Estática física número 2, Thesis of Sports Law

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Ingeniería mecánica

Decimocuarta edición

ESTÁTICA

R. C. Hibbeler

Vector cartesiano A = Ax i + Ay j + Az k Magnitud A = 2 A^2 x + A^2 y + A^2 z Direcciones

u A =

A

A

Ax A

i +

Ay A

j +

Az A

k

= cos a i + cos b j + cos g k cos 2 a + cos 2 b + cos^2 g = 1 Producto punto A · B = AB cos u = AxBx + AyBy + AzBz Producto cruz

C = A : B = 3

i j k Ax Ay Az Bx By Bz

Vector cartesiano de posición r = ( x 2 - x 1 ) i + ( y 2 - y 1 ) j + ( z 2 - z 1 ) k Vector cartesiano de fuerza

F = F u = F a

r r

b

Momento de una fuerza

MO = Fd

M O = r : F = 3

i j k rx ry rz Fx Fy Fz

Momento de una fuerza alrededor de un eje específico

Ma = u #^ r : F = 3

ux uy uz rx ry rz Fx Fy Fz

Simplificación de un sistema de fuerza y par F R = F

( M R ) O = M + M O

Equilibrio

Partícula Fx = 0, Fy = 0, Fz = 0 Cuerpo rígido, dos dimensiones Fx = 0, Fy = 0, MO = 0

Cuerpo rígido, tres dimensiones Fx = 0, Fy = 0, Fz = 0 Mx = 0, My = 0, Mz = 0

Fricción Estática ( máxima ) Fs = μsN Cinética Fk = μkN

Centro de gravedad Partículas o partes discretas

r =

r W W Cuerpo

r =

r dW

dW

Momentos de inercia de área y masa

I = r^2 dA I = r^2 dm

Teorema de los ejes paralelos I = I + Ad^2 I = I + md^2 Radio de giro

k = A

I

A

k = A

I

m

Trabajo virtual d U = 0

Ecuaciones fundamentales de la Estática

ESTÁTICA

INGENIERÍA MECÁNICA

ESTÁTICA

DECIMOCUARTA EDICIÓN

INGENIERÍA MECÁNICA

R. C. HIBBELER

Traducción

Jesús Elmer Murrieta Murrieta

Tecnológico de Monterrery, campus Morelos

Revisión técnica

Mónica Ramírez Ortega

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco Instituto Politécnico Nacional, México

Todos los derechos reservados.

Authorized translation from the English language edition entitled Engineering Mechanics. Statics, 14 th^ Edition, by R. C. Hibbeler, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Copyright © 2016. All rights reserved.

ISBN 9780133918922

Traducción autorizada de la edición en idioma inglés titulada Engineering Mechanics. Statics, 14 a^ edición, por R. C. Hibbeler, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall. Copyright © 2016. Todos los derechos reservados.

Esta edición en español es la única autorizada.

Director General: Sergio Fonseca Garza Director de Contenidos y Servicios Digitales: Gerente de Contenidos y Servicios Editoriales: Coordinador de Contenidos, Educación Superior:

Alan David Palau Jorge Luis Íñiguez Caso Guillermo Domínguez Chávez e-mail: guillermo.dominguez@pearson.com Especialista en Contenidos de Aprendizaje: Luis Miguel Cruz Castillo Especialista en Desarrollo de Contenidos: Bernardino Gutiérrez Hernández Supervisor de Arte y Diseño: Enrique Trejo Hernández

DECIMOCUARTA EDICIÓN, 2016

D.R. © 2016 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Antonio Dovalí Jaime Núm. 70 Torre B, Piso 6, Col. Zedec Ed. Plaza Santa Fe Delegación Álvaro Obregón C.P. 01210, México, D.F.

Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación puede reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes.

ISBN 978-607-32-3707- ISBN e-book 978-607-32-3698-

Impreso en México. Printed in Mexico 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 19 18 17 16

HIBBELER, R. C. Ingeniería mecánica. Estática Decimocuarta edición

PEARSON EDUCACIÓN, México, 2016 ISBN: 978-607-32-3707- Área: Ingeniería Formato: 20 u 25.5 cm Páginas: 704

www.pearsonenespañol.com

El propósito principal de este libro es ofrecer al estudiante una presentación clara e integral de la teoría y las aplicaciones de la ingeniería mecánica. Para alcanzar ese objetivo, la obra se ha enriquecido con los comentarios y las sugerencias de cientos de revisores que se dedican a la enseñanza, así como de muchos de los alumnos del autor.

Características nuevas en esta edición

Problemas preliminares. Esta nueva característica se encuentra a lo largo de

todo el texto y se presenta justo antes de los problemas fundamentales. Su intención es poner a prueba la comprensión conceptual que haya tenido el estudiante acerca de la teoría. Por lo general, las soluciones requieren la realización de pocos cálculos o de ninguno en absoluto; así, estos problemas proporcionan un entendimiento básico de los conceptos, antes de aplicarlos en forma numérica. Al final de este texto, se presentan todas las soluciones.

Ampliación de las secciones de puntos importantes. Se agregaron

resúmenes que refuerzan el material de lectura y destacan las definiciones y los conceptos importantes en las secciones.

Revisión del material. En esta edición se logró una mayor claridad en los

conceptos y ahora las definiciones importantes se presentan en negritas con la finalidad de resaltarlas.

Problemas de repaso al final del capítulo. En esta edición se incluyen

las soluciones a todos los problemas de repaso al final del texto, por lo que los estudiantes pueden revisar su trabajo mientras estudian para sus exámenes y repasar sus conocimientos al concluir cada capítulo.

Nuevas fotografías. La importancia de conocer los temas de estudio se refleja

en las aplicaciones al mundo real representadas en las más de 30 fotografías nuevas o actualizadas a lo largo del libro. Por lo general, esas fotografías se utilizan para explicar la forma en que los principios relevantes se aplican a situaciones cotidianas y la manera como se comportan los materiales bajo carga.

Nuevos problemas. En esta edición se agregaron cerca de 30% de problemas

inéditos, los cuales involucran aplicaciones en muchos campos de la ingeniería.

PREFACIO

PREFACIO I X

aplicaciones simplificadas aumentan el interés en el tema estudiado y preparan de mejor forma al estudiante para entender los ejemplos y resolver los problemas.

Problemas de tarea. Además de los problemas fundamentales y conceptuales

que se mencionaron, el libro incluye problemas de otro tipo, como los que se describen a continuación:

r
Problemas de diagrama de cuerpo libre. Algunas secciones del libro incluyen problemas introductorios que sólo requieren dibujar el diagrama de cuerpo libre para una situación específica. Son asignaciones que harán que el estudiante reconozca la importancia de dominar esta habilidad como un requisito para obtener una solución integral de cualquier problema de equilibrio.

r
Problemas generales de análisis y diseño. La mayoría de los problemas presentan situaciones reales en la práctica de la ingeniería. Algunos provienen de productos reales usados en la industria. Se espera que este realismo estimule el interés del estudiante en la ingeniería mecánica, y lo ayude a desarrollar la habilidad de reducir cualquier problema de este tipo desde su descripción física hasta un modelo o representación simbólica a la que se le puedan aplicar los principios de la mecánica.

A lo largo del libro existe cierto equilibrio entre los problemas que utilizan las unidades del SI y las del FPS. Asimismo, en todas las series se ha hecho un esfuerzo por ordenar los problemas de acuerdo con una dificultad creciente, excepto en los problemas de repaso al final de cada capítulo, los cuales se presentan en orden aleatorio.

r
Problemas por computadora. Se ha hecho un esfuerzo por incluir algunos problemas que pueden resolverse usando un procedimiento numérico ejecutado en una computadora de escritorio o en una calculadora de bolsillo. La intención es ampliar la capacidad del estudiante para que utilice otras formas de análisis matemático sin sacrificar el tiempo, para enfocarse en la aplicación de los principios de la mecánica. Los problemas de este tipo, que pueden o deben resolverse mediante procedimientos numéricos, se identifican con un “cuadro” () antes del número del problema.

Esta edición contiene una gran cantidad de problemas de tarea que se clasifican en dos categorías. Los problemas que se indican sólo mediante un número tienen una respuesta, y en algunos casos un resultado numérico adicional, que se presenta en la parte final del libro. Cada cuarto problema tiene un asterisco (*) antes de su número, lo que indica que se trata de un problema sin respuesta.

Exactitud. Del mismo modo que en las ediciones anteriores la precisión del texto

y de las soluciones a los problemas ha sido verificada de manera profunda por el autor y por cuatro revisores adicionales: Scott Hendricks, del Virginia Polytechnic Institute and State University; Karim Nohra, de la University of South Florida; Kurt Norlin, del Bittner Development Group; y finalmente Kai Beng, un ingeniero practicante, que además de revisar la precisión brindó sugerencias para el desarrollo de problemas.

X PREFACIO

Contenido

El libro está dividido en 11 capítulos, donde los principios se aplican primero en situaciones sencillas y después en contextos más complejos. En un sentido general, cada principio se aplica primero a una partícula, después a un cuerpo rígido sujeto a un sistema de fuerzas coplanares y, por último, a un sistema de fuerzas tridimensional que actúa sobre un cuerpo rígido. El capítulo 1 comienza con una introducción a la mecánica y un análisis de las unidades. En el capítulo 2 examina las propiedades vectoriales de un sistema de fuerzas concurrentes. Después, esta teoría se aplica al equilibrio de una partícula en el capítulo 3. El capítulo 4 presenta un estudio general de los sistemas de fuerzas concentradas y distribuidas, así como de los métodos usados para simplificarlos. En el capítulo 5 se desarrollan los principios del equilibrio de cuerpos rígidos, los cuales, en el capítulo 6, se aplican a problemas específicos que involucran el equilibrio de armaduras, bastidores y máquinas. Luego, en el capítulo 7, estos principios se aplican al análisis de fuerzas internas en vigas y cables. En el capítulo 8 se estudian las apli- caciones a problemas que implican fuerzas de fricción; y en el capítulo 9 se analizan temas relacionados con el centro de gravedad y el centroide. Si el tiempo lo permite, también deben cubrirse las secciones que implican temas más avanzados, los cuales se indican mediante estrellas (). La mayoría de estos temas se incluyen en el capítulo 10 (momentos de inercia) y en el capítulo 11 (trabajo virtual y energía potencial). Observe que este material también proporciona una referencia adecuada para los principios básicos, cuando éstos se estudian en cursos más avanzados. Por último, el apéndice A presenta un repaso y una lista de fórmulas matemáticas necesarias para resolver los problemas del libro.

Cobertura alternativa. A juicio del profesor, algunas partes del material

pueden presentarse en una secuencia diferente sin perder continuidad. Por ejemplo, es posible introducir el concepto de fuerza y todos los métodos necesarios del análisis vectorial, al cubrir primero el capítulo 2 y la sección 4.2 (producto cruz). Asimismo, después de estudiar el resto del capítulo 4 (sistemas de fuerza y momento), se puede continuar con los métodos de equilibrio de los capítulos 3 y 5.

Reconocimientos

El autor se ha esforzado por escribir este libro de manera que resulte de interés tanto para el estudiante como para el profesor. A través de los años, muchas personas han contribuido en su desarrollo y siempre estaré agradecido por sus valiosos comentarios y sugerencias. De forma específica, quisiera agradecer a todas las personas que han aportado comentarios relacionados con la preparación de la decimocuarta edición de esta obra y, en particular, a O. Barton, Jr., de la U. S. Naval Academy, K. Cook-Chennault en Rutgers, la State University of New Jersey, Robert Viesca de la Tufts University, Ismail Orabi de la University of New Haven, Paul Ziehl de la University of South Carolina, Yabin Laio de la Arizona State University, Niki Schulz de la University of Portland, Michael Reynolds de la University of Arkansas, Candace Sulzbach de la Colorado School of Mines, Thomas Miller de la Oregon State University y Ahmad Itani de la University of Nevada.

X I I PREFACIO

Recursos (en inglés) para los profesores que utilizan este texto

como apoyo para su asignatura

r
Manual de soluciones para el profesor. Este suplemento incluye soluciones completas apoyadas por enunciados y figuras de los problemas. El manual de esta decimocuarta edición ha sido modificado para mejorar su legibilidad, y su precisión se revisó varias veces. El manual de soluciones para el profesor está disponible en: www.pearsonenespañol.com/hibbeler.

r
Recursos para el profesor. Los recursos visuales que acompañan al texto se encuentran disponibles en: www.pearsonenespañol.com/hibbeler. Estos recursos incluyen todas las figuras del texto en formato de diapositivas de PowerPoint.

Por favor contacte a su representante de Pearson para obtener una clave de inicio y contraseña para acceder a estos recursos.

CONTENIDO

1 Principios generales 3

X I I I

Objetivos del capítulo 3 1.1 Mecánica 3 1.2 Conceptos fundamentales 4 1.3 Unidades de medición 7 1.4 El sistema internacional de unidades 9 1.5 Cálculos numéricos 10 1.6 Procedimiento general para el análisis 12

2 Vectores fuerza 17

Objetivos del capítulo 17 2.1 Escalares y vectores 17 2.2 Operaciones vectoriales 18 2.3 Suma vectorial de fuerzas 20 2.4 Suma de un sistema de fuerzas coplanares 33 2.5 Vectores cartesianos 44 2.6 Suma de vectores cartesianos 47 2.7 Vectores de posición 56 2.8 Vector fuerza dirigido a lo largo de una línea 59 2.9 Producto punto 69

Prefacio VII

C ONTENIDO X V

5

Equilibrio de un cuerpo

rígido 207

Objetivos del capítulo 207 5.1 Condiciones para el equilibrio de un cuerpo rígido 207 5.2 Diagramas de cuerpo libre 209 5.3 Ecuaciones de equilibrio 220 5.4 Elementos de dos y tres fuerzas 230 5.5 Diagramas de cuerpo libre 245 5.6 Ecuaciones de equilibrio 250 5.7 Restricciones y determinación estática 251

6

Análisis estructural 273

Objetivos del capítulo 273 6.1 Armaduras simples 273 6.2 Método de nodos 276 6.3 Elementos de fuerza cero 282 6.4 Método de secciones 291 6.5 Armaduras espaciales 301 6.6 Bastidores y máquinas 305

X V I CONTENIDO

7 Fuerzas internas 343

Objetivos del capítulo 343 7.1 Cargas internas desarrolladas en elementos estructurales 343 7.2 Ecuaciones y diagramas de fuerza cortante y de momento flexionante 361 7.3 Relaciones entre carga distribuida, fuerza cortante y momento flexionante 370 7.4 Cables 381

8 Fricción 401

Objetivos del capítulo 401 8.1 Características de la fricción seca 401 8.2 Problemas que implican fricción seca 406 8.3 Cuñas 430 8.4 Fuerzas de fricción sobre tornillos 432 8.5 Fuerzas de fricción sobre bandas planas 439 8.6 Fuerzas de fricción en chumaceras de collarín, chumaceras de pivote y discos 447 8.7 Fuerzas de fricción en chumaceras lisas 450 8.8 Resistencia al rodamiento 452