Les vencimos

Física y Química · 1º Bachillerato

Lección 19 · Bloque E · Estática

Quieta la suma, y aun así puede girar

1º Bachillerato Física y Química · Ciencias · Decreto 40/2022 CyL

Objetivos

Qué significa cada letra

CasoCondición que pidesQué puede quedar
PartículaResultante ceroNada: no gira
Sólido rígidoResultante cero y momentos ceroSi un momento no es cero, gira
ParLa suma de las dos fuerzas es ceroEl momento F·d

Suma de fuerzas cero no implica momento cero. El par de 15 N es la prueba: 15 − 15 = 0 N y M = 6,0 N·m.

Resultante 6 N y 8 N, y un par de 15 N separado 0,40 m 6 N 8 N 10 N 6² + 8² = 36 + 64 = 100. R = 10 N. 15 N hacia arriba 15 N hacia abajo, a 0,40 m Suma de fuerzas = 0. Momento = 15·0,40 = 6,0 N·m.

Ejemplo resuelto, paso a paso

  1. Una partícula recibe 6,0 N hacia el este y 8,0 N hacia el norte. No están en la misma recta: son perpendiculares.
  2. Módulo de la resultante: R = √(6,0² + 8,0²) = √(36 + 64) = √100 = 10 N. No hace falta el grado: la dirección queda dicha como «la de la hipotenusa de 6 y 8».
  3. Para que la partícula quede en equilibrio, la tercera fuerza ha de ser 10 N en sentido contrario a esa resultante. Entonces 10 − 10 = 0.
  4. Un volante: dos fuerzas de 15 N, paralelas y opuestas, separadas d = 0,40 m. Suma de fuerzas: 15 − 15 = 0 N. No hay traslación del centro.
  5. Momento del par: M = F·d = 15·0,40 = 6,0 N·m. El volante sí puede girar. Equilibrio de sólido rígido exigiría que ese momento también fuera cero.

Segundo ejemplo resuelto

El momento sale otra vez 6,0 N·m y el caso no es el par. Aquí hay una sola fuerza y la distancia va del eje a la recta de esa fuerza. El eje es la recta alrededor de la cual la puerta puede girar.

Puerta: 12 N perpendiculares a 0,50 m del eje eje 12 N d = 0,50 m M = 12 · 0,50 = 6,0 N·m. Una sola fuerza: no es el par de 15 N.
  1. Empujas una puerta con F = 12 N, perpendicular a la hoja. La recta de la fuerza queda a d = 0,50 m del eje. d sigue siendo la distancia perpendicular, en metros, la misma letra del momento de arriba.
  2. Momento respecto al eje: M = F·d = 12·0,50 = 6,0 N·m. Doce por un medio es seis. La unidad es newton metro, como en el par.
  3. El par de 15 N separados 0,40 m también daba 6,0 N·m. El módulo coincide. La situación, no: allí 15 − 15 = 0 N y había dos fuerzas. Aquí la fuerza que tú haces mide 12 N y no tiene pareja dentro de tu mano.
  4. Si la puerta no se traslada, el eje responde con 12 N opuestos a la tuya. La suma de fuerzas puede quedar en cero y el momento respecto al eje sigue siendo 6,0 N·m mientras empujas. Por eso una puerta quieta en el marco puede empezar a girar.
  5. Para que no gire, el momento contrario tiene que valer también 6,0 N·m. Sirve 12 N a 0,50 m en el otro sentido, o 6,0 N con d = 1,0 m, porque 6,0·1,0 = 6,0. A 0,25 m harían falta 24 N: 24·0,25 = 6,0. Más cerca del eje, más fuerza para el mismo momento. No hay ángulo en grados: la fuerza ya es perpendicular.

Ejercicios

Escribe en el editor. El esquema de flechas va en el lienzo de esta página.

1. Pitágoras

Fuerzas perpendiculares de 5,0 N y 12 N. Calcula el módulo de la resultante.

Porqué

5² + 12² = 25 + 144 = 169. √169 = 13. La resultante mide 13 N. Es el triple pitagórico 5-12-13, no una aproximación.

2. La tercera fuerza

Esas mismas 5,0 N y 12 N actúan sobre un anillo. ¿Qué tercera fuerza lo deja en equilibrio?

Porqué

La resultante mide 13 N. La tercera fuerza mide 13 N y va en sentido contrario a esa hipotenusa: 13 − 13 = 0. Si la pones a favor, 13 + 13 = 26 N y el anillo se acelera. No hace falta un grado: el sentido queda dicho como el opuesto a la resultante de 5,0 N y 12 N.

3. Peso y normal

Un libro de 0,50 kg está quieto sobre la mesa. g = 9,8 m/s². Calcula el peso y la normal.

Porqué

P = 0,50·9,8 = 4,9 N hacia abajo. Como no hay aceleración vertical, N = 4,9 N hacia arriba. No hace falta rozamiento: no hay fuerza horizontal.

4. Par en una llave

Dos fuerzas de 25 N, opuestas y paralelas, separadas 0,20 m. Suma de fuerzas y momento del par.

Porqué

Suma: 25 − 25 = 0 N. M = 25·0,20 = 5,0 N·m. El centro no se traslada por este par; la llave sí tiende a girar.

5. ¿Partícula o sólido?

La suma de fuerzas sobre una barra es cero y el momento respecto al centro no lo es. ¿Está en equilibrio?

Porqué

No, si la tratas como sólido rígido. La suma nula cancela la traslación del centro, y un momento distinto de cero produce giro. Una partícula no gira: con suma nula estaría en equilibrio. El par del primer ejemplo lo separa con cifras: 15 − 15 = 0 N y, aun así, M = 15·0,40 = 6,0 N·m. La puerta del segundo ejemplo hace lo mismo con una sola fuerza de 12 N a 0,50 m.

Dibuja el par

En el lienzo, una barra, dos flechas de 15 N opuestas y la cota 0,40 m.

En la vida real

Dónde se nota el par

  • El volante y la llave inglesa: empujas en un sitio y el apoyo empuja al revés. Lo que gira es el momento, no «una fuerza suelta».
  • Un semáforo colgado está en equilibrio de sólido: cables y peso se compensan, y no gira si los momentos también cierran.
  • En el deporte, un golpe que pasa por el centro empuja; uno que pasa lejos del centro, además, rota. Eso enlaza con la lección del momento lineal.
  • La puerta lo cuantifica: 12 N a 0,50 m dan 6,0 N·m. La misma cifra, 6,0 N·m, sale del par de 15 N a 0,40 m. Mismo momento, dos mecanismos distintos.
Problema · en esta página

Un par. Elige el módulo y la separación. Escribe el momento en N·m, con una cifra decimal si hace falta.

Reto Profesor

Cierra una barra

Una barra de 1,00 m, apoyada en el centro. Cuelga 20 N a 0,30 m a la izquierda del centro. Di qué fuerza, a qué distancia a la derecha, anula el giro. En el lienzo, las dos flechas. g no hace falta: la fuerza ya está en newtons.

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