Clase 2:
¿Qué es una fuerza? ¿Y una carga?
Arriba hemos visto que una de las condiciones que debe cumplir cualquier estructura es que resista las fuerzas (o cargas) que actuan sobre ella. Pero, ¿qué es exactamente una fuerza? ¿Es lo mismo una fuerza que una carga?
Vamos a empezar explicando qué es una fuerza. Aunque estamos muy habituados a utilizar esa palabra en nuestra vida diaria me atrevería a asegurar que te resultaría muy complicado dar una definición de lo que es una fuerza. Pues bien, ahí va una posibilidad:
Una fuerza es toda acción capaz de modificar la velocidad de un cuerpo o de deformarlo.
Existen tres situaciones en las que podemos saber que una fuerza está actuando sobre un cuerpo:
- Cuando un cuerpo que se mueve a cierta velocidad aumenta su velocidad o la disminuye. Por ejemplo, si impulsamos a un niño que monta en bicicleta estamos aplicando una fuerza sobre él. Si apretamos el pedal del freno de un coche también estamos ejerciendo una fuerza, en este caso para reducir la velocidad.
- Un caso particular del anterior ocurre cuando un cuerpo que estaba parado (velocidad cero) empieza a moverse, o al revés, cuando un objeto que se movía se acaba deteniendo. Cuando un futbolista hace un lanzamiento a balón parado está ejerciendo una fuerza sobre el balón que hace que este pase de estar parado a adquirir cierta velocidad. Por otra parte, cuando un portero detiene un lanzamiento también está ejerciendo una fuerza sobre el balón que hace que pase de tener cierta velocidad a no tenerla.
- Por último, cuando un cuerpo se deforma también es debido a la presencia de una fuerza. esto ocurre, por ejemplo, cuando chafamos una lata, cuando se rompe una ventana que ha recibido un golpe o cuando doblamos una hoja de papel:
En la unidad de Mecanismos se profundizará algo más en el concepto de fuerza y en concreto en un tipo de fuerza muy particular: el peso.
Pues bien, ya sabemos qué es una fuerza, sólo falta saber qué es una carga. Si has entendido lo que es una fuerza la definición de carga te va a resultar muy sencilla:
Una carga es una fuerza que actúa sobre una estructura.
Así de sencillo, cualquier fuerza que afecta a una estructura es una carga. Por ejemplo, una racha de viento que golpea a una torre de alta tensión es una carga y también lo son la nieve que se acumula en el tejado de un edificio, el peso de un camión que cruza un puente o la fuerza de las olas del mar que golpean los muros de un puerto marítimo.
Tipos de cargas.
Ya hemos visto algunos ejemplos de cargas a los que son sometidas distintas estructuras. Ahora vamos a clasificar los diferentes tipos de cargas en dos grandes grupos:
Las cargas estáticas.
Son aquellas cargas que no varían en el tiempo o que varían muy poco. En definitiva, son las cargas a las que una estructura está habitualmente sometida.
Por ejemplo, los coches que circulan por encima de un puente se consideran una carga estática. Es verdad que los coches se mueven, y que en ocasiones habrá más vehículos que en otras. Sin embargo, las variaciones no son muy importantes.
Una de las características fundamentales de este tipo de cargas es que son fácilmente predecibles. Cuando se diseña un puente es fácil calcular qué numero de vehículos lo atravesaran aproximadamente. En unas ocasiones serán 10 vehículos, en otras 100 y en otras ninguno, pero nunca habrá millones de vehículos circulando a la vez sobre el puente.
A su vez, las cargas estáticas se dividen en dos tipos:
- Cargas muertas: son las cargas debidas al propio peso de la estructura. Ten en cuenta que cuando se construye, por ejemplo, un bloque de viviendas lo primera fuerza que tiene que ser capaz de soportar es la de su propio peso. El peso de las vigas, pilares… y cualquier otro elemento de una estructura constituye en muchos casos la principal carga que esta debe estar preparada para soportar.
- Cargas vivas: son las cargas que se desplazan. Las más comunes son, en el caso de los edificios, el peso de las personas que entran y salen, y en el caso de puentes el peso de los vehículos que circulan por él, como ya se ha explicado antes.
Sin embargo, hay más ejemplos de cargas vivas. Por ejemplo, una presa debe estar preparada para las crecidas de caudal que ocurren en los meses de primavera cuando se produce el deshielo en las cumbres de las montañas. Esos aumentos del caudal de agua son algo que sucede todos los años y son perfectamente predecibles, ya que siempre ocurren, aunque pueda haber pequeñas variaciones de intensidad. De la misma manera, las precipitaciones habituales y vientos moderados también son fenómenos relativamente frecuentes que se consideran cargas vivas.
(Puente con vehículos, imagen original)
Las cargas dinámicas.
El otro gran grupo de tipos de cargas son las denominadas cargas dinámicas. Se trata de cargas que aparecen en un momento determinado, de manera prácticamente aleatoria y por un corto periodo de tiempo. Además, al contrario que ocurre con las cargas estáticas son prácticamente imposibles de predecir. Algunos ejemplos son:
- Fuertes ráfagas de viento, huracanes o tornados.
- Grandes nevadas.
- Inundaciones.
- Terremotos.
- Tsunamis.
Dependiendo del lugar en que se construye una estructura será o no necesario tomar las precauciones necesarias para que resista este tipo de cargas. Por ejemplo, en un zona del planeta en la que no haya peligro de terremotos no será necesario construir los edificios a prueba de estos fenómenos o en una zona de interior el peligro de tsunami será irrelevante.
Sin embargo, en aquellas zonas con mayor riesgo es fundamental tener en cuenta este tipo de cargas para evitar accidentes como los que se muestran en las imágenes de abajo: una vivienda destrozada debido a un huracán, un tejado hundido por culpa de una gran nevada, un edificio tumbado a causa de un terremoto y una población arrasada por un tsunami:
En el siguientes vídeo se explica una de las técnicas más utilizadas para la construcción de edificios resistentes a terremotos. La solución consiste en asentar los pilares sobre unas piezas elásticas llamadas aislantes sísmicos que absorben las vibraciones del suelo cuando se produce un temblor:
Y en este vídeo se explica cómo se construyen los aislantes en un edificio real:
*Hacer los ejercicios 3 y 4.