Ejercicios: Fuerzas, cargas y esfuerzos

Explica con tus palabras la diferencia entre una carga fija y una carga variable, y clasifica estas cargas de un puente: el peso del propio tablero, los coches que pasan, el peso de las farolas ancladas, la nieve del invierno y el viento de una tormenta.

La figura muestra cinco elementos sometidos a los cinco esfuerzos básicos, señalados con las letras de la a a la e, con las flechas que representan las fuerzas.

Relaciona cada letra con su esfuerzo —tracción, compresión, flexión, torsión o cortadura— y justifica tu respuesta fijándote en la dirección de las flechas: si estiran, aplastan, doblan, retuercen o cizallan el elemento.

Empareja cada elemento con el esfuerzo que soporta principalmente: (a) el cable de una tirolina, (b) la columna de un porche, (c) el eje de un destornillador al apretar, (d) la tabla de una estantería llena de libros y (e) la hoja de papel al cortarla con tijeras. Explica tu elección en dos de los cinco casos.

La tabla de una estantería cargada de libros se comba poco a poco en el centro. Explica qué esfuerzo está sufriendo, por qué se combba hacia abajo en el centro y no en los extremos y qué dos cambios sencillos harías para que se combara menos (sin vaciar la estantería).

Cuando haces gomas elásticas con las manos, la goma se estira y vuelve a su forma. Explica qué esfuerzo soporta la goma mientras tiras de ella, qué le ocurre si estiras demasiado y por qué las gomas se usan precisamente para eso (piensa en qué material elegirías para un cable de tirolina).

Al escurrir una fregona o un trapo lo retuerces con las dos manos girando en sentidos contrarios. Indica qué esfuerzo estás aplicando, describe con precisión cómo actúan las fuerzas y nombra dos objetos o piezas de tu casa que trabajen habitualmente con ese mismo esfuerzo.

Unas tijeras cortan el papel porque sus dos hojas empujan en sentidos contrarios muy juntas, una hacia arriba y otra hacia abajo. Explica qué esfuerzo sufre el papel en ese punto y por qué las tijeras cortan mucho mejor cerca del tornillo que en la punta (piensa en la fuerza que haces con la mano).

El peso propio de un tejado es una carga que siempre está ahí, pero la nieve solo aparece algunos días al año. Explica por qué los dos tipos de carga se tratan de forma distinta al diseñar y razona qué pasaría si un tejado se diseñara pensando solo en su peso propio, sin contar con la nieve.

La figura muestra un puente con tres elementos señalados con las letras a, b y c: un pilar, uno de los cables que sujetan el tablero y el propio tablero por donde circula un camión.

Indica qué esfuerzo soporta principalmente cada elemento señalado (tracción, compresión o flexión), razonando qué le hacen las cargas a cada uno: quién estira, quién aplasta y quién dobla.

Una percha con un abrigo pesado parece sencilla, pero sus partes trabajan distinto: el gancho de alambre se estira y la barra horizontal se dobla un poco. Analiza qué esfuerzo soporta cada parte de la percha y explica por qué la misma percha de plástico aguanta el abrigo pero se quiebra si además cuelgas la mochila de la barra.

El eje de una batidora transmite el giro del motor a las cuchillas. Explica qué esfuerzo soporta ese eje mientras bate, qué le ocurriría si fuera de un material blando como la goma y nombra otros dos ejes de aparatos de tu casa que trabajen igual.

En una mesa, las patas aguantan sin doblarse el peso de todo lo que hay encima, pero el tablero sí se comba si se apoya algo muy pesado en el centro. Explica qué esfuerzo sufre cada parte y por qué la forma de cada elemento (una pata vertical frente a un tablero horizontal) hace que uno resista mejor que la otra su esfuerzo.

Una grúa de obras tiene estas partes: el cable que sube el saco de cemento, el brazo horizontal que sobresale, el contrapeso de hormigón y la torre vertical. Indica qué esfuerzo o esfuerzos soporta cada parte (tracción, compresión o flexión) y razona para qué sirve el contrapeso mirando hacia dónde «tira» el saco.

Doblas una regla de plástico y vuelve a su forma; doblas más y se queda marcada; doblas aún más y se rompe. Explica qué les pasa a los materiales en esos tres momentos (deformación que se recupera, deformación que se queda y rotura) y por qué las estructuras se diseñan para trabajar siempre en el primer momento, con mucho margen.

Un pabellón deportivo debe soportar su propio peso, pero también cargas que no siempre están: la nieve sobre la cubierta, el viento contra las paredes y miles de espectadores un día de partido. Explica por qué el diseñador debe pensar en el peor día imaginable y no en un día normal, y qué podría ocurrir si suma las cargas «a ojo» en lugar de con margen.

Un banco de piedra y una silla de plástico aguantan sentada a la misma persona, pero se rompen por sitios distintos si se fuerzan. Compara qué esfuerzos soporta cada uno (las patas, el asiento) y razona por qué la piedra sirve aplastada pero no doblada, mientras que el plástico de la silla aguanta bien la flexión del asiento.

La figura muestra un columpio de parque con tres elementos señalados: las cadenas del asiento (a), la barra superior que las sujeta (b) y las patas del armazón (c), con una persona sentada.

Analiza qué esfuerzo soporta cada elemento señalado y justifícalo siguiendo el camino del peso: quién lo recoge del asiento, quién lo lleva a la barra superior y quién lo baja al suelo. Después razona qué le pasa a la barra superior si se sientan dos personas a la vez.

En un velero, el viento empuja la vela y el mástil se inclina un poco hacia atrás: unos cables (las jarcias) lo sujetan desde arriba hacia la proa y la popa. Analiza qué esfuerzos trabajan juntos en ese conjunto —el mástil y los cables— y explica por qué el mástil, que es rígido, necesita esos cables tensos aunque él mismo aguante mucho peso aplastado.

Las vigas de acero de los edificios no son macizas ni redondas: tienen forma de doble T (como una H tumbada). Sabiendo que al flexarse una viga las fibras de arriba se acortan y las de abajo se estiran, mientras que las del centro casi no trabajan, explica por qué esa forma ahorra material poniéndolo justo donde más esfuerzo hay, en vez de repartirlo por igual.

Un cartel de una tienda cuelga de un brazo horizontal sujeto a un poste, con un cable inclinado que va del extremo del brazo a lo alto del poste. Analiza los tres esfuerzos del conjunto: qué le pasa al brazo por el peso del cartel, qué esfuerzo soporta el cable y cómo trabaja el poste. Razona qué cambiaría si quitáramos el cable y dejáramos el brazo solo.

La estantería del garaje se ha combado en el centro tras años cargada de cajas pesadas. Diagnostica el problema con el vocabulario del tema: qué esfuerzo ha vencido a la tabla, por qué el centro es el punto débil y qué tres soluciones técnicas distintas propondrías (apoyo central, tabla más gruesa, repartir el peso) valorando coste y eficacia de cada una.

Un folio se rasga con facilidad si tiras de él y, sin embargo, colgado de una pinza aguanta su propio peso y hasta algún papel más. Analiza esta aparente contradicción: qué esfuerzo soporta el folio colgado, de dónde sale ese peso que lo estira y por qué el mismo papel a tracción débil sirve, en cambio, para colgar dibujos en clase sin romperse.

Diseña sobre el papel el columpio de un parque infantil: enumera sus elementos (patas, barra, cadenas, asiento, anclajes al suelo), indica el esfuerzo principal que soportará cada uno con niños y niñas balanceándose, elige un material razonable para cada elemento y justifica por qué los anclajes al suelo son tan importantes como el resto.

Dos soluciones para cruzar un foso de $3\ \text{m}$ con una tabla: (a) la tabla apoyada solo en los bordes y (b) la misma tabla con un apoyo de piedra en el centro. Analiza con el concepto de flexión qué cambia entre ambas (qué recorrido hace la tabla sin apoyos y cómo se combba), calcula mentalmente qué tramo máximo queda libre en cada caso y concluye por qué los puentes reales añaden pilas intermedias.