Diagrama de cuerpo libre

Un diagrama de cuerpo libre es la representación esquemática de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre, a menudo utilizado en Física e ingeniería. Este tipo de diagrama puede simplificar la comprensión de las fuerzas y momentos que actúan sobre un cuerpo, y sugerir los conceptos apropiados para aplicar para resolver las ecuaciones de movimiento.

Un diagrama de cuerpo libre es ante todo un esquema del cuerpo considerado, en el que se dibujan flechas que representan las fuerzas aplicadas a él. Elegir el cuerpo para dibujar puede ser la primera decisión importante en el proceso de resolver un problema mecánico. Por ejemplo, para determinar las fuerzas que actúan sobre el eje de un par de alicates, es suficiente para dibujar un diagrama de cuerpo libre de una mitad de los cuales se componen de las pinzas, reemplazando la segunda mitad con las mismas fuerzas que se deben aplicar a la primera. En la representación del cuerpo no debe añadir más detalles de los estrictamente necesarios. A menudo es suficiente dibujar solo la silueta del cuerpo en consideración. Todos los contactos externos, restricciones y fuerzas que actúan sobre el cuerpo se indican mediante flechas que representan vectores, identificados mediante descripciones apropiadas. A efectos prácticos, las flechas indicarán el punto de aplicación, la dirección y la dirección de las fuerzas que representan. En un diagrama de cuerpo libre, se deben dibujar todas las fuerzas que actúan sobre el objeto. Estas pueden ser las fuerzas de gravedad, fricción, reacciones normales o, simplemente, fuerzas de contacto debido a un empuje. Cuando estás en presencia de un sistema de referencia no inercial, también debes dibujar las interacciones aparentes, como la fuerza centrífuga, que es una fuerza aparente. Por lo general, también debe incluirse un sistema de referencia. Esto podría simplificar la definición de vectores al escribir las ecuaciones de movimiento. La fuerza de gravedad en este caso tendrá componentes a lo largo de ambos ejes: m Gram co ⁡ ϑ {\displaystyle m \ mathbf {g} \ cos \ vartheta } a lo largo de la dirección y {\displaystyle y} , y m Gram sin ⁡ ϑ {\displaystyle m \ mathbf {g} \ sin \ vartheta } a lo largo de la dirección x {\displaystyle x} , donde ϑ {\displaystyle \ vartheta } es el ángulo de inclinación de la rampa Por ejemplo, en un plano inclinado, la dirección x {\displaystyle x} se puede elegir a lo largo de la superficie de la rampa, de modo que la fuerza de fricción solo tenga componentes x {\displaystyle x} , y la reacción normal del plano solo tiene componentes y {\displaystyle y} . Todos los contactos externos y restricciones no están representados en el dibujo. Estos elementos deben ser reemplazados por flechas que representan las fuerzas, como se describió anteriormente. Las fuerzas causadas por el cuerpo rígido a otros objetos no deben incluirse. Por ejemplo, si una bola todavía está en una mesa, La bola aplica una fuerza a la mesa, y sufre una fuerza igual y opuesta. El diagrama del cuerpo libre de la bola solo representará la fuerza normal causada por la mesa. Los esfuerzos internos, las fuerzas entre las diversas partes que componen el sistema que se trata como un cuerpo rígido, se omiten. Por ejemplo, si está analizando un haz para determinar las reacciones en los puntos de contacto, no se deben representar las fuerzas entre los elementos que componen el haz. Los vectores de velocidad y aceleración no deben dibujarse. Estos pueden ser representados en un diagrama asociado, llamado diagrama cinético, diagrama de respuesta inercial, o de otras maneras, a discreción del autor. El diagrama de cuerpo libre refleja las suposiciones ejemplares, o hipótesis, introducidas para analizar el sistema. Si, por ejemplo, el cuerpo en cuestión es un satélite en órbita, del que solo le interesa determinar la velocidad, entonces la mejor representación puede ser simplemente un punto. Por otro lado, el sistema de suspensión de una motocicleta no puede representarse por un solo punto, y será necesario dibujar un diagrama más complicado que tenga en cuenta las dimensiones extendidas. Los vectores de fuerza deben colocarse y etiquetarse cuidadosamente para evitar suposiciones que ya asumen un determinado resultado. Por ejemplo, en el diagrama de un cuerpo en un plano inclinado, la ubicación exacta de la resultante de la fuerza ejercida por la rampa sobre el cuerpo puede determinarse solo después de haber analizado el movimiento: una determinación previa Requiere la suposición adicional de que el cuerpo está en equilibrio.

Un simple diagrama de cuerpo libre, mostrado al principio de esta entrada, muestra las siguientes características:

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