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ESTÁTICA y RESISTENCIA DE LOS MATERIALES UNIDAD II: EQUILIBRIO DE LOS CUERPOS RÍGIDOS Parte I Introducción CUERPO Combinación de un gran número de partículas (puntos materiales) que ocupan posiciones fijas entre sí, es decir, las mismas permanecen a una distancia fija entre sí. Bajo la hipótesis de rigidez se supone invariable la distancia entre dos puntos de un cuerpo cuando éste se encuentra sometido a la acción de fuerzas exteriores Cuerpo RIGIDO. �� �� Introducción Un cuerpo está en equilibrio sólo si cada punto del cuerpo tiene la misma velocidad constante hablamos de traslación uniforme. � � 680 � � 125 � � 72000 � � �? ? ? ? � �? ? ? ? ¿Qué SF es? ¿Cómo planteamos el equilibrio? � � Hallar T (empuje) para mantener el equilibrio Introducción Un cuerpo está en equilibrio sólo si cada punto del cuerpo tiene la misma velocidad constante hablamos de traslación uniforme. � � 680 � � 125 � � 72000 � � �? ? ? ? � �? ? ? ? � �� � 0 � � → �. cos � � � � . !"# � � 0 � � � �$ � 0 � � → ��. sen � � � ' . ()! � � 0 � � 6° Introducción Un cuerpo está en equilibrio sólo si cada punto del cuerpo tiene la misma velocidad constante hablamos de traslación uniforme. � � 680 � � 125 � � 72000 � � �? ? ? ? � �? ? ? ? � � 200094 � � � � 6° Representa un 28% del peso total del avión Introducción Un cuerpo en reposo, es un cuerpo en equilibrio. En la naturaleza, un cuerpo en REPOSO, esta directamente o indirectamente ligado (vinculado) a un marco de referencia la Tierra. ��-. /0 � 0 -01 � 0 2 Grados de Libertad Z Y X 67 68 2 Grado de Libertad (GL): es el número de coordenadas independientes que son necesarias para especificar completamente la posición de un cuerpo o sistema de puntos materiales. Punto material (espacio) 9� � 3 ¿Por qué? 67: sistema 2, terna de referencia. 68: sistema 1, punto material. Grados de Libertad Z Y X 67 682 Recta (espacio): Hipótesis de Rigidez distancia AB es invariable. ;< =<>< ? ;<, =<, >< A ;B, =B , >B Barra Solo es necesario conocer 5 de las 6 coordenadas. La condición de rigidez restringe 1 grado de libertad. 9� � 5 Grados de Libertad Z Y X 67 68 2 Cuerpo (espacio): Es necesario conocer 3 puntos (no alineados). 9� � 9 � 3 CD�DE"> � 6 ? ;<, =<, >< F ;G , =G , >G A ;B, =B , >B • 1er punto: posee 3 GL. • 2do punto: por la condición de rigidez, posee 2 GL. • 3er punto: al pertenecer al mismo cuerpo, está vinculado al 1er y 2do punto por la condición de rigidez que exige que las distancias sean invariables. Entonces posee 1 GL. Desplazamientos Los desplazamientos que puede experimentar un cuerpo son traslaciones o rotaciones. Rotación: todos los puntos de un cuerpo describen arcos de circunferencia de centro común, llamado polo de rotación. Traslación: el desplazamiento de los puntos es de naturaleza tal que se mueven todos en una misma dirección, es decir, experimentan corrimientos paralelos. Vínculos Z Y X 67 68 2 ;< =< >< Punto Material Sistema de Referencia Definir la posición a través de Parámetros. Independientes entre sí. Si ;<, =<, >< no varían en un intervalo de tiempo (ΔI ) el sistema 68 está fijo respecto a 67. Parámetros ;<, =<, >< Condiciones de Vínculo (CV): son las condiciones geométricas que vinculan (unen) el sistema S8 con respecto S7. Acción: fijar los parámetros KL, ML, NL Repasando… GRADO DE LIBERTAD: En un sistema de puntos materiales (punto, una barra o un cuerpo), es el número de coordenadas libres que posee. VÍNCULO (CONDICIÓN DE VÍNCULO): Es toda condición geométrica que limita la posibilidad de movimiento de un cuerpo, barra o punto material. EQUILIBRIO BALANCE OP � QR Vínculos VÍNCULOS Externos o Absolutos Internos o Relativos Vínculos Por cada condición geométrica que limita una coordenada o movimiento, se dirá que se ha impuesto una condición de vínculo (CV). Se tendrán vínculos de 1era especie, de 2da especia, …, 6ta especie según sea el número de CV que impongan. Apoyos, conexiones, soportes… ¿Cómo se materializan en la realidad? Reacciones de Vínculos Las fuerzas y pares ejercidos sobre un cuerpo por sus soportes se denominan reacciones los soportes “reaccionan” a las cargas que actúa sobre el cuerpo (4to principio de la Estática, ley de acción y reacción). / /8 /7� � Tipos de Vínculos (modelos) Tipos de Vínculos (modelos) Tipos de Vínculos (modelos) RÓTULAS (mención especial): Las rótulas esféricas son componentes mecánicos estandarizados, listos para montar, que permiten la realización de movimientos de autoalineación multidireccionales. Tipos de Vínculos (modelos) Tipos de Vínculos (modelos) Tipos de Vínculos Tipos de Vínculos Tipos de Vínculos Sistemas Bidimensionales Todos los cuerpos son intrínsecamente tridimensionales. Pero es posible realizar un análisis bidimensional cuando las fuerzas a que están sometidos actúan en un solo plano o pueden proyectarse en un único plano. Z Y X 2 Sistemas Bidimensionales CHAPA Se puede reemplazar el cuerpo rígido por un conjunto de puntos materiales planos coincidente con el plano de simetría y cargado con un sistema de fuerzas equivalente que actúa en dicho plano de simetría. Este sistema plano de puntos materiales recibe el nombre de chapa. z y CHAPACHAPA �8 �7 �U �V W8 �8 ' �7 �U ' �V W8 Sistemas Bidimensionales CHAPA z y CHAPA GRADOS DE LIBERTAD: 9� � 3 Desplazamientos: OPolo Polo Impropio Sistemas Bidimensionales Vínculos: n n Biela: barra articulada a tierra por uno de sus extremos y al cuerpo (chapa) por el opuesto. Para desplazamientos infinitésimos, el punto A se desplaza en la dirección n-n, normal a la dirección AB A B Sistemas Bidimensionales Vínculos: n n A C m m B Dos bielas concurrentes: es equivalente a un apoyo de 2da especie. Diagramas de Cuerpo Libre Definir el Cuerpo o Sistema Mecánico Definir el Sistema de Fuerzas Uno o más cuerpos conectados Aislar el Cuerpo DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE Representación esquemática de un cuerpo o conjunto de cuerpos aislado en el que figuran todas las fuerzas aplicadas a él por el medio u otros cuerpos que se han suprimido, incluyendo las fuerzas másicas , tales como el peso, cargas sísmicas, etc. Diagramas de Cuerpo Libre PASO 1: DEFINIR EL CUERPO CUERPO A CUERPO B CUERPO C CUERPO D z y x ) Diagramas de Cuerpo Libre PASO 2: DEFINIR EL SISTEMA DE FUERZA z y ) Diagramas de Cuerpo Libre PASO 3: AISLAR EL CUERPO z y x ) Diagramas de Cuerpo Libre PASO 4: DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE z y x ) z y ) Equilibrio de una Chapa OPolo Fa � 1 ' 1 ' 1 � 3 Para vincular una chapa a la “tierra” será necesario imponerle tantas condiciones de vínculo (CV) como grados de libertad (GL) posea. 9� � 3 Fa � 1 ' 2 � 3 Fa � 3 Equilibrio de una Chapa Fa � 1 ' 1 ' 1 � 3 En toda chapa/cadena de chapas sujeta a la acción de un sistema de fuerzas cualquiera, el número de condiciones que es necesario imponer para asegurar el equilibrio es igual al número de grados de libertad que posea la chapa/cadena de chapas. 9� � 3 Fa � 1 ' 2 � 3 ¿Hay Equilibrio?OP � QR Equilibrio de una Chapa 9� � Fa CONDICIÓN NECESARIA Sistema cinemáticamente invariante (ESTABLE). CONDICIÓN SUFICIENTE NO DEBE EXISTIR VINCULACIÓN APARENTE ¿Qué significa, VINCULO APARENTE o VINCULACIÓN APARENTE? Vinculación Aparente Existe vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este Elemento o Estructura INESTABLE GEOMÉTRICAMENTE. ? A n n CASO 1: La recta NORMAL al DESPLAZAMIENTO n-n pasa por la articulación del apoyo fijo en A. CUIDADO! Siempre hablaremos de pequeños desplazamientos. Vinculación Aparente Existe vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este. ? A n n SOLUCIÓN ? A n n Vinculación AparenteExiste vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este. ? A CASO 2: La rectas NORMALES al DESPLAZAMIENTO n-n concurren a un punto propio O (polo). F 2 Vinculación Aparente Existe vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este. ? A F 2 SOLUCIÓN ? A F Vinculación Aparente Existe vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este. ? A CASO 3: La rectas NORMALES al DESPLAZAMIENTO n-n concurren a un punto impropio rectas paralelas. F 2 ∞ Vinculación Aparente Existe vinculación aparente cuando la condición impuesta a un cuerpo no altera las posibilidades de desplazamiento de este. ? A F 2 ∞ SOLUCIÓN ? A F Vinculación Aparente Cuando existe vinculación aparente, estamos frente a un “mecanismo”. Otro punto de vista: encontrando dos puntos fijos, podemos decir que no existe vinculación aparente. ? A F Reacciones de Vínculo Sistema estructural espacial: �� -. ��, para D � 1,2,3, … , #. -., para d � 1,2,3, … , #. Sistema de Fuerzas Generalizado: Empotramiento espacial, vínculo de 6ta especie. Si intentamos trasladar la estructura o girarla respecto a cualquier eje, el soporte (6° especie) genera una fuerza de reacción o un par de reacción que impide el movimiento. Z Y X 2 Reacciones de Vínculo Sistema estructural espacial: �� -. ��, para D � 1,2,3, … , #. �., para d � 1,2,3, … , #. FUERZAS ACTIVAS (FA) �� -. �/ �-0 '/ '-0 FUERZAS REACTIVAS (FR) �ef�. ";I"C#g!h � �? ' �/ � 0 Es la acción del sistema fijo al sistema estructural. Vínculo y reacción de vínculo no coexisten. Z Y X 2 Reacciones de Vínculo Sistema estructural espacial: �� -. ��, para D � 1,2,3, … , #. �., para d � 1,2,3, … , #. FUERZAS ACTIVAS (FA) �� -. /� �ef�. ";I"C#g!h � �? ' �/ � 0 /i /$ -$ -� -i /j ' /jj � 0 -0j ' -0jj � 0 � �⃗ � � � 0 � - � � � 0 6 ecuaciones… Z Y X 2 Reacciones de Vínculo Sistema estructural espacial: �� -. ��, para D � 1,2,3, … , #. �., para d � 1,2,3, … , #. FUERZAS ACTIVAS (FA) �� -. /� �ef�. ";I"C#g!h � �? ' �/ � 0 /i /$ -$ -� -i /j ' /jj � 0 -0j ' -0jj � 0 � �⃗ � � � 0 � - � � � 0 6 ecuaciones… Z Y X 2 Reacciones de Vínculo Sistema estructural plano: Z Y X 2 �� -. ��, para D � 1,2,3, … , #. -., para d � 1,2,3, … , #. FUERZAS ACTIVAS (FA) ��-. Y Z 2 ��-. Y Z 2 /� /$ -i FUERZAS REACTIVAS (FR) � �� � � � 0 � �$ � � � 0 � -i � � � 0 Reacciones de Vínculo EJEMPLO Y Z 2 Reacciones de Vínculo EJEMPLO Y Z 2 Cadenas Cinemáticas Cadena cinemática: conjunto de # cuerpos/chapas vinculados entre sí y a un sistema fijo (tierra). Cadenas Cinemáticas Espaciales Planas Cuerpo: 3 dimensiones Chapa: 2 dimensiones RÓTULAS ARTICULACIONES Abiertas Cerradas Mixtas Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 Cada chapa posee: 3 GL. 6 GL total Restringe dos grados de libertad. ARTICULACIÓN Vínculo INTERNO 68: queda FIJA gracias a los vínculos EXTERNOS 67: Rota alrededor de la articulación ?87 Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 Una articulación, sea de un vínculo EXTERNO o INTERNO restringe 2 (DOS) GRADOS DE LIBERTAD. Articulación de Vínculo Externo Articulación de Vínculo Interno. (Articulación RELATIVA). NOTA: cuando vincula dos chapas articulación de primer ORDEN Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ?7U 6U 3 GL 9� � 3 . 3 � 9 fsin gCID(lmgCh 9� � 9 � 2 . 2 � 5 9� � 9 � 4 � 5 9� � 3. # � 2. # � 1 � # ' 2 Para fijar la cadena será necesario imponer (n+2) Condiciones de Vínculo. 3 GL 3 GL Cadenas Cinemáticas Abiertas 9� � 3. # � 2. # � 1 � # ' 2 Grados de Libertad Número de CHAPAS Número de condiciones geométricas impuestas por la articulación relativa. Cantidad de Articulaciones relativas. Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 68 67 ?87 68 67 ?87 Sistema cinemáticamente invariante o ESTABLE. 9� � 2 ' 2 � 4 Fa � 2 ' 1 ' 1 � 4 Vinculo de 2°especie “ficticio”. Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 68 67 ?87 9� � # ' 2 � 3 ' 2 � 5 Vinculo de 2°especie “ficticio”. 68 67 ?87 6U ?7U Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 68 67 ?87 Sistema cinemáticamente invariante o ESTABLE. 9� � # ' 2 � 3 ' 2 � 5 Fa � 2 ' 1 ' 1 ' 1 � 5 Vinculo de 2°especie “ficticio”. 68 67 ?87 6U ?7U Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 Sistema cinemáticamente invariante o ESTABLE. 9� � # ' 2 � 3 ' 2 � 5 Fa � 2 ' 1 ' 1 ' 1 � 5 Vinculo de 2°especie “ficticio”. 68 67 ?87 6U ?7U 68 67 ?87 6U ?7U Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 Sistema ISOSTÁTICO y cinemáticamente invariante (ESTABLE) 9� � Fa NO más de 3 CV por chapa Estudio Cinemático 68 67 ?87 Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ARCO a TRES ARTICULACIONES Cadena cinemática abierta de dos chapas articuladas entres sí, con dos condiciones de vínculo en cada chapa. Cada chapa posee dos condiciones directas a tierra y la condición de vínculo restante debe resultar de la vinculación entre ambas chapas. Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ARCO a TRES ARTICULACIONES Cadena cinemática abierta de dos chapas articuladas entres sí, con dos condiciones de vínculo en cada chapa. Cada chapa posee dos condiciones directas a tierra y la condición de vínculo restante debe resultar de la vinculación entre ambas chapas. Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ARCO a TRES ARTICULACIONES Cadena cinemática abierta de dos chapas articuladas entres sí, con dos condiciones de vínculo en cada chapa. Cada chapa posee dos condiciones directas a tierra y la condición de vínculo restante debe resultar de la vinculación entre ambas chapas. Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ARCO a TRES ARTICULACIONES Cadena cinemática abierta de dos chapas articuladas entres sí, con dos condiciones de vínculo en cada chapa. Cada chapa posee dos condiciones directas a tierra y la condición de vínculo restante debe resultar de la vinculación entre ambas chapas. Sistema ISOSTÁTICO y cinemáticamente invariante (ESTABLE). Cadenas Cinemáticas Abiertas 68 67 ?87 ARCO a TRES ARTICULACIONES ¿Cuándo existe VINCULACIÓN APARENTE? Existirá vinculación aparente en un arco a tres articulaciones cuando las tres articulaciones se encuentren alineadas. Si todas las articulaciones están alineadas, las chapas tendrán una posibilidad de desplazamiento infinitesimal en la dirección de n-n. # # Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A F 9� � # ' 2 9� � 2 ' 2 � 4 Fa � 2 ' 1 ' 1 � 4 z y Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A F 9� � Fa � 4 Sistema ISOSTÁTICA y CINEMÁTICAMENTE INVARIANTE (ESTABLE), debido a que NO EXISTE VINCULACIÓN APARENTE. W8 W7 WU WV Poner en EVIDENCIA LAS REACCIONES DE VÍCNULO EXTERNO z y ¿Qué tipo de SF es? SF NO CONCURRENTE EN EL PLANO EQUILIBRIO: TRES ECUACIONES DE EQUILIBRIO ABSOLUTO Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV z y � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV z y ¿Y la CUARTA ecuación? Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV z y ¿Y la CUARTA ecuación? /8 Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV z y ¿Y la CUARTA ecuación? /8 /7 Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV z y ¿Y la CUARTA ecuación? /8 /7 La cuarta condición a cumplir por las fuerzas exteriores activas y reactivas es que la resultante de las fuerzas que actúan a la derecha o izquierda de la articulación relativa pase por esta última o, en otros términos, que su momento respecto a la misma sea cero. � -in8<87� � � 0 � -in7<87 � � � 0 Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO z y � -in8<87 � � � 0 � -in7<87 � � � 0 68 67 ?87 �� -. ? A FW8 W7 WU WV � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 Cadenas Cinemáticas Abiertas REACCIONES DE VÍNCULO � -in8<87 � � � 0 � -inU<7U � � � 0 68 67?87�� -. ? A F W8 W7 WUWV Wo 6U � ?7U z y � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 � -in7pnU<87 � � � 0 � -in7pn8<7U � � � 0 Cadenas Cinemáticas Abiertas EJEMPLO Cadenas Cinemáticas Abiertas EJEMPLO 1 Cadenas Cinemáticas Abiertas EJEMPLO 2 Cadenas Cinemáticas Cerradas Cadenas en que las chapas extremas se articulan entre sí. La totalidad de las chapas que integran la cadena se encuentran articuladas a dos chapas vecinas. 68 67 6U 9� � # ' 2 68 67 6U ?87 ?8U ?87 ?8U ?7U 9� � # ' 2 � f2h 9� � 3# � 2# � # 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V6V Cadenas Cinemáticas Cerradas 68 67 6U ?87 ?8U ?7U 9� � 3# � 2# � # � 3 68 67 6U ?87 ?8U ?7U 68 67 6U ?87 ?8U ?7U Fa � 2 ' 1 � 3 Fa � 1 ' 1 ' 1 � 3 Cadenas Cinemáticas Cerradas 9� � # � 4 Fa � 2 ' 1 ' 1 � 4 Fa � 2 ' 2 � 4 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V6V 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V6V 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V6V Cadenas Cinemáticas Cerradas Fa � 2 ' 1 ' 1 � 4 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V 6V 9� � # � 4 Sistema isostático y cinemáticamente invariante (estable) puedo plantear el equilibrio. z y Cadenas Cinemáticas Cerradas Fa � 2 ' 1 ' 1 � 4 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V 6V 9� � # � 4 68 67 6U ?8V ?8U ?7U ?7V 6V g q ( 68 67 ?8V ?8U ?7U ?7V 6V W8 W7 WU WV g q ( z y 6U Cadenas Cinemáticas Cerradas 68 67 ?8V ?8U ?7U ?7V 6V W8 W7 WU WU g q ( Transformar la cadena cerrada en una cadena ABIERTA � -in7<7U � � � 0 � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 � -in8pnV<8U � � � 0 � -inV<8V � � � 0 z y 68 67 ?8V ?8U ?7U ?7V 6V W8 W7 WU WV g q ( r8 a8 a8 r8 6U Cadenas Cinemáticas Cerradas Ejemplo Cadenas Cinemáticas Cerradas Ejemplo � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 5 I)# 10 � 15 � 7,5 �68 67 6U 6V 6o z y ?8U ?87 ?7V ?7Uo Fa � 3 ' 2 � 5 9� � # � 5 s � 50 �/� Cadenas Cinemáticas Cerradas Ejemplo � �$ � � � 0 � �� � � � 0 � -i � � � 0 5 I)# 10 � 15 � 7,5 �68 67 6U 6V 6o z y ?8U ?7Uo Fa � 3 ' 2 � 5 9� � # � 5 a a r r ? AW7 W8 WV WoWU ?87 ?7V 500 � � -inVpno<7V � � � 0 � -in8pnU<87 � � � 0 � -inU<8U � � � 0 Cuerpos en el Espacio Equilibrio En la unidad anterior se vio que las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo rígido pueden reducirse a un sistema fuerza-par en un punto arbitrario O. Cuando la fuerza y el par son iguales a cero, las fuerzas externas (fuerzas activas + fuerzas reactivas) forman un sistema equivalente a cero y se dice que el cuerpo rígido se encuentra en equilibrio. � �⃗ � � � 0 � - � � � 0� �$ � � � 0 � �� � � � 0 � �i � � � 0 � -$ � � � 0 � -� � � � 0 � -i � � � 0 Cuerpos en el Espacio En los problemas que involucran el equilibrio de una estructura tridimensional pueden existir entre una y seis incógnitas asociadas con la reacción correspondiente a cada apoyo o conexión. CADENAS DE CUERPOS - ABIERTAS 9� � 6. # � 3. # � 1 � 3# ' 3 Cuerpos en el Espacio En los problemas que involucran el equilibrio de una estructura tridimensional pueden existir entre una y seis incógnitas asociadas con la reacción correspondiente a cada apoyo o conexión. CADENAS DE CUERPOS - CERRADAS 9� � 3# ' 3 � 3 � 3. # Cuerpos en el Espacio EJEMPLO �7 � 498 mqu �8 � 240 mqu Z Y X 2 W8 W7 WU WV Wo F 2 �7��7$ �8$ �8� Dimensiones en [pulgadas]
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