Fuerzas y esfuerzos: conceptos básicos para entender las estructuras

En este artículo vamos a hablar de un tema fundamental para comprender mejor el mundo de la tecnología y la construcción: las fuerzas y los esfuerzos. Este contenido servirá como introducción para poder entender mejor las estructuras, de las que hablaremos en próximas publicaciones.

Así que, si te interesa la ciencia, la física aplicada o simplemente quieres comprender cómo funcionan los objetos que utilizamos a diario, ¡quédate hasta el final!

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¿Qué es una fuerza?

Lo primero que debemos preguntarnos es: ¿qué es una fuerza?

Una fuerza es una magnitud física que indica la capacidad de producir un trabajo o una acción sobre un objeto. Tiene dos componentes fundamentales:

• Intensidad: cuán grande o pequeña es la fuerza.

• Dirección y sentido: hacia dónde se aplica esa fuerza.

Cuando aplicamos una fuerza a un objeto, pueden ocurrir tres situaciones principales:

1. Iniciar un movimiento: por ejemplo, cuando un coche está parado y encendemos el motor, comienza a moverse gracias a la fuerza aplicada.

2. Detener un movimiento: al frenar un coche en marcha, aplicamos una fuerza que lo detiene.

3. Deformar un objeto: si el objeto no puede moverse, la fuerza puede deformarlo. Un ejemplo es cuando aplastamos una lata contra una pared.

Las fuerzas, por tanto, están presentes en casi todos los fenómenos de nuestra vida cotidiana.

Las fuerzas en las estructuras: las cargas

En el caso de las estructuras (edificios, puentes, torres, etc.), las fuerzas suelen llamarse cargas. Una carga es el peso o esfuerzo que una estructura debe soportar.

Existen tres grandes tipos de cargas:

1. Cargas estáticas

Son cargas constantes que no varían con el tiempo.

Ejemplo: el peso de un edificio sobre el suelo. Siempre está ahí, de forma permanente.

2. Cargas dinámicas

Son cargas que varían en magnitud o en el tiempo.

Ejemplo: un puente sobre el que circulan coches. No siempre pasa el mismo número de vehículos ni tienen todos el mismo peso.

3. Cargas ambientales

Son fuerzas externas provocadas por fenómenos naturales.

Ejemplo: terremotos, vientos fuertes, tornados o nevadas que afectan directamente a una estructura.

Equilibrio en las estructuras

Un buen diseño estructural busca siempre el equilibrio.

Una estructura equilibrada es aquella que:

• No se desplaza.

• No se deforma en exceso.

• No colapsa al recibir una carga.

Dependiendo de si la estructura está en movimiento o en reposo, el equilibrio se logra de dos maneras:

• En movimiento: se debe compensar la inercia y las fuerzas de fricción.

• En reposo: se deben contrarrestar las fuerzas aplicadas, como el peso de un libro sobre una mesa, equilibrado por la resistencia de la mesa.

Clasificación de las fuerzas

Podemos clasificar las fuerzas en función de dos criterios: el tiempo y la forma de aplicación.

Según el tiempo

• Fuerzas fijas: son constantes en el tiempo, como el peso de un edificio.

• Fuerzas variables: cambian con el tiempo o las circunstancias, como los coches que cruzan un puente.

Según la aplicación

• Fuerzas concentradas: se aplican en un único punto. Ejemplo: el martillo sobre un clavo.

• Fuerzas distribuidas: se reparten a lo largo de una superficie. Ejemplo: el peso repartido en una mesa con cuatro patas.

Los esfuerzos: cómo reacciona la materia

Cuando una estructura recibe fuerzas o cargas, los materiales que la componen sufren esfuerzos. Estos esfuerzos son las reacciones internas que aparecen dentro de los materiales para resistir las fuerzas externas.

Podemos distinguir cinco tipos principales de esfuerzos:

1. Tracción

Se produce cuando un material es estirado en direcciones opuestas.

Ejemplos:

• Los cables que tensan una tienda de campaña.

• Los tirantes de un puente colgante.

2. Compresión

Ocurre cuando el material es empujado o comprimido.

Ejemplos:

• Una columna que sostiene un edificio.

• Las patas de una mesa.

3. Flexión

Aparece cuando un material se dobla debido a una carga.

Ejemplo clásico: una estantería que se curva bajo el peso de muchos libros.

4. Torsión

Es el esfuerzo que aparece cuando un material se gira sobre su eje.

Ejemplo: escurrir un trapo mojado girándolo.

5. Cortante o cizalladura

Se produce cuando dos fuerzas intentan deslizar un material en direcciones opuestas.

Ejemplo: al cortar papel con unas tijeras, o en una falla geológica durante un terremoto.

Ejemplos de fuerzas y esfuerzos en la vida real

• Puentes colgantes: trabajan principalmente con esfuerzos de tracción en los cables y de compresión en las torres que los sostienen.

• Edificios altos: deben resistir cargas estáticas (su propio peso) y dinámicas (viento, ascensores, movimiento de personas).

• Aviones: soportan cargas ambientales como turbulencias y flexiones en las alas.

• Muebles: una silla combina esfuerzos de compresión (en las patas), flexión (en el asiento) y cortante (en las uniones).

¿Por qué es importante entender esto?

Comprender las fuerzas y los esfuerzos nos permite:

1. Diseñar estructuras seguras: desde un puente hasta una mesa del comedor.

2. Valorar la importancia de los materiales: no es lo mismo construir con madera que con acero.

3. Relacionar la física con la vida cotidiana: desde un coche en movimiento hasta un terremoto.

4. Preparar el camino para aprender sobre estructuras: el siguiente paso de esta serie de contenidos.

Conclusión

Las fuerzas y los esfuerzos son conceptos básicos en física y tecnología, pero fundamentales para entender cómo funcionan las estructuras.

Hemos visto que:

• Una fuerza puede iniciar, detener o deformar un objeto.

• Las estructuras reciben cargas estáticas, dinámicas o ambientales.

• El equilibrio es la clave para que una estructura no se derrumbe.

• Existen distintos tipos de fuerzas según el tiempo y la forma de aplicación.

• Los esfuerzos principales son tracción, compresión, flexión, torsión y cortante.

Con todo esto, en próximos artículos entenderemos mucho mejor cómo se diseñan y funcionan las estructuras en el mundo real.

Y ahora cuéntame en comentarios:

👉 ¿Conocías ya estos tipos de fuerzas y esfuerzos?

👉 ¿Te imaginas cómo se aplican en los edificios, puentes o muebles de tu día a día?

Nos vemos muy pronto en Sustainable Teacher.