ESTRUCTURES I ESFORÇOS MECÀNICS

FORCES
 

Una força és tota acció capaç de deformar un cos o de modificar-ne l'estat de moviment o repòs.

 

La fòrmula per calcular les forces és:

F=m·g

On F representa força, M, massa i G, gravetat. Cal tenir en compte que la gravetat és de 9,8 m/s²

També cal diferenciar que una força no implica desplaçament. En aquest cas, s'anomenaria treball. 

Força magnètica d'un imant

 

Les forces no es poden veure, però sí que podem notar o observar-ne els efectes. Les forces es poden dur a terme per contacte entre dos cossos, però també es poden originar a distancia, com per exemple, la força magnètica.

Dinamòmetre

Les forces es mesuren amb el dinamòmetre. És un aparell inventat per Isaac Newton, que es basa en la Llei de Hooke. Aquests instruments estan formats per una molla a dins d'un cilindre de plàstic, cartró o metall, amb dos ganxos, un a cada extrem. Els dinamòmetres porten marcada una escala en unitats de força al cilindre que envolta la molla. Al penjar pesos o exercir una força sobre el ganxo inferior, el cursor que hi ha a sota la molla, es mou sobre l'escala exterior, indicant el valor de la força. Com més gran és la força, més gran és l'allargament de la molla.

REPRESENTACIÓ DE LES FORCES

 

Les forces es representen amb vectors. Un vector és una representació geomètrica semblant a una fletxa. La seva longitud mostra el valor de la força; l'orientació del segment indica la direcció amb què actua, i la punta de la fletxa n'assenyala el sentit.

• Direcció
• Mòdul
• Sentit
• Punt d'aplicació

Representació de les forces

ESFORÇOS

 

Un esforç és la força a què és sotmès un cos, en una secció determinada, que tendeix a: estirar-lo, aixafar-lo, corbar-lo, torçar-lo o tallar-lo.

 

Podem distingir cinc tipus d'esforços:



Tipus d'esforços

• Esforç de tracció
• Esforç de compressió
• Esforç de flexió
• Esforç de torsió
• Esforç tallant

La resistència d'un objecte a un determinat esforç depèn de quatre factors:

1. Del material amb què ha estat construït
2. De les dimensions
3. De la forma
4. Del tipus d'esforç a què és sotmès

 

ESFORÇ DE TRACCIÓ

 

L'esforç de tracció es produeix quan dues forces de sentit contrari i perpendicular a la secció del cos tendeixen a estirar-lo o allargar-lo.

 



Normalment, els fils, els cables i les cordes treballen a tracció. La seva resistència depèn, a més, del tipus de material, de la secció o gruix.




Corda




Gronxador

 

ESFORÇ DE COMPRESSIÓ

 

L'esforç de compressió es produeix quan dos forces de sentit contrari i perpendicular a la secció d'un cos tendeixen a aixafar-lo.

Cadira i pilar d'un edifici

 

Una cadira, les columnes d'un edifici o els pilars d'un pont són exemples d'elements sotmesos a compressió. Per suportar bé l'esforç de compressió, cal que el cos sigui rígid i, preferentment ample i no gaire llarg.

Esforç de vinclament

 

ESFORÇ DE COMPRESSIÓ: VINCLAMENT

Un objecte llarg i prim, sotmès a un esforç de compressió, abans d'aixecar-se o trencar-se, es pot doblegar; llavors diem que es vincla. És el cas, per exemple, de la perxa d'un atleta quan fa un sal.
 

El vinclament és la deformació que experimenten els cossos sotmesos a compressió quan són llargs i prims.

 

Perxa olímpica

ESFORÇ DE FLEXIÓ


L'esforç de flexió es produeix quan les forces que actuen sobre una peça, s'apliquen sobre el seu eix longitudinal i tendeixen a corbar-la.



Canya de pescar

Trampolí

Cargolar un cargol

 

ESFORÇ DE TORSIÓ

L'esforç de torsió es produeix quan dues forces en sentits oposats tendeixen a fer girar el cos.






Per exemple, quan collem un cargol, quan l'eix d'un motor fa girar una màquina o quan girem el manillar d'una bicicleta o el volant d'un cotxe, produïm esforços de torsió als seus eixos. 

 

 

ESFORÇ TALLANT O DE CISALLAMENT

 

L'esforç tallant o de cisallament es produeix quan dues forces oposades aplicades a la mateixa zona de l'objecte, intenten tallar-lo.

Si tallem amb unes tisores paper, roba o qualsevol altre material, el que fem es concentrar dues forces oposades en una mateixa zona d'aquest element. Si les forces són prou grans i vencen la resistència que ofereix el material, el tallem. Aleshores, diem que ha estat sotmès a un esforç tallant o de cisallament.
 

Tisores tallant paper

LES PROPIETATS MECÀNIQUES DELS MATERIALS

 

Les propietats determinen el comportament dels materials quan están sotmesos a esforços (forces).

 

Poden ser:

• Mecàniques
• Tèrmiques
• Electromagnètiques

 

Les propietats mecàniques són:

• Resistència
• Tenacitat/fragilitat
• Elasticitat
• Duresa
• Plasticitat

RESISTÈNCIA
 

La resistència és la capacitat que té un material d'aguantar esforcos sense deformar-se excessivament ni trencar-se.

Pont

 

Els materials poden ser resistents a:

• Tracció
• Compressió
• Flexió
• Torsió
• Cisallament

Els metalls,  les fustes i molts plàstics són considerats resistents.

 

 

TENACITAT I FRAGILITAT

 

La tenacitat és la capacitat de suportar forces i cops sense trencar-se.

La fragilitat és la propietat contrària a la tenacitat. Els materials fràgils es trenquen fàcilment en rebre cops.

Un Martell és una eina tenaç

 

Les bombetes són fràgils

 

ELASTICITAT

 

L'eslasticitat és la capacitat que tenen els materials d'estrirar-se o deformar-se i recuperar la seva forma original.

 

Aquests materials, però, tenen un límit, a partir del qual ja no tornen a la seva forma original. Es diu límit elàstic.

 

Les gomes, les molles, el cautxú, el neoprè i la silicona són exemples de materials elàstics.

Gomes

DURESA

 

La duresa és la capacitat d'oposició a ser ratllat, penetrat o tallat.

El material més dur que es coneix és el diamant. Altres materials fabricats amb materials durs són les broques d'acer i vídia (compost ceràmic) i les fulles de serra circular per tallar metalls i fustes.
 

Diamant

PLASTICITAT

  

 

La plasticitat és la capacitat d'un material per adquirir deformacions permanents sense trencar-se.

Per exemple, la plastilina o l'argila són materials plàstics. Alguns metalls, com el coure, l'acer, o l'alumini, també són plàstics tot i que cal escalfar-los per deformar-los amb facilitat.


Plastilina

 

De la plasticitat se'n deriven dues propietats més: la ductilitat i la mal·leabilitat.

La ductilitat és la capacitat d'alguns elements de deformar-se permanentment en forma de fil prim sense trencar-se.

La mal·leabilitat és la capacitat d'alguns materials de deformar-se permanentment en forma de làmina molt fina sene trencar-se.


Ductilitat



Mal·leabilitat





 ESTRUCTURES

 

Una estructura és un conjunt de peces o elements, units entre si, que serveixen de suport i d'esquelet d'alguna cosa amb la funció bàsica de suportar forces.

 

Una estructura ha de cumplir tres condicions bàsiques, a més d'intentar que sigui ben lleugera:

1. Ser resistent, per suportar les càrregues a les quals està sotmesa.
2. Ser rígida, perquè no es deformi per l'acció d'esforços.
3. Ser estable, per no volcar quan està sotmesa a forces externes.

Hi ha estructures naturals, és a dir, que han estat creades per la natura, com l'esquelet del cos humà, el tronc d'un arbre, les formacions de pedra, etc. En canvi, hi ha altres estructures, que són artificials, que han estat creades per l'home per satisfer les seves necessitats, com ponts, edificis, mobles, etc.

Muntanya russa

 

ELEMENTS DE LES ESTRUCTURES

 

Els elements d'una estructura són les peces que li donen resistència i suporten els diferents esforços que actúen. Els més importants són:

•  Fonaments: en algunes estructures com els edificis, és la part que està sota terra i que serveix de base.
• Elements horitzontals: bigues, travessers... Són les peces, en horitzontal (solen ser més llargues que amples), que serveixen per suportar càrregues i que están sotmeses a esforços de flexió.                   

Bigues i travessers

Fonaments d'un edifici

• Elements verticals: columnes, pilars, murs... Solen suportar esforços de compressió.
• Tirants: són cables o barres, sotmesos a esforços de tracció, que serveixen per augmentar l'estabilitat i la resistència de les estructures. 

  

  Columnes



Pont subjectat amb tirants

• Arcs, voltes i cúpules: són elementes arquitenctònics que mitjançant l'ús de les formes corbades serveixen per cobrir espais i recintes.

Arcs, voltes i cúpules

• Perfils: les grans estructures metàl·liques es construeixen bàsicament amb perfils estructurals d’acer laminat en calent. Tanmateix, les més petites utilitzen sovint   tubs estructurals (de secció rodona, quadrada o rectangular). Tot i això, cada cop són més freqüents les estructures metàl·liques fetes amb perfils i tubs d’alumini.      

Perfils estructurats d'acer laminat en calent més usuals:
Perfil de doble T, perfil en U, perfil HEB, perfil angular i perfil en T

DISSENY D'ESTRUCTURES

En el moment de dissenyar i construir una nova estructura, és fonamental triar adequadament els materials, la forma i l'estabilitat per tal que pugui suportar bé les forces i complir la funció a què està destinat sense trencar-se ni deformar-se en excés.

• Materials: alhora d'escollir el material més adecuat per a una estructura, s'ha de tenir en compte les propietats mecàniques, i sobretot la resistència. També s'ha de tenir en compte la lleugeresa, el preu, la resistència a l'oxidació, la dilatació o la disponibilitat. Per això, l'acer, alumini, formigó, fusta, i plàstic, tots ells molt ressistents, són molt utilitzats. 
• Forma: tant la forma com la seva disposició, tenint en compte l'esforç que hagi de suportar, són factors clau alhora de dissenyar estructures.
• Estabilitat: el disseny ha de garantir que l'estructura no bolqui ni caigui. Per garantir-ho s'utilitzen diferents sistemes:
• Fixar l'estructura amb cargols, claus, fonaments...
• Augmentar la massa o superficie de la base
• Col·locar tirants o cables tensors
• Baixar el centre de gravetat.              

TIPUS D'ESTRUCTURES

 

Totes les estructures compleixen les mateixes funcions bàsiques, però no totes són iguals. Hi ha una gran varietat d’estructures, tant pel que fa a la forma, als materials utilitzats i al sistema de construcció. Hi ha diferents tipus

ESTRUCTURES D'ARMADURA

Estan formades per un conjunt d’elements resistents, units o engalzats entre si, que constitueixen l’esquelet de diversos tipus d’objectes o de construccions. Les més usuals són les estructures metàl·liques i les de formigó. Segons la disposició dels seus elements, aquest tipus d’estructures les podem classificar en:

• Estructures tramades: estàn formades per barres verticals (columnes i pilars) i barres horitzontals (bigues) que s’uneixen entre si de forma rígida per aconseguir formes tridimensionals. Els materials més utilitzats en aquest tipus d’estructures són el formigó armat (que incorpora barres d’acer corrugat dins l’estructura de formigó), l’acer i en menor mesura la fusta. S'utilitzades en la construcció de cases i d’edificis.

Estructura d'armadura tramada d'un edifici

• Estructures triangulades: amb la Revolució Industrial del segle XIX, la pedra i la fusta van començar a ser substituïdes per l’acer, que es podia treballar més fàcilment unint peces senzilles i es van començar a formar triangles, que és la forma geomètrica més simple que proporciona rigidesa, major resistència i resulta més lleugera.

Estructura d'armadura triangular

•  Estructures penjants: són les que suporten el pes de la construcció per mitjà de cables o barres (anomenats tirants) que van units a peces de suport. Són utilitzades en ponts, envelats, etc.

Estructures d'armadura penjant

ESTRUCTURES LAMINARS
Estan formades per làmines o plafons units entre si que solen envoltar l’objecte.

Les fundes dels mòbils són estructures laminars

ESTRUCTURES MASSIVES
Són estructures molt grans i massives que concentren una gran quantitat de material.


Les piràmides d'Egipte són estructures massives


ALTRES TIPUS D'ESTRUCTURES
A més dels tipus d'estructures que hem vist, n'hi ha més, com les de voltes, pneumàtiques i les geodèsiques.

La cúpula del Museu Dalí, és una estructura geodèsica