Física · Glosario

¿Qué es Momento respecto de un punto; respecto de un eje?

Definición 15.1 Física universitaria — primer año · Capítulo 15 — Momento angular

El momento (o par) respecto de un punto OO de una fuerza F\vect F aplicada en MM es el vector

MO(F)=OMF(Nm),\vect{\mathcal M}_O(\vect F) = \vect{OM}\wedge\vect F \qquad (\mathrm{N}\,\mathrm{m}),

perpendicular al plano de OM\vect{OM} y F\vect F, de norma OMFsinα=FdOM\cdot F\sin\alpha = F\,d, donde dd — el brazo de palanca — es la distancia de OO a la recta de acción de F\vect F. El momento respecto de un eje orientado Δ\Delta (de vector unitario eΔ\vect e_\Delta) que pasa por OO es el escalar MΔ=MOeΔ\mathcal M_\Delta = \vect{\mathcal M}_O\cdot\vect e_\Delta, independiente de la elección de OO sobre Δ\Delta; se anula si F\vect F es paralela a Δ\Delta o lo corta. Dos fuerzas opuestas con rectas de acción distintas forman un par de fuerzas, cuyo momento FAB\vect F\wedge\vect{AB} es el mismo respecto de todo punto.

El momento de F respecto de O: el producto vectorial OM F, de norma F\,d con d la distancia de O a la recta de acción (el brazo de palanca), dirigido perpendicularmente a la figura — aquí hacia el lector.
El momento de F\vect F respecto de OO: el producto vectorial OMF\vect{OM}\wedge\vect F, de norma FdF\,d con dd la distancia de OO a la recta de acción (el brazo de palanca), dirigido perpendicularmente a la figura — aquí hacia el lector.

Ejemplos

Ejemplo 15.2 (La puerta)

Un empujón de 20N20\,\mathrm{N} perpendicular a una puerta a 0.80m0.80\,\mathrm{m} de las bisagras tiene un momento de 16Nm16\,\mathrm{N}\,\mathrm{m} respecto del eje de las bisagras; el mismo empujón a 0.10m0.10\,\mathrm{m}, 2Nm2\,\mathrm{N}\,\mathrm{m}; a lo largo de la puerta (con la recta de acción pasando por las bisagras), cero. La propia reacción de la bisagra, que corta al eje, no tiene momento respecto de él: eso hace del eje el lugar natural para tomar momentos.

Ejemplo 15.6 (El péndulo por momentos)

Péndulo simple, con el eje Δ\Delta por el pivote perpendicular al plano de oscilación: LΔ=m2θ˙L_\Delta = m\ell^2\dot\theta; la tensión corta al eje (no tiene momento) y el momento del peso vale mgsinθ-mg\ell\sin\theta (brazo de palanca sinθ\ell\sin\theta, recuperador). El teorema da m2θ¨=mgsinθm\ell^2\ddot\theta = -mg\ell\sin\theta, la ecuación de Ejemplo 12.12 sin escribir jamás la tensión — la principal ventaja de los momentos: las fuerzas que pasan por el eje desaparecen.

Ejemplo 15.10 (La patinadora)

Con los brazos extendidos, el cuerpo de una patinadora tiene J4kgm2J \approx 4\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2} más dos brazos de 3kg3\,\mathrm{kg} a 0.8m0.8\,\mathrm{m}: J1=4+2×3×0.64=7.8kgm2J_1 = 4 + 2 \times 3 \times 0.64 = 7.8\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}. Con los brazos recogidos (0.2m0.2\,\mathrm{m}): J2=4.2kgm2J_2 = 4.2\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}. La reacción del hielo y el peso no tienen momento respecto del eje vertical: JωJ\omega se conserva y el ritmo de giro sube en J1/J2=1.85J_1/J_2 = 1.85 — de 22 a 3.73.7 vueltas por segundo — mientras la energía cinética sube en ese mismo factor, pagada por los músculos que recogen los brazos.

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