El diagrama de cuerpo libre, también conocido como diagrama de fuerzas, es una representación gráfica usada por lo general por físicos e ingenieros para representar las fuerzas que se ejercen en un determinado cuerpo.
¿Qué es el diagrama de cuerpo libre y para qué es útil?
Estos diagramas de cuerpo libre son una representación gráfica implementada para representar las fuerzas de la física que se ejercen sobre un cuerpo libre o masa sujeto a determinadas condiciones.
¿Para qué es útil el diagrama de cuerpo libre?, es útil en el campo de la ingeniería y el estudio de la física para determinar y precisar la influencia que ejercen fuerzas como el peso, la gravedad, la tensión, la fricción, entre otras, al someter un cuerpo a ciertas condiciones.
Es muy usada en la ingeniería para calcular la influencia de determinadas fuerzas sobre una infraestructura y evitar el colapso de las mismas, haciéndolas más resistentes.
¿Cómo se elabora un diagrama de cuerpo libre?
Para elaborar el diagrama de cuerpo libre primeramente es necesario elaborar un bosquejo que represente gráficamente las fuerzas que se ejercen sobre un cuerpo o masa.
A partir de dicho bosquejo se realiza en el plano cartesiano una representación gráfica de dichas fuerzas mediante vectores.
Cada vector o recta que se traza en el plano refleja la dirección y la magnitud de cada fuerza ejercida y solo se deben reflejar en el plano las fuerzas que bajo circunstancias reales se somete sobre un cuerpo, tales como de arrastre, gravitacionales, fricción u otras.
Para ello, se debe plantear un problema a analizar, el cual, bajo suposiciones simplificadas en la gráfica, se puede resolver dicho problema al observar y comprender el nivel de afectación de las fuerzas ejercidas.
Para efectos del bosquejo del diagrama se puede usar herramientas como Microsoft Office PowerPoint.
Sin embargo, para uso profesional donde se requiere precisar la magnitud de cada fuerza en el plano ingresando las mediadas exactas de cada vector, es recomendable usar herramientas como GeoGebra.
1. Ejemplo de diagrama de cuerpo libre
Este es un ejemplo sencillo para representar un diagrama de cuerpo libre en el cual en la sección (a) de la imagen, se observa una masa suspendida de una cuerda.
En la suspensión actúan dos fuerzas, una de ellas es la fuerza que ejerce el peso del cuerpo al centro de la tierra por los efectos de gravedad, la cual se expresa en la sección (b) como Fg y la otra es la otra fuerza, la tensión en la cuerda ejercida hacia arriba para evitar que la masa se caiga expresado como T3.
Para representarlo en el plano cartesiano solo hay que trazar las rectas en el mismo ángulo y dirección en el que cada fuerza de tensión es ejercida.
En el eje de las ordenadas se traza una recta de 37° para representar la tensión de la cuerda T1, en el eje de las abscisas se traza la recta de la cuerda T2 en un ángulo de 53° y la tercera cuerda se traza verticalmente hacia abajo para representar la tensión de la cuerda T3 ejercida por el peso de la masa.
2. Ejemplo de diagrama de cuerpo libre
Para poder representar las fuerzas ejercidas de un cuerpo, en ocasiones es necesario girar el plano para poder representar correctamente las condiciones a las que se somete el cuerpo o masa.
En este caso particular se plantea las fuerzas a las que se somete un cuerpo al estar bajo condiciones de una pendiente, como pudiera ser un carro al subir por una calle inclinada.
Tal como se observa en la gráfica, la fuerza que ejerce el peso Fg hacia el centro de la tierra va a tener siempre la misma orientación recta y vertical, independientemente de las condiciones de inclinación a las que se someta el cuerpo.
En cuanto a la fuerza natural FN, es la fuerza que la superficie ejerce sobre el cuerpo que se apoya sobre ella, ya sea un carro sobre una vía inclinada, tomando el carro la misma forma perpendicular de la superficie.
También en este caso se da la fuerza de fricción Ffr, o de contacto, que se genera entre la superficie de la pendiente y del cuerpo, pero a diferencia de la fuerza normal, esta va en sentido contrario al movimiento y paralela a la superficie.
3. Ejemplo de diagrama de cuerpo libre
Cabe destacar que para hacer una representación de un diagrama de cuerpo libre donde hay más de dos cuerpos es necesario hacer dos gráficas por separado, para poder representar las fuerzas que se ejercen sobre cada una.
Como se puede visualizar en la siguiente imagen, dos cuerpos o vigas se encuentran suspendidas por una polea, en el cual a medida que una baja la otra sube y viceversa.
En cada uno de los cuerpos o vigas suspendidas por la cuerda existen dos fuerzas que son la fuerza de tención y la fuerza del peso.
De igual forma, esa representación se ve reflejada en las rectas (a y b), en el cual la fuerza de la tensión y del peso son ejercidas en dirección contraria en el eje Y, siendo la fuerza de tensión representada como un vector positivo en el eje Y, y la fuerza del peso representada con un vector o recta con dirección negativa en el mismo eje Y.
4. Ejemplo de diagrama de cuerpo libre
En el siguiente diagrama se observa la representación gráfica de dos cuerpos sujetos a fuerzas distintas ante situaciones muy similares. Para ello veamos la siguiente gráfica:
Como se puede observar, el cuerpo (a) se encuentra sujeto a fuerzas de fricción y fuerzas normales al estar en contacto con una superficie, de igual forma se encuentra afectado por las fuerzas de tensión y del peso.
No obstante, esa misma situación no ocurre con el cuerpo (b) en el que solo intervienen dos fuerzas, la de tención y la fuerza del peso.