Equilibrio: Traslacional y rotacional

Equilibrio en movimiento

Si alguna vez ha sufrido una enfermedad que le provocó mareos, o incluso se levantó demasiado rápido después de estar sentado durante mucho tiempo, es posible que haya escuchado a alguien decirle que perdió el equilibrio. Cuando su cuerpo está en equilibrio, está en un estado de equilibrio físico, y perderlo hace que se sienta mareado. En física, también usamos el término equilibrio cuando hablamos de equilibrio.

Una forma común en que surge el equilibrio es al observar el movimiento de un objeto. Sin embargo, podemos tener diferentes tipos de movimiento y, por lo tanto, diferentes tipos de equilibrio. Dos tipos comunes de movimiento son el movimiento de traslación y el de rotación.

El movimiento de traslación ocurre cuando un cuerpo se mueve de un punto a otro. Cuando te levantas y viajas de casa a la escuela o al trabajo, tu cuerpo experimenta un movimiento de traslación ya que se mueve entre dos puntos. El movimiento de rotación ocurre cuando un cuerpo rígido gira alrededor de un eje. Ejemplos de movimiento de rotación serían un ventilador de techo girando o una rueda girando. Observaremos ambos tipos de movimiento y aprenderemos sobre los estados de equilibrio asociados con ellos.

Equilibrio traslacional

Decimos que un objeto está en equilibrio traslacional cuando la suma de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es igual a cero. Dado que una fuerza es una masa multiplicada por una aceleración, otra forma de ver esto es que un objeto está en equilibrio traslacional cuando experimenta una aceleración total cero. Esto puede significar que el objeto no se mueve o que se mueve a una velocidad constante.

Si podemos decir que un objeto está en equilibrio traslacional, podemos usarlo para ayudar a encontrar todas las fuerzas que afectan a ese objeto. Imagínese tratando de empujar una caja de 20 kilogramos por el suelo. Empujas con una fuerza aplicada de 200 Newtons, pero la caja no se mueve ni una pulgada. Dado que nuestra caja no se mueve, debe estar en equilibrio traslacional. Usando la información dada, encontremos todas las fuerzas que actúan sobre la caja.

En este ejemplo, en realidad hay cuatro fuerzas que actúan sobre la caja: una fuerza aplicada por usted, una fuerza de fricción que le impide mover la caja, la fuerza debida a la gravedad que empuja hacia abajo y la fuerza normal del piso que empuja hacia arriba la caja. . Lo primero que hacemos es usar la masa de nuestra caja y la aceleración debida a la gravedad para encontrar la fuerza debida a la gravedad.

Ahora solo tenemos que encontrar las fuerzas normales y de fricción. Para hacer esto, vamos a crear dos ecuaciones separadas. En 2D podemos dividir nuestras fuerzas en aquellas que actúan en la dirección x (horizontalmente) y aquellas que actúan en la dirección y (verticalmente). La suma de las fuerzas horizontales solamente, y la suma de las fuerzas verticales solamente, ambas deben ser iguales a cero ya que la caja está en equilibrio de traslación.

Nuestra fuerza aplicada y la fuerza de fricción son las fuerzas horizontales. La fuerza debida a la gravedad y la fuerza normal son las fuerzas verticales. Con esto podemos encontrar nuestras dos fuerzas desconocidas. Empezaremos por encontrar la fuerza de fricción.

A continuación, encontraremos la fuerza normal.

Los signos negativos tienen sentido porque muestran que la fuerza debida a la gravedad y la fuerza de fricción actúan en direcciones opuestas a la fuerza normal y la fuerza aplicada, respectivamente.

Equilibrio rotacional

El equilibrio rotacional funciona de manera bastante similar al equilibrio traslacional. La principal diferencia es que con la rotación buscamos pares en lugar de fuerzas. Entonces, al igual que el equilibrio traslacional, decimos que un objeto está en equilibrio rotacional cuando la suma de todos los pares externos que actúan sobre él es igual a cero. Nuevamente, encontramos que esto debe significar que el objeto está estacionario o se mueve a una velocidad angular constante. Entonces, un objeto en equilibrio rotacional no debe experimentar ninguna aceleración angular.

Cuando un objeto está en equilibrio rotacional, podemos usar el hecho de que la suma de los pares debe ser cero para encontrar las diferentes fuerzas individuales que actúan sobre ese objeto. Un ejemplo de esto es una viga que se balancea en su centro sobre un fulcro con dos pesos en cada extremo. Cada peso produce un par de torsión en la viga que intenta girarlo alrededor del fulcro. La viga no creará ningún par por sí misma siempre que esté equilibrada con su centro de masa en el fulcro. Entonces, la suma de los pares de torsión del peso 1 y el peso 2 debe ser igual a cero.

Usando lo que acabamos de aprender, intentemos encontrar la fuerza debida a la gravedad creada por el peso 2 que actúa sobre la viga. El peso 1 crea una fuerza debido a la gravedad de 147 Newtons en la viga y está a 2,4 metros del fulcro. El peso 2 está a 1,3 metros del fulcro.

Diagrama por ejemplo

En la imagen, también podemos ver que el par 1 intenta girar el rayo en sentido antihorario y el par 2 intenta girarlo en sentido horario. Para mostrar la dirección de rotación, damos a los pares que giran un objeto en sentido antihorario un signo positivo y a los pares que giran un objeto en sentido horario un signo negativo.

Como sabemos que el par es una fuerza multiplicada por una distancia, tenemos suficiente información para encontrar la fuerza debida a la gravedad del peso 2.

Resumen de la lección

El movimiento de traslación y de rotación son dos tipos comunes de movimiento en física. El movimiento de traslación ocurre cuando un cuerpo se mueve de un punto a otro, y el movimiento de rotación ocurre cuando un cuerpo rígido gira alrededor de un eje. Ambos tipos de movimiento tienen estados de equilibrio asociados.

Un objeto está en equilibrio traslacional cuando la suma de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es igual a cero. Esto también significa que un objeto está en equilibrio traslacional cuando experimenta una aceleración total cero. Por lo tanto, no se mueve o se mueve a una velocidad constante.

De manera similar al equilibrio traslacional, un objeto está en equilibrio rotacional cuando la suma de todos los pares externos que actúan sobre él es igual a cero. En equilibrio rotacional, un objeto no se moverá o no se moverá a una velocidad angular constante. Esto debe significar que el objeto experimenta una aceleración angular cero.

Los resultados del aprendizaje

Debería tener la capacidad de hacer lo siguiente después de esta lección:

• Definir movimiento de traslación y movimiento de rotación
• Recuerde cuando un objeto está en equilibrio traslacional y cuando un objeto está en equilibrio rotacional
• Explica cómo encontrar las fuerzas que actúan sobre un objeto tanto en equilibrio traslacional como rotacional.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador