EL ESQUELETO DE LOS OBJETOS

José Ángel Olivas CorralesProfesor de Tecnología

Una de las ramas de las ingenierías más apasionante es el cálculo de estructuras; calcular la resistencia máxima de una estructura utilizando la menor cantidad de material es un reto.

Además, si miramos a nuestro alrededor podemos ver muchas estructuras, unas son naturales, como las de los animales o las plantas, otras en cambio, son construidas por las personas y algunas tienen formas complicadas y llamativas, pero…. ¿por qué tienen esa forma?, ¿qué hace que una estructura no se caiga?, ¿por qué un puente no se derrumba cuando pasamos sobre él?, ¿por qué las grúas pueden levantar grandes pesos sin doblarse?. En esta unidad didáctica aprenderemos todo esto y algunas cosas más.

Estamos acostumbrados a que las fuerzas actúen sobre nosotros y a utilizarlas, pero ¿qué es una fuerza?, ¿cómo podemos definirla?.

La fuerza puede definirse como toda acción capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo o bien de deformarlo.

1.- FUERZAS.

En la naturaleza hay muchas fuerzas: la de la gravedad, que nos atrae hacia la tierra y origina el peso; la del viento; las mecánicas, que mueven las máquinas; las presiones de los gases encerrados; la que desarrollan nuestros músculos; las originadas por efecto del calor; ….

2.- ESTRUCTURAS.

Hemos aprendido que los cuerpos están sometidos a la acción de fuerzas muy variadas, pero ¿qué es lo que hace que no se deformen ni rompan bajo esa acción?. Como veremos más adelante, la respuesta se encuentra en su estructura.

Todos los cuerpos tienen partes que les sirven de sujeción y que evitan que se desmoronen o se deformen en exceso: los huesos de los animales vertebrados, el tallo de una planta, las patas de un caballete, las vigas de un edificio, el tubo de un bolígrafo,… Estas partes reciben el nombre de estructuraestructura. Los dos primeros ejemplos citados son estructuras naturalesestructuras naturales, mientras que los restantes son estructuras artificialesestructuras artificiales.

Una estructura es un conjunto de elementoselementoscapaces de soportar fuerzas y transmitirlas a los puntos donde se apoya con el fin de ser resistente y estable.Estas fuerzas que actúan sobre una estructura se llaman cargascargas.

Tipos de cargas

Fijas o permanentes Variables

No varían con el paso del tiempo Unas veces afectan al cuerpo y otras no

Actividades 1-6Actividades 1-6

2.1.- Condiciones que debe cumplir una estructura

RESISTENCIA: Tiene que soportar los esfuerzos a los que esté sometida sin romperse.

ESTABILIDAD: Ha de hacer que el objeto sea estable, es decir, que no se vuelque con facilidad.

3.- ESFUERZOS.La acción de las fuerzas sobre los cuerpos y su estructura provoca efectos internos en ellos.

EsfuerzoEsfuerzo es, por tanto, la tensión internatensión interna que experimentan todos los cuerpos sometidos a la acción de una o varias fuerzas.

Esta tensión varía con la intensidad de la fuerza y su dirección y con la forma del objeto que la soporta.

3.1.- Tipos de esfuerzos

Según la dirección y el sentido en que actúan las fuerzas que los originan los esfuerzos podemos clasificarlos de la siguiente manera:

ESFUERZOSESFUERZOS

TRACCIÓN COMPRESIÓN FLEXIÓN TORSIÓN CIZALLADURA

Actividades 7-12Actividades 7-12 CONTINUAR

TRACCIÓN

ESFUERZO DE TRACCIÓN

Se produce cuando las fuerzas tratan de estirar el cuerpo sobre el que actúan. Estas fuerzas son opuestas y actúan hacia el exterior del cuerpo en la misma dirección y sentidos contrarios.

ESFUERZO DE COMPRESIÓN

Este tipo de esfuerzo aparece cuando las fuerzas tratan de aplastar o comprimir un cuerpo. Estas fuerzas son opuestas y actúan hacia el interior del cuerpo en la misma dirección y sentido contrarios.

COMPRESIÓN

ESFUERZO DE FLEXIÓN.

Las fuerzas intentan doblar el elemento sobre el que están aplicadas. FLEXIÓN

ESFUERZO DE TORSIÓN.

Las fuerzas tratan de retorcer el elemento sobre el que actúan.

CIZALLADURA O CORTANTE.

Las fuerzas actúan como los dos filos de una tijera: muy juntas, una hacia arriba y otra hacia abajo, intentando cortar el objeto.

4.- ELEMENTOS DE UNA ESTRUCTURA.

La mayoría de las estructuras están formadas por la unión de varios elementos. Cada uno de estos elementos está diseñado para soportar distintos tipos de esfuerzos, de modo que el resultado final sea una estructura resistente y estable.

Los elementos más usados en las estructuras son:

a.- CIMIENTOS. Todas las estructuras necesitan apoyarse sobre una base resistente. Esta base la constituyen los cimientos, que suelen estar por debajo del nivel del suelo.

b.- COLUMNAS O PILARES. Son barras verticales especialmente diseñadas para soportar esfuerzos de compresión.

c.- VIGAS. Son barras horizontales que soportan esfuerzos de flexión. Las diversas plantas de un edificio se soportan con las vigas.

d.- ARCO. Es un elemento con forma curva que sirve para cubrir un hueco entre dos pilares y que soporta una parte de la estructura descargando el peso en los extremos.

e.- TIRANTES. Son cables o barras que soportan esfuerzos de tracción. Pueden ser de acero, y sirven para aumentar la resistencia y la estabilidad de una estructura.

Actividades 13-14Actividades 13-14

5.- ESTRUCTURAS RESISTENTES.Lo fundamental de una estructura es que aguante las cargas (sea resistenteresistente) y que no se caiga (sea estableestable).

Una estructura es resistente cuando conserva su forma al aplicarle cargas.

Algunos elementos y recursos que proporcionan resistencia y estabilidad a las estructuras son:

TRIANGULACIÓN. Disponer los elementos estructurales formando triángulos pues esta figura geométrica es la única que no se deforma al aplicarles fuerzas en cualquiera de sus lados.

ARCOS. Otro elemento que también aporta resistencia a una estructura es el arco. Trabaja sometido a compresión.

Actividades 15-17Actividades 15-17

6.- ESTRUCTURAS ESTABLES.

Son estructuras estables aquellas que, al aplicar una fuerza sobre ellas, conservan su posición. Son inestables las estructuras que, al aplicar un pequeño empuje, pierden el equilibrio.

La estabilidad está relacionada con el centro de gravedad. El centro de centro de gravedadgravedad es un punto imaginario donde estaría toda la masa del objeto si se pudiera comprimir. Cuando este punto se sitúa fuera de la base del objeto, entonces éste se convierte en inestable y se vuelca. En la siguiente ilustración se describen algunos recursos para mejorar la estabilidad de una estructura.

7.- PERFILES.

Otro recurso muy utilizado a la hora de realizar estructuras son los perfiles, que son barras de diferentes secciones.

Muchos de los elementos estructurales que hemos estudiado (sobre todo las vigas y los pilares) están fabricados con perfiles. Si tuviéramos que hacer vigas y columnas macizas, pesarían tanto y serían tan caras que no podríamos fabricar grandes estructuras.

Los perfiles nos permiten hacer estructuras resistentes, ligeras y baratas al mismo tiempo.

Algunos ejemplos de perfiles que podemos encontrar en la industria son los siguientes: