Fuerzas
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Diagrama del cuerpo libre de la polea
La situación especial en la que la fuerza neta sobre un objeto resulta ser cero, llamada equilibrio estático, te indica inmediatamente que el objeto no está acelerando. Si el objeto se mueve con cierta velocidad, seguirá moviéndose exactamente con esa misma velocidad. Si el objeto está en reposo, permanecerá en reposo. Te suena familiar, ¿verdad? Esto es un replanteamiento de la primera ley del movimiento de Newton, la ley de la inercia. Así que, en realidad, la 1ª Ley de Newton no es más que un caso especial de la 2ª Ley de Newton, que describe las condiciones de equilibrio estático. Considere la situación de un tira y afloja… si ambos participantes tiran con una fuerza tremenda, pero la fuerza está equilibrada, no hay aceleración – un gran ejemplo de equilibrio estático.
Una pregunta de análisis común consiste en encontrar la fuerza de equilibrio dado un diagrama de cuerpo libre sobre un objeto. La fuerza de equilibrio es un único vector de fuerza que se añade a las fuerzas desequilibradas sobre un objeto para llevarle al equilibrio estático. Por ejemplo, si te dan un vector de fuerza de 10N al norte y 10N al este, y te piden que encuentres el equilibrante, en realidad te están pidiendo que encuentres una fuerza que compense las dos fuerzas dadas, llevando el objeto al equilibrio estático.
Física del equilibrio
El sistema de coordenadas es arbitrario cuando se construyen los diagramas de cuerpo libre. Sin embargo, es mejor elegir un sistema de coordenadas que simplifique los cálculos futuros. Esto puede hacerse antes o después de hacer el diagrama.
Un objeto está en equilibrio cuando cada punto dentro del objeto tiene la misma velocidad constante (generalmente, la velocidad es cero para los problemas de estática). Por lo tanto, un objeto en equilibrio no experimenta ninguna aceleración, por lo que la 2ª Ley de Newton puede escribirse como
Las fuerzas pueden ser internas (como la fuerza de un pistón en un motor) o externas (como la fuerza de un bate de béisbol contra la pelota). También pueden actuar sobre la superficie del objeto o en cualquier punto de su cuerpo.
Las cuerdas y los cables ejercen fuerzas de tensión que sólo tiran de un objeto y, por lo tanto, se representan siempre como fuerzas dirigidas hacia fuera del objeto. A menos que se indique lo contrario, siempre supondremos que las cuerdas y los cables son rectos y su fuerza es constante a lo largo de su longitud.
Las fuerzas de contacto son el resultado del contacto entre las superficies de dos objetos. Una fuerza de contacto suele dividirse en dos componentes: una fuerza normal perpendicular al plano de contacto y una fuerza de fricción paralela al plano de contacto. Sin embargo, las fuerzas de fricción pueden despreciarse si la superficie es lisa.
Diagrama de cuerpo libre de fricción
Los diagramas de cuerpo libre son esquemáticos, es decir, no son dibujos reales, sino que se limitan a representar una situación física. El objeto se dibuja como una caja o un punto, y las flechas de fuerza se dibujan desde el borde del objeto. Las flechas de fuerza deben dibujarse a escala y apuntar en la dirección correcta. También es útil etiquetar las flechas para saber qué es lo que produce la fuerza. (En clase suelo dibujar la fuerza desde el punto donde actúa para ayudarnos a visualizar mejor la situación).
Si el diagrama de cuerpo libre se ha dibujado con precisión, puede servir para resolver una serie de problemas, como resolver las fuerzas en componentes, ver si un sistema está en equilibrio, encontrar el valor de fuerzas desconocidas e incluso identificar las fuerzas que faltan.
Cuando dos fuerzas actúan sobre un objeto y éste está inmóvil o se mueve a velocidad constante, las fuerzas están en equilibrio. Si las fuerzas no se anulan, sino que tienen una resultante, el cuerpo se acelerará.
Cuando sólo hay dos fuerzas que actúan sobre un cuerpo, sólo pueden estar en equilibrio si actúan en paralelo, como en el ejemplo anterior de la caja en el suelo. En situaciones en las que un objeto está en movimiento y las fuerzas están en equilibrio, como un coche que viaja a una velocidad constante, el motor del coche producirá una fuerza motriz para superar las fuerzas de resistencia, como la resistencia del aire, la resistencia a la rodadura, etc.
