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DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE(FUERZAS)

 

Para suma fuerzas en un sistema en estudio, se debe hacer un diagrama de fuerzas, el cual es una representación de las fuerzas que actúan sobre el sistema. La figura derecha muestra las fuerzas importantes en el movimiento vertical de un objeto. Asumimos que la velocidad del objeto es constante (aceleración cero).

PASOS PARA CONSTRUIR UN DIAGRAMA DE FUERZAS:

1. Identificar y representar todas las fuerzas que actúan sobre el punto clave, del sistema en estudio (el centro en este caso).

2. Separar la fuerzas verticales de las horizontales.

3. En cada grupo de fuerzas (horizontales o verticales), definir una dirección positiva y otra negativa para asignar signo a las fuerzas.

4. Centrarse en el punto clave y sumar todas las fuerzas que actúan sobre él, tanto las verticales como  las horizontales.

 

EJEMPLO

Caso 1: Ate dos resortes (úselos como si fueran balanzas) o gomas de caucho. Le deben quedar dos extremos libres. Tome el extremo libre de uno de los resortes y pida a otra persona que tome el otro extremo libre del otro resorte.  Ahora ambos apliquen la misma fuerza a estos extremos (si tienen balanzas apliquen fuerzas de 1-2 N a cada extremo). Asegúrese que ustedes dos permanezcan quietos (v=0). Note que cuando ustedes aplican la misma fuerza, los resortes se estiran por la misma cantidad. Ustedes dos tienen velocidad cero y sus fuerzas aplicadas son de igual valor (aunque de dirección contraria). Se puede hacer un diagrama de fuerzas para esta situación. Es sencillo; por ejemplo una fuerza F1 de 1 N se dirige hacia un lado y otra fuerza F2 de igual valor, se dirige en sentido contrario. La suma de estas fuerzas sería:

Ft = F1 + F2

Ft   = +1N -1 N = 0     debido a que las dos fuerzas son iguales y de sentido opuesto, se anulan y por tanto,

 

Ft = 0.

Así que cuando la fuerza total es igual a cero, la velocidad del sistema es cero (recuerde que ambos están quietos.) También ocurre así para cuando la velocidad es constante. Para que visualice esto empiece a moverse con su pareja, mientras ambos sostienen los resortes. Sincronícense de tal forma que el movimiento sea tal que ambos apliquen las mismas fuerzas todo el tiempo. Si este es el caso, entonces ustedes notarán que se mueven con velocidad constante. Es decir cuando la Ft es igual a cero, la velocidad del sistema es constante. Recardar que velocidad constante implica aceleración cero. Note que fuerza total cero no significa que no haya fuerzas actuando, sino que la suma de ellas es cero, hay equilibrio de fuerzas.

Ft a v
0 0 0
0 0 constante

Caso 2:

Levante un objeto que esté atado a una balanza. Si usa un objeto con una masa de 100 gramos (0.1kg) lo cual corresponde a un peso de 1 N aproximadamente, y lo levanta de tal forma que la fuerza que ejerza sobre la masa sea constante durante el levantamiento (el estiramiento del resorte de la balanza no cambia), notará que la velocidad de la masa es constante. Podemos identificar las fuerzas actuantes sobre la masa y que son importantes para su movimiento vertical. Es evidente que una de las fuerzas aplicadas es la que ejerce la tierra sobre la masa o sea el peso de la masa que es F=1 N; esta fuerza va dirigida verticalmente hacia abajo por lo que le asignaremos signo negativo (-). La mano que hala a la masa es otra fuerza aplicada que llamaremos Fa, y que también está dirigida verticalmente pero hacia arriba. Cuando la masa está quieta, la fuerza aplicada y la fuerza del peso están equilibradas. Y están equilibradas por que son iguales en valor; si una de estas fuerzas fuera mayor que la otra, el sistema se movería hacia donde la fuerza es mayor. El equilibrio de fuerzas, hace que la suma de estas dos fuerzas sea igual a cero, como lo muestra la siguiente suma de fuerzas :

Ft = +Fa + F  = 1 N - 1 N = 0

El signo menos indica que el peso va en dirección opuesta a la fuerza que levanta o sostiene al objeto. 

Cuando estudies la segunda ley de Newton aprenderás que cuando la fuerza total sea constante, la aceleración del sistema será constante.

Ft a v
constante constante variable

 

Complementar: fuerza total y equilibrio.

Trata de dibujar las fuerzas que actúan en la situación siguiente. Una manzana se encuentra en reposo sobre una mesa. Dibuja todas las fuerzas que actúan sobre la manzana e indica sus direcciones.

 

OTRA COMBINACIÓN DE FUERZAS

Existe otra forma de combinar fuerzas, pero esta vez las fuerzas no se suman o se restan, por que las fuerzas involucradas no actúan sobre el mismo punto o cuerpo. Pero en este caso todavía se puede construir el diagrama de fuerzas sobre el sistema. Ejemplos de esto puedes estudiarlos en los libros de física bajo el tema de fuerzas de acción y reacción.

Gerson R. v. sept 23 2003, sept 2005, sep 2006.