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Contenido principal

Primera condición del equilibrio

Este video explica la primera condición para el equilibrio de un cuerpo y enseña a realizar el diagrama de cuerpo libre. Creado por Khan Academy.

Transcripción del video

En este video vamos a hablar acerca del  equilibrio mecánico. Imagina una lámpara   que cuelga del techo, quizá algo parecido a esto.  ¿Cuáles son las fuerzas que están actuando sobre   ella? Pausa el video y piensa un poco en ello. La  lámpara cuelga y está en reposo, las fuerzas que   actúan sobre ella son la gravedad y la tensión del  cable que conecta a la lámpara al techo e impide   que caiga al suelo. Son fuerzas que actúan sólo  en el sentido vertical, como puedes observar. El   equilibrio mecánico ocurre cuando la suma de todas  las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo es   igual a cero. Otra forma de decir esto es que: un  cuerpo se encuentra en equilibrio de traslación   cuando la fuerza resultante de la suma de todas  las fuerzas externas que actúan sobre él es nula.   La suma de F es igual a cero. Esta es la primera  condición de equilibrio: el cuerpo no tiene   aceleración alguna, se mantiene en reposo o en un  movimiento rectilíneo uniforme. Debemos recordar   que hay que considerar las fuerzas que actúan  sobre el cuerpo en todas las direcciones, en   todos los ejes coordinados: el eje X, el eje Y y  el eje Z. Esto lo podemos expresar de dos formas:   la matemática, que sería algo así como: la suma  de todas las fuerzas externas que actúan sobre el   cuerpo debe ser igual a cero, y también se puede  expresar de forma geométrica, haciendo un diagrama   con todas las fuerzas externas involucradas,  como este ejemplo de fuerzas coplanares:   en el caso del equilibrio mecánico forman un  polígono cerrado. Para comprender e identificar   cuáles son las fuerzas externas que actúan sobre  un cuerpo se recomienda usar la forma geométrica,   hacer un diagrama de cuerpo libre, también  conocido como diagrama de fuerzas sobre un   cuerpo libre. El diagrama debe tener el cuerpo  a analizar en el centro y también todas las   fuerzas externas que actúan sobre él, en forma de  vectores, y las etiquetas adecuadas. Recuerda que   las flechas indican la dirección y la magnitud de  las fuerzas, y de preferencia los vectores deben   dibujarse en el punto de aplicación de la fuerza.  Por ejemplo, en el caso de nuestra lámpara,   la dibujamos en el centro y, como ya habíamos  visto, las únicas fuerzas que actúan sobre ella   son verticales, la aceleración de la gravedad  que jala su masa hacia el centro de la Tierra   y la tensión del cable que sostiene la lámpara, la  sujeta del techo en dirección hacia arriba y evita   que se caiga. En este ejemplo todas las fuerzas  están en el eje Y, no hay fuerzas en el eje X ni   en el eje Z. Podríamos decir que la lámpara que  vimos al principio es pesada, digamos que tiene   una masa de 10 kilogramos; la aceleración que la  gravedad terrestre ejerce sobre la lámpara es de   10 kg (9.8 m/s²), o sea 98 N. Estamos usando un  valor aproximado para la gravedad terrestre. Por   convención decimos que la dirección hacia abajo  es negativa, por lo que el vector de la fuerza   de gravedad es -98 N, y como la lámpara está en  reposo quiere decir que la fuerza de tensión es   igual en magnitud a la fuerza de gravedad pero en  dirección opuesta, así que el resultado de la suma   de las fuerzas es cero. Otro ejemplo, un poco más  interesante, sería el de un cuerpo en movimiento   a velocidad constante. Imagina a una patinadora  sobre hielo que se mueve a velocidad constante.   En este caso no hay aceleración. Digamos que  la patinadora tiene una masa de 50 kg. Primero   hacemos el diagrama de cuerpo libre, dibujando  todas las fuerzas externas que actúan sobre la   patinadora. En el diagrama representamos a la  patinadora como un punto que corresponde a su   centro de masa. En el diagrama está la fuerza  de gravedad apuntando hacia abajo, la fuerza   normal que siente la patinadora debido a que está  sobre la pista de hielo y apunta hacia arriba y,   como la patinadora se está deslizando a velocidad  constante sin que una fuerza externa horizontal   intervenga, no hay fuerzas externas en sentido  horizontal. La fuerza de gravedad es la masa de   la patinadora multiplicada por la aceleración  gravitacional terrestre: 50 kg (9.8 m/s²),   de nuevo un valor aproximado para la gravedad  terrestre, y es igual a 490 N, y como apunta   hacia abajo la escribimos con un signo negativo.  La fuerza normal apunta en dirección opuesta a la   fuerza de gravedad, hacia arriba, y tiene la misma  magnitud pero en sentido contrario, por lo que es   igual a 490 N. Un cuerpo con movimiento uniforme  mantiene siempre su velocidad y, por tanto, no   tiene perturbaciones externas, por lo que se puede  decir que está en equilibrio. Siempre y cuando no   intervenga una fuerza externa adicional, el objeto  puede mantenerse indefinidamente moviéndose con   velocidad constante. Y con esto espero te haya  quedado más claro qué es el equilibrio mecánico,   así como el uso del diagrama de cuerpo  libre para identificar las fuerzas que   actúan sobre un cuerpo, y así determinar si  ese cuerpo está en equilibrio mecánico o no.