¿Qué es la estática en la física y cómo está presente en la vida cotidiana?

¿Sabías que la estática en la física es lo que nos mantiene a salvo cada vez que nos toca entrar a un edificio o cruzar un puente? Estos son algunos de los ejemplos de la estática más ilustrativos que encontramos en nuestro día a día y que sirven para que te des una idea de qué es la estática en la física.

Los ingenieros utilizan la estática para determinar, por ejemplo, dónde deben ir los soportes de un edificio y cuántos deben ser. O para saber qué tipo de construcción es la mejor opción para el diseño de un puente y cruzar el río de la ciudad.

Comprender qué es la estática en la física te ayudará incluso a poder utilizarla la próxima vez que vayas a subir una escalera. Cuando lo hagas, te darás cuenta de que, aunque un objeto no se mueva, hay todo tipo de cosas que lo afectan, como la tensión y la presión. 

Así que ponte tu bata y tus gafas de laboratorio porque vamos a ver qué significa la estática en la rama de la física con aplicaciones y ejercicios que te ayudarán a comprenderla mejor.

¡Bienvenido!

Definición de estática en la física

Según el portal Ejercicios de Física, la estática es una rama de la mecánica, cuyo objetivo es el estudio de las condiciones que debe cumplir un conjunto de fuerzas que actúan sobre un cuerpo o un sistema rígido para que este se encuentre en equilibrio mecánico. 

¿Qué quiere decir que un cuerpo esté en equilibrio mecánico? Básicamente, dos cosas: que se halle en equilibrio cuando está en reposo (equilibrio estático) o que esté en movimiento rectilíneo uniforme (equilibrio cinético o dinámico). 

Esto quiere decir que la estática en la física no solo se refiere a objetos que están completamente quietos, sino también a aquellos que se mueven a una velocidad constante. De acuerdo a esto, la ciencia de la estática nos puede decir mucho sobre el comportamiento de las cosas cuando se trata de equilibrarlas, comprimirlas o estirarlas. Y en el caso de las edificaciones y puentes, a los ingenieros y arquitectos les interesa más el equilibrio estático. 

Ahora bien, según las fórmulas de la estática, un cuerpo inmóvil no se pone espontáneamente en movimiento, se necesita algún agente externo para moverlo. Entonces, podemos tomar como ejemplos de estática en física: 

• la atracción de una varilla de hierro si el objeto es un imán, 
• un esfuerzo muscular si el objeto es una masa que hay que levantar. 

O sea, todos los agentes externos que perturban el estado "natural" de quietud o, como mencionamos antes, de movimiento rectilíneo uniforme, reciben el nombre de fuerzas.

Imagen: ​​ejerciciosdefisica.com

La fuerza en la estática

Para entender bien qué es la estática en la física, hay que mencionar la fuerza, ya que el objetivo de la estática es establecer la fuerza total del resultado de todas las fuerzas que intervienen sobre un cuerpo y que son las que logran las condiciones de su equilibrio.

Entonces, ¿cuál es el papel de la fuerza en la estática? La fuerza es la causa capaz de modificar el estado de quietud o de movimiento de un cuerpo; como también es lo que causa la deformación del mismo. El efecto producido por la fuerza sobre un cuerpo depende de: 

• la magnitud, 
• la dirección, 
• el sentido 
• y el punto donde se aplica. 

Por consiguiente, la fuerza es una magnitud física vectorial. ¿Qué significa esto? Que la fuerza está totalmente determinada por un número, una unidad, una dirección y un sentido, y al número y a la unidad se los conoce como módulo. Por ejemplo, el módulo de la velocidad del viento es de 3 Km/h. Y el módulo de una fuerza es un número que indica su intensidad.

Ahora bien, ¿cuáles son los símbolos de la fuerza y la estática científicamente? Según el Sistema internacional de Unidades, la unidad de medida de la magnitud fuerza es el Newton (N). Las fuerzas se simbolizan con flechas y el tamaño es directamente proporcional al módulo de la fuerza que representa.

¿Cómo calcular la estática en la física? 

Para que un sistema encuentre el punto de equilibrio, debe satisfacer las tres ecuaciones de equilibrio: 

Suma Fx = 0

Suma Fy = 0

Suma M = 0

En este caso, Fx es la fuerza que se ejerce en el eje horizontal y Fy en el eje vertical. Y M, la masa, debe ser cero, ya que la primera ley de Newton (F=ma), nos indica que si la fuerza y la aceleración son 0, la suma de las masas también.

Hoy en día, los métodos y cálculos de la estática en la física han ayudado a la construcción de muchas de las obras de ingeniería como edificios, puentes y presas, así como de dispositivos mecánicos, como las grúas. Esto ocurre ya que lo primero que deben hacer los arquitectos e ingenieros es calcular las fuerzas que actúan sobre los cuerpos y sus componentes. La estática provee los procedimientos análiticos y gráficos que se necesitan para describir e identificar estas fuerzas desconocidas. 

Para que un cuerpo sea considerado estático, se debe asumir que el cuerpo está perfectamente rígido y en equilibrio. Además, la suma de las fuerzas sobre el objeto que está en reposo, suman cero. Esto quiere decir que las fuerzas se balancean entre ellas y no causan que el objeto se mueva o gire. 

Consideremos el siguiente ejemplo:

Fuente: Physics Classroom

En el gráfico anterior, los dos objetos se encuentran en equilibrio ya que las fuerzas están balanceadas a pesar de que no todas tienen la misma fuerza. 

Por lo tanto, la fuerza neta es cero y la aceleración es 0 m/s/s. Para que un objeto esté en equilibrio, debe tener una aceleración de cero como lo menciona la primera ley de Newton. Dicho esto, una aceleración de 0 m/s/s no significa que el objeto está en reposo. Más bien, significa que un cuerpo en equilibrio puede estar:

• En descanso
• Moviéndose en la misma dirección y con la misma velocidad

Ejercicios de estática

Ya que conoces qué es la estática en la física, veamos un ejercicio. 

Cuando un objeto está en reposo y en un estado de equilibrio, podemos decir que se encuentra en equilibrio estático. Un experimento de laboratorio clásico involucra colgar un objeto de dos o más hilos o cuerdas y medir las fuerzas que se ejercen en ángulo sobre el objeto para que éste tenga un peso.

Veamos un ejemplo de la estática física: 

Fuente: Physics Clasroom

En este caso, el objeto está en la intersección entre las tres fuerzas y se encuentra en equilibrio, ya que la fuerza neta y la aceleración son cero. 

Para calcular la fuerza, se utilizan las siguientes fórmulas:

F=√ ( F(x)^2+ (F(y)^2)

Donde: 

F(x) = F cosα

Y 

F(y) = F senα

Aplicando estas fórmulas a este ejemplo:

Fuente: Physics Classroom

La fuerza resultante neta es de 0 Newtons. Esto tiene sentido ya que el objeto está en equilibrio. Ya que hemos visto un ejercicio de la estática física, veamos algunos ejemplos de donde ésta ocurre en nuestro día a día.

Ejemplos de estática en la física

1. Un coche en un puente

Un ejemplo de la estática en la física es un coche parado en un puente, pues ejerce una cantidad de fuerza considerable en la superficie entre el coche y el puente. Sin embargo, esta fuerza no causa ningún cambio en el estado, posición o forma del puente o el coche . Por lo tanto, la suma de las fuerzas es cero. 

2. Colgando un cuadro

No necesitas una introducción a la carpintería para intuir cómo actúa la estática en la física en este ejemplo. Cuando colgamos un objeto en la pared, un número de fuerzas actúa sobre él. La gravedad jala al cuerpo hacia abajo y, al mismo tiempo, la fuerza que ofrece la pared junto al  clavo mantienen al objeto en posición. El cuadro no cambia en estado o posición conforme pasa el tiempo, por lo que puede considerarse que está en equilibrio. 

Fuente: Unsplash

3. Un barco flotando en el mar

Otro ejemplo de la estática en la física ocurre cuando un barco se encuentra en la superficie del agua. La fuerza gravitacional jala al barco hacia el centro de la tierra mientras que la fuerza boyante que ejerce el barco lo empuja hacia arriba. Esto crea un balance que mantiene al cuerpo estático. 

4. Empujando una pared

Cuando un individuo aplica una fuerza de empuje a la superficie de una pared bien construida, ésta no se mueve. Aunque  aumente la fuerza que aplica, la pared no cambia de posición. Esto sugiere la existencia de una fuerza opuesta que va en dirección contraria y no permite que cambie la posición o el estado de la pared. A esto se le conoce como fuerza de reacción y hace que el cuerpo esté en equilibrio.

5. Estar parado sobre el piso

Sí. En todo momento eres un producto de la estática en la física. Cuando una persona está parada sobre una superficie plana, la fuerza gravitacional y la fuerza de reacción que ejerce el piso la  mantienen en estado estático. Estos son tan sólo algunos ejemplos de la estática en la física y, como puedes notarlo, nuestro mundo está lleno de ellos. ¿Se te ocurre alguno otro?

Fuente: Unsplash

Breve historia de la estática

En esta sección de nuestro artículo sobre la estática en la física, vamos a ver ahora cuál fue la evolución histórica de los principios de la estática. Los primeros estudios de los que se tiene conocimiento acerca de la estática se remontan a más de dos mil años. Aunque los vestigios no son muchos, son suficientes para despertar el interés y admiración hacia quienes trabajaron por la ciencia de la estática en profundidad. 

Así que vamos a hacer énfasis en dos obras en particular, las cuales son consideradas verdaderas reliquias de la sabiduría antigua: la de Aristóteles, quien se dedicó al tratamiento de los problemas mecánicos, y a la de Arquímedes, quien trató en sus investigaciones sobre los diversos problemas del equilibrio.

Aristóteles

Sí, lo sabemos. Quizá te estés pensando qué tiene que ver Aristóteles con la estática porque no era físico ni matemático, sino un filósofo. Pues bien, su obra acerca de este tema fue verdaderamente admirable para su época, pues tiende a establecer los principios de la estática. Según Aristóteles, todo movimiento debe encontrar una resistencia.

Por lo tanto, supone la intervención de una acción o fuerza motriz, que debe ser mayor a su masa. Entre más grande sea la masa que se pretende mover, mayor será la velocidad que se debe aplicar. Sin embargo, estos principios no fueron desarrollados con el debido rigor y aborda la mecánica de la estática de una manera general.

Arquímedes

Mientras tanto, los primeros avances en la teoría de la estática en la física debían realizarse por otras vías. Es así como los inicios de la estática se remontan a la antigua Grecia, donde hace más de 2,200 años el matemático Arquímedes estudió la aplicación de fuerzas de máquinas sencillas, como una palanca o un eje.

Arquímedes tenía un espíritu matemático, y dejó de lado las ideas generales sobre el movimiento de los cuerpos y la estática, ya que las consideraba demasiado complejas e inadecuadas. Para hacer proposiciones precisas y concretas, con un sentido más matemático, 

Arquímedes prefirió poner su atención a los fenómenos e instrumentos más simples, en los que basó todos sus razonamientos y teorías acerca de la estática. Así, en su tratado se recogen sus estudios sobre la palanca y los centros de gravedad, aspectos que trata partiendo de las siguientes hipótesis:

1. Dos pesos iguales suspendidos a igual distancia del punto de apoyo están en equilibrio.
2. Dos pesos iguales suspendidos a diferentes distancias no están en equilibrio, y el que está suspendido a mayor distancia comienza a descender.
3. Si dos pesos suspendidos a determinadas distancias están en equilibrio y uno de ellos asciende ligeramente, dejan de estarlo y el que ha ascendido comienza a descender.

Fue así como el gran físico griego dejó los fundamentos del uso de la palanca y el equilibrio de los cuerpos sumergidos y dio paso a la hidrostática.

Otros científicos importantes

• Más tarde, vendrían Leonardo da Vinci y Galileo Galilei a dejar un legado de importantes aportes acerca de la estática en la física. De hecho, fue el científico Galileo quien determinó que no era necesaria una fuerza neta para mantener el movimiento de un cuerpo (equilibrio dinámico).
• Asimismo, Simon Stevin (1548-1620) fue quien notó la paradoja hidrostática y el primero en describir el equilibrio de los cuerpos sobre un plano inclinado.
• Isaac Newton (1642-1727) aportó las tres leyes de la mecánica a los fundamentos de la estática.
• D’Alembert dejó el concepto de fuerza inercial. Gracias a su aporte es posible estudiar problemas dinámicos mediante el concepto de equilibrio.
• Euler y Lagrange desarrollaron técnicas matemáticas que le dieron forma a las aplicaciones de la estática.

Sabemos que la lista de ingenieros y científicos que dieron su vida y sus aportes a la ciencia de la estática han sido más que los que hemos nombrado. ¿Qué tal te ha parecido? 

Entonces, ya conoces qué es la estática en la física, cómo se calcula y algunos ejemplos presentes en nuestras vidas. Si apenas estás aprendiendo sobre esto o ya eres un experimentado conocedor de la ciencia, es importante que aprendas cómo este fenómeno construye nuestro mundo. 

La estática en la física es tan sólo una parte del vasto mundo de la física. Podríamos escribir ensayos repletos de cálculos y ejemplos de esto en nuestras vidas. Incluso basta con asomarse por tu ventana y ver las obras y caminos de tu ciudad para darte cuenta cómo dicha disciplina está presente en nuestra rutina. La estática en la física está detrás de todos los cálculos e ingeniería civil de nuestros edificios, puentes y más. 

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¡Mucha suerte!