¿Qué son las Fuerzas Internas?
Las fuerzas internas se producen a partir de las fuerzas externas que actúan sobre los miembros de la estructura, como postes, vigas o columnas. Generalmente, tenemos tres tipos de fuerzas internas: axiales, de corte y de momento. La fuerza axial , a veces llamada ‘fuerza normal’, es una fuerza de compresión o tensión que actúa alineada con la extensión de un miembro de la estructura. La fuerza cortante es una fuerza que actúa en una dirección perpendicular a la alineación del miembro. La fuerza del momento , por último, es un resultado de giro de una fuerza multiplicada por la distancia desde su ubicación de acción hasta el punto de giro. El número de estos componentes varía en casos unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. Ahora las preguntas son qué hace cada uno de estos componentes y cómo calcular estas fuerzas internas.
Equilibrio
Cuando un miembro de la estructura, como un poste, una viga o una columna, está en equilibrio, significa que no se mueve como debería. Por lo tanto, la combinación o resultante de todas las fuerzas externas aplicadas al miembro es igual a cero. De hecho, las fuerzas internas mantienen el equilibrio de un miembro de la estructura en diferentes direcciones.
Caso 1D
En el ejemplo más simple, consideremos un poste en una estructura de edificio (caso 1D). Dependiendo de la carga externa aplicada, este poste puede estar en tensión o compresión. Ahora, ¿qué pasa si el poste se corta de izquierda a derecha de un tamaño arbitrario (se llama diagrama de cuerpo libre)? Dado que el polo no se mueve, como comentamos, la resultante de todas las fuerzas aplicadas, incluidas las fuerzas externas e internas, aún debe ser igual a cero (ver Figura 1).
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Caso 2D
Tendremos el mismo concepto en un caso 2D con una viga. Dado que asumimos que la viga está fija y no se mueve, la resultante de todas las fuerzas aplicadas desde diferentes direcciones es igual a cero (ver Figura 2).
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Caso 3D
Similar al ejemplo del caso 1D, cortar la viga desde la izquierda o la derecha de un tamaño y sección arbitrarios resultará en una combinación de fuerzas externas e internas con resultado cero (ver Figura 3).
Fuerzas intermoleculares: definición, tipos y punto de ebullición
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En el caso 3D, necesitaremos más componentes de fuerza para mantener el equilibrio: uno axial y dos cortantes, uno de torsión y dos de flexión. Ahora, hablemos un poco de la convención de signos de las fuerzas internas. Una fuerza axial tiene un signo positivo cuando es de tracción (recuerde el polo en tensión) y es negativo cuando está comprimido (recuerde el polo en compresión). Una fuerza cortante tendrá un signo positivo cuando crea una rotación en el sentido de las agujas del reloj en una sección cortada, y es negativo cuando provoca una rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj. Finalmente, un momento flector tiene un signo positivo cuando crea una rotación cóncava hacia arriba en la sección y viceversa (ver figura 4).
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Ahora que hablamos sobre el concepto de equilibrio en un miembro de estructura, la definición de las fuerzas internas y su convención de signos, resolvamos un ejemplo numérico para comprender mejor cómo calcular un componente de fuerza interna. Considere el polo que discutimos al comienzo de la lección. Suponga que el poste está sometido a una fuerza de tracción externa de 20 libras. Dado que el polo está en equilibrio, la resultante de las fuerzas aplicadas debe ser cero. Como puede ver en la Figura 5, se necesita una fuerza interna de tracción opuesta para neutralizar el efecto de la fuerza externa en la sección. Por lo tanto, la fuerza interna debe ser igual a 20 libras.
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Resumen de la lección
Revisemos. Las fuerzas internas se producen a partir de las fuerzas externas que actúan sobre los miembros de la estructura, como postes, vigas o columnas. Existen tres tipos de fuerzas internas: la fuerza axial , también conocida como fuerza normal, o una fuerza de compresión o tensión, que actúa alineada con la extensión de un miembro de la estructura; fuerza cortante , una fuerza que actúa en una dirección perpendicular a la alineación del miembro; y fuerza de momento , un resultado de giro de una fuerza multiplicada por la distancia desde su ubicación de actuación hasta el punto de giro. Estos componentes mantienen el equilibrio en un miembro de estructura en direcciones axial, radial y rotacional, respectivamente. Para calcular la cantidad de componentes de fuerza, podemos crear una sección arbitraria del miembro (llamada diagrama de cuerpo) para encontrar la cantidad de fuerzas internas necesarias para neutralizar el impacto de fuerzas externas y mantener el miembro en su lugar.
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