Momento (física)

En mecánica newtoniana, se denomina momento de una fuerza o torque (respecto a un punto dado) a una magnitud (pseudo) vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza (con respecto al punto al cual se toma el momento) por el vector fuerza, en ese orden. También se denomina momento dinámico o sencillamente momento. Ocasionalmente recibe el nombre de torque, del inglés torque,^[1]​ derivado a su vez del latín torquere (retorcer).

En tres dimensiones, el par es un pseudovector; para partículas puntuales, viene dado por el producto vectorial del vector de posición (vector de distancia) y el vector de fuerza. La magnitud del par de torsión de un cuerpo rígido depende de tres cantidades: la fuerza aplicada, el vector de brazo de palanca^[2]​ conectando el punto alrededor del cual se mide el par con el punto de aplicación de la fuerza, y el ángulo entre los vectores de fuerza y brazo de palanca.

El momento de una fuerza ${displaystyle mathbf {F} ,}$ aplicada en un punto ${displaystyle P}$ con respecto de un punto O viene dado por el producto vectorial del vector ${displaystyle {overrightarrow { ext{OP}}},}$ por el vector fuerza; esto es,

${displaystyle mathbf {M} _{ ext{O}}={overrightarrow { ext{OP}}} imes mathbf {F} =mathbf {r} imes mathbf {F} ,}$

Donde ${displaystyle mathbf {r} }$ es el vector que va desde O a P. Por la propia definición del producto vectorial, el momento ${displaystyle mathbf {M} ,}$ es un vector perpendicular al plano determinado por los vectores ${displaystyle mathbf {F} ,}$ y ${displaystyle mathbf {r} }$.

El término momento se aplica a otras magnitudes vectoriales como el momento lineal o/y cantidad de movimiento ${displaystyle mathbf {p} ,}$, y el momento angular o cinético, ${displaystyle mathbf {L} ,}$, definido como

${displaystyle mathbf {L} _{ ext{O}}={overrightarrow { ext{OP}}} imes mathbf {p} =mathbf {r} imes mathbf {p} }$

El momento de fuerza conduce a los conceptos de par de fuerzas, par motor, par (en física, tecnología), etc.

El momento de una fuerza con respecto a un punto da a conocer en qué medida existe capacidad de una fuerza o sistema de fuerzas para cambiar el estado de la rotación del cuerpo alrededor de un eje que pase por dicho punto.

El momento tiende a provocar una aceleración angular (cambio en la velocidad de giro) en el cuerpo sobre el cual se aplica y es una magnitud característica en elementos que trabajan sometidos a torsión (como los ejes de maquinaria) o a flexión (como las vigas).

El momento dinámico se expresa en unidades de fuerza por unidades de distancia. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad se denomina newton metro o newton_metro, indistintamente. Su símbolo debe escribirse como N m o N•m (nunca m N, que indicaría milinewton).^[3]​

Si bien, dimensionalmente, N·m parece equivaler al julio, no se utiliza esta unidad para medir momentos, ya que el julio conceptualmente es unidad de trabajo o energía, que son conceptualmente diferentes a un momento de fuerza.^[4]​^[3]​ El momento de fuerza es una magnitud vectorial, mientras que la energía es una magnitud escalar.

No obstante, la equivalencia dimensional de ambas magnitudes no es una coincidencia. Un momento de 1 N•m aplicado a lo largo de una revolución completa (${displaystyle scriptstyle 2pi }$ radianes) realiza un trabajo igual a ${displaystyle scriptstyle 2pi ,}$ julios, ya que ${displaystyle scriptstyle W=M, heta }$, donde ${displaystyle scriptstyle W}$ es el trabajo, ${displaystyle scriptstyle M}$ es el momento y ${displaystyle scriptstyle heta }$ es el ángulo girado (en radianes). Esto motiva el nombre de “julio por radián” "J/rad" para la unidad de momento, que también es utilizado oficialmente por el SI.^[4]​

Cuando se consideran problemas mecánicos bidimensionales, en los que todas las fuerzas y demás magnitudes vectoriales son coplanarias, el cálculo de momentos se simplifica notablemente. Eso se debe a que los momentos serían perpendiculares al plano de coplanariedad y, por tanto, sumar momentos se reduciría a sumar tan sólo sus componentes perpendiculares al plano, que son magnitudes escalares.

Si se considera una fuerza aplicada en un punto P del plano de trabajo y otro punto O sobre el mismo plano, el módulo del momento en O viene dado por:

${displaystyle M=Flsin heta =Fb,}$

siendo ${displaystyle extstyle F,}$ el módulo de la fuerza, ${displaystyle b,}$ el brazo de momento, es decir, la distancia a la que se encuentra el punto O (en el que tomamos momento) de la recta de aplicación de la fuerza, y ${displaystyle heta ,}$ el complementario del ángulo que forman los dos vectores.

La dirección de un momento es paralela al eje de momento, el cual es perpendicular al plano que contiene la fuerza F, y por su brazo de momento d. Para establecer el sentido se utiliza la regla de la mano derecha.

El principio de los momentos, también conocido como teorema de Varignon (que no debe confundirse con el teorema geométrico del mismo nombre) establece que los pares resultantes debidos a varias fuerzas aplicado aproximadamente a un punto es igual a la suma de los pares contribuyentes:

De esto se deduce que los momentos de torsión resultantes de dos fuerzas que actúan alrededor de un pivote sobre un objeto están equilibrados cuando

El par se puede multiplicar a través de tres métodos: ubicando el fulcro de manera que aumente la longitud de una palanca; usando una palanca más larga; o por el uso de un engranaje reductor de velocidad o caja de cambios. Dicho mecanismo multiplica el par, ya que se reduce la velocidad de rotación.

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