza dada por su tamaño y un ángulo, o el módulo o la dirección de la resultante de dos fuerzas.
  • Medio: el producto escalar. Un producto escalar, el ángulo entre dos vectores, una proyección escalar, el trabajo de una fuerza entre dos puntos, o el valor de k que hace perpendiculares dos vectores.
  • Difícil: el producto vectorial y los momentos. Una componente de a × b, el área de un paralelogramo o un triángulo, el momento de una fuerza respecto a un punto, un vector normal unitario, o el volumen de un paralelepípedo con un producto mixto.

En una pregunta de perpendicularidad, pon a·b = 0. Da una ecuación lineal en k.

Para un triángulo con vértices A, B y C, usa los vectores de arista AB = B − A y AC = C − A. El área es ½·|AB × AC|.

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Ejemplos resueltos

Ejemplo 1Fácil
xy135°F1​F2​

Dos fuerzas actúan en un punto del plano xy: F₁ = 110 N a 0° y F₂ = 190 N a 135°, ambos ángulos medidos en sentido antihorario desde el eje x positivo. Halla la dirección φ de su resultante, medida en sentido antihorario desde el eje x positivo (entre 0° y 360°).

F1 = 110 N, θ1 = 0°F2 = 190 N, θ2 = 135°

Calcula φ (°)

Mostrar pistas
  1. Descompón cada fuerza en componentes x e y.
  2. Suma por separado las componentes x y las componentes y.
  3. Rₓ = −24,35 N, Ry = 134,4 N.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Vectors: a vector a = (ax, ay, az) has magnitude |a| = √(ax² + ay² + az²), and the unit vector in its direction is û = a/|a|. A vector of magnitude F at an angle θ measured anticlockwise from the positive x-axis has components Fx = F·cos θ and Fy = F·sin θ. Vectors add component by component.

Componentes de la resultante

Rₓ = 110·cos 0° + 190·cos 135° = −24,35 N
Ry = 110·sin 0° + 190·sin 135° = 134,4 N

Dirección

Rₓ es negativa, así que la resultante apunta al segundo o al tercer cuadrante: suma 180° al ángulo de la calculadora.

arctan(Ry/Rₓ) = arctan(134,4/−24,35) = −79,73°
φ = 100,3°

Respuesta

φ = 100,3°
Ejemplo 2Media
xyzab

Halla el valor de k para el que los vectores a = (−4, −4, 0) y b = (k, 6, 4) son perpendiculares.

a = (−4, −4, 0)b = (k, 6, 4)

Calcula k

Mostrar pistas
  1. Los vectores perpendiculares tienen producto escalar cero.
  2. Escribe a·b = 0 con k como incógnita y resuelve la ecuación lineal.
  3. (−4)·k + (−4)·6 + 0·4 = 0.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

El producto escalar es igual a cero

a·b = (−4)·k + (−4)·6 + 0·4 = 0
−24 + (−4)·k = 0

Despeja k

k = −(−24)/(−4) = −6

Respuesta

k = −6
Ejemplo 3Difícil
xyzABC

Halla el área A del triángulo de vértices A(−3, −4, −1), B(−4, 3, −3) y C(1, 4, −4). Las coordenadas están en metros.

A(−3, −4, −1)B(−4, 3, −3)C(1, 4, −4)

Calcula A (m²)

Mostrar pistas
  1. Forma dos vectores de aristas desde el mismo vértice: AB = B − A y AC = C − A.
  2. El área es ½·|AB × AC|.
  3. AB × AC = (−5, −11, −36).
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Vectores de las aristas

AB = B − A = (−1, 7, −2)
AC = C − A = (4, 8, −3)

Producto vectorial

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 7·(−3) − (−2)·8 = −5
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−2)·4 − (−1)·(−3) = −11
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−1)·8 − 7·4 = −36
|AB × AC| = √((−5)² + (−11)² + (−36)²) = 37,97

Área del triángulo

A = ½·37,97 = 18,99 m²

Respuesta

A = 18,99 m²

Preguntas y respuestas

Vectores: producto escalar y vectorial: ¿qué es?

Algunas magnitudes solo necesitan un número: una masa de 5 kg o una temperatura de 20 °C. Son escalares.

Otras magnitudes necesitan además una dirección. Una fuerza de 40 N que empuja hacia arriba es muy distinta de 40 N que empujan de lado. Son vectores.

Vectores: producto escalar y vectorial: ¿cómo se resuelven los ejercicios paso a paso?
  1. Escribe cada vector en componentes; para una fuerza dada por un módulo y un ángulo, usa F·cos θ y F·sin θ.
  2. Para longitudes y direcciones usa el módulo √(x² + y² + z²) y el vector unitario a/|a|.
  3. Usa el producto escalar para ángulos, proyecciones, perpendicularidad y trabajo: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Usa el producto vectorial para vectores perpendiculares, áreas y momentos: escribe con cuidado las tres componentes, manteniendo el orden a × b.
Vectores: producto escalar y vectorial: ¿cuáles son los errores más comunes?
  • Sumar módulos en lugar de componentes.
  • Equivocarse en el signo de la componente central (y) de un producto vectorial.
  • Usar la posición del punto en lugar de r = A − O en un momento.
  • Tomar el arctan sin comprobar el cuadrante.
Vectores: producto escalar y vectorial: ¿qué se practica?
  • Fácil: módulo y componentes
  • Media: producto escalar
  • Difícil: producto vectorial y momentos

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Cómo funciona la práctica

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  • Tu progreso, tus errores y tus problemas guardados se conservan para que puedas repasar antes del examen.

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