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Estructuras y mecanismos
¿Qué es la fuerza?
Fuerzas y estructuras
Fuerza: Todo aquello capaz de deformar un cuerpo o de alterar su estado de movimiento o reposo.
Si sólo deforma el cuerpo se dice que produce un efecto estático.
Si cambia el estado de movimiento o reposo se denomina efecto dinámico.
Fuerzas y estructuras
¿Qué fuerzas pueden intervenir, por ejemplo, en una casa?
Fuerzas de la naturaleza, como pueden ser: Fuerza de la gravedad. Fuerza del viento. (Huracanes) Fuerza del agua. (Tsunamis)
Fuerzas y estructuras
Fuerzas y estructuras
Debido a las distintas fuerzas que actúan sobre un cuerpo nace la necesidad de crear un conjunto de elementos que soporten las fuerzas que sobre ese cuerpo actúan. La estructura impide así que ese cuerpo se rompa o se deforme en exceso.
Todos los cuerpos tienen una estructura que les permite mantener su forma y no romperse bajo la acción de las fuerzas que actúan sobre ellos.
Fuerzas y estructuras
Tipos de estructuras:➢ Estructuras naturales➢ Estructuras artificiales ¿Sabríais poner un ejemplo de cada una de
ellas?
Fuerzas y estructuras
Ejemplo de estructura artificial:➢ Panal de abejas: El empaquetamiento
hexagonal de celdas es la forma más efectiva de agrupar tantas celdas como sea posible en un espacio limitado, dejando el mínimo espacio vacío.
Fuerzas y estructuras
Ejemplo de estructura natural➢ El Gran Cañón del Colorado: El cañón fue
creado por el río Colorado, cuyo cauce socavó el terreno durante millones de años. Tiene unos 446 km de longitud, cuenta con cordilleras de entre 6 a 29 km de anchura y alcanza profundidades de más de 1.600 m.
Esfuerzos
Se denominan cargas a las distintas fuerzas que actúan sobre una estructura.
Hay 2 tipos principales de cargas:➢ Cargas fijas o permanentes➢ Cargas variables
Esfuerzos
¿Qué cargas actúan sobre el hombre de la imagen y de qué tipo son?
Esfuerzos
¿Cómo afectan las distintas cargas a una estructura?
Depende de:➢ La dirección de la carga.➢ La intensidad.➢ El punto de aplicación.➢ La forma de la estructura.
Esfuerzos
Si se aplica la misma carga a las estructuras mostradas:
➢ ¿Cuál de ellas soportará más carga?
➢ Será igual la carga sobre el banco si un niño se sienta que si se tumba?
➢ ¿Se deforma de la misma manera la silla que la hamaca?
Esfuerzos
Estas cargas provocan tensiones internas en las estructuras. A estas tensiones internas se les denominan esfuerzos.
Cargas=Fuerzas Tensiones internas=Esfuerzos
Esfuerzos
Tipos principales de esfuerzos:➢ Tracción: Las fuerzas tratan de estirar el
cuerpo sobre el que actúan
Esfuerzos
Tipos principales de esfuerzos:➢ Compresión: Las fuerzas tratan de aplastar o
comprimir el cuerpo sobre el que actúan
Esfuerzos
Tipos principales de esfuerzos:➢ Flexión: Las fuerzas tratan de doblar el cuerpo
sobre el que actúan
Esfuerzos
Tipos principales de esfuerzos:➢ Torsión: Las fuerzas tratan de retorcer el
cuerpo sobre el que actúan
Esfuerzos
Tipos principales de esfuerzos:➢ Cizalladura o cortante: Las fuerzas tratan de
cortar el cuerpo sobre el que actúan
Esfuerzos
¿Qué tipo de esfuerzos serían los siguientes?➢ Esfuerzo sobre las patas de las sillas al
sentarse.➢ Esfuerzo sobre una hoja al cortarla.➢ Esfuerzo sobre un somier al acostarse.➢ Esfuerzo sobre un cerrojo al girar una llave.➢ Esfuerzo sobre la cuerda de una persiana al
subirla.✗ Tracción, compresión, flexión, torsión o
cizalladura.
Condiciones de las estructuras
El centro de gravedad: Es el punto de aplicación del peso de un cuerpo.
Un cuerpo se mantiene en equilibrio porque su centro de gravedad se encuentra verticalmente alineado dentro de la superficie de apoyo. Cuanto mayor es la base sobre la que se apoya, mayor estabilidad tiene, porque el centro de gravedad puede moverse sin salirse de la base.
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Condiciones de las estructuras
Condiciones de las estructuras
¿ Qué tendrá más estabilidad; un camión cargado o un camión vacío?
¿ Por qué?
Condiciones de las estructuras
Estabilidad: Capacidad de una estructura de mantenerse erguida y no volcar. Cuanto más centrado sobre su base esté el centro de gravedad y más cerca del suelo, mayor será la estabilidad.
Condiciones de las estructuras
Resistencia: Capacidad de una estructura de soportar las tensiones a las que está sometida sin romperse.
➢ ¿ Qué edificio requiere una mayor resistencia?➢ ¿ Por qué? ¿ A qué tipo de esfuerzos están
sometidos?
Condiciones de las estructuras
Rigidez: Capacidad de una estructura de no deformarse o hacerlo tan levemente que el objeto puede cumplir su función.
Condiciones de las estructuras
Para que una estructura sea segura y fiable debe ser:
➢ Estable.➢ Resistente.➢ Rígida.
¿ Cómo hacer que se cumplan estas 3 condiciones?
Condiciones de las estructuras
Estabilidad: Se puede añadir masa a su base. Resistencia: Eligiendo un material adecuado. Rigidez: Dando a la estructura una forma
apropiada. Las triangulaciones son una buena forma de dar rigidez a una estructura
Tipos de estructuras artificiales
Las estructuras artificiales se clasifican en:
➢ Estructuras masivas y adinteladas.
➢ Estructuras abovedadas.
➢ Estructuras entramadas.
➢ Estructuras trianguladas.
➢ Estructuras colgantes.
➢ Estructuras neumáticas.
➢ Estructuras laminares.
➢ Estructuras geodésicas
Tipos de estructuras artificiales
Estructuras masivas y adinteladas: Están formadas por una acumulación de materiales sin dejar apenas huecos entre ellos. Suelen utilizar ”dinteles” para ventanas y puertas.
Tipos de estructuras artificiales
Un dintel es una barra horizontal que se coloca sobre dos soportes verticales, con la finalidad de dejar un hueco.
Tipos de estructuras artificiales
Estructuras abovedadas: Las bóvedas son varios arcos uno a continuación del otro, que a su vez son una combinación de dovelas.
dovela
arco
boveda
Tipos de estructuras artificiales
Hay diferentes tipos de arcos:➢ De medio punto.➢ Apuntado.➢ De herradura.➢ Lobulado.
Para entregar: Ejercicio 10 página 160
Tipos de estructuras artificiales
Estructuras entramadas: Las utilizadas en la actualidad para los bloques de pisos. Están formadas por los siguientes elementos:
➢ Forjado: Es la estructura que se encuentra bajo el suelo. Está formado por viguetas y bovedillas cerámicas.
Tipos de estructuras artificiales
Ejemplos de forjado bidireccional (izq.) y unidireccional (der.)
Tipos de estructuras artificiales
➢ Pilares: Son las columnas o pilastras verticales que se encargan de llevar el peso hasta la cimentación.
➢ Cimentación: Elemento intermedio que actúa como la suela de los zapatos. Puede hacerse con losas, zapatas y pilotes.
Actividad 13 página 161.
Tipos de estructuras artificiales
Estructuras trianguladas: Normalmente de madera o de metal, son muy ligeras y presentan gran versatilidad y resistencia, dado que utilizan los triángulos como figura geométrica indeformable.
Estructuras colgantes: Utilizan cables para sujetar gran parte de la estructura.
Estructuras neumáticas: Son desmontables y ligeras, permitiendo transportarlas e instalarlas rápidamente (castillos flotantes).
Tipos de estructuras artificiales
Estructuras laminares: Formadas por finas láminas de metal, ofrecen una elevada resistencia debido a su curvatura (Carrocería de coches).
Estructuras geodésicas: Son estructuras trianguladas tridimensionales que combinan las propiedades de las bóvedas con las de las estructuras de barras.
➢ Actividad 14 página 163.
Los mecanismos
Son los que permiten el movimiento de los objetos. Son elementos destinados a transmitir y transformar fuerzas y movimientos desde un elemento motriz a un elemento receptor.
Los mecanismos se clasifican en:➢ Mecanismos de transmisión de movimientos.➢ Mecanismos de transformación de
movimientos.➢ Otros mecanismos.
Mecanismos de transmisión de movimientos
➢ Transmisión lineal.➢ Transmisión circular.
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal - polea
Polea: Permite vencer de una forma cómoda una resistencia R, aplicando una fuerza F. Puede ser fija o móvil.
➢ Polea fija: Se encuentra en equilibrio cuando la fuerza aplicada F es igual a la carga R.
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal - polea
➢ Polea móvil: Se encuentra en equilibrio cuando F=R/2, reduciéndose así la fuerza necesaria a la mitad.
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal - polipasto
Polipasto: Constituido por dos grupos de poleas. Mayor número de poleas implica más complejidad, pero también menor esfuerzo necesario para vencer la resistencia.
¿Se podría llegar a necesitar una fuerza nula para vencer una resistencia si añadimos muchas poleas?
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal - palanca
Palanca: Se encuentra en equilibrio cuando el producto de la fuerza por su distancia al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia por su distancia con el punto de apoyo.
F·d=R·r
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal - polea
Las palancas pueden ser:➢ De primer grado: El punto de apoyo se
encuentra entre la fuerza y la resistencia. (Balanza).
➢ De segundo grado: La resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza (Carretilla).
➢ De tercer grado: La fuerza aplicada se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia (Pinza cubitera).
Ejercicios 16 y 17 página 165.
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión lineal
¿A qué distancia del punto de apoyo se tendrá que situar una niña de 10 kg de masa para que la barra de un balancín esté en equilibrio, si se sabe que un niño de 15kg está a 1,5 metros de dicho punto?
¿Qué fuerza es necesaria aplicar para levantar una carga de 50kg con una polea fija? ¿Y si utilizamos una polea móvil?
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión circular – ruedas o poleas
Ruedas o poleas: Dos o más ruedas que se encuentran en contacto directo (ruedas de fricción) o a través de una correa (sistemas de poleas con correa).
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión circular – ruedas o poleas
➢ Ruedas de fricción: A una de las ruedas se le denomina motriz o de entrada. La otra rueda, denominada de salida, gira en sentido contrario
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión circular – ruedas o poleas
➢ Sistemas de polea con correa: Son poleas situadas a una cierta distancia, con ejes paralelos, y que giran en el mismo sentido. ¿Qué modificación se podría hacer para que girasen en sentido contrario?
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión circular – ruedas o poleas
Existe una relación entre las velocidades de giro de cada rueda, denominada relación de transmisión:
D1: Diámetro de la rueda motriz.
D2: Diámetro de la rueda de salida.
N2: Velocidad de giro de la rueda de salida.
N1: Velocidad de giro de la rueda motriz
D1
D 2
=N 2
N 1
Ejercicio
Calcula la relación de transmisión en un sistema de poleas con correa en el que la rueda motriz tiene diámetro D1=20cm, mientras que la conducida tiene diámetro D2=100cm. ¿A qué velocidad y en qué sentido girará la rueda conducida si la rueda motriz gira a 80 rpm?
Mecanismos de transmisión de movimientos – transmisión circular – engranajes
Engranajes: Se diferencian de los anteriores en que los juegos de rueda poseen ”dientes”. También existen los sistemas de engranajes con cadena. La nueva relación de transmisión se calcula como:
Z1: número de dientes de la rueda motriz.
Z2: número de dientes de la rueda de salida.
N2: velocidad de giro de la rueda de salida.
N1: velocidad de giro de la rueda motriz.
Z 1
Z 2
=N 2
N 1
Ejercicios
Mecanismos de transformación del movimiento
Transforman un movimiento circular en uno rectilíneo o viceversa.
Mecanismos de transformación del movimiento – conjunto manivela-torno
Una manivela es una barra unida a un eje al que hace girar, de forma que el esfuerzo necesario para ello sea menor. El torno está en equilibrio cuando: F ·d=R · r
Ejercicio
Un torno tiene un radio de 4 cm, y está unido a una manivela de 25 cm. ¿Qué fuerza habrá que aplicar a la manivela para levantar un peso de 10 kg?
Mecanismos de transformación del movimiento - piñón-cremallera
El piñón-cremallera utiliza un piñón que mueve a la cremallera en movimiento rectilíneo al girar o viceversa.
Mecanismos de transformación del movimiento - biela-manivela
El conjunto biela-manivela utiliza una barra en la cuál un extremo realiza un movimiento alternativo y en el otro extremo hay un movimiento de rotación, por lo que permite transformar un movimiento de rotación en uno alternativo y viceversa.
Otros mecanismos
Trinquete: permite el giro en un sentido y lo impide en el contrario. Se utiliza en relojería, en bolígrafos, etc.
