Equilibrio de Una Particula en Tres Dimensiones

98 • Eq u i l i brio de una partícula

Sistemas tridimensionales de fuerzas

Para el equilibrio de una partícula se requiere

LF = O

(3-4)

Si las fuerzas son resueltas en sus respectivas componentes i, j, k, figu­ ra

3-9, tenemos entonces

Por consiguiente, para garantizar el equilibrio, es preciso que las siguien­ tes tres ecuaciones de componentes sean satisfechas:

LFx

=

O L Fy = O

L Fz = O

(3-5)

Estas ecuaciones representan las sumas algebraicas de las componentes

x, y, Z de fuerza que actúan sobre la partícula. Usándolas podemos re­

solver un máximo de tres incógnitas representadas generalmente como ángulos o magnitudes de fuerzas mostradas sobre el diagrama de cuer­ po libre de la partícula.

z

Fig. 3-9

w

FB _F Fe

D

El anillo en A está sometido a la fuerza del gancho así como a las fuerzas de cada una de las tres cadenas. Si el electroimán y su carga tienen un peso W, entonces la fuerza del gan­ cho será W, y las tres ecuaciones escalares de equilibrio pueden ser aplicadas al diagrama de cuerpo libre del anillo para determinar las fuerzas en las cadenas, F B, Fe y F D'

PRO CEDIMIENTO DE ANÁLISIS

Los problemas de equilibrio tridimensional de fuerzas para una par­ tícula pueden ser resueltos usando el siguiente procedimiento. Diagrama de cuerpo libre

• Establezca los ejes x, y, z con cualquier orientación apropiada. • Rotule todas las magnitudes y direcciones de las fuerzas conoci­

das y desconocidas sobre el diagrama.

• El sentido de una fuerza que tenga magnitud desconocida puede ser supuesto.

Ecuaciones de equilibrio

• Use las ecuaciones escalares de equilibrio,

'2:.Fx

=

0, '2:.Fy

=

0,

'2:.Fz

=

0, en los casos en que sea fácil resolver cada fuerza en sus

componentes x, y, z.

• Si la geometría tridimensional parece difícil, entonces exprese pri­ mero cada fuerza como un vector cartesiano, sustituya esos vecto­ res en

'2:.F =

0, y luego haga las componentes i, j,

k

igual a cero. o¡ Si la solución da un resultado negativo, esto indica que el sentido de la fuerza es el inverso del mostrado en el diagrama de cuerpo

1 00 • Equilibrio de una partícula z e 30°

/s

j3

/

A

= SOO lb/pie

--

-

�

�

.

Y-�·��A�HH�-B ---y D .. x 90 lb (a) z

Una carga de 90 lb está suspendida del gancho mostrado en la figura 3 - lOa. La carga está soportada por dos cables y un resor­ te con rigidez k = 500 lb/pie. Determine la fuerza presente en los cables y el alargamiento del resorte en la posición de equilibrio. El cable

AD

se encuentra en el plano x -y y el cable

AC en el

plano X -Z .

Solución

El alargamiento del resorte puede ser determinado una vez que la fuerza presente en él sea calculada.

Diagrama de cuerpo libre. La conexión en

A

es la seleccionada pa­ ra el análisis del equilibrio ya que las fuerzas presentes en los cables son concurrentes en este punto. El diagrama de cuerpo libre se mues­ tra en la figura 3-l0b.

Ecuaciones de equilibrio. Por inspección, cada fuerza puede ser re­

suelta fácilmente en sus componentes x, y, Z, y, por tanto, es posible

aplicar directamente las tres ecuaciones escalares de equilibrio. Con­ siderando las componentes dirigidas a lo largo de los ejes positivos

y _{como "positivas", tenemos}

x

90 lb (b) Fig. 3-10 2:-Fx = O; 2:-Fy = O; 2:-Fz = O; F D sen 30° - �F e = O -FD cos 30° + FB = O �Fe - 90 lb = O (1) (2) (3)

Despejando Fe de la ecuación 3, luego FD de la ecuación 1, y final­ mente FB de la ecuación 2, obtenemos

Fe

=

150 lb FD = 240 lb FB = 208 lb El alargamiento del resorte es entonces

FB = kSAB 208 lb = 500 1b/pie(sAB) SAB = 0.41

6

pies Re!>p. Resp. Resp. Rew SEMANA 3

Determine la magnitud y los ángulos coordenados de dirección de la fuerza F en la figura 3

- 11a

que son requeridos para obtener el equi­ librio de la partícula

O.

Solución

Diagrama de cuerpo libre Sobre la partícula

O actúan cuatro fuer­

zas, figura 3 - 1 1

b.

Ecuaciones de equilibrio. Cada una de las fuerzas puede ser expresa­

da en forma vectorial cartesiana, y las ecuaciones de equilibrio pueden ser aplicadas para determinar las componentes x, y, z de F. Observan­ do que las coordenadas de

B

son

B(

-2 m, -3 m, 6 m), tenemos

Fl = {400j} N F₂ = {-800k} N F3 = F3

(

rB

)

= 700 N

[

-2i - 3j + 6k

]

rB

V(

-2

f

+ ( -3)2 + (6)2

=

{-20Oi - 300j + 600k} N F

=

Fxi + Fyj . + Fzk Por equilibrio, 'i,F = O; Fl + F₂ + F3 + F

=

O

400j - 800k - 200i - 300j + 600k + Fxi + Fyj + Fzk = O Al igualar las respectivas componentes

i,

j, k a cero, tenemos

'i,Fx

=

O; 22Fy = O; 22Fz = O; Entonces, -200 + Fx

=

O 400 - 300 + Fy

=

O -800 + 600 + Fz = O F = {20Oi - 100j + 200k} N Fx = 200 N Fy = -100 N Fz

=

200 N F =

V

(200)2 + ( - 100)2 + ₍₂₀₀₎₂

=

_{300 N} F 200 . 100 . 200

UF

= F = 300 1 - 300J + 300k a

=

cos-1

(

200

)

₌ 48 2° 300 .

f3

= cos-1

(

- 100

)

=

1 09° 300 l' =

COS-l(���)

= 48.2° Resp. Resp. Resp. Resp. B z

í \

F} = 700 N \ 2 m --- y F2 = 800 N x (a) z F3 = 700 N ---y F2 = 800 N x (b) z F . 300 N

I

48.20

�

I----'---y x (e)

1 02 • Equilibrio de una partícula D

x----z (a) z (h) hg. 3-12 y

Determine la fuerza desarrollada en cada cable usado para soportar el cajón de

40

lb que se muestra en la figura

3- 12a.

Solución

Diagrama de cuerpo libre. Como se aprecia en la figura

3 - 12b,

el

diagrama de cuerpo libre del punto

A

es considerado para "exponer" las tres fuerzas desconocidas en los cables.

Ecuaciones de equilibrio. Primero expresaremos cada fuerza en for­

ma vectorial cartesiana. Como las coordenadas de los puntos

B

y e

son

B(

- 3

pies,

-4

pies,

8

pies) y

C(

-3

pies,

4

pies,

8

pies), tenemos

[

-3i - 4

j

+ 8k

]

F B

=

F B

---;;=============:==�

Y(

-

3f + ( -

4

)2 + (8)2

=

-0.318FBi - 0.424Fsj + 0.848FBk

[

-3i + 4

j

+ 8k

]

Fe

=

Fe

--;====:===::;=====:

Y( -

3

)2 + (

4

f + (8)2

=

-0.318Fei + 0.424Fd + 0.484Fek

FD

=

FDi

W

=

{ -40k} lb

Por equilibrio se requiere que

LF

=

O;

FB + Fe + FD + W

=

O

-0.318FBi - 0.424Fsj + 0.848FBk - 0.318Fci + 0.424Fd

+0.848Fek + FDi - 40k

= O

Al igualar las respectivas componentes

i,

j,

k

a cero resulta

LFx

= O;

LFy

= O;

LFz

= O;

-0.318FB - 0.318Fe + FD

= O

-0.424FB + 0.424Fe

= O

0.848FB + 0.848Fe - 40

= O

(1)

(2)

(3)

La ecuación

2

establece que

FB

=

Fe.

Entonces, despejando

FB

y

Fe

de la ecuación

3

y sustituyendo el resultado en la ecuación

1

pa­ ra obtener

F D,

tenemos

FB

=

Fe

=

23.6

lb

FD

=

15.0

lb Re5p. ReW SEMANA 3

El cajón de

100

kg mostrado en la figura

3 - 13a

está soportado por

tres cuerdas, una de las cuales se conecta a un resorte. Determine la D

tensión en las cuerdas

AC

y

AD,

así como el alargamiento del resorte.

Solución

Diagrama de cuerpo libre. La fuerza presente en cada una de las

cuerdas puede ser determinada investigando el equilibrio del punto

A.

El diagrama de cuerpo libre se muestra en la figura

3- 13b.

El pe­ so del cajón es

W

=

100(9.81) =

981

N.

Ecuaciones de equilibrio Cada vector trazado en el diagrama de

cuerpo libre se expresa primero en forma vectorial cartesiana. Usan­ do la ecuación

2 - 1 1

para

Fe

Y el punto

D(

- 1

m,

2

m,

2

m) para

FD,

tenemos

FB

=

Fsi

Fe

=

Fe cos 1200i

+

Fe

cos 135°j +

Fe cos 600k

=

-0.5Fci - 0.707 Fd

+

0.5Fek

[

-li

+

2

j

+

2k

]

F D

=

F D

---¡==;::===::;;===;::

V(

-lf

+

(2f

+

(2)2

=

-0.333FDi

+

0.667Fvj

+

0.667FDk

W

=

{ -981k}

N

Por equilibrio se requiere que

:¿ F

= O;

FB

+

Fe

+

FD + W

= O

Fsi - 0.5Fei - 0.707Fd

+

0.5Fek - 0.333FDi

+

0.667FDj

+

0.667FDk - 981k =

O Al igualar las respectivas componentes

i, j, k

a cero resulta

:¿Fx

= O;

:¿ Fy

= O;

:¿ Fz

=

O;

Fs - 0.5Fe - 0.333FD

= O

-0.707Fe + 0.667FD

= O

0.5Fe

+

0.667FD - 981

= O

(1)

(2)

(3)

Despejando

F D

en la ecuación

2

en términos de

Fe,

y sustituyendo este resultado en la ecuación

3,

se obtiene

Fe. F D

se determina con la ecuación

2.

Finalmente, al sustituir los resultados en la ecuación

1

re­ sulta

Fs.

Por consiguiente,

Fe

=

813 N

FD

=

862 N

FB

=

693.7 N

El alargamiento del resorte es entonces

F

ks;

693.7

1500s

Resp.

Resp.

(a) z Jr---- y (b) Hg. 3--13