Polígono funicular

El polígono funicular es un procedimiento gráfico para el cálculo de reacciones y fuerza resultante a partir de un conjunto de fuerzas coplanares.

El nombre procede del latín funiculum 'cordel, cuerda pequeña' y se refiere al hecho que el polígono funicular de un sistema de fuerzas sería precisamente la forma que adoptaría un cordel sometido a dicho sistema de fuerzas.

Descripción

Un sistemas funiculares y dos polígonos funiculares diferentes abcd en negro y a'b'c'd' en rojo. Su construcción se aclara en la siguiente sección.

Dado un conjunto de fuerzas en el plano un polígono funicular para ese sistema de fuerzas es una línea poligonal (no necesariamente cerrada) cuyos vértices recaen sobre las líneas de acción de la fuerzas y los ángulos que forma en cada vértice el polígono funicular dependen de la magnitud de la fuerza.

Cabe destacar que el polígono funicular no es único, sino que para conjunto de fuerzas pueden dibujarse muchos polígonos funiculares que cumplan las condiciones anteriores. Intuitivamente esto se puede justificar a partir de la idea de que el polígono funicular sería la forma adoptada por una cuerda inextensible ideal sin masa sometida a esas fuerzas. Incialmente se puede colocar según una dirección arbitraria en el plano y a medida que se deja que las fuerzas actúen sobre ella se genera el polígono funicular, dos cuerdas idénticas pero en orientaciones originales diferentes generarán polígonos funiculares diferentes aunque relacionados geométricamente.

Procedimiento

Las tres fuerzas de la sección anterior y los dos polos usados para trazar los dos polígonos funiculares abcd (negro) y a'b'c'd' (rojo).

Dado un sistema finito de fuerzas de n coplanares el polígono funicular consta de n+1 lados. Para encontrarlos se dibuja un diagrama de fuerzas para encontrar la fuerza resultante. Y se siguen los siguientes pasos:

1. Se selecciona un punto arbitrario del diagrama de fuerzas llamado polo O.
2. Se trazan los llamados radios polares que unen los extremos de las fuerzas con el punto O, al existir n fuerzas existirán n+1 extremos y por tanto el mismo número de radios polares.
3. Se toma el primero de los radios polares y se dibuja una semirecta paralela al mismo que intersecte la recta de acción de la primera fuerza.
4. Se consideran el segundo, tercero, ..., n-ésimo radio polar y se dibujan segmentos paralelos entre las rectas de acción de las fuerzas originales, uno a continuación de otro.
5. Se toma en (n+1)-ésimo radio polar y se dibuja una semirecta empezando desde el extremo del último segmento dibujado.

Así los n+1 radios polares del diagrama de fuerzas constituyen una línea polígonal continua, que es precisamente el polígono funicular asociado a la elección del polo O. Nótese que si se toma un polo diferente O' y se repite el procedimiento de 5 pasos anterior se obtiene un polígono funicular diferente, pero que es igualmente válido para calcular el punto de paso de la resultante.

Propiedades

• Dado un sistema de fuerzas el polígono funicular está en una de estas situaciones:

1. El polígono funicular es abierto, en cuyo caso el sistema de fuerzas es estáticamente equivalente a una única fuerza resultante.
2. El polígono funiclar es cerrado siendo el primer y último lado paralelos aunque no coindentes, en ese caso, la fuerza resultante es cero y el sistema de fuerzas equivale a un par.
3. El polígono funiclar es cerrado siendo el primer y último lado coindentes, en ese caso, la fuerza resultante y el momento resultante son nulos con lo cual el sistema de fuerzas original está en equilibrio mecánico.

Aplicaciones

El polígono funicular puede emplearse para algunas operaciones elementales de la estática gráfica como determinar un punto de paso de la fuerza resultante de un conjunto de fuerzas, para determinar alguna reacción o fuerza incógnita en un conjunto de fuerzas en equilibrio.

También puede ser usado para operaciones más complejas como la determinación de la forma ideal de un arco o estructura porticada que garantiza que todos los tramos del mismo trabajen en compresión. Esta condición es muy importante cuando se construyen estructuras mediante bloques de piedra o mampostería. Y puede resultar también incluso en estructuras de hormigón armado con el fin de aprovechar la máxima capacidad del hormigón en compresión.

Cálculo de la resultante

Nótese que dado un sistema de fuerzas coplanares $\{\mathbf {F} _{1},\mathbf {F} _{2},\cdots ,\mathbf {F} _{n}\}$ con puntos de aplicación diferentes $\{P_{1},P_{2},\cdots ,P_{n}\}$, se llamará fuerza resultante a una fuerza:

$\mathbf {F} _{R}=\mathbf {F} _{1}+\mathbf {F} _{2}+\cdots +\mathbf {F} _{n}$

Cuya recta de acción pasa por el punto adecado. Para determinar la recta de paso $P_{R}\,$, o equivalentemente un punto de paso, de dicha recta se usa el polígono funicular. Más concretamente se dibuja un polígono funcicular cualquiera para el sistema de fuerzas y se prologan las dos semirectas extremas de dicho polígono funicular obteniéndose un punto de corte. La existencia de dicho punto de corte está garantizada siempre y cuando la resultante sea diferente de cero. Ese punto de corte es pertenece a la recta de acción de la fuerza resultante y por tanto queda resuelto el problema de situar la fuerza resultante en el lugar adecuado.

Referencia

Bibliografía

• Timoshenko & Young: Teoría de las estructuras, Ed. Urmo, 1981, ISBN 978-84-314-0241-9.