Estructuras y mecanismos

¿PARA QUÉ SIRVEN LAS ESTRUCTURAS?

    La estructura que construye el hombre tienen una finalidad determinada, para la que ha sido pensada, diseñada y finalmente construida.

  Podemos hacer un análisis en función de la necesidad que satisface:

- Soportar peso.- Salvar distancias.- Proteger objetos.- dar rigidez a un elemento.

• Soportar peso: se engloban en este apartado aquellas estructuras cuyo fin principal es el de sostener cualquier otro elemento, son los pilares, las vigas, estanterías, torres, patas de una mesa, etc.

Tipos de cargas:

- Cargas fijas o permanentes.

- Cargas variables.

• Salvar distancias: su principal función es la de esquivar un objeto, permitir el paso por una zona peligrosa o difícil, son los puentes, las grúas, teleféricos, etc.

• Proteger objetos: cuando son almacenados o transportados, como las cajas de embalajes, los cartones de huevos, cascos, etc.

• Para dar rigidez a un elemento: son aquellos en que lo que se pretende proteger es el propio objeto, y no otro al que envuelve, por ejemplo en las puertas no macizas el enrejado interior, los cartones, etc.

• Las fuerzas que soporta una estructura

-Una estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que sujeta y también algunos empujes exteriores, como el viento, las olas... Cada elemento de una estructura tiene que resistir diversas fuerzas sin deformarse ni romperse.

ESFUERZOS QUE SOPORTAN LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN LAS ESTRUCTURAS

Torsión

Cortadura

Pandeo

Flexión

Compresión

Tracción

Esfuerzos

• Tracción. Hace que se separen entre sí las distintas partículas que componen una pieza, tendiendo a alargarla. Por ejemplo, cuando se cuelga de una cadena una lámpara, la cadena queda sometida a un esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar su longitud.

• Compresión. Hace que se aproximen las diferentes partículas de un material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Cuando nos sentamos en una silla, sometemos a las patas a un esfuerzo de compresión, con lo que tiende a disminuir su altura.

• Cizallamiento o cortadura. Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a la pieza, haciendo que las partículas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Al cortar con unas tijeras un papel estamos provocando que unas partículas tiendan a deslizarse sobre otras. Los puntos sobre los que apoyan las vigas están sometidos a cizallamiento.

• Flexión. Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se alargan, las inferiores se acortan, o viceversa. Al saltar en la tabla del trampolín de una piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona un panel de una estantería cuando se carga de libros o la barra donde se cuelgan las perchas en los armarios.

• Torsión. Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los ejes, las manivelas y los cigüeñales.

Condiciones que deben cumplir las estructuras.

• Estabilidad: Una estructura es estable si no vuelca y se mantiene erguida.

Esta figura es estable, ya que la proyección centro de gravedad está dentro de su base, aunque al más mínimo movimiento se saldrá de él.

Esta figura es estable, ya que la proyección centro de gravedad está dentro de su base.

• Resistencia: Capacidad de una estructura de soportar las tensiones a las que está sometida sin romperse.

• Rigidez y elasticidad: podemos definir elasticidad como la propiedad que tienen los cuerpos para retornar a su forma inicial una vez ha sido suprimidas las fuerzas que ha provocado la deformación. Depende del material, todos los materiales son más o menos elásticos. Si la elasticidad es baja, será rígido. Si sometemos a un material elástico a un determinado esfuerzo, de manera que este sobrepase un determinado valor (límite elástico), en primer lugar veremos que la deformación se ha convertido en permanente, pero si seguimos aplicando el esfuerzo, llegará un momento en que se produzca la rotura.

Tipos de estructuras

Estructuras masivas y adinteladas

Mucho material y pocos espacios huecos

Elementos

• Roca escavada.• Grandes bloques de piedra apilados.• Dinteles de poca longitud.

• Columnas macizas de piedra.

Estructuras entramadas

Barras de acero , hormigón, … unidas de manera rígida formando emparrillados.

• Cimentación:– Zapatas, losas y pilotes.

Elementos

• Pilares:

• Vigas:

• Viguetas:

• Bovedillas:

• Forjado:

Estructuras abovedadas

Los arcos y las bóvedas están comprimidos gracias a su forma y son autoportantes. Cubren grandes espacios y aumentan los huecos.

Elementos

• Arcos.

• Bóvedas.

Cañón CruceríaCúpula

Estructuras triangulares

Ligeras , resistentes y versátiles. Gracias a la rigidez del triángulo.

Elementos

• Cerchas:

• Perfiles metálicos:

Estructuras laminares

Gracias a su curvatura son más resistentes a pesar de ser láminas finas. Suelen usarse en cubiertas onduladas.

Elementos• Pliegues y dobleces:

Estructuras neumáticas

Ligeras, desmontables, en su interior tienen aire a presión para sujetar los nervios y la estructura.

Estructuras colgantes

Usan tirantes que se estiran más o menos con tensores. Estos cables llamados tirantes sólo resisten esfuerzos de tracción. Se adaptan a las cargas.

Elementos

• Tirantes:

• Tensores:

Estructuras geodésicas

Estructuras trianguladas tridimensionalmente combinando las bóvedas y las barras. Para cubrir grandes espacios sin utilizar pilares. Algunos fuselajes de aviones antiguos usaban este método.

Pavellón de US en Montreal.

Globe Arena de Estocolmo

Elementos

• Tetraedros:

Mecanismos

Mecanismos

Transmisión de movimiento lineal

Transmisión de movimiento circular

Transformación del movimiento

Palancas

Poleas

MóvilesFijas Polipastos

Poleas de transmisión

Ruedas de fricción

Engranajes

Tornillo sin fin

Alterna-tivo

No alterna-tivo

Biela-manivela

Cigüeñal

Leva

Excéntrica

Torno

Piñón-cremallera

Tornillo

Palancas• Una palanca es una máquina simple constituida por una

barra rígida que puede girar alrededor de un punto de apoyo. En esta barra habrá un punto de aplicación de la fuerza (F), y un punto de aplicación de la resistencia (R). Para resolver una palanca en equilibrio empleamos la expresión llamada ley de la palanca:

F·d=R·r

También puede expresarse:

F1·d1=F2·d2

Funcionamiento

• La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola rueda por la que hacemos pasar una cuerda, la forma de trabajar es como una palanca de 1º grado con sus brazos iguales. Se emplea para cambiar el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de cargas, entre otros motivos, porque nos ayudamos del peso del cuerpo para efectuar el esfuerzo. La fuerza que tenemos que hacer es igual al peso que tenemos que levantar.

• F=R

Polea simple

Funcionamiento

• El mecanismo llamado polea móvil es un conjunto que consta de dos poleas, una fija y otra móvil, que tienen como finalidad reducir a la mitad el esfuerzo que tenemos que hacer para subir una carga.

• El polipasto está formado por un conjunto de poleas. Cuando una es fija y las demás móviles tenemos un polipasto del tipo I, cuando la mitad son fijas y la otra mitad móviles tenemos un polipasto del tipo II. La fuerza "F" necesaria para levantar una carga "R" siendo "n" el número de poleas móviles, se determina, en cada caso, con una de las fórmulas:

• Polipasto tipo I: F = R/2n

• Polipasto tipo II: F= R/2n

Polea móvil / Polipasto

Funcionamiento

• Se transmite movimiento circular desde la rueda motriz o de entrada a la rueda de salida por el rozamiento de sus bordes. El sentido de giro de la rueda conducida es contrario al de la motriz. Su principal inconveniente es que no pueden transmitir grandes potencias porque patinarían.

• La relación del movimiento entre dos ruedas, donde "d1" y "d2" son los diámetros de las ruedas y "n1" y "n2" los números de revoluciones.

• d1n1= d2n2

Ruedas de fricción

Funcionamiento

• Para transmitir el movimiento entre árboles distantes se emplean poleas y correa o correa dentada y cadena. La transmisión por poleas y correa se realiza por fricción, empleamos la correa para unir dos ruedas que llamamos poleas, el sentido de giro de la polea de salida es el mismo que el de la motriz. Si queremos transmitir grandes potencias con la correa lisa tenemos que utilizar varias en paralelo si no patinarían. Para evitar deslizamientos se usan correas dentadas o cadenas, con estos elementos conseguimos transmitir grandes esfuerzos y una relación de transmisión exacta. Igual que en las ruedas de fricción la relación cinemática es:

d1n1= d2n2

Poleas y correas

Funcionamiento

• Los engranajes son combinaciones de ruedas dentadas para transmitir el movimiento circular, pueden transmitir grandes potencias con una relación de transmisión exacta. Cuando dos ruedas engranan entre sí giran en sentido contrario. Este es el sistema de transmisión del movimiento más empleado.La relación cinemática entre dos ruedas dentadas con números de dientes z1 y z2 y velocidades de giro n1 y n2 en rpm, así como su relación de transmisión, i, se determina con las fórmulas:

 • Con las ruedas dentadas el movimiento se puede transmitir entre

árboles paralelos (ruedas rectas y helicoidales); entre árboles que se cortan (ruedas cónicas); y entre árboles que se cruzan perpendicularmente (sinfín corona).

z1n1= z2n2 i= z1/z2

Ruedas dentadas o engranajes

Funcionamiento

Torno

Funcionamiento

• Un mecanismo piñón cremallera está formado por una rueda dentada que engrana con una barra también dentada. Es un mecanismo que transforma el movimiento circular de la rueda en rectilíneo de la cremallera o viceversa. Se emplea para dar movimiento, por ejemplo, a carros de máquinas, bandeja de un lector de CD, eje principal de un taladro, etc.

• La velocidad de avance de la cremallera (L) será: L = P·Z·N

Donde P será el paso, Z el número de dientes del piñón y N su velocidad de giro.

Piñón cremallera

Funcionamiento

• Este mecanismo consta de un tornillo y una tuerca que tienen como objeto transformar el movimiento circular en rectilíneo. Si hacemos girar el tornillo o la tuerca manteniendo la orientación del otro, el que no gira avanza según la fórmula:

a=p·n• Siendo "p" el paso del tornillo y "n" el

número de vueltas.

Tornillo - tuerca

Funcionamiento

• Este mecanismo está formado por una manivela que tiene un movimiento circular y una barra llamada biela que está unida con articulaciones por un extremo a la manivela y por otro a un sistema de guiado (pistón) que describe un movimiento rectilíneo alternativo. El mecanismo es reversible, el movimiento de entrada tanto puede ser circular de la manivela como rectilíneo alternativo de la guía de la biela.

Biela - manivela

Funcionamiento

• El mecanismo de excéntrica consta básicamente de dos elementos, la propia excéntrica y el seguidor. La excéntrica es un disco cilíndrico que tiene un eje de giro desplazado un valor "e", llamado alzada, respecto del centro del disco. El seguidor es una varilla que está en contacto permanente con la excéntrica y que recibe el movimiento de esta. Con este ingenio conseguimos transformar el movimiento circular de la excéntrica en movimiento rectilíneo alternativo del seguidor. El mecanismo no es reversible.

Excéntrica

Funcionamiento

• El mecanismo de leva y seguidor se emplea para transformar el movimiento circular en un movimiento rectilíneo alternativo con unas características determinadas que dependen del perfil de la leva. La forma de la leva se diseña según el movimiento que se pretende para el seguidor.

Leva

Funcionamiento