Fundamentos de Fuerzas, Equilibrio y Máquinas Simples en Física

Conceptos Fundamentales de Fuerza en Física

En física, la fuerza es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas (en física de partículas se habla de interacción). Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.

Tipos de Fuerzas

• Fuerzas Coplanarias: Se encuentran en un mismo plano y se definen en dos ejes, llamados “x” e “y”.
• Fuerzas No Coplanarias: Son aquellas que se encuentran en diferentes planos y se definen en tres ejes “x”, “y” y “z”.
• Fuerzas Colineales: Son aquellas que se encuentran o actúan sobre la misma línea de acción, no interesando la dirección ni el sentido de estas.
• Fuerzas Concurrentes: Se les considera a aquellas que inciden en un mismo punto, es decir, que concurren formando uno o más ángulos de acuerdo al número de fuerzas que actúan; a este tipo de fuerzas también se les llama angulares.
• Fuerzas Paralelas: Son aquellas que actúan sobre una línea de acción de tal manera que el resultado de estas se obtiene trazando la paralela en cada una de ellas y representando la resultante en el corte sobre la línea de acción, limitándose también a conocer la distancia a la que están sujetas.

Un vector es una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física, la cual depende únicamente de un módulo (o longitud) y una dirección (u orientación) para quedar definido.

Un par de fuerzas es un sistema formado por dos fuerzas de la misma intensidad o módulo, de la misma dirección (paralelas) y de sentido contrario.

Máquinas Simples: La Palanca

La palanca es una máquina simple que tiene como función transmitir una fuerza y un desplazamiento. Está compuesta por una barra rígida que puede girar libremente alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro.

Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplica a un objeto, para incrementar su velocidad o la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.

El esfuerzo es la fuerza que actúa sobre un cuerpo y que tiende a estirarlo (tracción), aplastarlo (compresión), doblarlo (flexión), cortarlo (corte) o retorcerlo (torsión).

Condiciones de Equilibrio

Primera Condición: Equilibrio de Traslación

Cuando se estudia la primera ley de Newton, llegamos a la conclusión de que, si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza externa, este permanece en reposo o en un movimiento rectilíneo uniforme. Sin embargo, sobre un cuerpo pueden actuar varias fuerzas y aun así permanecer en reposo o en un movimiento rectilíneo uniforme. Hay que tener en cuenta que, tanto para la situación de reposo como para la de movimiento rectilíneo uniforme, la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es igual a cero.

Segunda Condición: Equilibrio de Rotación

Si a un cuerpo que puede girar alrededor de un eje se le aplican varias fuerzas y no producen variación en su movimiento de rotación, se dice que el cuerpo puede estar en reposo o tener movimiento uniforme de rotación.

También se puede decir que un cuerpo se encuentra en equilibrio de rotación si la suma algebraica de los momentos o torques de las fuerzas aplicadas al cuerpo, respecto a un punto cualquiera, debe ser igual a cero. Esto es T = 0

Ventaja Mecánica

En el caso de una máquina simple, la ventaja mecánica es el parámetro que resulta de dividir el valor numérico de la resistencia de un cuerpo entre la fuerza aplicada sobre este. Cuando la fuerza resistente es el peso de una carga, hay que calcular su valor a partir de la masa de la carga y de la aceleración de la gravedad.

Poleas

Polea Simple Fija

La manera más sencilla de utilizar una polea es colgar un peso en un extremo de la cuerda y tirar del otro extremo para levantar el peso. Una polea simple fija no produce una ventaja mecánica: la fuerza que debe aplicarse es la misma que se habría requerido para levantar el objeto sin la polea. Sin embargo, la polea permite aplicar la fuerza en una dirección más conveniente.

Polea Simple Móvil

Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga, un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar la polea y la carga. La polea simple móvil produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para levantar la carga sin la polea. Por el contrario, la longitud de la cuerda de la que debe tirarse es el doble de la distancia que se desea hacer subir a la carga.