Clase 8:
La relación entre los esfuerzos y las deformaciones.
Ya hemos visto anteriormente que una fuerza es todo aquello que puede causar que un objeto:
- Se mueva (o cambie de velocidad).
- Se deforme.
En esta unidad nos vamos a centrar en analizar cómo las fuerzas deforman los objetos que nos rodean. Vamos a ver cómo, una misma fuerza puede hacer que un objeto se deforme de maneras muy distintas dependiendo de la forma en que esta es aplicada. Por ejemplo, en el muelle de abajo, si la fuerza se aplica hacia afuera (arriba) este se alargará, mentras que esa misma fuerza aplicada hacia dentro (abajo) hará que el muelle se acorte.
Las diferentes formas en que se pueden aplicar las fuerzas para deformar un cuerpo se denominan esfuerzos. Existen seis tipos de esfuerzos que vamos a estudiar a continuación:
Además, debes saber que cuanto mayores son los esfuerzos a los que está sometido un cuerpo mayor será su deformación. Por ejemplo, en el caso del muelle de la foto de arriba, cuando mayor sea la fuerza que se aplica más se estirará o acortará.
Conocer las diferentes maneras en las que se deforman los cuerpos es fundamental, por ejemplo, a la hora de diseñar un edificio o cualquier otro tipo estructura. Cualquier elemento de una estructura admite una cierta deformación, pero llega un momento en que, si la deformación es excesiva, la estructura puede llegar a romperse.
Imagínate que el arquitecto encargado de diseñar un bloque de viviendas decide utilizar unos pilares demasiado estrechos para soportar todo el peso del edificio. En ese caso es muy probable que los pilares sean aplastados por el propio peso de la construcción y el edificio se venga abajo. Sin duda se trata de un tema que debe ser tenido muy en cuenta y que merece la pena estudiar.
El esfuerzo de compresión.
Decimos que un cuerpo está sometido a compresión cuando las fuerzas actúan de tal manera que tienden a acortarlo. Como se puede apreciar en el gif, a la vez que el elemento se acorta se produce un ensanchamiento del mismo.
Este tipo de esfuerzo es, por ejemplo, al que están sometidos los pilares de una estructura entramada o las torres de un puente colgante. En la imagen de abajo se puede ver cómo cuando los pilares de un edificio soportan peso (imagen de la derecha) estos se acortan y se ensanchan un poco. De hecho, los pilares de los primeros pisos de un edificio son los que más peso soportan, ya que tienen muchos pisos por encima, y por tanto son los más importantes:
(Imagen original)
El esfuerzo de tracción.
Decimos que un cuerpo está sometido a tracción cuando las fuerzas que actuan sobre él tienden a alargarlo. Al contrario que ocurría en el caso anterior, a la vez que el cuerpo se alarga tiende a estrecharse, como se puede ver abajo:
Este es el tipo de esfuerzo al que están sometidos, por ejemplo, los tirantes de un puente colgante. Piensa que la plataforma de un puente está literalmente colgando de los tirantes y por tanto estos tienden a alargarse por el peso. Otro buen ejemplo son los cables o cadenas de los que cuelga la carga de una grua:
El esfuerzo de flexión.
Decimos que un cuerpo está sometido a flexión cuando se dobla debido a una fuerza que actúa de manera perpendicular, como se puede ver en el gif:
Uno de los elementos más típicos que suele estar sometido a flexión son las vigas. Ten en cuenta que las vigas son piezas que se colocan horizontalmente entre dos pilares y que deben soportar el peso del piso superior. Por tanto, aunque a simple vista no se puede apreciar, si exageramos la deformación de una viga el resultado sería el de la imagen de abajo:
(Imagen original)
El esfuerzo de torsión.
Decimos que un cuerpo está sometido a torsión cuando las fuerzas que actúan sobre él tienden a retorcerlo:
En este caso, no es frecuente encontrar elementos sometidos a torsión en estructuras, pero existen multitud objetos que deben resistir este tipo de esfuerzos. Dos buenos ejemplos son los destornilladores y las brocas de los taladros:
El esfuerzo cortante o de cizalladura.
Se dice que un cuerpo está sometido a cortadura cuando actúan sobre él dos fuerzas que tienden a cortarlo (cizallarlo):
El ejemplo más típico sea quizás el de una hoja de papel que está siendo cortada por unas tijeras. En ese caso, cada una de las hojas de la tijera ejerce una fuerza en un sentido, una hacia arriba y otra hacia abajo, lo que provoca que el papel se corte.
Otro ejemplo de esfuerzo de cortadura, que sí tiene mucho interés en la construcción de estructuras es el que experimentan las plataformas de los puentes que se apoyan sobre pilares. Piensa que en un puente de ese tipo, existe el riesgo de que, por el peso de los vehículos y de la propia plataforma esta se hunda. Esto es, al fin y al cabo, otro ejemplo de cizalladura, que debe tenerse en cuenta cuando se diseña un puente:
(Imagen original)
El esfuerzo de pandeo.
El último tipo de esfuerzo, y quizás el menos conocido, es el pandeo. Se trata de un esfuerzo que tiene ciertas similitudes con la flexión, ya que el resultado también es que el cuerpo se dobla. La diferencia con la flexión se encuentra en que en este caso las fuerzas que provocan la deformación son paralelas al cuerpo:
Este tipo de deformación sólo aparece en cuerpos que son muy alargados y finos (la palabra técnica es esbeltos). Cuando sobre un objeto con estas características actúan dos fuerzas que tienden a comprimirlo es frecuente que el resultado sea el pandeo. Quizá alguna vez hayas experimentado este efecto con una regla de plástico como en la imagen de la izquierda. Pero este esfuerzo también ha de ser tenido en cuenta cuando se diseñan estructuras con columnas muy alargadas (esbeltas) como las de la imagen de la derecha:
(Columnas en la Estación de Atocha, Madrid, imagen original)