Momento de fuerza para niños

En el mundo de la física, el momento de una fuerza, también conocido como torque o par, es una medida de la fuerza que puede hacer que un objeto gire alrededor de un punto o eje. Imagina que intentas abrir una puerta: no solo importa la fuerza que aplicas, sino también dónde la aplicas. Si empujas cerca de las bisagras, es más difícil abrirla que si empujas lejos de ellas, cerca del pomo. Esa capacidad de hacer girar algo es el torque.

El torque es una cantidad que tiene dirección, como una flecha. Se calcula multiplicando la fuerza que aplicas por la distancia desde el punto donde aplicas la fuerza hasta el centro de giro (el punto de apoyo). Cuanto mayor sea la fuerza o mayor sea la distancia, mayor será el torque.

¿Qué es el torque?

El torque es lo que causa o cambia el movimiento de rotación de un objeto. Piensa en un tornillo: para apretarlo o aflojarlo, necesitas aplicar un torque con un destornillador. Si el destornillador es más largo, te resultará más fácil aplicar el torque necesario.

Definición sencilla

El momento de una fuerza que se aplica en un punto con respecto a un punto de giro se calcula con una operación especial llamada producto vectorial. Es como si multiplicaras la distancia desde el punto de giro hasta donde aplicas la fuerza, por la fuerza misma.

Aquí, es el vector que va desde el punto de giro hasta el punto donde se aplica la fuerza. El resultado, , es un vector que apunta en una dirección perpendicular al plano donde están la fuerza y la distancia.

Torque y el movimiento de giro

El torque está muy relacionado con el momento angular, que es la cantidad de movimiento de giro que tiene un objeto. Si aplicas un torque a un objeto, su momento angular cambiará, lo que significa que girará más rápido o más lento, o cambiará su dirección de giro.

Una partícula se encuentra en la posición r respecto a su eje de rotación. Cuando se aplica una fuerza F a la partícula, sólo la componente perpendicular F_⊥ produce un par.

Imagina una palanca. Si aplicas una fuerza perpendicularmente a la palanca, lejos de su punto de apoyo, generas un torque. Por ejemplo, si aplicas una fuerza de 3 newtons a 2 metros del punto de apoyo, el torque es el mismo que si aplicas 1 newton a 6 metros.

La dirección del torque se puede saber con la regla de la mano derecha: si tus dedos se curvan desde la dirección de la distancia (brazo de palanca) hacia la dirección de la fuerza, tu pulgar apuntará en la dirección del torque.

El torque sobre una partícula se puede calcular como: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \boldsymbol{\tau} = \mathbf{r} \times \mathbf{F}, donde F es la fuerza y r es la distancia desde el punto de giro. La fuerza que es paralela a la distancia no produce torque. Solo la parte de la fuerza que es perpendicular a la distancia es la que realmente hace girar el objeto.

Unidades de medida

El torque se mide en unidades de fuerza por distancia. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad es el newton-metro (N·m).

Aunque el newton-metro tiene las mismas dimensiones que el julio (unidad de trabajo o energía), no se usa el julio para el torque. Esto es porque el torque es una cantidad con dirección (un vector), mientras que la energía es solo una cantidad (un escalar). Son conceptos diferentes.

Sin embargo, hay una relación: si un torque de 1 N·m hace girar algo una vuelta completa (que son Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \scriptstyle2\pi radianes), realiza un trabajo de julios. Por eso, a veces se le llama "julio por radián" (J/rad).

Cálculo del torque en un plano

Cuando los problemas de mecánica son en dos dimensiones (por ejemplo, en un dibujo plano), calcular el torque es más sencillo. Esto se debe a que todos los torques serían perpendiculares a ese plano, así que solo necesitamos sumar sus valores.

Si tienes una fuerza aplicada en un punto P y un punto de giro O en el mismo plano, el valor del torque en O se calcula así:

Aquí, es el valor de la fuerza, y es el "brazo de momento". El brazo de momento es la distancia más corta desde el punto de giro O hasta la línea donde se aplica la fuerza.

La dirección del torque es paralela al eje de giro, que es perpendicular al plano de la fuerza y su brazo de momento. Para saber el sentido, se usa de nuevo la regla de la mano derecha.

Principio de los momentos

El principio de los momentos, también conocido como teorema de Varignon, dice que el torque total que varias fuerzas aplican a un objeto alrededor de un punto es igual a la suma de los torques que cada fuerza produce por separado.

Por ejemplo, si dos fuerzas actúan sobre un objeto alrededor de un punto de giro, estarán equilibradas cuando la suma de sus torques sea cero. Esto significa que el objeto no girará.

Relación entre torque, potencia y energía

Cuando un torque hace girar un objeto a través de un ángulo, está realizando trabajo mecánico. Es similar a cuando una fuerza mueve un objeto a lo largo de una distancia.

El trabajo W realizado por un torque se puede calcular como:

Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): W = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \tau\ \mathrm{d}\theta,

donde τ es el torque y θ₁ y θ₂ son las posiciones angulares inicial y final del objeto.

La potencia es la cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Se calcula multiplicando el torque por la velocidad angular (qué tan rápido gira algo):

Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): P = \boldsymbol{\tau} \cdot \boldsymbol{\omega},

donde P es la potencia, τ es el torque y ω es la velocidad angular.

Un buen ejemplo de esto es una bicicleta. Cuando un ciclista pedalea, aplica un torque a los pedales. Este torque, multiplicado por la velocidad a la que giran los pedales, es la potencia que el ciclista genera. La bicicleta transmite esa potencia a la rueda trasera. Si el ciclista cambia de marcha (usa un piñón diferente), el torque y la velocidad angular de la rueda cambian, pero la potencia total que se transmite sigue siendo la misma (sin contar las pérdidas por fricción). Por ejemplo, en una marcha baja, la velocidad de la rueda es menor, pero el torque es mayor, lo que facilita subir cuestas.

En el Sistema Internacional, la potencia se mide en vatios, el torque en newton-metros y la velocidad angular en radián por segundo.

Multiplicador de torque

El torque se puede multiplicar de varias maneras:

• Cambiando el punto de apoyo: Si usas una palanca y colocas el punto de apoyo de manera que la distancia desde la fuerza sea mayor, el torque aumenta.
• Usando una palanca más larga: Una palanca más larga te permite aplicar el mismo torque con menos fuerza.
• Usando engranajes: Un sistema de engranajes, como una caja de cambios, puede multiplicar el torque. Esto se logra reduciendo la velocidad de rotación. Por ejemplo, en un coche, las marchas bajas multiplican el torque para arrancar o subir pendientes, aunque el coche se mueva más lento.

Véase también

En inglés: Torque Facts for Kids

• Par de fuerzas
• Par motor
• Par de apriete
• Torsión mecánica

Galería de imágenes

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  Momento es igual a fuerza por su brazo.