Radián

El radián (símbolo: ${\displaystyle rad}$) es una unidad de la amplitud de ángulos. El radián mide el ángulo presentado como central a una circunferencia y su medida es igual a la razón entre la longitud del arco que comprende de dicha circunferencia y la longitud del radio, es decir, mide la cantidad de veces que la longitud del radio traza ese determinado arco en la circunferencia. Hasta 1995 tuvo la categoría de unidad suplementaria en el Sistema Internacional de Unidades, junto con el estereorradián.^[1] A partir de ese año, y hasta el momento presente, ambas unidades figuran en la categoría de unidades derivadas. El radián se define en el SI como una unidad adimensional con 1 ${\displaystyle rad}$ = 1.^[2]

Esta unidad se utiliza primordialmente en física, cálculo infinitesimal, trigonometría, goniometría, etc.

Un radián es la unidad de medida de un ángulo con vértice en el centro de un círculo cuyos lados son cortados por el arco de la circunferencia, y que además dicho arco tiene una longitud igual a la del radio.^[3][4]

El ángulo formado por dos radios de una circunferencia, medido en radianes, es igual a la longitud del arco que delimitan los radios dividida entre el radio; es decir, θ = s/r, donde θ es el ángulo, s es la longitud de arco, y r es el radio. Por tanto, el ángulo completo, ${\displaystyle \scriptstyle {\theta }_{\text{circunferencia}}}$, que subtiende una circunferencia de radio r, medido en radianes, es:

${\displaystyle \theta _{\text{circunferencia}}={\frac {L_{\text{circunferencia}}}{r}}={\frac {2\pi r}{r}}=2\pi \ {\text{rad}}\,}$

De forma más general, la magnitud en radianes de un ángulo subtendido es igual al cociente entre la longitud del arco y el radio del círculo; es decir, ${\displaystyle \theta ={\frac {s}{r}}}$, donde θ es el ángulo subtendido en radianes, s es la longitud del arco y r es el radio. Un ángulo recto es exactamente ${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$ radianes.^[5]

El ángulo de rotación (360°) correspondiente a una revolución completa es la longitud de la circunferencia dividida por el radio, que es ${\displaystyle {\frac {2\pi r}{r}}}$, o 2π. Por lo tanto, 2π radianes es igual a 360 grados.

La relación 2π rad = 360° se puede derivar usando la fórmula para longitud de arco, ${\textstyle \ell _{\text{arc}}=2\pi r\left({\tfrac {\theta }{360^{\circ }}}\right)}$. Dado que el radián es la medida de un ángulo subtendido por un arco de longitud igual al radio de la circunferencia, ${\textstyle 1=2\pi \left({\tfrac {1{\text{ rad}}}{360^{\circ }}}\right)}$. Esto se puede simplificar aún más a ${\textstyle 1={\tfrac {2\pi {\text{ rad}}}{360^{\circ }}}}$. Multiplicando ambos lados por 360° se obtiene 360° = 2π rad.

El radián es una unidad sumamente útil para medir ángulos, puesto que simplifica los cálculos, ya que los más comunes se expresan mediante sencillos múltiplos o divisores de π.

El radián es la unidad natural en la medida de los ángulos. Por ejemplo, la función seno de un ángulo x expresado en radianes cumple:

${\displaystyle \lim _{x\rightarrow 0}{\frac {\operatorname {sen}(x)}{x}}=1}$

Análogamente los desarrollos Taylor de las funciones seno y coseno son:

• ${\displaystyle \operatorname {sen}(x)=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n+1)!}}x^{2n+1}}$
• ${\displaystyle \cos(x)=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}}{(2n)!}}x^{2n}}$

donde x se expresa en radianes.

El ángulo plano se define como θ = s/r, {donde θ es el ángulo subtendido en radianes, s es la longitud del arco, y r es el radio. Un radián corresponde al ángulo para el que s = r}, por tanto 1 radián = 1 m/m.^[8] Sin embargo, rad sólo debe utilizarse para expresar ángulos, no para expresar relaciones de longitudes en general.^[6]. Un cálculo similar utilizando el área de un sector circular θ = 2A/r² da 1 radián como 1 m²/m².^[9] El hecho clave es que el radián es una unidad adimensional igual a 1. En el SI 2019, el radián se define en consecuencia como 1 rad = 1.^[10] Es una práctica establecida desde hace mucho tiempo en matemáticas y en todas las áreas de la ciencia hacer uso de rad = 1. ^[11][12] En 1993 la American Association of Physics Teachers Metric Committee especificó que el radián debía aparecer explícitamente en las cantidades sólo cuando se obtuvieran valores numéricos diferentes al utilizar otras medidas angulares, como en las cantidades de dida angular (rad), velocidad angular (rad/s), aceleración angular (rad/s²), y rigidez de torsión (N⋅m/rad), y no en las cantidades de par de torsión (N⋅m) y momento angular (kg⋅m²/s).^[13]

Giacomo Prando afirma que "el estado actual de las cosas conduce inevitablemente a apariciones y desapariciones fantasmales del radián en el análisis dimensional de las ecuaciones físicas".^[14] Por ejemplo, un objeto colgado de una cuerda de una polea subirá o bajará y = rθ centímetros, donde r es el radio de la polea en centímetros y θ es el ángulo que gira la polea en radianes. Al multiplicar r por θ la unidad de radianes desaparece del resultado. Del mismo modo, en la fórmula para la velocidad angular de una rueda rodante, ω = v/r, los radianes aparecen en las unidades de ω pero no en el lado derecho.^[15] Anthony French llama a este fenómeno "un problema perenne en la enseñanza de la mecánica".^[16] Oberhofer dice que el consejo típico de ignorar los radianes durante el análisis dimensional y añadir o quitar radianes en las unidades según la convención y el conocimiento contextual es "pedagógicamente insatisfactorio".^[17]

Al menos una docena de científicos entre 1936 y 2022 han hecho propuestas para tratar el radián como una unidad de medida base que define su propia dimensión de "ángulo".^[18][19][20] La revisión de propuestas de Quincey esboza dos clases de propuestas. La primera opción cambia la unidad de un radio a metros por radián, pero esto es incompatible con el análisis dimensional para el área del círculo, πr². La otra opción es introducir una constante dimensional. Según Quincey, este enfoque es "lógicamente riguroso" en comparación con el SI, pero requiere "la modificación de muchas ecuaciones matemáticas y físicas familiares".^[21]

En particular, Quincey identifica la propuesta de Torrens de introducir una constante η igual a 1 radián inverso (1 rad^-1) de forma similar a la introducción de una constante ε₀. ^[21][22] Con este cambio, la fórmula para el ángulo subtendido en el centro de un círculo, s = rθ, se modifica para convertirse en s = ηrθ, y la serie de Taylor para el seno de un ángulo θ pasa a ser: ^[20][23]$${\displaystyle \operatorname {Sin} \theta =\sin _{\text{rad}}(\eta \theta )=\eta \theta -{\frac {(\eta \theta )^{3}}{3!}}+{\frac {(\eta \theta )^{5}}{5!}}-{\frac {(\eta \theta )^{7}}{7!}}+\cdots .}$$La función en mayúsculas Sin es la función "completa" que toma un argumento con dimensión de ángulo y es independiente de las unidades expresadas,^[23] mientras que sin_rad es la función tradicional sobre número puro que asume que su argumento está en radianes.^[24]. ${\displaystyle \operatorname {Sin} }$ puede ser denotado ${\displaystyle \sin }$ si está claro que se refiere a la forma completa.^[20][25]

El SI puede considerarse en relación con este marco como un sistema de unidades naturales en el que se supone que se cumple la ecuación η = 1, o de forma similar, 1 rad = 1. Esta convención del radián permite omitir η en las fórmulas matemáticas.^[26]

Una constante dimensional para el ángulo es "bastante extraña" y es probable que la dificultad de modificar las ecuaciones para añadir la constante dimensional impida su uso generalizado.^[20] Definir el radián como unidad base puede ser útil para el software, donde la desventaja de ecuaciones más largas es mínima.^[27] Por ejemplo, la biblioteca de unidades Boost define unidades angulares con una dimensión ángulo_plano,^[28] y el sistema de unidades de Mathematica considera de forma similar que los ángulos tienen una dimensión angular. ^[29][30]

• La equivalencia entre grados sexagesimales y radianes es: π rad = 180°. Por tanto

1 radián = 57,29577951… grados sexagesimales y

1 grado sexagesimal = 0,01745329252… radianes.

• La equivalencia entre grados centesimales y radianes es: π rad = 200^g

La tabla muestra la conversión de los ángulos más comunes.

Otras unidades de medida de ángulos convencionales son el grado sexagesimal, el grado centesimal y, en astronomía, la hora.

• El radián tiene una unidad derivada llamada radián por segundo (rad/s), que corresponde a la magnitud velocidad angular. Esta unidad tiene una equivalencia con las rpm. Las equivalencias se pueden calcular fácilmente haciendo la siguiente relación:

${\displaystyle {\rm {rpm={\frac {rev}{min}}={\frac {2\pi \ rad}{60\ s}}}}}$, que simplificada es: ${\displaystyle {\rm {rpm={\frac {\pi }{30}}{\frac {rad}{s}}}}}$, o bien: ${\displaystyle {\rm {{\frac {rad}{s}}={\frac {30}{\pi }}\ rpm}}}$.

Es decir que, para pasar una cantidad x de rpm a rad/s tenemos que multiplicarla por π/30:

${\displaystyle x{\rm {\ rpm\cdot {\frac {{\frac {\pi }{30}}\ rad/s}{rpm}}=}}}$${\displaystyle \;x\cdot {\frac {\pi }{30}}{\rm {\ rad/s=}}}$${\displaystyle \;x'{\rm {\ rad/s}}}$

Análogamente, para pasar una cantidad y de rad/s a rpm tenemos que multiplicarla por 30/π:

${\displaystyle y{\rm {\ rad/s\cdot {\frac {{\frac {30}{\pi }}\ rpm}{rad/s}}=}}}$${\displaystyle \;y\cdot {\frac {30}{\pi }}{\rm {\ rpm=}}}$${\displaystyle \;y'{\rm {\ rpm}}}$

Los grados y los radianes son dos diferentes sistemas para medir ángulos. Un ángulo de ${\displaystyle 360}$° equivale a ${\displaystyle 2\pi }$ radianes; un ángulo de ${\displaystyle 180}$° equivale a ${\displaystyle \pi }$ radianes; y un ángulo de ${\displaystyle 90}$° equivale a ${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$.

Convertir grados a radianes

Lo primero que tenemos que hacer para convertir ${\displaystyle 137}$° a ${\displaystyle \pi }$ radianes es buscar ${\displaystyle 1}$° (un grado). Sabiendo que ${\displaystyle 90}$° = ${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$ simplemente dividimos por ${\displaystyle 90^{\circ }}$:

${\displaystyle {\frac {90^{\circ }}{90^{\circ }}}={\frac {\frac {\pi }{2}}{\frac {90^{\circ }}{1}}}}$

Entonces nos quedaría:

${\displaystyle 1^{\circ }={\frac {\pi }{180^{\circ }}}}$

Y ahora multiplicamos por ${\displaystyle 137^{\circ }}$:

${\displaystyle 137^{\circ }\cdot 1^{\circ }=137^{\circ }\cdot {\frac {\pi }{180^{\circ }}}}$

Entonces queda resolver el lado derecho de la ecuación:

${\displaystyle 137^{\circ }\cdot {\frac {\pi }{180^{\circ }}}}$

Ya en este punto, multiplicamos fracciones:

${\displaystyle {\frac {137^{\circ }}{1}}\cdot {\frac {\pi }{180^{\circ }}}={\frac {137\pi }{180}}}$

Y ya tendríamos el resultado: ${\displaystyle {\frac {137\pi }{180}}}$

Convertir de radianes a grados

Para convertir de radianes a grados, simplemente partimos de que ${\displaystyle \pi }$ radián es igual a ${\displaystyle 180^{\circ }}$, entonces, multiplicamos la medida dada en ${\displaystyle \pi }$ radianes por ${\displaystyle {\frac {180^{\circ }}{\pi }}}$:

${\displaystyle {\frac {137\pi }{180}}\cdot {\frac {180^{\circ }}{\pi }}={\frac {24660^{\circ }}{180}}=137^{\circ }}$

Entonces tenemos que el resultado es ${\displaystyle 137^{\circ }}$

Los tres son unidades de medida de ángulos planos, y se diferencian así:

• Radián (rad): ángulo que describe un arco cuya longitud es la del radio.
• Gradián o grado centesimal (g): ángulo que describe un arco cuya longitud es la cuadringentésima (1/400) parte de una circunferencia.
• Grado sexagesimal (°): ángulo que describe un arco cuya longitud es la tricentésima sexagésima (1/360) parte de una circunferencia.

• Estereorradián
• Grado sexagesimal
• Grado centesimal
• Mil angular
• Ángulo