Resistencia de materiales: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 14 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Tensión y deformación axial

Tensión normal
σ = F/A
Deformación
ε = ΔL/L
Ley de Hooke
σ = E·ε
Alargamiento
ΔL = FL/(EA)
Deformación térmica
εT = α·ΔT

Torsión de ejes

Tensión cortante
τ = T·r/J
Eje macizo
J = πd⁴/32
Eje hueco
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ángulo de torsión
φ = TL/(GJ)
Potencia
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Halla el momento polar de inercia: J = πd⁴/32 para un eje macizo.
  2. Tensión tangencial en la superficie: τ = T·r/J, con r el radio exterior.
  3. Ángulo de torsión: φ = TL/(GJ) en radianes.
  4. Si te dan la potencia, halla primero el par con P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cortante y momento flector

Cortante y momento
V = ΣF a un lado, M = ΣF·d a un lado
Tensión de flexión
σ = M·y/I
Rectángulo
I = bh³/12
Módulo resistente
W = I/ymax
Viga biapoyada, carga uniforme
Mmax = wL²/8

Método

  1. Halla las reacciones en los apoyos a partir del equilibrio de toda la viga.
  2. Corta la viga por la sección que necesitas y quédate con un lado.
  3. Esfuerzo cortante: suma de las fuerzas verticales de ese lado. Momento flector: suma de sus momentos respecto al corte.
  4. Para el momento máximo, busca dónde el esfuerzo cortante es cero.

Centroide y momento de inercia

Centroide
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rectángulo
I = bh³/12
Teorema de Steiner
I = Ic + A·d²
Sección compuesta
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Centro
C = (σx + σy)/2
Radio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensiones principales
σ1,2 = C ± R
Dirección principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
  4. Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Flecha de la viga

Carga puntual en el centro del vano
δ = PL³/(48EI)
Carga uniforme, viga biapoyada
δ = 5wL⁴/(384EI)
Voladizo, carga en el extremo
δ = PL³/(3EI)
Voladizo, carga uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Superposición
δ = δ1 + δ2

Pandeo de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Factor de longitud de pandeo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 empotrado–empotrado, 0,7 empotrado–articulado, 2 empotrado–libre
Tensión crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Problemas de práctica

1.Tensión y deformación axialMedia
P = ?12600 mm400 mmØ30Ø50δ = 0,3 mm

Una barra está formada por un tramo de acero (diámetro 30 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) unido extremo con extremo a un tramo de cobre (diámetro 50 mm, longitud 400 mm, E = 120 GPa). Está empotrada en un extremo y se tira del otro. Halla la carga axial P que la alarga 0,3 mm en total.

tramo 1: acero, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø50 mm, 400 mm, E = 120 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
2.Tensión y deformación axialDifícil
80 kN12600 mm300 mmØ25Ø50σ2​ = ?

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 600 mm, E = 200 GPa) y un tramo de cobre (diámetro 50 mm, longitud 300 mm, E = 120 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 80 kN actúa en la unión, hacia el tramo 2. Halla el valor de la tensión σ2 en el tramo 2.

tramo 1: acero, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPatramo 2: cobre, Ø50 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 80 kN
σ2 = MPa
3.Torsión de ejesMedia
T = 200 N·md = 30 mmL = 0,5 mφ = ?

Un eje macizo de latón está empotrado en la pared y se tuerce con un par T en su extremo libre. Halla el ángulo de torsión φ del extremo libre, en grados.

T = 200 N·md = 30 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsión de ejesDifícil
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Un eje hueco transmite 15 kW a 500 rpm. Halla la tensión cortante máxima τmax en el eje.

P = 15 kWN = 500 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Cortante y momento flectorMedia
30 kN30 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Las marcas A a G dividen la viga en seis partes iguales. ¿En qué marca es mayor el momento flector en valor absoluto, positivo o negativo? Haz clic en ella en el diagrama.

30 kN @ 4 m30 kN @ 1 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Cortante y momento flectorDifícil
w = 3 kN/mP = 55 kNABsección4 m6 m

Halla el momento flector Mx en la sección x = 4 m desde el apoyo A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 10 mP = 55 kN en 4 mw = 3 kN/m de 0 a 10 mx = 4 m
Mx = kN·m
7.Centroide y momento de inerciaMedia
150 mm240 mm72 mmØ30xIx​ = ?

Una placa de 150 mm × 240 mm tiene un agujero circular de diámetro 30 mm en su línea central vertical, con su centro a 72 mm por encima del fondo. Halla el momento de inercia Ix respecto al eje horizontal que pasa por el centroide.

b = 150 mmh = 240 mmd = 30 mmcentro del agujero: y = 72 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centroide y momento de inerciaDifícil
120 mm240 mm84 mm60 × 30xIx​ = ?

Una placa de 120 mm × 240 mm tiene un recorte rectangular de 60 mm de ancho y 30 mm de alto, centrado en la línea central vertical con su centro a 84 mm por encima del fondo. Halla el momento de inercia Ix respecto al eje horizontal que pasa por el centroide.

b = 120 mmh = 240 mmrecorte: 60 × 30 mmcentro del agujero: y = 84 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia
σx​ = −70σy​ = −60τxy​ = −40MPa

En un punto σₓ = −70 MPa, σᵧ = −60 MPa y τₓᵧ = −40 MPa (tracción positiva). El elemento se gira 25° en sentido antihorario. Halla la tensión normal σy′ en las caras del elemento girado perpendiculares al eje girado y′.

σx = −70 MPaσy = −60 MPaτxy = −40 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
10.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil
σx​ = 100σy​ = 80τxy​ = 40MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 100 MPa, σᵧ = 80 MPa y τₓᵧ = 40 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σθ en un plano cuya normal está girada 60° en sentido antihorario respecto al eje x.

σx = 100 MPaσy = 80 MPaτxy = 40 MPaθ = 60°
σθ = MPa
11.Flecha de la vigaMedia
w = 20 kN/mδL = 2 m

Un voladizo soporta una carga uniformemente repartida w en toda su longitud. Halla la flecha δ en el extremo libre.

w = 20 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (aluminio)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.Flecha de la vigaDifícil
w = 5 kN/mP = 12 kNδL = 4 m

Una viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida w y una carga puntual P en el centro del vano. Usando superposición, halla la flecha en el centro δmax.

P = 12 kNw = 5 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (aluminio)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Pandeo de pilaresMedia
PL = 4 md = 50 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en la base y articulado arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (aluminio)d = 50 mm
Pcr = kN
14.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 1,5 md = 20 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 1,5 mE = 70 GPa (aluminio)d = 20 mm
σcr = MPa

3Disoluciones

1.Tensión y deformación axial

Respuesta: P = 50,49 kN

Dos materiales: en serie (uno tras otro) cada tramo soporta la misma fuerza y los alargamientos se suman: δ = P·Σ L/(E·A). En paralelo (lado a lado entre placas rígidas) ambas partes se acortan lo mismo, así que sus deformaciones unitarias son iguales: la parte más rígida toma la mayor porción, Pi = P·EiAi/ΣEA, y σi = Ei·ε. Una barra sujeta entre dos muros rígidos con una carga en la unión es estáticamente indeterminada: los dos tramos se reparten la carga en proporción a su rigidez k = EA/L.

Áreas

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1963 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(120000·1963) = 1,698 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,3/5,942 × 10⁻⁶ = 50490 N = 50,49 kN

Respuesta

P = 50,49 kN
2.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ2 = 33,72 MPa

Dos materiales: en serie (uno tras otro) cada tramo soporta la misma fuerza y los alargamientos se suman: δ = P·Σ L/(E·A). En paralelo (lado a lado entre placas rígidas) ambas partes se acortan lo mismo, así que sus deformaciones unitarias son iguales: la parte más rígida toma la mayor porción, Pi = P·EiAi/ΣEA, y σi = Ei·ε. Una barra sujeta entre dos muros rígidos con una carga en la unión es estáticamente indeterminada: los dos tramos se reparten la carga en proporción a su rigidez k = EA/L.

Rigideces

k₁ = 200000·490,9/600 = 163625 N/mm
k₂ = 120000·1963/300 = 785398 N/mm

Parte del tramo 2

F2 = 80000·785398/949023 = 66207 N

Tensión

σ2 = 66207/1963 = 33,72 MPa (compresión)

Respuesta

σ2 = 33,72 MPa
3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 1,847 °

Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.

Momento polar de inercia

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 200·1000·500/(39000·79522) = 0,03224 rad
φ = 0,03224·180/π = 1,847°

Respuesta

φ = 1,847°
4.Torsión de ejes

Respuesta: τmax = 30 MPa

Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τmax = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(do⁴ − di⁴)/32 para uno hueco. El ángulo de torsión es φ = TL/(GJ) en radianes. Potencia y par se relacionan por P = T·ω.

Par

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 15000/52,36 = 286,5 N·m

Momento polar de inercia

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Tensión cortante máxima

τmax = T·(do/2)/J = 286479·20/190984 = 30 MPa

Respuesta

τmax = 30 MPa
5.Cortante y momento flector

Respuesta: E (x = 4 m)

Mayor momento flector: M cambia de pendiente allí donde cambia el esfuerzo cortante, así que sus picos están donde el esfuerzo cortante cruza el cero: bajo una carga puntual, dentro de una carga distribuida, o sobre un apoyo de un voladizo. En el empotramiento de una ménsula, el momento es máximo en la pared. Compara el valor de M en esos lugares, positivo o negativo.

Reacciones en los apoyos

Toma momentos respecto a un apoyo y luego usa el equilibrio de fuerzas verticales.

R1 = 35 kN, R2 = 25 kN

Momento flector en cada marca

Suma los momentos de todas las fuerzas a un lado del corte. El momento positivo hace que la viga se comba hacia abajo; el negativo, hacia arriba.

MA = 0, MB = 35, MC = 40, MD = 45, ME = 50 kN·m, MF = 25, MG = 0

Respuesta

Marca E: ME = 50 kN·m
6.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = 168 kN·m

Método de las secciones: corta la viga donde quieras conocer los esfuerzos internos y quédate con un lado. El cortante V equilibra las fuerzas verticales de ese lado, y el momento flector M equilibra sus momentos respecto al corte.

Reacciones en los apoyos

Equilibrio de toda la viga.

Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 3·10 = 30 kN, aplicada en x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 55·4 + 3·10·5
RB = 370/10 = 37 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 37 = 48 kN
w = 3 kN/mP = 55 kNABRA​ = 48RB​ = 37sección4 m6 m

Corta en x = 4 m y quédate con la parte izquierda

Solo aparecen las fuerzas a la izquierda del corte. Un tramo de carga repartida actúa como una fuerza en el centro de ese tramo.

M = RA·x − (cada carga a la izquierda del corte × su distancia al corte)
Mx = 48·4 − 3·4·2 = 168 kN·m

Respuesta

Mx = 168 kN·m
7.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 171,1 × 10⁶ mm⁴

Secciones con huecos: trata un hueco como un área negativa. El centroide es ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), con A₁, y₁ para la placa completa y A₂, y₂ para el hueco. Para el momento de inercia (segundo momento de área) respecto al eje centroidal, usa el teorema de los ejes paralelos para cada parte y resta el hueco: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), donde d es la distancia del centroide propio de cada parte al eje que pasa por ȳ. Un rectángulo tiene Ic = bh³/12 y un círculo Ic = πd⁴/64.

Centroide

ȳ = (36000·120 − 706,9·72)/(36000 − 706,9) = 121 mm

Placa completa respecto a ȳ

150·240³/12 + 36000·−0,9614² = 172,8 × 10⁶ mm⁴

Agujero respecto a ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·−48,96² = 1,734 × 10⁶ mm⁴

Resta

Ix = 171,1 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 171,1 × 10⁶ mm⁴
8.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 135,6 × 10⁶ mm⁴

Secciones con huecos: trata un hueco como un área negativa. El centroide es ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), con A₁, y₁ para la placa completa y A₂, y₂ para el hueco. Para el momento de inercia (segundo momento de área) respecto al eje centroidal, usa el teorema de los ejes paralelos para cada parte y resta el hueco: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), donde d es la distancia del centroide propio de cada parte al eje que pasa por ȳ. Un rectángulo tiene Ic = bh³/12 y un círculo Ic = πd⁴/64.

Centroide

ȳ = (28800·120 − 1800·84)/(28800 − 1800) = 122,4 mm

Placa completa respecto a ȳ

120·240³/12 + 28800·−2,4² = 138,4 × 10⁶ mm⁴

Agujero respecto a ȳ

60·30³/12 + 1800·−38,4² = 2,789 × 10⁶ mm⁴

Resta

Ix = 135,6 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 135,6 × 10⁶ mm⁴
9.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σy′ = −31,14 MPa

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

Ecuación de transformación para la cara y′

σy′ = −65 − (−5)·0,6428 − (−40)·0,766 = −31,14 MPa

Comprobación

La suma de las tensiones normales no cambia con el giro.

σx′ = −98,86 MPa, σx′ + σy′ = −130 = σx + σy

Respuesta

σy′ = −31,14 MPa
10.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σθ = 119,6 MPa

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

Ecuación de transformación

σθ = 90 + 10·−0,5 + 40·0,866 = 119,6 MPa

Respuesta

σθ = 119,6 MPa
11.Flecha de la viga

Respuesta: δ = 4,762 mm

Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).

Unidades coherentes

Trabaja en N y mm: P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.

w = 20 N/mm, L = 2000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Flecha

δ = wL⁴/(8EI) = 20·2000⁴/(8·8,4 × 10¹²) = 4,762 mm

Respuesta

δ = 4,762 mm
12.Flecha de la viga

Respuesta: δmax = 38,89 mm

Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).

Unidades coherentes

Trabaja en N y mm: P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.

P = 12000 N, w = 5 N/mm, L = 4000 mm, EI = 8,4 × 10¹¹ N·mm²

Cada carga por separado

δP = PL³/(48EI) = 12000·4000³/(48·8,4 × 10¹¹) = 19,05 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·4000⁴/(384·8,4 × 10¹¹) = 19,84 mm

Súmalas

δmax = 19,05 + 19,84 = 38,89 mm

Respuesta

δmax = 38,89 mm
13.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 27,04 kN

Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.

Menor momento de inercia

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2800² = 27035 N = 27,04 kN

Respuesta

Pcr = 27,04 kN
14.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 30,71 MPa

Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.

Menor momento de inercia

Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 314,2 mm²
r = √(I/A) = √(7854/314,2) = 5 mm
KL = 0,5·1500 = 750 mm
KL/r = 750/5 = 150

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Respuesta

σcr = 30,71 MPa

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