problema del tiburon

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EJEMPLO ILUSTRADO DE EQUILIBRIO Un tiburón de 10,000 N está sostenido por un cable unido a una barra de 4 m de largo que puede hacer pivote en la base. Calcule la tensión de la cuerda de amarre entre la barra y la pared si está sosteniendo el sistema en la posición mostrada. Encuentre la magnitud y dirección de la fuerza ejercida por la bisagra sobre la barra. El peso de la barra es de 10N. Diagrama de Cuerpo libre para la barra θ α T Wf Wv Rx Ry θ β=α+θ 90.0° q q T Wf Wv Rx Ry q 90.0° θ 90.0° φ φ 90.0° L L

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Material de Apoyo Fisica 1 N Diciembre de 2008, Facultad de Ingenieria USAC, Guatemala, Centroamerica.

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Page 1: Problema Del Tiburon

EJEMPLO ILUSTRADO DE EQUILIBRIO

Un tiburón de 10,000 N está sostenido por un cable unido a una barra de 4 m de largo que

puede hacer pivote en la base. Calcule la tensión de la cuerda de amarre entre la barra y la pared

si está sosteniendo el sistema en la posición mostrada. Encuentre la magnitud y dirección de la

fuerza ejercida por la bisagra sobre la barra. El peso de la barra es de 10N.

Diagrama de Cuerpo libre para la barra

θ

α

T

Wf

Wv

Rx

Ry

θ

β=α+θ

90.0°

q q

T

Wf

Wv

Rx

Ry

q

90.0°

θ

90.0°

φ

φ

90.0°

LL

Page 2: Problema Del Tiburon

SOLUCION FORMAL

En primer lugar encontraremos la magnitud de la tensión del cable, haciendo una

sumatoria de momentos eligiendo el punto “q” como el más adecuado para hacer la sumatoria;

posteriormente haremos una sumatoria de fuerzas horizontales y verticales para determinar las

componentes de la fuerza de reacción en el pivote y con ellas determinar magnitud y dirección de

la Fuerza de Reacción Resultante.

Para la sumatoria de momentos, tomaremos como POSITIVA LA DIRECCIÓN

ANTIHORARIA.

Recuerde que el momento de torsión es un vector definido como

Fxr y su magnitud

se determina como rFsen donde Fr,, son las magnitudes de los vectores respectivos y

es el ángulo más pequeño que hay entre los vectores

r y

F , por tanto para determinar la

magnitud del momento de torsión ejercido por cada fuerza, hay que colocar los vectores

r y

F

sobre un origen común y determinar el ángulo

FUERZA DE TENSIÓN

β=α+θ

180-(β+α)

T

q

L

La tensión del cable hace torque positivo, por lo tanto se puede escribir como:

180senTL

Page 3: Problema Del Tiburon

PESO DEL TIBURON

θ

Wf

90.0°

L

q

90+θ

El peso del tiburón hace torque negativo, por lo tanto se puede escribir como:

90senWL f

Page 4: Problema Del Tiburon

PESO DE LA BARRA

Wv

L/2

q

θ

90.0° 90+θ

El peso de la barra hace torque negativo, por lo tanto se puede escribir como:

90senWvL

De lo anterior finalmente podemos escribir la siguiente expresión, en donde la única

incógnita es la magnitud de la tensión del cable:

= 180senTL 90senWL f 90senWvL = 0

Page 5: Problema Del Tiburon

Para determinar las reacciones en el pivote, deberá realizarse una sumatoria de fuerzas en

dirección horizontal y vertical, por lo tanto deberemos descomponer todas las fuerzas en estas

direcciones, tomaremos como positivas las direcciones derecha y hacia arriba.

θ

q

Wf

Wv

Rxq

L

α

T90.0°

Tcosα

Tsenα

Ry

Quedando de la siguiente manera:

y = Ry + TSenα – Wf – Wv =0

x = Rx – Tcosα = 0

Ω

R

Rx

Ry

Para obtener:

22

yx RRR y

x

y

R

R1tan

Page 6: Problema Del Tiburon

SOLUCIONES ALTERNATIVAS

Como en el caso anterior, elegimos el punto “q” como el mas adecuado para hacer

sumatoria de momentos y de esta manera obtener directamente la magnitud de la tensión del

cable (T).

Presentamos varias maneras en las cuales se puede escribir el par de torsión ejercido por

cada fuerza, en todos los casos se tomara como POSITIVA LA DIRECCION ANTIHORARIA.

La magnitud del momento se escribirá como el producto de una fuerza* un brazo; la

fuerza se grafica de color rojo, mientras que el brazo de color azul. El vector

r se representa en

color verde, mientras que el vector

F será de color violeta.

PESO DE LA BARRA

θ

Wv

L/2cosθ

90.0°

L/2Wv

90.0°

Wvsenφ

φ

θ

L/2

qq

El peso de la barra hace torque negativo, por lo tanto se puede escribir como:

a) – Wv*L/2Cosθ (Proyección de brazo perpendicular a fuerza) b) – WvSenφ*L/2 (Proyección de fuerza perpendicular a brazo)

Page 7: Problema Del Tiburon

PESO DEL TIBURON

θ

Wf

Lcosθ

90.0°

L

θ

L

Wf

90.0°

Wfsenφ

φ

q q

El peso del tiburón también hace torque negativo, por lo tanto se puede escribir como:

a) – Wf*LCosθ (Proyección de brazo perpendicular a fuerza) b) – WfSenφ*L (Proyección de fuerza perpendicular a brazo)

Page 8: Problema Del Tiburon

TENSIÓN DEL CABLE BARRA-PARED a) Proyectando la fuerza perpendicular al brazo:

+TSenβ*L

θ

β=α+θ

90.0°

q

T

q

Tsenβ

L

b) Descomponiendo la fuerza en una componente horizontal y una vertical, como podrá observar, ninguna de las componentes pasa por el pivote, por lo tanto ambas hacen un momento de torsión positivo; y como siempre habrá que buscar perpendicularidad entre brazo y fuerza, por lo que los momentos resultantes serán:

+ TCosα*LSenθ + TSenα*LCosθ

θ

α

T

q

90.0°

90.0°

90.0°Tcosα

Tsenα

Lcosθ

Lse

L

Page 9: Problema Del Tiburon

Finalmente las Expresiones podrían quedar de la siguiente manera, combinando de cualquier

manera las formas (a) y (b) de las tres fuerzas:

a) – Wv*L/2Cosθ (Proyección de brazo perpendicular a fuerza) b) – WvSenφ*L/2 (Proyección de fuerza perpendicular a brazo)

a) – Wf*LCosθ (Proyección de brazo perpendicular a fuerza) b) – WfSenφ*L (Proyección de fuerza perpendicular a brazo) a) + TSenβ*L b) + TCosα*LSenθ + TSenα*LCosθ

= – Wv*L/2Cosθ – Wf*LCosθ + TSenβ*L = 0

= – WvSenφ*L/2 – WfSenφ*L + TSenβ*L = 0

= – Wv*L/2Cosθ – Wf*LCosθ + TCosα*LSenθ + TSenα*LCosθ = 0

= – WvSenφ*L/2 – WfSenφ*L + TCosα*LSenθ + TSenα*LCosθ = 0

En todos los casos la única incógnita es la magnitud de la tensión del cable. Para determinar la fuerza de reacción resultante en el pivote, se procede como lo hicimos anteriormente.

SEA UN POCO CURIOSO(a) Y VERIFIQUE QUE CON CUALQUIERA DE LAS FORMAS ANTERIORES OBTENDRA EL MISMO RESULTADO. CUALQUIER COMENTARIO Y/O INQUIETUD ME LA PUEDE HACER SABER ESCRIBIENDOME AL CORREO [email protected] o [email protected]