Se le llama diagrama de cuerpo libre a la representación gráfica empleada comúnmente por ingenieros y físicos para analizar las fuerzas que trabajan en un cuerpo libre. El diagrama de cuerpo libre es un caso elemental y particular de un diagrama de fuerzas.
En el idioma español, normalmente se hace uso de la expresión diagrama de fuerzas en similitud al diagrama de cuerpo libre; aunque lo indicado es hablar de diagrama de fuerzas de un sistema aislado o diagrama de fuerzas actuando en un cuerpo libre.
Estos diagramas son de gran utilidad para conocer las fuerzas desconocidas que se encuentran en las ecuaciones del movimiento del cuerpo. El diagrama posibilita la identificación de los momentos y las fuerzas a las que se les debe prestar atención para resolver el problema. También se utilizan para realizar el análisis de las fuerzas internas que trabajan en las estructuras.
Un esquema del cuerpo y de las fuerzas que actúan sobre éste deben estar representadas a manera de vectores. La primera decisión trascendental en la solución de un problema es elegir el cuerpo. Un ejemplo es conocer las fuerzas que trabajan sobre un alicate o una bisagra. Es propicio analizar una de ambas partes y no el sistema entero, representando la segunda mitad por las fuerzas que se trabajan en la primera.
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Elaboración de un Diagrama de Cuerpo Libre
Para realizar un diseño de un elemento mecánico o estructural se necesita saber la carga que actúa en el interior del
mismo para tener la seguridad de que el material posea resistencia a la carga.
Es posible determinar las cargas internas haciendo uso del método de secciones, cortando o seccionando de manera imaginaria una sección perpendicular al eje de la viga. Las cargas internas que trabajan en el elemento quedan a la exposición y se convierten en externas en el diagrama de cuerpo libre que tiene cada segmento.
- Se le llama momento flector al momento de par (M).
- Los componentes de la fuerza (N) que trabajan perpendicularmente a la sección transversal se conocen como fuerza normal.
- Los componentes de la fuerza (V) que es tangente a la parte transversal se denomina fuerza cortante.
Elementos incluidos en el Diagrama de Cuerpo Libre
El esquema del cuerpo sólo debe llegar hasta el nivel de detalle que se necesite. A veces, un esbozo simple es más que suficiente mientras que en otras ocasiones, tomando en cuenta el análisis que se realice, bastaría con un punto. Cada fuerza externa se representa a través de vectores etiquetados de manera adecuada. Las flechas se usan para indicar la magnitud y la dirección de las fuerzas; es importante que se sitúen en el punto en el cual se aplican.
Únicamente se incluyen las fuerzas que trabajen sobre el sujeto. Estas pueden ser gravitatorias, de rozamiento, de contacto, normales o de arrastre. Cuando se actúa con un sistema de referencia no inercial, es adecuado añadir fuerzas ficticias como la centrífuga. Normalmente se trabaja con el sistema de coordenadas que más convenga para que las ecuaciones sean más simples.
Elementos no incluidos en el Diagrama de Cuerpo Libre
Se excluyen las fuerzas que el cuerpo trabaja sobre otros cuerpos. Un ejemplo de esto es cuando una pelota se queda en reposo encima de una mesa. La pelota actúa con una fuerza sobre esta pero en el caso del diagrama de cuerpo libre de la primera, sólo se añade la fuerza que la mesa ejerce sobre la pelota.
De igual forma, las fuerzas internas se excluyen, las que producen que el cuerpo se trate como un sólido único. Por ejemplo: cuando se analizan las fuerzas que se encuentran en los soportes de una estructura mecánica compleja, tales como el tablero de un puente, las fuerzas de la parte interior de las distintas porciones que lo componen no se toman en cuenta.
