Los problemas de equilibrio en física se consideran en la sección de estática. Una de las fuerzas importantes que está presente en cualquier sistema mecánico en equilibrio es la fuerza de reacción del soporte. ¿Qué es y cómo se puede calcular? Estas preguntas se detallan en el artículo.
¿Cuál es la reacción de apoyo?
Cada uno de nosotros camina diariamente sobre la superficie de la tierra o sobre el suelo, abre la puerta, se sienta en una silla, se apoya en la mesa, sube al rellano. En todos estos casos, existe una fuerza de reacción del soporte, que permite realizar las acciones enumeradas. Esta fuerza en física se denota con la letra N y se llama normal.
Según la definición, la fuerza normal N es la fuerza con la que el soporte actúa sobre el cuerpo en contacto físico con él. Se llama normal porque se dirige a lo largo de la normal (perpendicular) a la superficie.
La reacción de apoyo normal siempre ocurre como respuesta de una fuerza externa a uno ootra superficie. Para entender esto, hay que recordar la tercera ley de Newton, que establece que por cada acción hay una reacción. Cuando el cuerpo presiona sobre el soporte, el soporte actúa sobre el cuerpo con el mismo módulo de fuerza que el cuerpo sobre él.
La razón de la aparición de la fuerza normal N
Esta razón radica en la fuerza de la elasticidad. Si dos cuerpos sólidos, independientemente de los materiales de los que están hechos, se ponen en contacto y se presionan ligeramente uno contra el otro, entonces cada uno de ellos comienza a deformarse. Dependiendo de la magnitud de las fuerzas actuantes, la deformación cambia. Por ejemplo, si se coloca un peso de 1 kg en una tabla delgada, que está sobre dos soportes, se doblará ligeramente. Si esta carga aumenta a 10 kg, la cantidad de deformación aumentará.
La deformación emergente tiende a restaurar la forma original del cuerpo, mientras crea cierta fuerza elástica. Esta última afecta al cuerpo y se denomina reacción de apoyo.
Si miras a un nivel más profundo y más grande, puedes ver que la fuerza elástica aparece como resultado de la convergencia de las capas atómicas y su posterior repulsión debido al principio de Pauli.
¿Cómo calcular la fuerza normal?
Ya se ha dicho anteriormente que su módulo es igual a la fuerza resultante dirigida perpendicularmente a la superficie considerada. Esto significa que para determinar la reacción del soporte, primero es necesario formular una ecuación de movimiento, utilizando la segunda ley de Newton, a lo largo de una línea recta perpendicular a la superficie. Desdeesta ecuación, puedes encontrar el valor N.
Otra forma de determinar la fuerza N es involucrar la condición física del equilibrio de los momentos de fuerzas. Este método es conveniente si el sistema tiene ejes de rotación.
El momento de la fuerza es un valor que es igual al producto de la fuerza que actúa y la longitud de la palanca en relación con el eje de rotación. En un sistema en equilibrio, la suma de los momentos de las fuerzas es siempre igual a cero. La última condición se usa para encontrar el valor desconocido N.
Tenga en cuenta que si hay un soporte en el sistema (un eje de rotación), la fuerza normal siempre creará un momento cero. Por lo tanto, para tales problemas, se debe aplicar el método descrito anteriormente usando la ley de Newton para determinar la reacción del soporte.
No existe una fórmula específica para calcular la fuerza N. Se determina como resultado de resolver las correspondientes ecuaciones de movimiento o equilibrio para el sistema de cuerpos considerado.
A continuación damos ejemplos de resolución de problemas, donde mostramos cómo calcular la reacción de soporte normal.
Problema del plano inclinado
La barra está en reposo sobre un plano inclinado. La masa de la viga es de 2 kg. El plano está inclinado hacia el horizonte en un ángulo de 30o. ¿Cuál es la fuerza normal N?
Esta tarea no es difícil. Para obtener una respuesta, basta considerar todas las fuerzas que actúan a lo largo de una línea perpendicular al plano. Solo hay dos de esas fuerzas: N y la proyección de la gravedad Fgy. Como actúan en diferentes direcciones, la ecuación de Newton para el sistema tomará la forma:
ma=N - Fgy
Como la viga está en reposo, la aceleración es cero, por lo que la ecuación se convierte en:
N=Fgy
La proyección de la fuerza de gravedad sobre la normal al plano no es difícil de encontrar. A partir de consideraciones geométricas, encontramos:
N=Fgy=mgcos(α)
Sustituyendo los datos de la condición, obtenemos: N=17 N.
Problema con dos soportes
Una tabla delgada se coloca sobre dos soportes, cuya masa es insignificante. A 1/3 del soporte izquierdo, se colocó una carga de 10 kg sobre el tablero. Es necesario determinar las reacciones de los soportes.
Como hay dos soportes en el problema, para resolverlo se puede utilizar la condición de equilibrio a través de los momentos de fuerzas. Para hacer esto, primero asumimos que uno de los soportes es el eje de rotación. Por ejemplo, correcto. En este caso, la condición de equilibrio de momentos tomará la forma:
N1L - mg2/3L=0
Aquí L es la distancia entre los apoyos. De esta igualdad se sigue que la reacción de N1apoyo izquierdo es igual a:
N1=2/3mg=2/3109, 81=65, 4 N.
Del mismo modo, encontramos la reacción del soporte adecuado. La ecuación de momento para este caso es:
mg1/3L - N2L=0.
De donde obtenemos:
N2=1/3mg=1/3109, 81=32,7 N.
Tenga en cuenta que la suma de las reacciones encontradas de los apoyos es igual a la gravedad de la carga.
