Fuerzas y Vectores
En otra lección, aprendimos cómo la fuerza es una cantidad vectorial . Esto significa que tiene magnitud y dirección. Por tanto, decir que una fuerza es de 5 Newton no es suficiente; también necesitamos saber la dirección de la fuerza, por ejemplo, 5 Newton a la izquierda. Un diagrama vectorial nos muestra la magnitud relativa y la dirección de una cantidad vectorial usando flechas vectoriales. En este tipo de diagrama, el tamaño de la flecha nos dice la magnitud relativa de la fuerza, y la dirección hacia la que apunta la flecha nos dice la dirección de la fuerza.
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Un diagrama de cuerpo libre es un tipo único de diagrama vectorial. En este tipo de diagrama, etiquetamos cada vector con el tipo de fuerza que representa, y usamos un cuadro para representar el objeto sobre el que actúa la fuerza (o fuerzas). No hay límite para el número de fuerzas que se pueden representar en un diagrama de cuerpo libre; ¡Debes atraer tantas fuerzas como haya para ese objeto!
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Ejemplos
Echemos un vistazo a algunos diagramas de cuerpo libre para ver cómo funcionan. Por ejemplo, digamos que tenemos un libro sobre una mesa. Este libro está en reposo, ¡pero eso no significa que no haya fuerzas actuando sobre él! Existe la fuerza de la gravedad que tira del libro hacia abajo, pero también existe la fuerza normal que empuja hacia arriba desde abajo. Como el libro está en reposo, sabemos que estas son fuerzas equilibradas , lo que significa que son iguales en magnitud y opuestas en dirección.
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Ahora digamos que alguien viene y empuja ese libro desde la izquierda y lo mueve ligeramente por la mesa. Todavía tenemos la fuerza de la gravedad tirando hacia abajo y la fuerza normal empujando hacia arriba. Debido a que el libro no se mueve verticalmente, esto significa que esas fuerzas aún están equilibradas.
Pero dado que el libro ahora se mueve horizontalmente, podemos ver que hay fuerzas desequilibradas en acción. Las fuerzas desequilibradas son aquellas que no tienen la misma magnitud y esto provoca un cambio en el estado de movimiento del libro . De la persona que empuja el libro, tenemos una fuerza aplicada, que es mayor en magnitud que la fuerza de fricción que actúa en la dirección opuesta. Esto hace que el libro se mueva, pero cuando la persona deja de empujar el libro ya no se aplica fuerza y el libro vuelve a su estado de reposo.
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Ahora digamos que la persona empuja el libro para que viaje a una velocidad constante , lo que significa que viaja a una velocidad y dirección constantes. Las fuerzas horizontales ahora están equilibradas y el libro está en equilibrio , lo que significa que no hay cambio en el estado de movimiento del objeto. Los objetos que se mueven pueden estar en equilibrio siempre que viajen a una velocidad constante, y nuestro diagrama de cuerpo libre ahora refleja esto con flechas de igual tamaño en todas las direcciones (la gravedad y la fuerza normal todavía están equilibradas aquí).
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Pero, ¿qué sucede cuando esa persona empuja el libro del final de la mesa? El libro cae porque las fuerzas verticales ahora están desequilibradas. Hay algo de resistencia del aire que empuja el libro hacia arriba mientras cae, pero la gravedad es la fuerza de mayor magnitud, por lo que el libro golpea el suelo.
Una vez en el suelo, vuelve a un estado de reposo porque la fuerza normal vuelve a equilibrarse con la gravedad. Una vez en reposo, el libro vuelve a estar en equilibrio (como cuando se movía a velocidad constante), y las flechas vectoriales se dibujan del mismo tamaño para reflejar esto.
Resumen de la lección
La fuerza es una cantidad vectorial , lo que significa que tiene magnitud y dirección. Debido a esto, representamos fuerzas con diagramas de cuerpo libre , un tipo especial de diagrama vectorial. Los vectores se muestran mediante flechas: el tamaño de la flecha representa la magnitud de la fuerza, mientras que la dirección de la flecha indica la dirección de la fuerza. Las flechas vectoriales pueden estar en cualquier dirección, pero deben etiquetarse correctamente para que quede claro qué fuerza se representa.
Las fuerzas equilibradas son fuerzas que son iguales en magnitud pero opuestas en dirección. Los mostramos en diagramas de cuerpo libre como flechas del mismo tamaño que apuntan en direcciones opuestas. Cuando solo actúan fuerzas equilibradas sobre un objeto, decimos que el objeto está en equilibrio , lo que significa que no hay cambio en el estado de movimiento del objeto. Tanto los objetos en movimiento como los objetos en reposo pueden estar en equilibrio siempre que el objeto tenga una velocidad constante.
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Las fuerzas desequilibradas son fuerzas que no son iguales en magnitud, por lo que provocan un cambio en el estado de movimiento del objeto. Cuando alguien empuja un libro sobre una mesa, ese empujón es mayor que la fricción que actúa contra él, por lo que el libro se mueve. Cuando el libro cae de la mesa, la gravedad se hace cargo y tira del libro hacia abajo hasta que vuelve a estar en reposo.
Los resultados del aprendizaje
Cuando termine esta lección en video, debería poder:
- Explica qué es un diagrama de cuerpo libre.
- Identificar las diferencias entre fuerzas equilibradas y desequilibradas.
- Describe la velocidad y el equilibrio.
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