IE Semana - Física

FÍSICA
PROGRAMA ACADÉMICO VIRTUAL
Semana 9
ESTÁTICA I
TEMA 1: ESTÁTICA
TEMA 2: TERCERA LEY DE NEWTON
TEMA 3: FUERZAS USUALES
TEMA 4: 1° CONDICIÓN DE
EQUILIBRIO
CURSO DE FÍSICA (ASM 2020)
Objetivos:
 Conocer la naturaleza de las
interacciones y la forma de
medirlas.
 Comprender la relación entre las
fuerzas y el equilibrio mecánico
de los cuerpos.
 Aplicar la primera condición del
equilibrio mecánico.
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TEMA 1: ESTÁTICA
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Empíricamente, consideramos que un
cuerpo está en equilibrio cuando no se
mueve o presenta una posición estable,
tal como el flamenco parado en una
pata, el hotel voladizo y el panel
luminoso.
La Física nos enseña que el estado de
reposo o estabilidad de cierto cuerpo,
depende de su INTERACCIÓN con los
demás cuerpos que lo rodean y además;
en uno de sus capítulos denominado
Estática, desarrolla el concepto de
FUERZA, EQUILIBRIO MECÁNICO
y
CONDICIONES DE EQUILIBRIO MECÁNICO.
Los ejemplos mostrados y otros con
movimiento uniforme, son casos de
equilibrio mecánico y serán estudiados
en el presente capítulo: ESTÁTICA.
MECÁNICA:
Cinemática
Estática
Dinámica
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Veamos otros casos donde pueden aplicarse las
Leyes de la Estática:
El tanque metálico es arrastrado lentamente hacia el
camión mediante la aplicación de fuerzas en las cuerdas.
Este movimiento lento y controlado, también es un estado
de equilibrio mecánico.
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Durante un M.R.U., el ciclista viaja seguro porque
tiene suficiente control de la bicicleta, por ello se dice
que se encuentra en equilibrio mecánico:
El reposo y el movimiento uniforme, como el M.R.U. y el
M.C.U. ( movimiento circunferencial uniforme ), son formas de
equilibrio mecánico, por lo tanto; están sujetos a ciertas
condiciones o Leyes de la Estática.
¡La Estática tiene como objetivo principal, plantear las
condiciones necesarias para el equilibrio mecánico!
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Analicemos el sistema de bloques en reposo:
𝑣=0
En la posición mostrada, cada bloque tiende a
moverse sobre el plano inclinado; sin embargo, sus
velocidades no cambian a través del tiempo. Esto
indica que, los bloques no aceleran y se mantienen en
equilibrio mecánico.
Es evidente que los bloques se mantienen en reposo
gracias a la cuerda tensa y el apoyo del plano
inclinado; entonces:
¿ Qué pasará si cortamos la cuerda ?
Por lo menos alguno de los bloques empezará a descender de
modo que su velocidad aumentará a través del tiempo; es
decir: ahora se verificará la existencia de una aceleración, lo
cual significa que: ya no hay equilibrio mecánico.
Conclusión preliminar:
Durante el equilibrio mecánico de un cuerpo, éste no
acelera en la dirección de su movimiento porque hay un
conjunto de fuerzas externas que afectan al cuerpo y
cumplen cierta relación matemática y física.
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¿ QUÉ ES EL EQUILIBRIO MECÁNICO ?
Es aquel estado de reposo o de movimiento
uniforme que puede presentar un cuerpo o un
sistema físico afectado por dos o más fuerzas externas.
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Condiciones para el equilibrio mecánico:
Hay 02 condiciones y ecuaciones físicas para garantizar el
equilibrio mecánico de un cuerpo o sistema, los cuales se
plantearán después de conocer algunas fuerzas usuales y los
tipos de equilibrio mecánico.
Tipos de Equilibrio Mecánico:
Características fundamentales:
Durante el estado de equilibrio mecánico, el cuerpo no acelera
en la dirección de su movimiento rectilíneo o circunferencial;
es decir: el módulo de su rapidez lineal o tangencial, no
cambia en el tiempo.
El equilibrio mecánico depende del análisis de fuerzas externas
que afectan al cuerpo o sistema; por ello, es imprescindible
realizar el Diagrama de Cuerpo Libre ( D.C.L. ) del cuerpo en
análisis.
Reposo
𝑣=0
MRU:
𝑣റ= 𝑐𝑡𝑒.
Equil. Mecánico
de Traslación
MCU:
𝜔 = 𝑐𝑡𝑒
Equil. Mecánico
de Rotación
TEMA 2: TERCERA LEY DE NEWTON.
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A una ACCIÓN le corresponde otra acción de dirección
contraria, a la cual denominaremos REACCIÓN.
Esto significa que: Entre las manos de la señora y la caja,
ocurre una acción mutua y simultánea que en la Estática se
denominará: INTERACCIÓN física.
Consideremos el siguiente caso:
Una señora empujando
una caja…
Una INTERACCIÓN física es aquella acción mutua
entre dos entes materiales ( cuerpos, partículas o campos
físicos de igual naturaleza ), en forma simultánea.
Separemos imaginariamente a ambos cuerpos:
Acción del
cajón sobre
las manos
E N
Acción de las
manos sobre
el cajón
INTERACCIÓN
Reacción
𝑭𝟐
Es evidente que: mediante sus manos, la señora ejerce
una acción sobre la caja; pero a la vez, la caja también ejerce
una acción sobre las manos de la señora.
Podemos afirmar que:
Acción
𝑭𝟏
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MEDICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE UNA INTERACCIÓN
Cada interacción puede medirse en forma escalar y
vectorial:
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Características de las FUERZAS en una INTERACCIÓN:
 Siempre surgen en parejas ( Par acción – reacción ).
 Están contenidas en una misma línea de acción ( son
colineales ).
 Presentan el mismo módulo pero sus direcciones son
opuestas.
La medición vectorial de una interacción, se realiza
mediante la FUERZA ( 𝐅Ԧ).
La Fuerza es aquella magnitud vectorial que expresa la
intensidad y la dirección de cada una de las acciones que
surgen durante una interacción física.
En el S.I. la unidad de medida de la Fuerza, es el NEWTON
( N ).
 Actúan sobre cuerpos diferentes y por lo tanto,
producen efectos diferentes, dependiendo de su masa,
material, tamaño, forma y velocidad.
TERCERA LEY DE NEWTON
Esta ley sistematiza el concepto de INTERACCIÓN y
FUERZA, constituyéndose así en uno de los tres pilares
de la llamada Física Clásica o newtoniana.
Se conoce también como: Ley de Acción y de Reacción.
TEMA 3: FUERZAS USUALES
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FUERZAS USUALES EN LA MECÁNICA:
A ) Fuerza de Gravedad (𝑭𝒈) :
Es aquella fuerza que mide la acción del planeta Tierra sobre los
cuerpos que se encuentran en sus inmediaciones (el cuerpo
puede encontrarse en la superficie terrestre o por encima de
ella).
𝑚
C.G.
𝐹𝑔
𝑀𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎
𝐹𝑔
La línea de acción de 𝑭𝒈 , pasa por
el Centro de Gravedad (C.G.) del
cuerpo y de la Tierra.
El hombre de masa “m” es atraído
por la Tierra, con una fuerza de
módulo:
𝑭𝒈 = 𝒎 . 𝒈
C.G.
m: masa del cuerpo (kg)
g : módulo de la aceleración de la
gravedad (m/𝑠2)
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Observación:
Si el cuerpo es homogéneo ( distribución uniforme de su masa ),
su C.G. se ubica en el centro geométrico del cuerpo, en su
baricentro o su metacentro, dependiendo de su forma
geométrica:
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B ) Fuerza de Tensión (𝑻)
Esta fuerza surge en el interior de las cuerdas, cadenas,
sogas, etc.; cuando se pretende estirarlas o deformarlas
longitudinalmente.
Para dibujarla se debe de realizar un corte imaginario, tal
como se muestra en la cadena:
𝑇
𝑇
La Tensión es aquel incremento de la fuerza de cohesión
intermolecular que se produce cada vez que se intenta
separar entre sí las moléculas del cuerpo.
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La fuerza de tensión, actúa a lo largo de la cuerda y
siempre apuntando al corte imaginario.
NOTA:
Se consideran cuerdas o sogas ideales:
Cuando la masa del cuerpo inextensible, es despreciable.
En tal caso, se demuestra que en cualquier sección recta
de la cuerda o soga, la fuerza de tensión presenta el
mismo módulo.
𝑇
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C ) Fuerza Elástica (𝑭𝑬)
Se puede verificar a que
medida que aumente la
mayor es la
𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
deformación
y
en
consecuencia mayor es el
módulo de la fuerza
elástica.
𝐹𝐸
𝐹𝐸
𝑥
𝑥
𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
𝑎
𝒍𝑶 : 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒
(sin deformar)
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𝐹𝑚𝑎𝑥
𝐹3
𝐹2
𝑡𝑎𝑛𝜃 = 𝑘
𝐹1
𝜃
𝑥1
𝑥2 𝑥3 𝑥 𝑚𝑎𝑥
𝑥
Esta característica fue estudiada por Robert Hooke quien
llegó a establecer que el módulo de la fuerza elástica es
D.P. a la deformación longitudinal:
𝐹𝐸 = 𝑘𝑥
𝐹𝑒 𝑥 𝑡 𝑒 𝑟 𝑛
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Su dirección es tal que siempre se opone a las fuerzas
externas deformadoras y trata de que el resorte recupere
su longitud natural.
𝐹𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
Esta fuerza se produce en el interior de aquellos
cuerpos capaces de recuperar sus dimensiones, como
los resortes, cada vez que son deformados por
estiramiento o compresión.
Veamos en el siguiente caso:
𝑙𝑂
E N
(LEY DE HOOKE)
𝒌: constante de rigidez del resorte y depende de las
propiedades elásticas del material (N/m ó N/cm)
𝒙: deformación (m) ó (cm)
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D ) Reacción ( 𝑹 ) de una superficie de apoyo:
Esta fuerza surge durante el contacto o apoyo de un
cuerpo sobre otro. Generalmente nos referimos a la
reacción de un plano que sostiene a un cuerpo.
En general, esta fuerza cuantifica el efecto de las
asperezas de ambos cuerpos y la presión normal
durante el contacto.
Por ahora, obviaremos las asperezas en el contacto;
por lo tanto, 𝑹 se graficará en forma perpendicular a
la superficie plana que predomina en el contacto.
𝑅𝑙 𝑖 𝑠
𝑎
Plano liso
Esfera lisa
𝑅𝑙𝑖𝑠𝑎
El plano tangente que separa a los cuerpos en contacto, es
horizontal; por lo tanto: la reacción del piso horizontal
sobre el paquete de libros, será VERTICAL.
𝑅𝑙𝑖𝑠𝑎 1
𝑅𝑙𝑖𝑠𝑎 2
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Diagrama de cuerpo libre (D.C.L.)
Ejemplo:
Es la representación gráfica de todas las fuerzas externas
que actúan sobre un cuerpo o sobre un sistema físico
que deseamos analizar.
𝐹𝑔
Procedimiento:
 Seleccionar convenientemente el cuerpo o sistema.
 Aislar imaginariamente al cuerpo o sistema elegido.
 Dibujar todas las fuerzas externas sobre el cuerpo o
sistema, verificando el efecto individual que produce
cada fuerza; respetando las direcciones naturales y
puntos de aplicación de cada fuerza y finalmente,
condicionando la concurrencia o paralelismo de
fuerzas si es necesario para sustentar el estado de
equilibrio mecánico o de movimiento acelerado.
𝑅1
𝑅2
𝑇
Para conocer la cantidad de fuerzas externas en un
D.C.L., NO DEBE DESCOMPONERSE
RECTANGULARMENTE ninguna de las fuerzas actuantes.
𝐹𝑔
𝑅
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Consideremos los siguientes eventos:
PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO MECÁNICO
Un cuerpo o un sistema físico se encontrará en
Equilibrio Mecánico de Traslación cuando la fuerza
resultante que lo afecta, es nula; es decir:
𝑣=0
Reposo
𝑣 = 𝑐𝑡𝑒
MRU
En ambos casos, los cuerpos no presentan
aceleración (𝑎Ԧ= 0).
Ya hemos visto que estos estados físicos,
corresponden al EQUILIBRIO MECÁNICO DE
TRASLACIÓN, el cual a la vez, puede subdividirse
en: Equilibrio Estático ( REPOSO ) y el Equilibrio
Cinético de Traslación ( M.R.U. ).
Matemáticamente y en forma práctica:
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