Física Universitaria: OpenStax

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Resumen

  • Indique la primera condición de equilibrio.
  • Explicar el equilibrio estático.
  • Explicar el equilibrio dinámico.

La primera condición necesaria para alcanzar el equilibrio es la ya mencionada: la fuerza externa neta en el sistema debe ser cero. Expresado como una ecuación, esto es simplemente

\boldsymbol{\textbf{net F}=0}

Observe que si net\boldsymbol{F}es cero, entonces la fuerza externa neta en cualquier dirección es cero. Por ejemplo, las fuerzas externas netas a lo largo de los ejes x e y típicos son cero. Esto se escribe como

\boldsymbol{\textbf {net} F_x = 0\textbf{ y }F_y = 0}

Las figuras 1 y 2 ilustran situaciones en las que\boldsymbol{\textbf{net }F=0}para equilibrio estático (inmóvil) y equilibrio dinámico (velocidad constante).

En la figura, un hombre estacionario está de pie en el suelo. Sus pies están a cierta distancia. Tiene las manos en la cintura. El lado izquierdo está etiquetado como F neto es igual a cero. En el lado derecho se muestra un diagrama de cuerpo libre con un punto y dos flechas, una verticalmente hacia arriba etiquetada como N y otra verticalmente hacia abajo etiquetada como W, desde el punto.
Figura 1. Esta persona inmóvil está en equilibrio estático. Las fuerzas que actúan sobre él suman cero. Ambas fuerzas son verticales en este caso.
Se muestra un coche en movimiento. Se muestran cuatro vectores normales en cada rueda. En la rueda trasera, se muestra una flecha hacia la derecha etiquetada como F aplicada. Otra flecha, que está etiquetada como f y apunta a la izquierda, hacia la parte delantera del automóvil, también se muestra. Un vector verde en la parte superior del coche muestra el vector de velocidad constante. A la derecha se muestra un diagrama de cuerpo libre con un punto. Desde el punto, el peso del coche es hacia abajo. El vector de fuerza de fricción f está hacia la izquierda y el vector de fuerza aplicada está hacia la derecha. Cuatro vectores normales se muestran hacia arriba por encima del punto.
Figura 2. Este coche está en equilibrio dinámico porque se mueve a velocidad constante. Hay fuerzas horizontales y verticales, pero la fuerza externa neta en cualquier dirección es cero. La fuerza aplicada Fapp entre los neumáticos y la carretera se equilibra con la fricción del aire, y el peso del automóvil se apoya en las fuerzas normales, que aquí se muestran iguales para los cuatro neumáticos.

Sin embargo, no es suficiente que la fuerza externa neta de un sistema sea cero para que un sistema esté en equilibrio. Considere las dos situaciones ilustradas en la Figura 3 y en la Figura 4, donde se aplican fuerzas a un palo de hockey sobre hielo que yace plano sobre el hielo. La fuerza externa neta es cero en ambas situaciones que se muestran en la figura; pero en un caso, se alcanza el equilibrio, mientras que en el otro, no lo es. En la Figura 3, el palo de hockey sobre hielo permanece inmóvil. Pero en la Figura 4, con las mismas fuerzas aplicadas en diferentes lugares, el palo experimenta una rotación acelerada. Por lo tanto, sabemos que el punto en el que se aplica una fuerza es otro factor para determinar si se logra o no el equilibrio. Esto se explorará más a fondo en la siguiente sección.

Se muestra un palo de hockey. En el punto medio del palo, se muestran dos vectores de fuerza de color rojo, uno apuntando a la derecha y el otro a la izquierda. La línea de acción de las dos fuerzas es la misma. La parte superior de la figura está etiquetada como fuerza neta F es igual a cero. En la parte inferior derecha del diagrama de cuerpo libre, se muestra un punto con dos vectores horizontales, cada uno etiquetado como F y dirigido lejos del punto.
Figura 3. Un palo de hockey sobre hielo recostado sobre hielo con dos fuerzas horizontales iguales y opuestas aplicadas a él. La fricción es insignificante, y la fuerza gravitacional se equilibra con el soporte del hielo (una fuerza normal). Por lo tanto, F neto = 0. Se alcanza el equilibrio, que en este caso es equilibrio estático.
Un palo de hockey se muestra. Se muestran los dos vectores de fuerza que actúan sobre el palo de hockey, uno apuntando a la derecha y el otro a la izquierda. Las líneas de acción de las dos fuerzas son diferentes. Cada vector está etiquetado como F. En la parte superior e inferior del palo hay dos flechas circulares, que muestran la dirección de la rotación en el sentido de las agujas del reloj. En la parte inferior derecha del diagrama de cuerpo libre, se muestra un punto con dos vectores horizontales, cada uno etiquetado como F y dirigido lejos del punto.
Figura 4. Las mismas fuerzas se aplican en otros puntos y el palo gira—de hecho, experimenta una rotación acelerada. Aquí net F = 0 pero el sistema no está en equilibrio. Por lo tanto, la F neta = 0 es una condición necesaria, pero no suficiente, para lograr el equilibrio.

EXPLORACIONES DE PHET: TORQUE

Investigue cómo el torque hace que un objeto gire. Descubra las relaciones entre la aceleración angular, el momento de inercia, el momento angular y el par.

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Figura 5. Par
  • la Estática es el estudio de las fuerzas en equilibrio.
  • Se deben cumplir dos condiciones para lograr el equilibrio, que se define como movimiento sin aceleración lineal o rotacional.
  • La primera condición necesaria para lograr el equilibrio es que la fuerza externa neta en el sistema debe ser cero, de modo que\boldsymbol{\textbf{net }F=0}.

Cuestiones Conceptuales

1: ¿Qué puedes decir sobre la velocidad de un cuerpo en movimiento que está en equilibrio dinámico? Dibuje un boceto de tal cuerpo usando flechas claramente etiquetadas para representar todas las fuerzas externas en el cuerpo.

2: ¿En qué condiciones puede un cuerpo giratorio estar en equilibrio? Pon un ejemplo.

Glosario

equilibrio estático un estado de equilibrio en el que la fuerza externa neta y el par que actúan sobre un sistema son cero equilibrio dinámico un estado de equilibrio en el que la fuerza externa neta y el par en un sistema que se mueve a velocidad constante son cero

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