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¿Por qué los edificios, puentes y otras estructuras se construyen de la manera que conocemos? ¡Sumérgete en el mundo de la estática!

Estática

La estática se ocupa del equilibrio de los cuerpos. La estática estudia las condiciones en las que las fuerzas que actúan sobre un cuerpo están en equilibrio. Por lo tanto, es la base de todos los cálculos y proyectos de estructuras, como puentes o casas.

Las cargas que actúan sobre los componentes para calcular la estática son diversas.

El peso de una construcción se conoce como carga muerta.
El peso de las personas, los muebles, las placas o incluso los coches se denomina carga viva.

Los objetos estáticos se conocen como estructuras. Una estructura debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso y cualquier carga que actúe sobre ella. Una silla que se sostiene por sí misma pero que se rompe cuando alguien se sienta sobre ella no tiene mucho sentido.

Estructuras naturales

También podemos encontrar estructuras naturales en la naturaleza. Nuestro esqueleto, por ejemplo, es una estructura. Debe poder soportar su propio peso y el peso de las partes más blandas del cuerpo. Y si llevas una bolsa de compras o la mochila escolar, debe ser capaz de soportar también estas otras cargas.

Algunos seres vivos, como, por ejemplo, los caracoles o los crustáceos, cuentan con un exoesqueleto con forma de caparazón.

Otra estructura natural es la cáscara de huevo, que es lo suficientemente fuerte como para sostener y proteger a un pollito en desarrollo, pero lo suficientemente delgada como para romperse cuando esté listo para nacer.

Estructuras artificiales

Las estructuras artificiales se basan en las estructuras naturales. Una tienda está compuesta por un «esqueleto» de barras que sostiene una «piel» de tela. Una caja de cartón es una estructura de protección para almacenar los huevos.

Estructuras de armazón y estructuras laminares

Las estructuras pueden dividirse en dos grupos: las estructuras de armazón y las estructuras laminares.

Estructura laminar

Una estructura laminar consta de una sola pieza, como una cáscara de huevo. Las estructuras laminares artificiales, como los cartones de huevos, las tejas onduladas o las chapas de carrocería, se fabrican con láminas finas de plástico o acero, lo que las hace más ligeras. Las láminas están estriadas o curvadas para darles mayor resistencia.

Recuerda que una estructura debe soportar su propio peso además de la carga, por lo que las estructuras más eficaces son las que son fuertes pero ligeras.

Estructura de armazón

Una estructura de armazón está compuesta de una serie de piezas conectadas entre sí. Las piezas de una estructura de armazón suelen llamarse soportes. Así, por ejemplo, la columna vertebral es el soporte en la estructura del esqueleto.

Farolas

Una estructura estable es aquella que está equilibrada y no se cae fácilmente. Para comprenderlo mejor, observaremos el modelo de farola con detenimiento. Esta investigación os ayudará a diseñar y optimizar estructuras estables.

Tarea

Monta el modelo de farola y prueba cada una de las siguientes opciones para que la farola sea más estable. ¿Qué diferencia observas entre una opción y otra? ¿Cómo cambia la estabilidad?

Mesa

Una mesa también es un objeto estático. Soporta tanto su propio peso, es decir, la carga muerta, como las cargas vivas. Principalmente, se trata de personas u objetos decorativos, como, por ejemplo, jarrones, ubicados sobre una mesa, pero también de los golpes accidentales a la mesa. Para que una mesa pueda soportar todas estas cargas requiere diversas características estáticas.

Tarea:

Monta la mesa según el modelo.
Asegúrate de que los puntales estén conectados correctamente.
Carga la mesa primero desde arriba. A continuación, ejerce una presión lateral contra el asiento y después contra una de las patas. ¿Qué sucede en cada caso?

Las características estáticas de tu modelo de mesa están en las patas angulares. Gracias al ángulo, ya son estables en dos direcciones. La estructura de armazón del taburete tiene un refuerzo adicional con barras y riostras. Los puntales plateados entre las patas garantizan la estabilidad del marco mediante presión y tensión. Sin embargo, la máxima expresión de la estática son las uniones que dan lugar a los triángulos. Los triángulos también son estables si las barras tienen articulaciones móviles en las uniones. Estos triángulos se denominan triángulos estáticos. Por lo tanto, tu modelo de mesa es estáticamente estable desde tres puntos de vista.

En la estática, las uniones se conocen como nodos.

Tarea:

Retira las riostras y coloca una carga sobre la mesa. ¿Qué efecto tiene esta acción sobre la estática de la mesa?
Vuelve a colocar las riostras. Retira los puntales. Vuelve a cargar la mesa. ¿Qué tan estable es ahora?
Ahora vuelve a colocar las barras. Carga la mesa. ¿Qué puedes ver?

Los soportes están destinados a transferir fuerzas y proporcionar equilibrio. En un puente, por ejemplo, el soporte transfiere la fuerza sobre los pilares, distribuyendo así la carga y manteniendo el equilibrio.

Tipos de soportes
Existen diferentes tipos de soportes:

Barras
Las barras son estructuras cuya longitud es elevada en relación con su ancho y su espesor. Pueden conformar soportes independientes o ser parte de ellos y estar compuestos, a su vez, por barras.

Soportes planos
Se trata de aquellos soportes cuyo espesor es pequeño en relación con su longitud y su ancho. Entre ellos se encuentran placas, losas y láminas.
Soportes tridimensionales
Aquí, todas las dimensiones tienen una magnitud similar.

Tipos de soportes planos

Entre los soportes planos se encuentran, como ya se ha mencionado, las placas, las losas y las láminas. A continuación, te ofrecemos una explicación más detallada:

Placas

Una placa es un soporte plano compuesto por barras individuales o en forma de plancha de chapa, placa de madera, placa de construcción ligera o similar. Es importante que las fuerzas de carga incidan en la superficie de la estructura de soporte de manera que la estructura global pueda representarse en un plano de dibujo. Nos encontramos, entonces, ante un sistema de fuerzas planas.

Losas

Una losa también es un soporte plano, pero aquí las líneas de acción de las fuerzas de carga son perpendiculares u oblicuas a la superficie de la losa. Así, la única diferencia entre una placa y una losa es el tipo de carga.

Láminas

Si un soporte se curva en una o dos direcciones, se trata de una estructura laminar (cilíndrica, esférica). Estos soportes se utilizan, por ejemplo, en tejados y cúpulas. Las losas y las láminas difieren mucho en su capacidad de carga: Una placa sometida a fuerzas de tracción en todos sus lados se mantiene muy estable. Es capaz de soportar fuerzas relativamente grandes hasta volverse inutilizable debido a deformaciones excesivas o desgarros.

Por el contrario, una placa fina se deforma cuando se ejerce presión sobre ella. Este procedimiento es conocido como «pandeo». Un ejemplo de deflexión por pandeo en la ingeniería estructural es una estructura curva.

Casa de entramado

Las estructuras formadas por barras se conocen como entramados. Por medio del ejemplo de una casa de entramado, jugaremos a cambiar la estabilidad. Así, veremos qué ocurre si el modelo es rígido o no.

Una estructura rígida es una estructura que mantiene su forma cuando las fuerzas actúan sobre ella.

Tarea

Monta el modelo por completo y comprueba la estabilidad.
Retira la cruz de San Andrés ubicada en el centro y mueve la estructura hacia la izquierda y hacia la derecha.

Notarás que la casa de entramado pierde estabilidad en la dirección longitudinal.

Retira las dos cruces de San Andrés ubicadas en los laterales y mueve la estructura hacia atrás y hacia adelante.
Ahora ya sabes qué elementos son los responsables de la rigidez de la casa de entramado.
Retira otros elementos y experimenta con ellos. ¿Cómo cambia la estabilidad?

Soporte cuvo

El modelo de soporte curvo es una combinación de los principios de las láminas, del pandeo y del entramado.

Tarea

Monta el modelo hasta llegar al paso 5 y, a continuación, comprueba la estabilidad en cada uno de los pasos siguientes. ¿Cómo cambia la estabilidad del modelo?
Ahora termina de montar el modelo y vuelve a comprobar la estabilidad. ¿Qué puedes observar?

Sistema de fuerzas

El modelo de sistema de fuerzas permite aplicar presión a una placa –representada por un puntal– mediante una palanca de un solo brazo.

La fuerza sobre la palanca se aplica mediante un cabrestante y un sistema de rodillos similar a un sistema de poleas. La palanca está sometida a una gran flexión y, por lo tanto, debe reforzarse con un entramado añadido. Al accionar el cabrestante, puedes observar el proceso de flexión de la placa.

Tarea

Retira el puntal horizontal central.

Al girar el cabrestante, las fuerzas vuelven a actuar sobre los dos puntales laterales. ¿Puedes ver cómo se doblan?

Vuelve a montar el puntal y acciona el cabrestante. ¿Qué ha cambiado?

Construcción en acero

La estática desempeña un papel fundamental en la construcción en acero. Esta comprende la construcción de tejados y salas (por ejemplo: los hangares), puentes de estructura de acero, mástiles y torres de acero, así como grúas y otros sistemas de transporte.

Torre de observación

Seguro has estado alguna vez en una torre de observación y has mirado a lo lejos porque precisamente para eso es que fue construida. Su función es proporcionar una visión lo más amplia posible y una «vista panorámica» de 360°. Si este tipo de torre se encuentra, por ejemplo, en un bosque, debe superar ampliamente en altura a los árboles más altos; de lo contrario, no se podrá ver nada.

Tarea

Monta el modelo de torre de observación y tensa la cuerda con fuerza. El elevador sube y baja sin inconvenientes, ¿verdad?
Ahora desajusta la cuerda. ¿Qué puedes observar?

El principio de tensión se aplica también en el modelo de puente de cuerda en arco.

¡Enhorabuena! Has incursionado en el mundo de la ingeniería estructural y has aprendido lo básico. Ahora puedes aplicar tus nuevos conocimientos en el resto de los modelos. ¿Puedes reconocer cómo se logra la estabilidad y cómo puedes influir en ella?

¡Diviértete experimentando y probando!