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Plano inclinado y diagrama de cuerpo libre

Cambia el ángulo, la masa y la fricción y mira las fuerzas, sus componentes y si el bloque se mueve.

Simulador

Diagrama de cuerpo libre

θ = 30°5 kgmgNfₖa
Flechas a escala entre sí; el plano es un esquema.

Baja por el plano: a = 2.36 m/s²

mg sen θ = 24.52 N > fricción estática máxima μₛN = 16.99 N: la fricción no alcanza a sostenerlo.

Normal N
42.48N
Fricción cinética
12.74N
Fuerza neta
11.78N
Aceleración
2.36m/s²

Ángulo crítico: tan θ = μₛ → θ = tan⁻¹(0.4) = 21.8°. Tu plano (30°) lo rebasa: desliza.

°
kg

Sin fuerza aplicada, la masa no cambia si se mueve ni su aceleración: se cancela.

Decide si arranca: lo más que la fricción puede sostener es μₛN.

Frena cuando ya se mueve. Nunca es mayor que μₛ.

N

Paralela al plano. Positiva: hacia arriba del plano; negativa: hacia abajo.

Gravedad

Usa la que diga el problema: en el examen a veces redondean g a 10 m/s².

Las fórmulas

Lo que necesitas del plano inclinado

Todo sale de la segunda ley de Newton con los ejes girados: x a lo largo del plano, y perpendicular.

Componentes del peso

W∥ = mg sen θ
W⊥ = mg cos θ

La paralela lo jala hacia abajo del plano; la perpendicular lo aprieta contra él.

Normal y fricción

N = mg cos θ
fs ≤ μsN · fk = μkN

N = mg cos θ si no hay otras fuerzas perpendiculares al plano. La estática vale lo necesario, hasta μₛN.

Aceleración

a = g sen θ
a = g(sen θ − μk cos θ)

Arriba, sin fricción; abajo, bajando con fricción. La masa se cancela.

Ángulo crítico

tan θc = μs

Sin otras fuerzas, el bloque empieza a deslizar cuando θ pasa de θc. Así se mide μₛ en el laboratorio.

Practica

Problemas rápidos tipo examen

Se generan solos, con la explicación de cada respuesta. Usan g = 10 m/s², como muchos reactivos del examen.

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Cómo se hace

Cómo hacer un diagrama de cuerpo libre

Es el primer paso de cualquier problema de dinámica. Si el diagrama está bien, las ecuaciones salen solas.

  1. Aísla el cuerpo
    Dibuja solo el bloque, como una caja o un punto. Las fuerzas que van en el diagrama son las que actúan SOBRE él, no las que él hace.
  2. Dibuja el peso
    Siempre vertical hacia abajo, de tamaño mg. No va perpendicular al plano, aunque el bloque esté inclinado.
  3. Dibuja las fuerzas de contacto
    La normal, perpendicular a la superficie y hacia afuera. La fricción, paralela a la superficie y en contra del movimiento (o de hacia donde se movería si no la hubiera).
  4. Agrega las demás fuerzas
    Empujones, cuerdas (la tensión va a lo largo de la cuerda) o una fuerza aplicada. No dibujes «la fuerza del movimiento» ni m·a: no son fuerzas.
  5. Gira los ejes
    Pon x a lo largo del plano y y perpendicular. Así solo el peso queda inclinado y lo descompones en mg sen θ (en x) y mg cos θ (en y).
  6. Suma por eje
    En y no hay movimiento: ΣFy = 0, de ahí N = mg cos θ. En x, ΣFx = m·a: si la fricción estática alcanza a equilibrar, a = 0.
Ejemplo resuelto · plano con fricción

Un bloque de 10 kg baja deslizándose por un plano de 30° con μₖ = 0.2. ¿Qué aceleración tiene? (g = 9.81 m/s²)

  1. Peso: W = mg = 10 × 9.81 = 98.10 N.
  2. Componentes: mg sen 30° = 49.05 N (a lo largo del plano) y mg cos 30° = 84.96 N (contra el plano).
  3. En y: N = mg cos θ = 84.96 N. Fricción cinética: fₖ = μₖN = 0.2 × 84.96 = 16.99 N, hacia arriba del plano.
  4. En x: F neta = 49.05 − 16.99 = 32.06 N.
  5. a = F neta / m = 32.06 / 10 = 3.21 m/s², hacia abajo del plano.

Atajo: a = g(sen θ − μₖ cos θ) = 9.81 × (0.5 − 0.2 × 0.866) = 3.21 m/s². Sin fricción sería g sen θ = 4.91 m/s².

Ábrelo en el simulador
Errores comunes

Lo que más se confunde en el plano

Casi todos los errores salen de un diagrama mal hecho o de cambiar seno por coseno.

  • Creer que la normal siempre es mgSolo en un piso horizontal. En un plano, N = mg cos θ: para 10 kg a 30°, N = 84.96 N, no 98.10 N. Y si alguien empuja el bloque contra el plano, N crece.
  • Cambiar seno por cosenoLa componente paralela lleva seno: mg sen θ. Compruébalo con los extremos: a 0° (piso) no hay nada que lo jale, y sen 0° = 0; a 90° (pared) cae con todo su peso, y sen 90° = 1.
  • Tomar μₛN como la fricción de un bloque quietoμₛN es el máximo, no lo que vale. Un bloque de 5 kg quieto en 20° con μₛ = 0.6 tiene fₛ = mg sen θ = 16.78 N, aunque μₛN = 27.66 N.
  • Usar μₛ cuando ya se mueveμₛ decide si arranca; una vez en movimiento, la fricción es μₖN. Por eso cuesta más empezar a empujar un mueble que mantenerlo en movimiento.
  • Poner la fricción siempre hacia arriba del planoVa en contra del movimiento. Si jalas un bloque de 5 kg hacia arriba con 50 N en 30° (μₖ = 0.3), sube y la fricción (12.74 N) apunta hacia abajo; queda a = 2.55 m/s².
  • Dibujar el peso perpendicular al planoEl peso siempre apunta al centro de la Tierra (vertical). Lo que es perpendicular al plano es la normal.
  • La calculadora en radianesRevisa que diga DEG: sen 30° = 0.5, pero en modo RAD "sen 30" da -0.988. Y para el ángulo crítico usa tan⁻¹: tan⁻¹(0.5) = 26.6°.
Preguntas frecuentes

Dudas comunes

¿Para qué sirve plano inclinado?

Cambia el ángulo, la masa y la fricción y mira las fuerzas, sus componentes y si el bloque se mueve.

¿Cómo la uso?

Mueve los controles y mira cómo cambia la figura: ver el efecto de cada dato ayuda a entender el concepto y no solo a memorizarlo.

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¿Me sirve para el examen de la UNAM, el IPN o la UAM?

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