Equilibrio estático
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Imagínese que está montando en bicicleta, disfrutando de un hermoso día, y de repente su neumático delantero comienza a experimentar un impulso alrededor de su eje. Se tambalea hasta el punto de que la rueda se cae y te derrama sobre el pavimento. ¡Ay! No querrá usar esa bicicleta nuevamente hasta que descubra qué causó la falla mecánica. O mucho más aterrador: digamos que estás en lo alto de la torre Hancock en Chicago y comienza a balancearse desde los vientos del lago Michigan hasta el punto de que no estás seguro de tu seguridad si permaneces en el edificio.
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Es por eso que comprender la estática es fundamental para la práctica exitosa de la ingeniería estructural. Ignorar las reglas de la estática es simplemente pedir una catástrofe.
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La estática es el estudio y análisis de objetos en equilibrio. Es importante en todos los proyectos de ingeniería porque nos permite equilibrar fuerzas y evitar que las estructuras se aceleren debido a fuerzas externas, fuerzas internas y momentos. Piense en el puente Golden Gate, el Empire State Building, una bicicleta, un par de tijeras o cualquier otra estructura que necesite lidiar con todas esas fuerzas, pero que también permanezca estructuralmente lo suficientemente sólida como para mantenerse en equilibrio para realizar el trabajo para el que fue diseñado. ¿Cómo lo hacen los ingenieros? No es fácil, pero implica el uso de principios de ingeniería para descubrir sistemas de fuerzas y momento que actúan sobre los objetos.
Leyes del movimiento de Newton
Cada elemento de un sistema mecánico debe satisfacer la Segunda Ley de Movimiento de Newton : La fuerza resultante (f) que actúa sobre el elemento está relacionada con la aceleración (a) de los elementos por f = ma , donde m es igual a la masa. Si bien la Segunda Ley del Movimiento de Newton es importante aquí, el equilibrio de estructuras y objetos también se trata de la Tercera Ley del Movimiento de Newton . Esta ley establece que la fuerza ejercida sobre un cuerpo I por un cuerpo J debe estar en equilibrio o equilibrada entre sí. Un sistema en equilibrio estático está en equilibrio y no experimentará aceleración de fuerzas externas. Las leyes de Newton también requieren que el momento resultante de estas fuerzas alrededor de cualquier punto sea cero.
Las ecuaciones de equilibrio
En los sistemas estáticos, hay dos condiciones que deben cumplirse: 1) La suma de todas las fuerzas en todas las direcciones debe ser igual a cero.
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2) La suma de todos los momentos alrededor de un punto también es cero.
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Esto significa que la suma de todas las fuerzas externas sobre un objeto debe ser igual a cero y que todos los momentos alrededor de todos los puntos de este objeto también deben ser cero. Si no es así, ¡entonces se está enfrentando a una situación mecánica dinámica! En general, existen dos tipos de sistemas de soporte en los sistemas estáticos de ingeniería mecánica: bidimensionales y tridimensionales.
Aplicación bidimensional de soportes.
Hay varios tipos de aplicaciones 2-D de soportes en sistemas estáticos en ingeniería mecánica, que incluyen cuerda / cable / resorte, contacto con superficie lisa, contacto con superficie rugosa, soportes de pasador, soportes de rodillo, pasador / deslizador constreñido y empotrado ( fijo) soportes. Puede verlos en objetos comunes como tijeras y engrapadoras, o incluso en puentes de celosía.
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Aplicación tridimensional de soportes.
También existen varios tipos de aplicaciones 3-D de soportes en sistemas estáticos; entre estos se encuentran la rótula, el soporte de rodillos, la bisagra, el rodamiento y el soporte integrado. La única diferencia con las aplicaciones 2-D es que hemos agregado una dimensión. En otras palabras, las reglas son las mismas que en el sistema 2-D, excepto que hay otra dimensión. Una de las aplicaciones 3-D más famosas de soportes en sistemas estáticos es la bola y el zócalo. ¿Sabías que tienes una articulación esférica en las caderas? Cuando los médicos reemplazan las caderas, están replicando la articulación esférica que se encuentra en el cuerpo humano. Otra aplicación 3-D familiar y popular de soportes en sistemas estáticos es el fidget spinner. ¡El fidget spinner es lo que se conoce como rodamiento en el mundo de la ingeniería mecánica!
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Resumen de la lección
Hemos explorado los fundamentos de los objetos en equilibrio estático. Cuando los objetos están en equilibrio, son estructuralmente lo suficientemente sólidos como para soportar fuerzas externas, fuerzas internas y momentos de rotación. Hay dos reglas básicas en juego aquí: la Segunda Ley del Movimiento de Newton y la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Cada elemento de un sistema mecánico debe satisfacer ambas leyes y debe estar en equilibrio en términos de aceleración tanto de fuerzas internas como externas, mientras que también requiere que el momento resultante de estas fuerzas alrededor de cualquier punto debe ser cero. De lo contrario, las estructuras de las que dependemos en nuestra vida cotidiana no existirían. Normalmente existen dos tipos de aplicación de soportes: bidimensionales y tridimensionales. Las aplicaciones bidimensionales involucran máquinas que operan dentro de un plano de acción, y las aplicaciones tridimensionales involucran aplicaciones que operan dentro de todos los planos de movimiento. Ejemplos de máquinas 2-D incluyen grapadoras y tijeras, bicicletas y trusses como se ve en los puentes. Ejemplos de aplicaciones tridimensionales del equilibrio estático incluyen la articulación esférica que se encuentra en nuestras articulaciones de la cadera. El punto principal de esta lección es que cada tipo más simple de aplicación 2-D y 3-D de equilibrio estático se puede unir para formar todas las estructuras más complejas que vemos en nuestro mundo, como puentes colgantes, rascacielos, helicópteros, etc. automóviles e incluso reemplazos de articulaciones!
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