El diagrama de cuerpo libre (DCL), es uno de los esquemas más simples con los que nos podremos encontrar en el área de la física básica, sobre todo si necesitamos analizar una situación donde se suma la aplicación de distintas fuerzas.
Por ello, en este post te explicaremos qué es un gráfico de este tipo, cuáles son sus usos y te enseñaremos cómo hacerlo.
Tabla de Contenidos
¿Qué es un diagrama de cuerpo libre?
Un diagrama de cuerpo libre es simplemente un esquema donde se grafican todas aquellas fuerzas ejercidas sobre un objeto, pero con la particularidad de que el mismo se representa aislado de otros elementos, aunque este forme parte de un sistema entero.
Por esta razón, también se le conoce como diagrama de cuerpo aislado, pues toma en cuenta solo un “sistema físico” en específico, para poder calcular las fuerzas externas capaces de incidir en él.
En consecuencia, todas las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo libre en cuestión, se grafican mediante vectores (flechas) que las simbolizan.
Así, el diagrama de cuerpo libre se relaciona directamente con la segunda de las leyes de Newton, la cual ayuda a comparar las consecuencias de una fuerza neta externa sobre un determinado objeto, siempre y cuando el cuerpo en cuestión no cambie el tamaño de su masa, no viaje a la velocidad de la luz, ni posea proporciones de partículas atómicas.
¿Para qué sirve?
Gracias a la física, sabemos que no existe un cuerpo libre capaz de producir fuerza de la nada, es decir, para poder moverse debe recibir un impulso aplicado por otro objeto o sistema físico.
De allí la importancia de realizar un DCL, porque sirve como un método capaz de identificar y graficar las fuerzas que afectan un cuerpo material específico.
En términos generales, el diagrama de cuerpo libre es útil cuando necesitamos resolver problemas mecánicos estándares o simplemente para analizar situaciones que impliquen equilibrio de fuerzas.
Esto significa que se puede emplear como un paso importante antes de aplicar la segunda ley de Newton, y realizar estudios acerca del estado de equilibrio o de movimiento de un cuerpo, luego de calcular la fuerza neta externa ejercida sobre el mismo. Básicamente, se usa en los campos de la física, la ingeniería o la mecánica.
¿Cómo se hace el diagrama de cuerpo libre?
Para hacer un DCL se deben considerar algunos factores bastante importantes, por ejemplo, incluir todas las fuerzas ejercidas sobre el cuerpo u objeto de estudio, las cuales se representan con vectores para indicar las direcciones de las mismas, mientras que la longitud de dichas flechas simbolizan su intensidad.
Sin embargo, es necesario tener cuidado de agregar únicamente la información precisa, pues la intención de este tipo de esquemas es ayudar a visualizar los datos mediante un boceto simple.
Ahora bien, observemos paso a paso cómo se debe llevar a cabo el procedimiento para poder realizar un diagrama de cuerpo libre, fácilmente:
- Identifica el cuerpo libre: puede que haya más de un objeto formando parte de un sistema, por ello, se deben separar y hacer los diagramas individualmente para cada uno. También es muy útil asignarle un nombre, por ejemplo, “bloque de masa” (M), “cuerpo A”, o simplemente un punto.
- Elige el sistema de referencia: en este se graficará el diagrama. Comúnmente se utiliza el de coordenadas “X” y “Y”. El cuerpo libre siempre se ubica en medio de ambos, justo donde hacen contacto.
- Identificar y agregar las fuerzas: las mismas se señalan con vectores y pueden ser, por ejemplo, la fuerza normal (N); la fuerza cortante (V); la fuerza de tensión (T) ejercidas por cables o cuerdas, que siempre se dibujan en dirección hacia afuera del cuerpo; entre otras como la del peso de la masa (mg / aunque en ocasiones se le representa con la letra P); la gravitatoria (W); la fuerza elástica (K) de los resortes; o la de fricción (F / también Ffr), según el caso.
Ejemplos de diagramas DCL
Tal como observaremos en los próximos ejemplos de diagrama de cuerpo libre, los mismos son sumamente simples, lo cual ayuda a visualizar cada una de las fuerzas aplicadas sobre algún objeto:
Persona jalando una caja
Si suponemos que alguien intenta jalar una caja pesada para trasladarla horizontalmente de izquierda a derecha, sobre una superficie plana, el diagrama de cuerpo libre debe representar la fuerza (F) aplicada por esa persona más otras como la normal, o la de gravedad.
Considerando que la fuerza normal (N), es aquella perpendicularmente presente cuando dos superficies entran en contacto, y el peso corresponde a la fuerza de gravedad en base al volumen de la masa de la caja; el DCL en este caso sería el siguiente:
Una lámpara colgando de un techo
Para el segundo ejemplo, veremos el diagrama de cuerpo libre de una lámpara colgando del techo mediante dos cuerdas.
En esta situación, aplicaría la fuerza de gravedad, es decir, su peso (P), representada por una flecha en dirección al suelo; la fuerza de tensión de la primera cuerda (T1), apuntando al contrario de la lámpara; y la fuerza de tensión de la segunda cuerda (T2), también dibujada en sentido opuesto al objeto:
Un objeto cayendo libremente
En esta oportunidad partiremos del ejemplo de un objeto cayendo libremente, para comparar las fuerzas que aplican en él. Imaginemos entonces, a un libro caer de una mesa.
De ser el caso, solamente aplicaría la fuerza de la gravedad, la cual representaremos en esta ocasión como el peso de masa mg, así, el DCL sería:
Una caja deslizándose sobre una superficie inclinada
Otro ejemplo indispensable para comprender cómo funciona el diagrama de cuerpo libre, es el de un objeto sobre un plano inclinado. En este sentido, supongamos que hay una caja deslizándose por una rampa y debemos calcular todas las fuerzas ejercidas en ella.
Para este caso también utilizaremos otras nomenclaturas comunes en los DCL, empezando por la fuerza normal (Fn), la cual, al ser perpendicular a la caja apoyada en la rampa, se identifica de forma diagonal en vez de dibujarse verticalmente.
Por otra parte, la fuerza de gravedad o el peso (en esta oportunidad Fg), sigue representándose de manera vertical y hacia abajo, aunque tanto la caja como la Fn estén inclinadas.
Finalmente, queda vigente la fuerza de fricción (Ffr), siempre representada en sentido opuesto al movimiento de la caja. El DCL quedaría de la siguiente forma:
Dos cuerpos colgando de una cuerda y una polea
Por último, es importante explicar cómo hacer un diagrama de cuerpo libre de un sistema con más de un objeto, para ello, consideraremos dos cajas sostenidas con una cuerda y una polea.
Tal como explicamos antes, se debe realizar un DCL para cada una de las cajas por separado, pero en ambos “bloques de masa”, a los que nos referiremos como “m1” y “m2”, solamente aplican la fuerza de tensión de la cuerda (T), y la gravedad (la cual entenderemos en esta oportunidad por “m1g” y “m2g”):
Con todas estas nociones de física básica, podemos realizar distintos tipos de diagramas de cuerpo libre, para aplicarlos a diversas situaciones y poder comparar la fuerza externa neta que repercute en el movimiento de un objeto, tal como señala la segunda ley de Newton.
