Constructor de diagrama de cuerpo libre
Coloca un objeto sobre una superficie inclinada con fricción y una fuerza aplicada — todos los vectores de fuerza se dibujan en vivo con sus magnitudes rotuladas.
Objetivo
Verifica la segunda ley de Newton sobre una superficie inclinada — observa cómo el peso, la fuerza normal, la fricción cinética y una fuerza aplicada se combinan en una fuerza neta que determina la aceleración. La simulación modela un bloque rígido sobre una inclinación rígida bajo fricción cinética, ignorando las transiciones de fricción estática y los efectos rotacionales.
Configuración
- Fija la Masa en 5 kg, el Ángulo de inclinación en 20°, el Coef. de fricción μk en 0,20 y la Fuerza aplicada en 0 N (los valores por defecto). Pulsa Iniciar y deja correr el diagrama unos segundos.
- Lee los seis valores del HUD. Peso (fgOut) debería mostrar ≈ 49,05 N; Fuerza normal (fNOut) ≈ 46,09 N; Fricción (ffOut) ≈ 9,22 N; Fuerza neta (fnetOut) ≈ 7,55 N; Aceleración (aOut) ≈ 1,51 m/s².
- Observa el gráfico de barras de la derecha: Fg es la barra más alta, |Fnet| la más corta. Confirma que la flecha de peso apunta recto hacia abajo y que la flecha de fuerza normal apunta perpendicular a la superficie.
- Reinicia. Fija el Ángulo de inclinación en 0° (superficie plana). Pulsa Iniciar y confirma que la Fuerza normal es igual al Peso — la razón FN/Fg debería ser exactamente 1,00.
- Reinicia de nuevo. Sube la Fuerza aplicada a 8 N con ángulo 20° y μk 0,20. La Fuerza neta debería caer a ≈ −0,45 N y la Aceleración a ≈ 0,09 m/s², demostrando un casi equilibrio.
Predicción analítica
Con masa m = 5 kg, inclinación θ = 20° y μk = 0,20 (sin fuerza aplicada), la segunda ley de Newton a lo largo de la superficie da:
El HUD debería mostrar Fuerza neta ≈ 7,55 N y Aceleración ≈ 1,51 m/s². En una superficie plana (θ = 0°), cos 0° = 1, así que FN = Fg exactamente.
Análisis de resultados
Tras pulsar Iniciar con los parámetros por defecto (m = 5 kg, θ = 20°, μk = 0,20, Fa = 0 N), lee los seis valores del HUD. Peso (fgOut) muestra 49,05 N; Fuerza normal (fNOut) ≈ 46,09 N; Fricción (ffOut) ≈ 9,22 N; Fuerza neta (fnetOut) ≈ 7,55 N; Aceleración (aOut) ≈ 1,51 m/s². El gráfico de barras muestra Fg como la barra más alta y |Fnet| como la más corta — confirmando la descomposición de la fricción y la fuerza normal. A θ = 0°, FN y Fg coinciden dentro del redondeo. Calcula la masa implícita a partir del HUD: fnetOut / aOut = 7,55 / 1,51 ≈ 5,00 kg — esto confirma que la segunda ley de Newton se satisface. Ajusta el deslizador de Fuerza aplicada y observa cómo la Fuerza neta se actualiza en tiempo real.
Fuente de error
Esta simulación modela el bloque como una masa puntual sujeta solo a fricción cinética — la fricción estática, la resistencia a la rodadura y la inercia rotacional no se modelan. La fuerza aplicada está restringida a actuar a lo largo de la superficie de la inclinación; las fuerzas aplicadas oblicuas con una componente normal se omiten. La simulación supone que el bloque siempre se mueve cuesta abajo, así que la dirección de la fricción queda fija cuesta arriba sin importar la magnitud de la fuerza aplicada — una simplificación que se rompe si Fa supera a Fg∥. Estas idealizaciones coinciden con la predicción analítica de forma exacta, así que cualquier diferencia residual entre la predicción y las lecturas del HUD es puramente numérica, no física.
Exploración adicional
- Fija el Coef. de fricción μk en 0 y barre el Ángulo de inclinación de 0° a 60°. ¿Crece la Fuerza neta con sin θ? Compara fnetOut a 30° y 60° — la razón debería ser sin 60°/sin 30° ≈ 1,73. ¿Lo es?
- Con θ = 20° y μk = 0,20, encuentra la Fuerza aplicada que hace que la Fuerza neta sea lo más cercana a cero posible. La predicción da Fa ≈ 7,55 N — arrastra el deslizador y observa cómo la lectura de Aceleración se acerca a cero.
- Duplica la masa de 5 kg a 10 kg manteniendo θ = 20° y μk = 0,20. ¿Cambia la Aceleración? Tanto Fg como Ff escalan con la masa, así que a = Fnet/m debería mantenerse constante — verifícalo con la lectura aOut.
- Fija el Ángulo de inclinación en 45° y aumenta μk de 0 a 0,8 en pasos de 0,2. ¿A qué coeficiente de fricción se acerca la Fuerza neta a cero? Nota que el umbral μk = tan 45° = 1,0 está fuera del rango del deslizador — ¿qué te dice eso sobre esta superficie?
- Compara θ = 30° y θ = 60° con μk = 0,30 y Fa = 0. ¿Qué ángulo da mayor aceleración? ¿Son los resultados simétricos alrededor de 45°, y por qué sí o por qué no?