Conceptos básicos para entender las fuerzas como vectores

Antes de entrar al tema principal es de vital importancia tener en cuenta aspectos generales para poder comprender el proyecto de esta materia.

Mecánica

La mecánica es una rama de las ciencias físicas que estudia el estado de reposo o movimiento de los cuerpos que están sometidos a la acción de fuerzas. En general, esta materia puede dividirse a su vez en tres ramas: mecánica de cuerpos rígidos, mecánica de cuerpos deformables y mecánica de fluidos. (HIBBELER, 1996).

Figura1.1 La mecánica se subdivide en estática y dinámica.

Masa

La masa es una medición de una cantidad de materia que se usa para comparar la acción de un cuerpo con la de otro. Esta propiedad se manifiesta como una atracción gravitacional entre dos cuerpos y proporciona una medida de la resistencia de la materia a un cambio en su velocidad. (HIBBELER, 1996).

Figura1.2 Las unidades de la masa son (Kg) en el sistema internacional.

Fuerza.

La fuerza se considera como un “empujón” o un “jalón” ejercido por un cuerpo sobre otro. (HIBBELER, 1996).

Figura1.3 Fuerza representada como un "jalón".

Unidades.

El Sistema Internacional de Unidades, que se abrevia SI es una versión moderna del sistema métrico que ha recibido reconocimiento en todo el mundo. En el sistema de unidades de uso común en Estados Unidos es el sistema FPS. (HIBBELER, 1996).

Tabla 1.1 Sistemas de unidades (1).
Nombre	Longitud	Tiempo	Masa	Fuerza
Sistema Internacional de Unidades	Metro (m)	Segundo (s)	Kilogramo (Kg)	Newton (N)
Sistema FPS	Pie (ft)	Segundo (s)	Slug	Libra (lb)

Idealización de una partícula.

Una partícula tiene masa, pero posee un tamaño que puede pasarse por alto. Por ejemplo, el tamaño de la Tierra es insignificante en comparación con el tamaño de su órbita; por lo tanto, la Tierra puede modelarse como una partícula cuando se estudia su movimiento orbital. Cuando un cuerpo se idealiza así se reduce a una forma bastante simplificada, puesto que la geometría del cuerpo no estará incluida en el análisis del problema."(HIBBELER, 1996).

Figura1.4 Idealización de los vectores de fuerza de un avión en el aire.

Primera ley de Newton.

Una partícula originalmente en reposo, o que se mueve en línea recta con velocidad constante, tiende a permanecer en este estado siempre que la partícula no se someta a una fuerza no balanceada. (HIBBELER, 1996).

Figura 1.5a Representación de una particulacon velocidad constante.

Segunda ley de Newton.

Una partícula sobre la que actúa una fuerza no balanceada F experimenta una aceleración a que tiene la misma dirección que la fuerza y una magnitud directamente proporcional a la fuerza. (HIBBELER, 1996).

Figura 1.5b Representación de una particula con una fuerza resultante actuando sobre ella.

Escalar.

Un escalar es cualquier cantidad física positiva o negativa que se puede especificar por completo mediante su magnitud. La longitud, la masa y el volumen son ejemplos de cantidades escalares. (HIBBELER, 1996).

Figura 1.6 Algunos ejemplos de escalares.

Vector.

Dentro del área de la física, se le conoce como vector a un segmento de recta en el espacio que parte de un punto hacia otro, es decir, que tiene dirección y sentido. Los vectores en física tienen por función expresar las llamadas magnitudes vectoriales.(1).

Un vector es cualquier cantidad física que requiere tanto de magnitud como de dirección para su descripción completa. (HIBBELER, 1996).

Figura 1.7 Las partes de un vector representadas gráficamente.

Condición de equilibrio

Existe una condición de equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es cero. Cada fuerza externa se equilibra con la suma de todas las demás fuerzas externas cuando existe equilibrio. La condición para que un cuerpo este en equilibrio es: (3).

Figura 1.8 Representa las ecuaciones o condición que nos dice “la sumatoria de fuerzas en cada componente es igual a 0”

Mesa de fuerzas.

La mesa de fuerzas es un instrumento didáctico que permite realizar las fuerzas sobre el anillo mediante cuerdas que pasan por una polea de baja fricción y sostienen pesos en sus extremos. De esta manera podemos conocer la magnitud de las fuerzas midiendo pesos. Además, el instrumento cuenta con una graduación de su circunferencia que permite medir ángulos y definir la dirección de las fuerzas. El propósito más general de esta experiencia es verificar que las fuerzas deben ser tratadas como vectores. Cuando las fuerzas hacen que el sistema se encuentre en equilibrio, se permite corroborar la primera ley de Newton que afirma que “Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.” Debido a que el cambio de ángulo de alguna de las fuerzas, implicará el cambio de estado del aro central, dejando de estar en equilibrio el sistema (4).

Figura 1.9 Representación de la mesa de fuerzas.

La mecánica de cuerpos rígidos se divide en dos áreas: estática y dinámica. La estática estudia el equilibrio de los cuerpos, es decir, de aquellos que están en repososo y la dinámica estudia los cuerpos en movimiento, para el desarrollo de este proyecto es necesario conocer el fundamento de la estática.

Representación de los vectores en la mesa de fuerzas

En la mesa de trabajo un vector se representa gráficamente como una fecha, la longitud representa la magnitud del vector y el ángulo se define por la abertura del vector respecto a un eje fijo, por tanto, el ángulo define la dirección de la línea de acción. La cabeza indica el sentido del vector.

Referencias

HIBBELER. (1996). Ingenieria Mecanica Estatica. Prentice Hall & IBD.

Llano, R. S. (1999). ESTÁTICA APLICADA. Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Cuyo.

Complementaria

1) Geofisica. Unam. Articulos19 - vectores

2) ¿Qué es la primera ley de Newton? (artículo). (s. f.). Khan Academy.

3) V. (2013, 24 julio). Fuerzas De Equilibrio. Documentos de Investigación - vickoandrade.

4) G. (s. f.). Laboratorio de Mesa de Fuerzas - VSIP.INFO. vsip.info.

Estática

Mesa de fuerzas

A) Conceptos