Unidad 5. Estructuras y Mecanismos

Todos los elementos de la naturaleza se componen de estructuras, que les proporcionan forma, soporte y protección.

Una estructura es un conjunto de elementos que soportan las cargas o esfuerzos que tienden a deformar un cuerpo.

El ser humano, a imagen y semejanza de la naturaleza, ha sido capaz de crear estructuras artificiales, que nos permiten superar obstáculos, almacenar agua y mantenernos a cubierto.

Así mismo, emplea utensilios que le permite mejorar un trabajo y ahorrar esfuerzos.

Una máquina es el conjunto de piezas o elementos que, actuando juntos, permiten aumentar el rendimiento de un proceso (mayor fuerza, velocidad...) con un menor gasto de energía.

ESTRUCTURAS

5.0 Funciones de una estructura

Soportar pesos, tanto de la propia estructura como del resto del cuerpo, más los que tenga que soportar externamente.
Resistir fuerzas externas, aceleraciones, giros, frenazos y todas aquellas de origen atmosférico (viento, lluvia, etc).
Mantener la forma, evitando roturas o deformación.
Proteger el contenido o las partes delicadas de los objetos.

Para que una estructura cumpla su función debe ser estable (mantener el equilibrio), resistente (soportar esfuerzos) y rígida (mantener la forma).

5.1 Tipos de estructuras

Estructuras masivas: macizas y con pocos huecos (catedrales, muros de piedra, murallas...).
Estructuras abovedadas: con menos peso, con arcos y huecos (minas, el metro, etc).
Estructuras de armazón o armaduras, formadas por unión de elementos ligeros.
- - Entramadas o de mallas horizontales y verticales (pilares y vigas de un edificio).
  - Trianguladas o de barras en forma de triángulos (grúas, puentes, etc).
  - Colgadas o de tirantes o cables fijadas a torres (puentes colgantes, etc).
Estructuras laminares o de paneles (coches, aviones, barcos, envases, etc).
Estructuras de membrana o de lonas y plásticos (carpas, pabellones, etc).
Estructuras neumáticas o de membrana rellenas de aire a presión (lanchas neumáticas, etc).
Estructuras geodésicas mezcla de las abovedadas y de las armaduras (pabellones deportivos, ferias de muestras, etc).

Estructura masiva. Catedral de Sevilla

Estructura abovedada. Baños árabes

Estructura entramada. Edificio

Estructura colgada. Puente de la Barqueta

Estructura laminar. Setas de Sevilla

Estructura de lona

Estructura hinchable y geodésica

5.2 Fuerzas, cargas y esfuerzos a los que se ve sometida una estructura

Fuerza es aquello que presiona y tiende a deformar un cuerpo.

Se compone de:

Magnitud o módulo. el valor dado en magnitudes adecuadas (kilos, newtons, etc)
Dirección o sentido en el que actúan.
Punto de aplicación en el cuerpo.

Carga es toda fuerza que soporta un cuerpo, tanto imnatas (el peso propio), como externas (presión, esfuerzos, etc).

Pueden ser:

Fijas, las que afectan a la estructura siempre de la misma manera (el peso de la propia estructura).
Variables, o cambiantes en el tiempo (cantidad de vehículos en un puente, fuerza del viento, etc).

Esfuerzo es el trabajo que soporta una estructura debido a las cargas que soporta.

Hay de varios tipos:

Tracción o fuerzas que tiende a estirar un cuerpo (el peso colgado en una cadena, etc).
Compresión o fuerzas que tienden a acortar un cuerpo (el peso del techo en una columna, etc).
Flexión o fuerza tendente a doblar horizontal o verticalmente (pandeo) un cuerpo (caña de pescar, etc).
Torsión o fuerza que tiende a girar una estructura (llave en una cerradura, etc).
Cizalladura, fuerza tendente a cortar una estructura (tijeras, etc).

Descripción esquemática de los diferentes tipos de esfuerzos y ejemplos de los mismos en estructuras.

5.3 Estabilidad y resistencia de una estructura

La Estabilidad de una estructura depende de:

Lugar del centro de gravedad, o punto teórico en el que puede considerarse concentrado el peso de una estructura.
Punto de equilibrio, cuando la inclinación no excede los límites del centro de gravedad.

La estabilidad puede mejorarse aumentando el peso de la base, su superficie o anclando la misma.

La Resistencia de una estructura dependerá de:

Tipo y cantidad de material del que está construida, no es lo mismo madera, metal, plástico, adobe, etc.
Forma que se le de a esos materiales (techo plano, bóveda, etc). Que pueden formar:
- - Perfiles adecuados al tipo de esfuerzo (en T, en I, en L, etc).
  - Triángulos. Un triángulo es la forma geométrica que mejor resiste la deformación. A la unión de estructuras triangulares se le llama cerca.
Otros elementos resistentes, creando Pilares (elementos verticales), Vigas (horizontales), Escuadras (triángulos rectángulos), Tirantes (cables inextensibles), Arcos (elementos curvos) y cimentaciones (prismas o placas de apoyo).

Actividades del tema. Realiza al menos cinco actividades de entre las de las páginas 120 y 121 de tu libro de texto.

MECANISMOS

5.4 Máquinas y Mecanismos Definición y componentes

Una máquina o mecanismo es el conjunto de piezas o elementos que, trabajando juntos, consiguen realizar un proceso aumentando el rendimiento con el menor gasto de energía posible.

Elementos o componentes de una máquina

Elemento Motor: El que aporta la Energía inicial (puede ser humana, eléctrica, vapor..)
Elemento Receptor: El que recibe la energía el papel, la madera... (proceso).
Elemento Transmisor y/o Transformador: El que lleva y/o cambia la energía inicial hasta el proceso a realizar o movimiento a generar (la tijera, la sierra, el motor...)

5.5 Tipos de movimiento que un mecanismo puede producir

Movimiento Lineal: El cuerpo/receptor sigue una trayectoria recta. (Pestillo...)
Movimiento Circular: El cuerpo sigue una trayectoria circular (Motor, noria...)
Movimiento alternativo u oscilante: El receptor sigue una trayectoria adelante/atrás o arriba/abajo (Serreta o sierra...)

5.6 Tipos de Mecanismos según su función

Mecanismos Transmisores de movimiento:

- Palancas

- Poleas

- Ruedas de Fricción

- Polea y Correa

- Engranaje

- Piñón y cadena

- Tornillo sin fin y corona

Mecanismos Transformadores de Movimientos:

- Tornillo / Tuerca

- Piñón / Cremallera

- Biela / Manivela

- Leva

Actividad: Pon al menos tres ejemplos de máquinas, especificando sus elementos y el tipo de movimiento que realiza.

5.7 Palancas

Una palanca es una barra rígida que cuenta, en algún punto de su longitud, con un punto de apoyo.

Ley de la Palanca; Relaciona las fuerzas de Potencia y Resistencia con las distancias que las separan del punto de apoyo..

Tipos de Palancas

En función de la posición respecto al Punto de Apoyo de la Potencia y la Resistencia, las palancas puueden ser de varios tipos:

Actividad de cálculo de magnitudes en un sistema de Palanca.

Resolución:

Se lee el enunciado.
Se establecen los datos.
Se establece la incógnita.
Se plantea la fórmula.
Se despeja la incógnita.

5.8 Poleas

Una polea es una rueda acanalada que cambian el sentido de una fuerza de Potencia, o, incluso, la hacen menor, si son varias, respecto a la Fuerza resistente.

Tipos de Poleas

Las poleas pueden ser fijas, cambiando el sentido de la fuerza, o móviles, que además disminuyen la potencia necesaria para vencer la Fuerza de resistencia o peso.