Estructuras y mecanismos
Introducción
El conocimiento de las estructuras y los esfuerzos ocupa una parte importante del estudio de cualquier ingeniero o tecnólogo. No en vano el desarrollo de cualquier ingenio, sea cual sea su aplicación, pasa por el diseño y construcción de una estructura que ofrezca un cuerpo físico con el que poder actuar. Si, por ejemplo, queremos dar solución a un medio de transporte más rápido, más eficiente o más ecológico, tendremos que crear una estructura que contenga no solo a los diferentes mecanismos que intervengan en ese vehículo, sino que también a los pasajeros que van a viajar en él.
Toda estructura, tenga el fin que tenga, va a a estar sometida a una serie de esfuerzos provocados por diferentes fuerzas o cargas: el chasis de un coche ante las vibraciones del motor, el peso de la gente sobre un puente, la carga de nieve sobre un tejado...
¡Vamos a conocer algo más sobre este tema!
Las estructuras
En el mundo que nos rodea existen infinidad de estructuras construidas por el hombre como los edificios, los puentes, las presas...Los materiales que las forman han ido evolucionando a lo largo de los tiempos, desde la madera y la piedra, hasta el hormigón, el vidrio, los metales...
Una estructura es un conjunto de elementos que puede soportar pesos y cargas sin romperse y sin deformarse excesivamente.
Por lo tanto, una estructura debe ser:
Resistente. Debe aguantar sin romper.
Rígida. No debe deformarse demasiado.
Estable. No debe volcar
Tipos de estructuras
Las estructuras pueden ser de dos tipos:
Naturales
Son aquellas que se encuentran en la naturaleza, sin intervención humana, como el esqueleto de los vertebrados, que soporta el peso y mantiene la forma corporal de estos animales.
Artificiales
Son aquéllas diseñadas y construidas por el hombre para satisfacer sus necesidades, como salvar obstáculos naturales (un puente para salvar un río) o protegerse (una casa).
Dentro de las estructuras artificiales, podemos distinguir:
Masivas. Utilizan gran cantidad de material
Trianguladas. Están formadas por barras que forman triángulos. Son estructuras muy resistentes y ligeras
Entramadas. Están formadas por barras verticales y horizontales de hormigón, acero o madera unidas entre sí.
Neumáticas. Contienen aire a presión en su interior
Abovedadas. Formadas por arcos y bóvedas.
Colgantes. Utilizan cables para sostenerse.
Laminares. Están conformadas por laminas de distintos materiales.
Geodésicas. Son trianguladas tridimensionales.
Estructuras entramadas
Las estructuras entramadas están formadas, principalmente, por elementos verticales (pilares) y horizontales (vigas). Estos se unen entre si para lograr crear formas tridimensionales. Estos elementos estructurales, pilares y vigas, pueden ser de acero, hormigón armado y, en menor medida, de madera.
Este tipo de estructura es muy común en edificios modernos de bloques de viviendas y oficinas.
Sin embargo, para la construcción de un edificio, es necesario recurrir a otros elementos estructurales que complementan a las vigas y los pilares.
Encima de las vigas se colocan otras vigas más pequeñas, las viguetas. En el espacio que hay entre dos viguetas se encajan unas piezas cerámicas llamadas bovedillas. Sobre las bovedillas se coloca una capa de hormigón armado llamado forjado (lo que sería el suelo o el techo de un piso).
El peso de todo el edificio, incluyendo todos los elementos que lo conforman (estructurales, muebles, personas, posibilidad de nieve en la cubierta o tejado, etc) es soportada por el terreno, pero como este no siempre es capaz de soportar este peso, se recurre a los cimientos. Dos de los tipos de cimientos más usados son las zapatas y la losa.
Una vez terminada la estructura, se construye la cubierta (tejado) y los cerramientos (paredes exteriores del edificio). Finalmente, se realizan los interiores y los acabados exteriores.
En este video podemos observar las diferentes fases de construcción de un edificio con sus elementos estructurales más característicos.
ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN
Realiza un trabajo de investigación sobre los siguientes términos:
zapata, cimentación, pilar, columna, viga, vigueta, bovedilla, forjado, armadura y hormigón armado.
Elabora un documento de texto con toda la información.
Estructuras trianguladas
La triangulación de las estructuras consiste en buscar que su diseño geométrico esté basado en la unión de triángulos, formando así una estructura geométricamente indeformable.
El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando se le aplica una fuerza. El resto de formas poligonales que pueden tener las estructuras no son rígidas por definición hasta que se triangulan.
Una estructura, como la de la figura, compuesta por 4 barras, es una estructura fácilmente deformable.
Sin embargo una estructura compuesta por 3 barras no puede deformarse y, es por eso, que la mayoría de las estructuras metálicas están compuestas por estructuras trianguladas.
Como puedes ver en la siguiente imagen, la triangulación impide que la estructura pueda deformarse. La barra central impide que la estructura cuadrada de la primera imagen se deforme.
La triangulación permite, mediante barras rígidas con uniones articuladas, diseñar elementos estructurales complejos que con otro sistema sería muy difícil realizar, como la cercha de la imagen.
Esfuezos
Las estructuras están constituidas por diversos elementos unidos entre sí. Al soportar pesos o cargas (fuerzas que actúan sobre la estructura, como el viento, el peso de las personas o vehículos, etc.), estos elementos se ven sometidos a esfuerzos, que pueden ser de muy diferentes tipos:
Compresión: un cuerpo está sometido a este esfuerzo, si las fuerzas aplicadas sobre él tienden a aplastarlo o acortarlo. Es el esfuerzo más característico que afecta a los pilares.
Flexión: un elemento se encuentra sometido a este esfuerzo, cuando los pesos o cargas que actúan sobre él tienden a doblarlo por su zona central. Es el esfuerzo más visible que afecta a las vigas.
Tracción: un cuerpo está sometido a este esfuerzo, si hay una fuerza que tira de él por ambos extremos, intentando alargarlo o estirarlo.
Torsión: este esfuerzo se da cuando una pieza tiende a ser retorcida en torno a su eje más largo.
Cortadura: se produce cuando dos cargas o fuerzas, de sentido contrario, tienden a cortar o desgarrar la pieza. A este esfuerzo también se le denomina cizalladura.
En este video podemos observar en acción los esfuerzos estudiados.
Ahora que ya sabemos muchas cosas sobre las estructuras y los esfuerzos a los que estas están sometidas, ¿Qué tal si ponemos a prueba nuestros conocimientos?
Realiza el test "Esfuerzos"
Para acceder al Test puedes hacer clic en el botón o desde nuestro equipo de TEAMS
Refuerzos de las estructuras
El tipo de esfuerzo al que va a verse sometida una estructura, nos condicionará algunos aspectos de su diseño:
El tipo de material con el que se va a construir.
El tipo de estructura más conveniente.
Decidir si conviene reforzar el tipo de estructura elegida.
Vamos a estudiar tres de los tipos de refuerzos más empleados en dos elementos ya conocidos como son los pilares y las vigas. El fundamento de estos refuerzos en concreto, es aumentar la estabilidad de estos elementos.
Las escuadras son unos elementos triangulares que se colocan en la base de los pilares para aumentar su resistencia
Las riostras: son unas barras que se colocan uniendo la viga al pilar haciendo la forma de un triángulo entre los tres elementos.
Tirantes: son unos cables o cuerdas que se tensan para aumentar la resistencia tanto de vigas como de pilares.
Video extraído de la página Web de raultecnología y en él que se explica a relación entre el centro de gravedad y la estabilidad de una estructura.
Video del blog fqexperimentos de Manuel Díaz Escalera, en el que se experimenta con el centro de gravedad. La explicación del mismo puedes encontrarla en su blog.
Otras formas de mejorar la estabilidad de una estructura son:
Las estructuras bajas y anchas son más estables que las altas y delgadas.
Con una base ancha aumenta la estabilidad.
Si la base tiene más peso es más estable.
El uso de contrapesos permite reequilibrar la estructura.
Si la estructura tiene un buen anclaje o una buena cimentación.
Todos estos métodos buscan modificar el centro de gravedad o punto de equilibrio de un objeto o estructura.
Video explicativo sobre cómo se fabrica el hormigón armado
El hormigón armado
En el apartado anterior veíamos como reforzar la estabilidad de algunos elementos estructurales. Otra forma de conseguir estos refuerzos, pero esta vez desde el punto de vista de la resistencia, es añadiendo armaduras cuando los elementos estructurales están hechos de hormigón.
El hormigón está constituido por una mezcla de arena, grava, cemento y agua y resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no los de tracción. La solución a este problema es el hormigón armado, que se fabrica introduciendo unas largas varillas de acero dentro del hormigón antes de que se endurezca. Estas varillas son capaces de resistir bien los esfuerzos de tracción, de tal forma que conseguimos que la pieza construida en hormigón resista igual de bien ambos esfuerzos
Realiza en tu cuaderno las actividades 1 - 11
Puedes descargarte todas las actividades del cuaderno haciendo clic en el siguiente enlace:
Para finalizar este capítulo sobre los estructuras y los esfuerzos, vamos a hacer un test global sobre todo lo aprendido.
Realiza el test global
Como siempre, puedes acceder al test haciendo clic en el botón o realizarlo desde nuestro equipo de TEAMS.
MÁQUINAS Y MECANISMOS
El hombre a lo largo de la historia ha inventado una serie de dispositivos o artilugios llamados máquinas que le facilitan y, en muchos casos, posibilitan la realización de una tarea.
Así pues, podemos definir a una máquina como un dispositivo creado por el ser humano para facilitar el trabajo y reducir el esfuerzo. Se caracteriza por que necesita energía para funcionar, transmite o transforma dicha energía y es capaz de producir distintos efectos (movimiento, sonido, luz, calor, etc.).
Una bicicleta, por ejemplo, nos permite ir de un lugar a otro en menos tiempo, una lavadora lava por nosotros, una grúa levanta pesos que de otra forma sería muy difícil, etc.
Ventaja mecánica es la relación que existe entre la fuerza aplicada y la fuerza obtenida.
Puede considerarse una máquina desde algo tan sencillo como unas tijeras hasta un ordenador. Por lo tanto, su clasificación es muy diversa y en función de distintos aspectos:
• Según el número de pasos que realizan para hacer un trabajo, las máquinas pueden ser simples o compuestas.
• Según el número de piezas que las forman, las máquinas pueden ser sencillas o complejas.
• Según el tipo de energía que utilizan, las máquinas pueden ser mecánicas, hidráulicas, eléctricas, etc.
Extracto del documental "El oficio de la construcción" de Radio Televisión Española.
Las máquinas simples
Son las máquinas más sencillas capaces de multiplicar la fuerza aplicada o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo y seguro.
Aunque la idea de máquina simple se originó alrededor del siglo III a.c con el físico griego Arquímedes, que estudió la palanca, la polea y el tornillo, no fue hasta el año 1600 cuando Galileo Galilei elaboró su libro Le Meccaniche, dónde recogía el conjunto de todas las máquinas simples existentes y la explicación matemática de su funcionamiento.
Aunque desde el punto de vista clásico se consideran seis máquinas simples (ver foto), muchos autores incluyen otras, como la rueda. Otros, sin embargo, piensan que, por ejemplo, los tornos o las poleas no son más que aplicaciones de la rueda o, en el caso de la cuña y el tornillo, derivaciones del plano inclinado.
Nosotros vamos a dividir las máquinas simples de la forma que muestra la tabla siguiente.
Mecanismos
Cada máquina, sea simple o compuesta, está formada por una serie de elementos. Los mecanismos son los elementos de una máquina capaces de transmitir y transformar movimientos y fuerzas desde un elemento motriz o conductor hasta un elemento conducido.
Por ejemplo, en el mecanismo de transmisión piñón-cadena de una bicicleta, el elemento conductor o motriz son los pedales, y el elemento conducido la rueda.
Los mecanismos se pueden utilizar para transformar movimientos (el motor de un coche), modificar la fuerza (una prensa), modificar la velocidad (los cambios de una bicicleta), cambiar la dirección del movimiento (una polea simple) y acumular energía (un muelle).
Algunos ejemplos de mecanismos son: poleas, engranajes, cadenas, correas, tornillo sin fin, cremallera, leva, biela-manivela, etc
ENGRANAJES
TORNILLO SINFÍN
TORNILLO TUERCA
POLEA CON CORREA
PIÑÓN CREMALLERA
LEVA
CIGÜEÑAL
BIELA MANIVELA
Los movimientos que realizan los mecanismos pueden ser de cuatro tipos: lineal, alternativo, de rotación y oscilante
La clasificación general de los mecanismos se realiza en función de la relación entre los movimientos conductor y conducido, que pueden ser de transmisión o de transformación del movimiento.
Los mecanismos de transmisión del movimiento son aquellos en los que el elemento motriz y el elemento conducido tienen el mismo tipo de movimiento. Por ejemplo, en el mecanismo de transmisión de la bicicleta, los pedales y la rueda comparten el mismo tipo de movimiento, circular.
Los mecanismos de transformación del movimiento son aquellos en los que el elemento motriz y el conducido tienen distinto tipo de movimiento. Por ejemplo, en el mecanismo que hace subir una persiana con una manivela, el elemento motriz (la manivela) tiene un movimiento circular, mientras que el elemento conducido (persiana) tiene un movimiento lineal.
"El sueño de Leonardo" es un vídeo didáctico de la Editorial SM en el que se repasa la evolución de las máquinas simples y los mecanismos, desde Arquímedes y Leonardo hasta la actualidad.
Realiza en tu cuaderno las actividades 12, 13, 14 y 15.
Actividad de investigación
(Actividad 16 del cuaderno)
El plano inclinado
El plano inclinado es mecanismo de transmisión lineal que consiste en una superficie inclinada con cierto ángulo sobre la horizontal, utilizada para levantar grandes pesos con poco esfuerzo. En contrapartida a esta ventaja, se tiene que recorrer más distancia.
En los planos inclinados se cumple la siguiente ley:
F es la fuerza que hacemos para subir el peso
L es la longitud del plano inclinado
P es el peso del cuerpo que pretendemos subir
h es la altura a donde queremos subir el cuerpo.
Realiza en tu cuaderno las actividades 17 y 18
La palanca
La palanca es un mecanismo de transmisión lineal que está formada por una barra rígida que puede girar sobre un punto, que llamaremos punto de apoyo o Fulcro, y sobre la que aplicamos una serie de fuerzas. Un ejemplo de palanca es el balancín donde juegan los niños en los parques.
La Ley de la Palanca o ecuación de equilibrio dice que siempre se cumple que multiplicar la fuerza que ejercemos (potencia) por la distancia al punto de apoyo es igual al producto del peso que queremos levantar (resistencia) por su distancia al punto de apoyo.
Cuando se cumple esta igualdad, se dice que la palanca se encuentra en equilibrio.
Según la localización del punto de apoyo respecto a la potencia y a la resistencia, tenemos tres tipos de palanca.
Realiza en tu cuaderno las actividades 19 - 24
La polea
Una polea es un mecanismo de transmisión lineal que consiste en una rueda ranurada que gira alrededor de un eje. Tiene un canal o carril por el cual pasa una cuerda o una correa
El principal objetivo del uso de las poleas es reducir el esfuerzo obteniendo ventaja mecánica, aunque también pueden utilizarse para cambiar la dirección de la fuerza.
Las poleas pueden ser fijas, móviles y compuestas (polipastos).
Realiza en tu cuaderno las actividades 25 y 26
Sistemas de poleas con correa
En los casos anteriores, observamos que las poleas se comportan como mecanismos de transmisión lineal, es decir, que produce un movimiento de un punto a otro siguiendo una línea a partir de la aplicación de una fuerza, también lineal.
Los sistemas de poleas con correas son conjuntos de poleas, situadas a cierta distancia, que giran al mismo tiempo por efecto de una correa. Son sistemas de transmisión circular, en los que el movimiento circular de un elemento es transmitido a otro.
En la figura se observa que, si queremos invertir el sentido de giro de una polea respecto a otra, no tenemos más que cruzar las correas que las unen.
Se denomina rueda motriz o conductora a la que inicia el movimiento, normalmente unida a un motor y rueda conducida a aquella que es impulsada por la anterior a través de algún sistema de transmisión
Se define la relación de transmisión (i) como la relación que existe entre los diámetros de las ruedas conductora y conducida y las velocidades a las que giran una y otra.
Realiza en tu cuaderno las actividades 27 - 30
Ruedas de fricción
Las ruedas de fricción transmiten el movimiento circular entre ejes muy próximos. La transmisión se realiza por rozamiento, por lo que las ruedas suelen ser de un material antideslizante, como la goma, y siempre se cambia el sentido de giro. Se emplean en impresoras para arrastrar el papel, en la dinamo de la bicicleta, para arrastrar chapas o láminas de madera o metal en la industria, etc.
En este caso, el cálculo de la relación de transmisión se realiza igual que para el caso de los sistemas de polea con correa.
Realiza en tu cuaderno las actividades 31 y 32
Actividad TIC. Hojas de cálculo
Realiza una hoja de cálculo en Excel que permita obtener los resultados de la relación de transmisión y velocidad de salida de diferentes supuestos de sistemas de correa con poleas y de ruedas de fricción.