Estática: conceptos fundamentales
Presentación del tema
A toda disciplina corresponde, como tarea fundamental, la formulación de los conceptos que la definen inequívocamente, y que permiten a sus estudiosos hablar el mismo idioma disciplinar.
En el caso de la Estática, o estudio de los efectos de las fuerzas sobre los cuerpos rígidos, al ser la primera materia que deben conocer los futuros profesionales de las estructuras (arquitectos, ingenieros civiles, ingenieros topógrafos, e ingenieros mecánicos), es deber del estudiante conocer los conceptos básicos de la misma.
Objetivo didáctico de la clase
Comprender los conceptos de mecánica, estática, cuerpos rígidos, fuerzas, vectores, leyes del equilibrio, partículas.
Contenido didáctico
Presentación de los contenidos
Estática
La estática es una parte de la mecánica, y ésta es una parte de la física. Intentemos definir cada una:
- Física: es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, y de las relaciones entre ambas.
- Mecánica: es la parte de la física clásica (la que se basa en los principios o leyes de Newton), y que trata del equilibrio o del movimiento de los cuerpos al someterlos a cualquier fuerza; es decir, la ciencia que analiza y predice lo que pasará a un cuerpo al aplicarles fuerzas.
Para su estudio, la mecánica se divide en tres partes:
Mecánica de sólidos ideales o rígidos
- Estudia los sólidos o cuerpos ideales, es decir, aquellos que no se deforman bajo el efecto de las fuerzas, aunque debe precisarse que en la realidad todo cuerpo que recibe fuerzas presenta cierta deformación. Esta suposición ideal se emplea para simplificar los efectos internos de las fuerzas y obtener relaciones de lo que le pasará al cuerpo respecto de su estado de reposo o movimiento, y con ello de su equilibrio.
- Se divide en:
- Estática, que estudia los cuerpos en reposo; y
- Dinámica, que estudia los cuerpos en movimiento.
- Se divide en:
Mecánica de sólidos reales o deformables
- Al reconocer que los cuerpos sometidos a fuerzas pueden deformarse o fracturarse, implica saber sobre los materiales que componen a dichos cuerpos y su comportamiento frente a las fuerzas para evitar esos efectos, lo que es estudiado por la resistencia de materiales.
Mecánica de los fluidos
- Es la parte de la física que estudia los cuerpos no rígidos, aquellos que fluyen (líquidos y gases); y que se divide en:
- Hidráulica
- Neumática
Por último, podemos definir a nuestra disciplina como:
Estática:
- La parte de la mecánica que estudia los cuerpos rígidos o ideales que están en reposo o en equilibrio; esto a partir de las leyes del equilibrio, que se basan en la primera y la tercera leyes de Newton del movimiento.
Visualiza el siguiente video:
Cuerpo rígidos o ideales
Son idealizaciones o simplificaciones de los cuerpos sólidos reales, considerándolos como indeformables ante la aplicación de las fuerzas sobre ellos. Esto se realiza para poder determinar la resultante de dichas fuerzas y predecir cómo ello afecta a su estado de reposo (o equilibrio, como se denomina en la física); así como para evitar el tratar con las fuerzas internas que, en un cuerpo real, le producen deformaciones, agrietamientos o rupturas.
Fuerza
Es la acción de un cuerpo sobre otro que, en el caso de los cuerpos ideales o rígidos, puede tener como consecuencia solamente el modificar el estado de reposo o movimiento de aquel al que se le aplica la fuerza o, en el caso de los cuerpos reales, además existe la posibilidad de deformarlos (esto último, objeto de estudio de la resistencia de materiales).
Su unidad de medición es el Newton (N) o en Kilogramos (kg), en el caso del sistema métrico decimal; o en libras (lb), en el caso del sistema inglés.
En el siguiente video podrás ver lo ocurrido con el puente Tacoma:
Para entender los procesos de trabajo de la estática, es importante que acudas a los conocimientos previos que adquiriste en las materias de álgebra (operaciones con fracciones y ecuaciones) y trigonometría (conocimiento de ángulos, triángulos, funciones trigonométricas, teorema de Pitágoras), pues con ellos lograrás determinar cómo las fuerzas aplicadas a un cuerpo rígido actúan y lo intentan mover, o sacar de su reposo o equilibrio como se dice en física, y conforme a ello generar las condiciones para evitarlo: un puente o un edificio no se pueden mover o se romperán, derivado de la rigidez de sus componentes estructurales.
Fuerzas como vectores
Para ciertas partes de la física, como la óptica o la termodinámica, basta con definir la magnitud (o intensidad, como se denomina también al cuánto es) de los fenómenos que estudian para poder realizar suposiciones respecto de lo que se desea estudiar; por ejemplo, el saber la temperatura (en grados centígrados, por ejemplo) del aire interior de una habitación, nos permite inferir el grado de confort o no del ser humano en dicho sitio. A estas cantidades se denominan escalares.
En la estática, además de la magnitud de la fuerza, el cuánto se aplica al cuerpo, se requiere conocer el punto de aplicación de la fuerza sobre el cuerpo, es decir, el dónde: el sentido de aplicación de esta, ya sea izquierda-derecha, arriba-abajo, etcétera, así como la dirección en que se aplica o la línea de acción sobre la que se desplaza la fuerza, comúnmente considerada rectilínea, para simplificar el análisis, o movimiento rectilíneo.
Con estas características, las fuerzas se definen de manera especializada en la estática como vectores o fuerzas aplicadas a los cuerpos rígidos o a las partículas. Los vectores se pueden manejar como elementos gráficos y dibujarse a escala, conforme a las unidades de su magnitud.
Leyes del equilibrio de los cuerpos
Isaac Newton formuló en 1687 las leyes sobre el movimiento de los cuerpos, de las cuales dos son aplicables a la estática:
- Primera key de Newton o de la inercia: precisa que todo cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento recto con una velocidad constante, a menos que se aplique una fuerza externa; es decir, que un cuerpo no se moverá por sí solo, a menos que se le aplique una fuerza. Ello lo podemos usar en los edificios, al predecir la suma de las fuerzas que se pueden presentar para neutralizarlas o volverlas cero y con ello evitar que el edificio pierda su estado de reposo.
- Tercera ley de Newton o de acción-reacción: cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), el segundo ejerce una igual en magnitud y dirección sobre el primero (reacción). Determinado el conjunto de fuerzas que actúan sobre un edificio, podemos generar una fuerza opuesta que la anule y permita que permanezca en equilibrio, proceso fundamental de la estática.
Con base en las leyes de Newton, se generan las leyes del equilibrio, que precisan que la suma de las fuerzas (F) aplicadas a un cuerpo debe ser cero para que este se conserve en estado de reposo. Matemáticamente se expresa como:
ΣF=0
Asimismo, derivado del punto de aplicación de la fuerza, se puede producir un giro en el cuerpo o momento (M), por lo que, para que el cuerpo permanezca en reposo, la suma de los momentos aplicados al cuerpo debe de ser cero. Matemáticamente se expresa como:
ΣM=0
Revisa el siguiente video, donde investigadores en Japón hacen un experimento sísmico en un edificio de 10 pisos:
Ideas relevantes de la clase digital
La estática, o ciencia del equilibrio de los cuerpos, busca reconocer los efectos que tendrá la aplicación de las fuerzas sobre los cuerpos.
Al conocer las Leyes de Newton y sus implicaciones en el equilibrio o reposo de los edificios y otras estructuras usadas en la construcción, nos permite entender que, para equilibrar las fuerzas actuantes sobre estos cuerpos, cuyo efecto se puede resumir en una sola fuerza conocida como resultante, esto se realiza con otra de sentido opuesto e igual magnitud.
- Para saber más, realiza la lectura siguiente:
- Seely & Ensign (1977). Mecánica analítica para ingenieros. pp. 1-7.
Fuentes de información
- Hibbeler, R. (2010). Ingeniería mecánica – Estática. p. 18
- GIEG. [Carlos Arieta] (2010). ENSAYO FLEXION VIGA CONCRETO REFORZADO . Youtube. https://youtu.be/4ni2oWDNgAA