Diagrama de cuerpo libre y primera condición de equilibrio
Introducción
¡Hola!
¡Vaya qué momento más grato el poder saludarte! Es un orgullo que continúes como estudiante de este curso de Física 1. Espero que sigas perseverando hasta el final, por lo pronto te invito a revisar esta novena sesión.
En esta ocasión platicaremos sobre la primera condición de equilibrio, la cual nos dará una explicación de porqué los objetos no cambian de posición longitudinal, lo cual era uno de los dos tipos de movimiento que los objetos puede experimentar, esto nos abrirá camino a un sin fin de aplicaciones y utilidades que se utilizan como en ingeniería civil.
De modo que, en este contexto, ¡Comencemos la clase!
Desarrollo del tema
Primera condición de equilibrio
Esta condición permite asegurar que un cuerpo o un sistema no se trasladara de posición (de manera acelerada), como se mencionó antes, las fuerzas son las que provocan que un objeto se mueva, al ser las fuerzas una magnitud vectorial, utilizaremos vectores para representar a todas las fuerzas que sean aplicadas sobre un cuerpo o un sistema. Así que, para que se cumpla la primera condición de equilibrio, es necesario que la fuerza resultante sea igual a 0.
Las fuerzas aplicadas sobre un objeto, se consideran fuerzas concurrentes, ya que a pesar de no ser aplicadas exactamente en el mismo punto, se considera a todo el objeto como uno solo. A manera de ecuación la primera condición se escribe de la siguiente forma:
La ecuación anterior podemos separarla en componentes rectangulares, en las siguientes ecuaciones:
Es decir, la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto debe ser cero. Esta condición es suficiente para el equilibrio cuando las fuerzas externas son concurrentes.
Metodología para solución de problemas de fuerzas concurrentes
- Aísla el objeto a estudiar.
- En un diagrama, muestra todas las fuerzas que están presentes sobre el objeto de estudio (Diagrama de Cuerpo Libre).
- Encuentra las componentes rectangulares de cada fuerza.
- Escribe la primera condición de equilibrio en forma de ecuación (componentes).
- Resuelve para encontrar las cantidades desconocidas.
Antes de poder realizar ejercicios de este tema, debemos de familiarizarnos con los tipos de fuerzas que pueden estar presentes en nuestro cuerpo de estudio.
Peso de un objeto: es la fuerza con que la gravedad tira al cuerpo hacia abajo. Se representa por la letra W y se calcula de la siguiente manera
W = mg
Donde:
m es la masa del objeto.
g es la aceleración debida a la gravedad en la tierra, tomaremos este valor como 9.81 m/s2.
- Fuerza de tensión: es la fuerza que actúa sobre una cuerda, cadena o cable y que tiende a alargarlo. Representaremos esta fuerza por la variable T.
- Fuerza Normal: esta fuerza aparece cuando un objeto descansa sobre una superficie, esta fuerza siempre es perpendicular a la superficie, es decir, entre la fuerza normal y la superficie sobre la que se recarga el objeto hay un ángulo de 90° y sale de la superficie. Se representa por la variable N.
- Fuerza de fricción: es una fuerza tangencial que actúa sobre un objeto que se opone al deslizamiento del objeto a través de una superficie adyacente con la que se está en contacto. La fuerza de fricción es paralela a la superficie y opuesta, en sentido, del movimiento o movimiento inminente.
La fuerza de fricción se divide en dos tipos, estática y dinámica, dependiendo si el objeto está ya en movimiento o está por moverse. La fuerza de fricción estática se conoce también como fuerza de fricción máxima, ya que siempre es mayor que la dinámica. La forma en que se calculan estas fuerzas de fricción es:
Donde:
Ffd es la fuerza de fricción dinámica.
μd es el coeficiente de fricción dinámico entre el objeto y la superficie, varía dependiendo de los materiales de ambos y no tiene unidades de medición.
FfE es la fuerza de fricción estática.
μE es el coeficiente de fricción estático, este valor siempre es mayor que el coeficiente dinámico, tampoco tiene unidades.
Nota: la unidad en que se mide la fuerza en el sistema internacional es el Newton(N), el cual equivale a
1N = 1 kg∙m/s2
Conclusión
En resumen, la primera condición de equilibrio es una herramienta muy versátil en muchos problemas de aplicación, cualquier estructura que se quiera crear estará sometida a fuerzas externas por lo que poder calcular las fuerzas que permitan el equilibrio es fundamental. Imagina cómo podríamos construir edificios o puentes, sin tener herramientas matemáticas y físicas que nos digan el comportamiento de estos al someterse a fuerzas. Es por eso que se estudian en la carrera de ingeniería civil, y en general cualquier ingeniería que esté relacionada con estructuras mecánicas.
Sigue esforzándote como hasta ahora, ya has recorrido un gran trayecto y ahora comprendes mucho más del mundo en el que vives.
Con esto llegamos al final de la clase. ¡Felicidades, has concluido un tema muy interesante! No olvides la tarea, recuerda enviarla en tiempo y forma. Hasta la siguiente clase.