1 Estática – Taller 1 Geraldine Sierra, Julián Álvarez julian.alvarez134@cide.edu.co anyely.sierra054@cide.edu.co Estudiante #1: 1021393054 Estudiante #2: 1027151134 Resumen — En este documento se realizan ejercicios suma y resta de vectores analizando las figuras con métodos de coordenadas bidimensionales y tridimensionales para así hallar las incógnitas. Palabras Claves — Pitágoras, vector, fuerzas, magnitud, ángulo. I. INTRODUCCIÓN En este documento se encuentra la solución del taller 1 correspondiente a la materia de estática, en donde se plantean ecuaciones de sumatoria de fuerzas para cada eje en 2D o 3D, se utiliza la representación de las fuerzas como vector por medio de los vectores unitarios, además se recurre a las funciones trigonométricas para hallar los ángulos de las fuerzas obtenidas por planteamiento de ecuaciones o por la implementación del teorema de Pitágoras. Para este tomaremos los siguientes valores: A: penúltimo digito del documento de identidad del estudiante 1. B: ultimo dígito del documento de identidad del estudiante 1. Y: penúltimo digito del documento de identidad del estudiante 2. Z: ultimo digito del documento de identidad del estudiante 2. A:5 B:4 Y:3 Z:4 II. 1. INVESTIGACIÓN Vectores: A. Concepto: se llama vector a un segmento de recta en el espacio, orientados dentro de un plano bidimensional o tridimensional, que parte de un punto hacia otro, es decir, que tiene dirección, sentido y magnitud. Los vectores en física tienen por función expresar las llamadas magnitudes vectoriales. El término vector proviene del latín vector, vectoris, cuyo significado es ‘el que conduce’, o ‘el que transporta’. Por otro lado, un vector es una entidad geométrica que representa una magnitud física con dirección, sentido y magnitud. Los vectores se utilizan para describir movimientos, fuerzas y campos, entre otros conceptos. En términos más técnicos, un vector es un elemento de un espacio vectorial, que es un conjunto de elementos que cumplen ciertas propiedades, como la existencia de una operación de suma y de multiplicación por escalares. Los vectores se pueden representar gráficamente mediante una flecha que indica la dirección y la magnitud, o bien mediante una tupla de números que indican sus componentes en un sistema de coordenadas. B. Propiedades: • Magnitud: Es el tamaño o la longitud del vector, y se mide en unidades físicas como metros, kilómetros, Newtons, etc. • Dirección: Es la línea recta a lo largo de la cual se mueve el vector, y se puede especificar utilizando un ángulo con respecto a una línea de referencia, o utilizando coordenadas cartesianas. • Sentido: Es la dirección en la cual el vector se mueve, y se puede especificar utilizando un signo positivo o negativo, o utilizando una flecha en el extremo del vector. • Punto de aplicación: Es el punto en el espacio donde se aplica el vector, y se puede especificar utilizando coordenadas cartesianas. • Representación gráfica: Los vectores se pueden representar gráficamente mediante una flecha que indica su magnitud, dirección y sentido. • Operaciones vectoriales: Los vectores se pueden sumar, restar, multiplicar por escalares y calcular el producto punto y el producto cruz. • Componentes: Los vectores se pueden descomponer en sus componentes en una base vectorial, que es un conjunto de vectores linealmente independientes que forman una base para el espacio vectorial como lo serán el eje X y Y. C. Tratamiento: Al sumar dos vectores se obtiene un vector resultante. Para obtenerlo es necesario recurrir a lo que se conoce como “regla del paralelogramo”. Esta consta de construir un paralelogramo que tenga los vectores como lados y se traza la diagonal del mismo para obtener el vector suma. Figura. 1. Sumatoria de vectores Figura 3. Ejercicio 2. III. V. EJERCICIO 1 Determine la magnitud y ángulos de la fuerza F3, tal que la fuerza resultante sea nula para el escenario de la figura 2. EJERCICIO 3 La masa A es de Ln(2 + Y) slugs. Determine la Fuerza normal que ejerce la superficie sobre la esfera A y la masa del bloque B que permitan el equilibrio del sistema. Figura 4. Ejercicio 3. Figura 2. Ejercicio 1. IV. EJERCICIO 2 Calcula la tensión en cada cable si la caja tiene una masa de (B2+ 2*B + 3) slug y el sistema se encuentra estático. VI. EJERCICIO 4 En primer lugar, defina: 𝐵𝑌 𝐻 = ⌈1 + ⌉ 9 𝐴𝑍 𝑅 = ⌈2 + ⌉ 7 Para la gráfica a continuación, halle la magnitud de P y θ para que el sistema equivalente de la siguiente figura sea una fuerza 𝑹 = (𝐻 + 𝑅) 𝑖̂ − (𝐻 − 𝑅)𝑗̂ [𝑘𝑁] 𝑓1𝑦 = 0 𝑓1𝑧 = 0 Teniendo ya el Angulo y la hipotenusa podemos calcular la f3 en z aplicando la función trigonométrica, en este caso seno de 30 grados es igual a la f2z sobre 350 (𝑓2)𝑧 sin 30° 350 Para despejar la variable se multiplican los 350lb por el seno de 30 grados (𝑓2)𝑧 = 350 ∙ sin 30° (𝑓2)𝑧 = 175𝑖𝑏 ya teniendo el resultado se analiza si la componente es negativa o positiva, en este caso es negativa Figura 5. Ejercicio 4. VII. EJERCICIO 5 Determine la magnitud de la resultante de las fuerzas y la dirección de la misma, contada en sentido horario desde la vertical. Figura 6. Ejercicio 5. VIII. Figura 7. DCL ejercicio 1 𝑓1𝑥 = −140 SOLUCIÓN EJERCICIO 1 (𝑓2)𝑧 = −175𝑙𝑏 Se aplica la función coseno de 30° que es igual a mi fuerza prima sobre 350 lb 𝑓𝑖 cos 30° = 350𝑙𝑏 (𝑓𝑖 ) = 350. cos 30° (𝑓𝑖 ) = 304,5 Aplico la función seno 40° para hallar f2 en x (𝑓2)𝑥 sin 40° = 304.5 (𝑓2)𝑥 = 304.5 ∙ sin 40° (𝑓2)𝑥 = 194.88𝑙𝑏 Aplico la función coseno en 40° para hallar f2 en y (𝑓2)𝑦 cos 40° = 304.5 (𝑓2)𝑦 = 304.5 ∙ cos 40° (𝑓2)𝑦 = 233.25𝑙𝑏 Para calcular mi fuerza 3 , restando FR, F1, F2 (𝑓3)𝑥𝑖 + (𝑓3)𝑦𝑗 + (𝑓3)𝑧𝑘 = (0𝑖 + 𝑜𝑗 + 𝑜𝑘) − (−140𝑖 + 0𝑗 + 0𝑘) − (194.88𝑖 + 233.25𝑗 − 175𝑘) Despejamos los paréntesis respetando la ley de signos (𝐹3)𝑥𝑖 + (𝑓3)𝑦𝑖 + (𝑓3)𝑧𝑖 = 0𝑖 + 0𝑗 + 0𝑘 + 140𝑖 − 0𝑗 − 0𝑘 − 194.88𝑖 − 233.25𝑗 + 175𝑘 Se suma o se resta cada valor correspondiente (𝑓3)𝑥𝑖(𝑓3)𝑦𝑗(𝑓3)𝑧𝑘 = (0 + 140 − 194.88)𝑖(0 − 0 − 233.25)𝑗(0 − 0 + 175)𝑘 (𝑓3) = −54.88𝑖 − 233.25𝑗 + 170𝑘 (𝑓3)𝑥 = −54.88𝑖 (𝑓3)𝑦 = −233.25𝑗 (𝑓3)𝑧 = 175𝑘 Se hace el cálculo de la magnitud sumando la raíz cuadrada de cada componente elevado al cuadrado 𝑓3 = √−54.882 − 233.252 + 1752 𝑓3 = √3011.81 + 54405.56 + 30625 𝑓3 = √88042.37 𝑓3 = 296.72𝑙𝑏 Para calcular los ángulos directores de la F3 sacamos arcoseno de 𝛼, 𝛽, 𝛾 −54.88 cos 𝛼 𝑓3 = 296.72 cos 𝛼𝑓3 = − 0.18 𝛼𝑓3 = 100.37° −233.25 296.72 cos 𝛽𝑓3 = −0.79 𝛽𝑓3 = 142.19° 175 cos 𝛾 𝑓3 = 296.72 cos 𝛾 𝑓3 = 0.59 𝛾𝑓3 = 53.84° cos 𝛽𝑓3 = 𝐶𝐴 = 𝑀𝑎𝑔𝑛𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑢𝐶𝐴 = 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑⃑ ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐴 ∗ 𝐶𝐴 𝑟⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐴 𝑟𝐶𝐴 𝑟⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐴 = 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑟𝐶𝐴 = 𝑀𝑎𝑔𝑛𝑖𝑡𝑢𝑑 (2𝑖̂ + 0𝑗̂ + 0𝑘̂) − (0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐴 ∗ [𝑓𝑡] 𝐶𝐴 𝑟𝐶𝐴 (2𝑖̂ − 6𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐴 ∗ [𝑓𝑡] 𝐶𝐴 √(2)2 + (−6)2 + (0)2 (2𝑖̂ − 6𝑗̂ + 0𝑘̂)[𝑓𝑡] ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐴 ∗ 𝐶𝐴 6,324 𝑓𝑡 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴 ∗ (0,316𝑖̂ − 0,949𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = (0,316 𝐶𝐴 𝑖̂ − 0,949 𝐶𝐴 𝑗̂ + 0𝑘̂) 𝐶𝐴 (−2𝑖̂ + 0𝑗̂ + 0𝑘̂ ) − (0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 0𝑘̂) [𝑓𝑡] 𝑟𝐶𝐵 (−2𝑖̂ − 6𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐵 ∗ [𝑓𝑡] 𝐶𝐵 √(−2)2 + (−6)2 + (0)2 (−2𝑖̂ − 6𝑗̂ + 0𝑘̂ )[𝑓𝑡] ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐵 = 𝐶𝐵 ∗ 6,324 𝑓𝑡 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐵 = 𝐶𝐵 ∗ (−0,316𝑖̂ − 0,949𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐵 = (−0,316 𝐶𝐵 𝑖̂ − 0,949 𝐶𝐵 𝑗̂ + 0𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐵 ∗ 𝐶𝐵 IX. SOLUCIÓN EJERCICIO 2 Se reemplaza en la formula las variables con sus valores preestablecidos para hallar la masa y el peso de la caja 𝑚 = (𝐵2 + 2 ∗ 𝐵 + 3)𝑠𝑙𝑢𝑔 2 ( 𝑚 = 4 + 2 ∗ 4 + 3)𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑚 = 27 𝑠𝑙𝑢𝑔 32,17 𝐹 = 27 𝑠𝑙𝑢𝑔 ∗ ( ) 1 𝑠𝑙𝑢𝑔 𝐹 = 868,7 𝑙𝑏 Se definen las coordenadas cartesianas para cada vector (0𝑖̂ + 12𝑗̂ + 8𝑘̂ ) − (0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 0𝑘̂) [𝑓𝑡] 𝑟𝐶𝐷 (0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 8𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐷 ∗ [𝑓𝑡] 𝐶𝐷 √(0)2 + (6)2 + (8)2 (0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 8𝑘̂)[𝑓𝑡] ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐷 = 𝐶𝐷 ∗ 10 𝑓𝑡 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐷 = 𝐶𝐷 ∗ (0𝑖̂ + 0,6𝑗̂ + 0,8𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐷 = (0𝑖̂ − 0,6 𝐶𝐷 𝑗̂ + 0,8 𝐶𝐷 𝑘̂) ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐷 ∗ 𝐶𝐷 𝐹⃑ = (0𝑖̂ + 0𝑗̂ − 8,68,7𝑘̂)[𝑙𝑏] Al tener un sistema con fuerza resultante nula la sumatoria de fuerzas en su eje se iguala con 0 ∑ =0 Figura 8. Diagrama de fuerzas ejercicio 2. 𝐴⃑ = 2𝑖̂ + 0𝑗̂ + 0𝑘̂ [𝑓𝑡] ⃑⃑ = −2𝑖̂ + 0𝑗̂ + 0𝑘̂ [𝑓𝑡] 𝐵 𝐶⃑ = 0𝑖̂ + 6𝑗̂ + 0𝑘̂ [𝑓𝑡] ⃑⃑ = 0𝑖̂ + 12𝑗̂ + 8𝑘̂ [𝑓𝑡] 𝐷 Expresar cada fuerza en forma de vector ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ = 𝐶𝐴 ∗ 𝑢 𝐶𝐴 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐴 ⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝐶𝐴 = 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝐹𝑥 0,316 𝐶𝐴 − 0,316 𝐶𝐵 = 0 0,316 𝐶𝐵 𝐶𝐴 = 0,316 𝐶𝐴 = 𝐶𝐵 (1) ∑ =0 𝐹𝑦 −0,949 𝐶𝐴 − 0,949 𝐶𝐵 + 0,6 𝐶𝐷 = 0 Aplicamos (1) y se remplaza CA por CB −0,949 𝐶𝐵 − 0,949 𝐶𝐵 + 0,6 𝐶𝐷 = 0 −1,898 𝐶𝐵 + 0,6 𝐶𝐷 = 0 1,898 𝐶𝐵 𝐶𝐷 = 0,6 𝐶𝐷 = 3,163 𝐶𝐵 (2) ∑ =0 0,8 𝐶𝐷 − 868,7 𝑙𝑏 𝑘̂ = 0 868,7 𝑙𝑏 𝐶𝐷 = 0,8 𝐶𝐷 = 1085,9 𝑙𝑏 Despejamos CB en (2) 𝐶𝐷 𝐶𝐵 = 3,163 1085,9 𝑙𝑏 𝐶𝐵 = 3,163 𝐶𝐵 = 343,31 𝑙𝑏 Despejamos CA en (1) 𝐶𝐴 = 343,31 𝑙𝑏 X. 𝐹𝑧 SOLUCIÓN EJERCICIO 3 tan 𝜃 |𝑥 = 0.4𝑚 𝑓(𝑥 ) = 2,5𝑥 2 𝑑𝑦 |𝑥 = 0.4𝑚 𝑑𝑥 5𝑥|𝑥 = 0.4𝑚 5𝑥 ∗ 0,4 = 2 tan 𝜃 = 2 θ = tan−1 2 𝜃 = 63,4° 𝑇𝐴𝐵 = 𝑊𝐵 Se realiza sumatoria de fuerzas para cada eje ∑ =0 𝐹𝑥 𝑚𝐵 𝑔 cos 60° − 𝑁 sin 63,4° = 0 𝑚𝐵 𝑔 cos 60° 𝑁= sin 63,4° 𝑚 𝑚𝐵 (9,81 2 ) cos 60° 𝑠 𝑁= sin 63,4° 𝑁 = 5,484 𝑚𝐵 (2) ∑ =0 𝐹𝑦 𝑚𝐵 𝑔 sin 60° +𝑁 cos 63,4° − 𝑊𝐴 = 0 (3) Introducimos (2) en (3) 𝑚𝐵 𝑔 sin 60° +5,484 𝑚𝐵 cos 63,4° − 𝑊𝐴 = 0 𝑚 𝑚𝐵 (9,81 2 ) sin 60° +5,484 𝑚𝐵 cos 63,4° − 230,5 = 0 𝑠 10,948𝑚𝐵 = 230,5 230,5 𝑚𝐵 = 10,948 𝑚𝐵 = 21,05𝑘𝑔 Despejamos (1) 𝑁 = 5,484 ∗ 21,05𝑘𝑔 𝑁 = 115,44 𝑁 Figura 9. DCL ejercicio 3. Se reemplaza en la formula las variables con sus valores preestablecidos para hallar la masa y el peso de la esfera. 𝑚𝐴 = ln(2 + 𝑌)𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑚𝐴 = ln(2 + 3)𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑚𝐴 = ln(5)𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑚𝐴 = 1,61𝑠𝑙𝑢𝑔 14,594𝑘𝑔 𝑚𝐴 = 1,61𝑠𝑙𝑢𝑔 ( ) 1𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑚𝐴 = 23,496 𝑘𝑔 𝑚 𝑊𝐴 = 23,496 𝑘𝑔 (9,81 2 ) 𝑠 𝑊𝐴 = 230,5 𝑁 (1) Se aplica la razón de cambio para el ángulo 𝜃 XI. SOLUCIÓN EJERCICIO 4 Primeramente, se definen las siguientes variables 𝐵𝑌 𝐻 = ⌈1 + ⌉ 9 43 𝐻 = ⌈1 + ⌉ 9 𝐻 = ⌈5,77⌉ 𝐻=6 𝐴𝑍 𝑅 = ⌈2 + ⌉ 7 54 𝑅 = ⌈2 + ⌉ 7 𝑅 = ⌈9,71⌉ 𝑅 = 10 Figura 11. Triangulo de fuerzas ejercicio 4. Figura 10. Diagrama de fuerzas ejercicio 4. Hallamos el valor del vector resultante 𝑹 = (𝐻 + 𝑅) 𝑖̂ − (𝐻 − 𝑅)𝑗̂ [𝑘𝑁] 𝑹 = (6 + 10) 𝑖̂ − (6 − 10)𝑗̂ [𝑘𝑁] 𝑹 = (16) 𝑖̂ − (−4)𝑗̂ [𝑘𝑁] 𝑹 = 16 𝑖̂ + 4𝑗̂ [𝑘𝑁] 𝑅 = √(16)2 + (4)2 [𝑘𝑁] 𝑅 = 16,5 [𝑘𝑁] 𝑃𝑦 𝑃𝑥 −30,64 𝑡𝑎𝑛𝜃 = 26 −30,64 𝜃 = tan−1 ( ) 26 𝜃 = −49,7° 𝑡𝑎𝑛𝜃 = 𝑷 = 40,18[𝑘𝑁] XII. 49° SOLUCIÓN EJERCICIO 5 Se plantean las fórmulas para la sumatoria de los vectores 𝐹1 + 𝐹2 + 𝑃 = 𝑹 𝐹1𝑥 + 𝐹2𝑥 + 𝑃𝑥 = 𝑹𝒙 𝐹1𝑦 + 𝐹2𝑦 + 𝑃𝑦 = 𝑹𝒚 Se aplican dichas fórmulas para la sumatoria de fuerzas ∑ =0 𝐹𝑥 −30 + 40 cos 60° + 𝑃𝑥 = 16 𝑃𝑥 = 16 + 30 − 40 cos 60° 𝑃𝑥 = 26 𝑘𝑁 ∑ =0 𝐹𝑦 40 sin 60° + 𝑃𝑦 = 4 𝑃𝑦 = 4 − 40 sin 60° 𝑃𝑦 = −30,64 𝑘𝑁 𝑃 = √(26)2 + (−30,64)2 [𝑘𝑁] 𝑃 = 40,18[𝑘𝑁] Se halla el ángulo de la fuerza P Figura 12. Diagrama de fuerzas ejercicio 5. Se realizan las sumatorias de fuerzas 𝐹𝑅𝑋 = Σ𝐹𝑋 4 𝐹1 + 𝐹2 cos 4 5° + 𝐹3 ( ) 5 4 900 + 750 cos 4 5° + 650 ( ) {𝑁} 5 𝐹𝑅𝑋 = 1950,33 𝑁 = 1,95 𝐾𝑁 3 𝐹2 sin 45° − 𝐹3 ( ) 5 𝐹𝑅𝑌 = Σ𝐹𝑌 3 750 sin 45° − 650 ( ) {𝑁} 5 𝐹𝑅𝑌 = 140,33 𝑁 Se recurre a Pitágoras para conocer la magnitud de la fuerza resultante 𝐹𝑅 = √(𝐹𝑅𝑋 )2 + (𝐹𝑅𝑌 )2 𝐹𝑅 = √(1950,33)2 + (140,33)2 {𝑁} 𝐹𝑅 = 1955,37 𝑁 = 1,955𝐾𝑁 Por último, se plantea la formula tangente para hallar el ángulo de la fuerza con respecto al eje vertical en sentido horario Figura 13. Triangulo de fuerzas ejercicio 5. 𝐹𝑅𝑋 𝐹𝑅𝑌 1950,33 𝑡𝑎𝑛𝜃 = 140,33 1950,33 −1 𝜃 = tan ( ) 140,33 𝜃 = 85,9° 𝑡𝑎𝑛𝜃 = 85,9° 𝐹𝑅 = 1,955 𝐾𝑁 𝐹𝑅 = (1,955 𝐾𝑁 î + 140,33𝑁𝑗̂ ) XIII. 1. 2. 3. CONCLUSIONES Mediante Pitágoras se logra encontrar la magnitud de un vector conociendo sus coordenadas. Si contamos con un vector definido y se conocen las coordenadas de los demás es posible utilizar el planteamiento de vectores unitarios para hallar su magnitud, dirección y sentido. El correcto uso de las funciones trigonométricas da paso a solucionar ecuaciones con operaciones entre vectores. REFERENCIAS [1]"Vectores: qué son, características, tipos". Ferrovial. https://www.ferrovial.com/es/stem/vectores/. [2]"Vector". Significados. https://www.significados.com/vector/. [3]Toda Materia. "Vectores: qué son y operaciones con explicaciones". Toda Materia. https://www.todamateria.com/vectores/. [4]"Suma de vectores". Economipedia. https://economipedia.com/definiciones/suma-devectores.html#:~:text=La%20suma%20de%20vectores%20es,cumple %20con%20la%20propiedad%20conmutativa. [5] R. C. Hibbeler, Engineering mechanics: statics, 14th ed. USA: Pearson learning, 2016.