1.3: Fuerzas
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Preguntas Clave
- ¿Cuáles son algunos de los tipos fundamentales de fuerzas que se utilizan en la estática?
- ¿Por qué a menudo simplificamos las fuerzas distribuidas con fuerzas equivalentes?
La estática es un curso sobre fuerzas y vamos a tener mucho que decir sobre ellas. En su forma más simple, una fuerza es un “empujar o tirar”, pero las fuerzas provienen de diversas fuentes y ocurren en muchas situaciones diferentes. Como tal necesitamos un vocabulario especializado para hablar de ellos. También nos interesan las fuerzas que provocan la rotación, y tenemos términos especiales para describirlas también.
Como ejemplo de los tipos de fuerzas que encontrarás en la estática considera las fuerzas que afectan a una caja sobre una superficie rugosa siendo jalada por un cable. La carga en la caja puede ser representada por cuatro tipos diferentes de fuerza. El cable provoca una fuerza puntual, las fuerzas normales y de fricción son fuerzas de reacción, y el peso es una fuerza corporal.
Algunos de los términos importantes utilizados describen diferentes tipos de fuerzas se dan a continuación; otros se definirán según sea necesario más adelante en el libro.
Una fuerza puntual es una fuerza que actúa en un solo punto. Ejemplos serían el empuje que das para abrir una puerta, el empuje de un motor cohete, o el tirón de la cadena suspendiendo una bola de naufragio. En realidad, las fuerzas puntuales son una idealización ya que todas las fuerzas se distribuyen en cierta cantidad de área. Las fuerzas puntuales también se denominan fuerzas concentradas. Las fuerzas puntuales son el tipo más fácil de tratar computacionalmente por lo que aprenderemos algunas herramientas matemáticas para representar otros tipos como fuerzas puntuales.
Las fuerzas corporales son fuerzas que se distribuyen a lo largo de un cuerpo tridimensional. La fuerza corporal más común es el peso de un objeto, pero hay otras fuerzas corporales incluyendo la flotabilidad y las fuerzas causadas por campos gravitacionales, eléctricos y magnéticos. El peso y la flotabilidad serán las únicas fuerzas corporales que consideremos en este libro.
En muchas situaciones, estas fuerzas son pequeñas en comparación con las otras fuerzas que actúan sobre el objeto, y como tales pueden ser descuidadas. En la práctica, la decisión de descuidar fuerzas se debe tomar con base en un juicio de ingeniería sólido; sin embargo, en este curso debes considerar el peso en tu análisis si la declaración del problema proporciona suficiente información para determinarlo, de lo contrario puedes ignorarlo.
En el ejemplo anterior, la fuerza puntual debida al cable, y el peso de la caja se denominan cargas. El peso de un objeto y cualquier fuerza aplicada intencionalmente a él se consideran cargas, mientras que las fuerzas que mantienen un objeto cargado en equilibrio o mantienen partes de un objeto unidas no lo son.
Las fuerzas de acción o simplemente las reacciones son las fuerzas y momentos que mantienen o limitan un objeto o sistema mecánico en equilibrio. Se les llama las reacciones porque reaccionan cuando cambian otras fuerzas en el sistema. Si la carga en un sistema aumenta, las fuerzas de reacción aumentarán automáticamente en respuesta a mantener el equilibrio. Las fuerzas de reacción se introducen en el Capítulo 3 y los momentos de reacción se introducen en el Capítulo 5.
En el ejemplo anterior, la fuerza del suelo sobre la caja es una fuerza de reacción, y se distribuye sobre toda la superficie de contacto. La fuerza de reacción se puede dividir en dos partes: una componente normal que actúa perpendicular a la superficie y soporta el peso de la caja, y una componente de fricción tangencial que actúa paralela al suelo y resiste la tracción del cable.
El peso, el componente normal y el componente de fricción son ejemplos de fuerzas distribuidas ya que actúan sobre un volumen o área y no en un solo punto. Por simplicidad computacional, generalmente modelizamos fuerzas distribuidas con fuerzas puntuales equivalentes. Este proceso se discute en el Capítulo 7.