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Taller 8 · Estática

Equilibrio en el espacio: seis ecuaciones, una incógnita a la vez

Una tapa con bisagras sostenida por un cable. Seis incógnitas, seis ecuaciones. Resolverlas todas juntas es un sistema de 6\times 6; escogerlas bien es resolver seis ecuaciones de una incógnita cada una. Aquí aprendes a escoger.

⏱ 65 minutos
De dónde sale esto. Beer & Johnston, Mecánica vectorial para ingenieros: Estática, 9.ª ed., secciones 4.8 (reacciones en los apoyos en tres dimensiones) y 4.9 (equilibrio en el espacio). Problema: punto 1 del Parcial 2 de 2022-I (la tapa del tubo), con la solución oficial. Números verificados con un sistema 6×6 en numpy.linalg.solve.
En este taller

1 Para qué sirve esto y cuándo se usa

Es el punto 1 del Parcial 2 en siete de los ocho parciales revisados: una puerta con dos bisagras y un cable (2019-I), un pedal sobre cojinetes (2019-II), una tapa circular con bisagra y puntal (2018-II), un eje con engranes sobre chumaceras (2020-II), la tapa de un tubo con cable (2022-I) y un eje con tres cojinetes (2022-II). Siempre el mismo esquema: un cuerpo en 3D, apoyos que dejan girar alrededor de un eje, y un cable o una fuerza que lo sostiene.

Ruta
  1. Dibuja el cuerpo solo y pon las reacciones de cada apoyo (tabla de la sección 3).
  2. Cuenta: seis incógnitas. Si el enunciado dice «el cojinete no ejerce fuerza axial», quita esa.
  3. Escribe la fuerza de cada cable como \vec T = T\,\boldsymbol\lambda: la tensión T (un número, en N) por la dirección unitaria \boldsymbol\lambda del cable (taller 1).
  4. Empieza por el momento respecto al eje de las bisagras: ahí se van cinco incógnitas y queda la del cable.
  5. Luego una ecuación por incógnita, escogiendo ejes que pasen por los apoyos.
Lo que te llevas

En 3D hay seis ecuaciones; el truco es tomar momentos respecto a ejes que atraviesen la mayor cantidad de incógnitas.

2 El simulador: la tapa del parcial, ecuación por ecuación

La tapa de 2022-I, girable con el dedo: un disco de 30\ \text{kg} con centro en G, dos bisagras en A y B sobre el eje y, y un cable de D al gancho fijo C. El dibujo es el diagrama de cuerpo libre: las reacciones (celeste) van con el sentido supuesto positivo y todas del mismo largo, porque todavía no se sabe cuánto valen; los valores con su signo están en el tablero. Toca cada ecuación: se pone en rosado la incógnita nueva que esa ecuación despeja y, si es de momentos, el eje que se usa.

peso tensión del cable reacciones incógnita nueva y su eje cable
arrastra para girar
Masa de la tapa 30 kg
Qué tienes que notar

Recorre los seis botones en orden: cada uno tiene una sola incógnita nueva. Ese orden es exactamente el de la solución oficial. Y cambia la masa: todas las reacciones crecen en la misma proporción, porque el peso es la única carga. Fíjate en A_y: sale negativa, o sea que en realidad apunta al revés de la flecha dibujada.

3 Qué pone cada apoyo en 3D

Los cuatro apoyos que más salen, con sus reacciones dibujadas en el sentido que se supone.

Las mismas cuatro piezas en 3D, como se ven en la vida real. Gíralas con el dedo. La rótula deja girar en todo sentido: solo fuerzas. La bisagra gira únicamente alrededor de su pasador; si es la única del cuerpo, también pone pares. El cojinete deja deslizar el eje a lo largo de sí mismo: no hay fuerza en esa dirección.

arrastra para girar
Qué significa cada símbolo
T
tensión del cable: siempre jala, a lo largo del cable [N]
\boldsymbol\lambda
dirección unitaria del cable (vector de tamaño 1) [sin unidad]
A_x,\ A_y,\ A_z
componentes de la fuerza de reacción en el apoyo A [N]
B_x,\ B_z
reacciones de la bisagra B perpendiculares a su eje [N]
B_y
reacción axial de la bisagra (a lo largo de su eje); solo existe si la bisagra la aguanta [N]
ApoyoImpideReacciones
Cable, puntal de dos fuerzasalejarse a lo largo de él1: T\,\boldsymbol\lambda
Superficie lisa, bolaentrar en la superficie1 normal
Rótula (bola y cuenca)las tres traslaciones3 fuerzas
Bisagra o cojinete (bien alineados, con otro igual)trasladarse perpendicular al eje (y a veces a lo largo)2 fuerzas perpendiculares al eje (+1 axial si la aguanta)
Bisagra o cojinete solaademás, girar sobre ejes perpendiculareshasta 3 fuerzas + 2 pares
Empotramientotodo3 fuerzas + 3 pares
Mnemotecnia «Un apoyo impide, y por cada cosa que impide te cobra una reacción», también en 3D. Pregúntate qué movimientos deja: la rótula deja girar en todo sentido, así que no cobra pares; dos bisagras alineadas dejan girar solo alrededor de su eje, así que entre las dos no cobran pares, solo fuerzas.
«No ejerce fuerza axial»

Cuando dos bisagras están en la misma línea, las dos podrían empujar a lo largo del eje y el problema sería indeterminado. El enunciado lo arregla diciendo que una no lo hace. En 2022-I: el cojinete B no tiene B_y. Si la pones, tendrás siete incógnitas.

4 Seis ecuaciones y cómo escogerlas

En el espacio un cuerpo puede trasladarse en tres direcciones y girar alrededor de tres ejes. Para que no haga ninguna de las seis cosas se necesitan dos ecuaciones vectoriales, que son seis escalares:

\begin{gathered}\sum\vec F = \vec 0 \qquad \sum\vec M_P = \vec 0\\[6pt] \sum F_x = 0 \;\; \sum F_y = 0 \;\; \sum F_z = 0\\[3pt] \sum M_x = 0 \;\; \sum M_y = 0 \;\; \sum M_z = 0\end{gathered}
Qué significa cada símbolo
\sum\vec F
suma de todas las fuerzas, reacciones incluidas [N]
\sum\vec M_P
suma de los momentos \vec r\times\vec F de todas las fuerzas respecto a un punto P que tú escoges, más los pares [N·m]
\sum F_x,\ \sum F_y,\ \sum F_z
suma de las componentes de las fuerzas en cada eje [N]
\sum M_x,\ \sum M_y,\ \sum M_z
suma de momentos respecto a los ejes que pasan por P, paralelos a x, y, z [N·m]

El momento de una fuerza respecto a cada eje se saca de las componentes de \vec r\times\vec F:

\begin{gathered}M_x = y\,F_z - z\,F_y\\[2pt] M_y = z\,F_x - x\,F_z\\[2pt] M_z = x\,F_y - y\,F_x\end{gathered}
Qué significa cada símbolo
x,\ y,\ z
coordenadas del punto donde actúa la fuerza, medidas desde el punto P por donde pasan los ejes [m]
F_x,\ F_y,\ F_z
componentes de la fuerza, con su signo [N]
M_x,\ M_y,\ M_z
momento de esa fuerza respecto a cada eje; positivo según la regla de la mano derecha [N·m]

La idea del taller 3 hace el trabajo: el momento de una fuerza respecto a un eje es cero si la línea de la fuerza toca el eje o es paralela a él. En las fórmulas se ve: si la fuerza está aplicada sobre el eje y, entonces x = 0 y z = 0, y M_y = 0. Las reacciones de las bisagras están aplicadas sobre el eje de las bisagras. Por eso:

Mnemotecnia «Primero el eje de las bisagras: ahí solo sobrevive el cable.» Todas las reacciones en A y B tocan la línea AB. En \sum M_{AB} = 0 solo aparecen el peso y el cable. Una ecuación, una incógnita: T.
Momentos respecto a un eje paralelo, no a través del origen

La solución oficial usa ejes x' y z' que pasan por A, no por el origen dibujado. Si tomas momentos respecto al eje x del dibujo y A no está sobre él, las reacciones de A aparecen y la ecuación deja de tener una sola incógnita. La comilla de x' solo quiere decir «paralelo a x, pero pasando por el apoyo». En este taller el origen se puso en A, así que x' y z' coinciden con los ejes dibujados.

5 Problema del parcial, resuelto

Parcial 2 de 2022-I, punto 1: la tapa del tubo

Una tapa uniforme de radio 240\ \text{mm} y 30\ \text{kg} se mantiene horizontal con el cable CD. El cojinete B no ejerce fuerza axial. Determina la tensión del cable y las reacciones en A y B. Con el eje de las bisagras sobre y y z hacia arriba: A(0;\,0;\,0), B(0;\,480;\,0), centro G(240;\,240;\,0), D(480;\,240;\,0) y C(0;\,400;\,240), todo en mm. La solución oficial trabaja en kgf; aquí va en newtons y al final se compara.

Chequeo Los pasos 9 y 10 lo hacen de dos maneras: momentos respecto a ejes que pasan por B (que no se habían usado) dan cero, y en kgf salen los números oficiales: T = 35\ \text{kgf}, \vec A = (5;\ -10;\ 7{,}5)\ \text{kgf}, \vec B = (25;\ 0;\ 7{,}5)\ \text{kgf}.

6 Ahora tú

7 Ponte a prueba

8 La receta para el día del parcial

  1. Coordenadas de todos los puntos con la convención de la figura.
  2. Reacciones de cada apoyo; quita la axial si el enunciado lo dice. Cuenta seis.
  3. Cables: \vec T = T\,\boldsymbol\lambda, con \boldsymbol\lambda del cuerpo hacia el anclaje.
  4. Momento respecto al eje de los apoyos → la tensión.
  5. Momentos respecto a ejes paralelos a x y z que pasen por un apoyo → las reacciones del otro.
  6. Sumas de fuerzas → lo que quede. Chequea con momentos respecto a un punto que no usaste.
Si solo te llevas tres frases

1. «Primero el eje de las bisagras: ahí solo sobrevive el cable.»

2. Una ecuación, una incógnita: escoge el eje antes de escribir.

3. «No ejerce fuerza axial» quita una reacción.

Responde las siete preguntas para cerrar el taller.

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