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: ε_T = 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

Halla el momento polar de inercia: J = πd⁴/32 para un eje macizo.
Tensión tangencial en la superficie: τ = T·r/J, con r el radio exterior.
Ángulo de torsión: φ = TL/(GJ) en radianes.
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/y_max
Viga biapoyada, carga uniforme: M_max = wL²/8

Método

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

Centroide y momento de inercia

Centroide: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Rectángulo: I = bh³/12
Teorema de Steiner: I = I_c + A·d²
Sección compuesta: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Centro: C = (σ_x + σ_y)/2
Radio: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
Tensiones principales: σ_1,2 = C ± R
Dirección principal: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
Plano inclinado: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

Método

Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
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: P_cr = 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: σ_cr = P_cr/A
Esbeltez: λ = KL/r, r = √(I/A)

2Problemas de práctica

1.Tensión y deformación axialMedia

Halla la deformación axial ε en la barra de cobre, en microdeformaciones (µε = 10⁻⁶).

P = 55 kNd = 20 mmL = 0,5 mE = 117 GPa

ε = µε

2.Tensión y deformación axialDifícil

Un tramo de acero (diámetro 25 mm, longitud 300 mm, E = 200 GPa) y un tramo de aluminio (diámetro 30 mm, longitud 200 mm, E = 70 GPa) se unen extremo con extremo y se fijan entre dos muros rígidos. Una carga axial de 40 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, 300 mm, E = 200 GPatramo 2: aluminio, Ø30 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 40 kN

σ₂ = MPa

3.Torsión de ejesMedia

Un eje macizo de acero 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 = 100 N·md = 40 mmL = 1,5 mG = 80 GPa

φ = °

4.Torsión de ejesDifícil

Un eje hueco debe transmitir 10 kW a 500 rpm. Su diámetro interior debe ser 0,5 veces su diámetro exterior, y la tensión cortante no debe superar 60 MPa. Halla el diámetro exterior mínimo d_o.

P = 10 kWN = 500 rpmd_i/d_o = 0,5τ_allow = 60 MPa

d_o = mm

5.Cortante y momento flectorMedia

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.

10 kN @ 10 m8 kN/m, 0–10 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

6.Cortante y momento flectorDifícil

Halla el momento flector M_x en la sección x = 3 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 = 4 mP = 15 kN en 3 mw = 5 kN/m de 0 a 4 mx = 3 m

M_x = kN·m

7.Centroide y momento de inerciaMedia

Una placa de 100 mm × 150 mm tiene un agujero circular de diámetro 60 mm en su línea central vertical, con su centro a 52,5 mm por encima del fondo. Halla el momento de inercia I_x respecto al eje horizontal que pasa por el centroide.

b = 100 mmh = 150 mmd = 60 mmcentro del agujero: y = 52,5 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.Centroide y momento de inerciaDifícil

Una viga de fundición tiene la sección en T de la figura, con el ala arriba. Las tensiones admisibles son 50 MPa a tracción y 120 MPa a compresión. Halla el mayor momento flector positivo M_allow que puede soportar la viga.

b_f = 120 mmt_f = 15 mmt_w = 8 mmh_w = 300 mmσ_t,allow = 50 MPaσ_c,allow = 120 MPa

M_allow = kN·m

9.Círculo de Mohr y transformación de tensionesMedia

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 30 MPa, σᵧ = 30 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión cortante máxima en el plano τ_max.

σ_x = 30 MPaσ_y = 30 MPaτ_xy = 60 MPa

τ_max = MPa

10.Círculo de Mohr y transformación de tensionesDifícil

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = −60 MPa, σᵧ = 40 MPa y τₓᵧ = 60 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σ_θ en un plano cuya normal está girada 25° en sentido antihorario respecto al eje x.

σ_x = −60 MPaσ_y = 40 MPaτ_xy = 60 MPaθ = 25°

σ_θ = MPa

11.Flecha de la vigaMedia

Una viga simplemente apoyada soporta una carga puntual P a a = 1,5 m del apoyo A. Halla la flecha δ_P bajo la carga.

P = 22 kNa = 1,5 mL = 5 mE = 11 GPa (madera estructural)I = 120 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

12.Flecha de la vigaDifícil

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 δ_max.

P = 10 kNw = 12 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (aluminio)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.Pandeo de pilaresMedia

Un pilar de longitud L de acero está articulado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo P_cr.

L = 3 mE = 200 GPa (acero)d = 40 mm

P_cr = kN

14.Pandeo de pilaresDifícil

Un pilar macizo circular de longitud L de aluminio está articulado en ambos extremos. Debe soportar 90 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.

P = 90 kNn = 3L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminio)

d = mm

3Disoluciones

1.Tensión y deformación axial

Respuesta: ε = 1496 µε

Ley de Hooke: en el rango elástico σ = E·ε. Junto con σ = P/A y ε = δ/L se obtiene δ = PL/(AE).

Tensión

A = π·20²/4 = 314,2 mm²

σ = P/A = 55·1000/314,2 = 175,1 MPa

Deformación (ley de Hooke)

E for cobre = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 175,1/117000 = 0,001496 = 1496 µε

Respuesta

ε = 1496 µε

2.Tensión y deformación axial

Respuesta: σ₂ = 24,36 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, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, y σ_i = E_i·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 = 200000·490,9/300 = 327249 N/mm

k₂ = 70000·706,9/200 = 247400 N/mm

Parte del tramo 2

F₂ = 40000·247400/574650 = 17221 N

Tensión

σ₂ = 17221/706,9 = 24,36 MPa (compresión)

Respuesta

σ₂ = 24,36 MPa

3.Torsión de ejes

Respuesta: φ = 0,4274 °

Torsión de ejes circulares: la tensión cortante crece linealmente desde cero en el centro hasta τ_max = T·r/J en la superficie, con J = πd⁴/32 para un eje macizo y J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Ángulo de torsión

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(80000·251327) = 0,00746 rad

φ = 0,00746·180/π = 0,4274°

Respuesta

φ = 0,4274°

4.Torsión de ejes

Respuesta: d_o = 25,86 mm

Par

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52,36 rad/s

T = P/ω = 10000/52,36 = 191 N·m

Diámetro exterior a partir de la tensión admisible

T = 191 N·m = 190986 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0,5⁴ = 0,9375

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·190986/(π·60·0,9375)) = 25,86 mm

d_i = 0,5·25,86 = 12,93 mm

Respuesta

d_o = 25,86 mm

Un eje macizo necesitaría d = 25,31 mm; el hueco es algo mayor pero mucho más ligero.

5.Cortante y momento flector

Respuesta: D (x = 6 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 = 48,33 kN, R₂ = 41,67 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.

M_A = 0, M_B = 80,67, M_C = 129,3, M_D = 146 kN·m, M_E = 130,7, M_F = 83,33, M_G = 0

Respuesta

Marca D: M_D = 146 kN·m

6.Cortante y momento flector

Respuesta: M_x = 18,75 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 = 5·4 = 20 kN, aplicada en x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 15·3 + 5·4·2

R_B = 85/4 = 21,25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 35 − 21,25 = 13,75 kN

Corta en x = 3 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 = R_A·x − (cada carga a la izquierda del corte × su distancia al corte)

M_x = 13,75·3 − 5·3·1,5 = 18,75 kN·m

Respuesta

M_x = 18,75 kN·m

7.Centroide y momento de inercia

Respuesta: I_x = 25,72 × 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 = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), donde d es la distancia del centroide propio de cada parte al eje que pasa por ȳ. Un rectángulo tiene I_c = bh³/12 y un círculo I_c = πd⁴/64.

Centroide

ȳ = (15000·75 − 2827·52,5)/(15000 − 2827) = 80,23 mm

Placa completa respecto a ȳ

100·150³/12 + 15000·−5,226² = 28,53 × 10⁶ mm⁴

Agujero respecto a ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−27,73² = 2,81 × 10⁶ mm⁴

Resta

I_x = 25,72 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

I_x = 25,72 × 10⁶ mm⁴

8.Centroide y momento de inercia

Respuesta: M_allow = 10,01 kN·m

Áreas compuestas: divide la sección en rectángulos. El centroide es la media ponderada por áreas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. El momento de inercia respecto al eje que pasa por el centroide suma el bh³/12 propio de cada parte y su término de Steiner A·d², donde d es la distancia del centroide de la parte al centroide global. La tensión de flexión es σ = M·y/I.

Centroide

ȳ = (1800·307,5 + 2400·150)/4200 = 217,5 mm

borde superior: c = 315 − 217,5 = 97,5 mm

Momento de inercia

I = 120·15³/12 + 1800·90² + 8·300³/12 + 2400·67,5² = 4,355 × 10⁷ mm⁴

Momento admisible por cada borde

Momento positivo: la parte superior está comprimida y la inferior traccionada.

borde superior: M = 120·4,355 × 10⁷/97,5 = 53,6 kN·m

borde inferior: M = 50·4,355 × 10⁷/217,5 = 10,01 kN·m

Valor determinante

M_allow = min = 10,01 kN·m (borde inferior)

Respuesta

M_allow = 10,01 kN·m

9.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: τ_max = 60 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.

Radio del círculo de Mohr

τ_max = R = √(((30 − 30)/2)² + 60²) = 60 MPa

Respuesta

τ_max = 60 MPa

10.Círculo de Mohr y transformación de tensiones

Respuesta: σ_θ = 3,823 MPa

Ecuación de transformación

σ_θ = −10 + −50·0,6428 + 60·0,766 = 3,823 MPa

Respuesta

σ_θ = 3,823 MPa

11.Flecha de la viga

Respuesta: δ_P = 30,63 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 = 22000 N, a = 1500 mm, b = 3500 mm, L = 5000 mm

EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Flecha bajo la carga

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 22000·1500²·3500²/(3·1,32 × 10¹²·5000) = 30,63 mm

Respuesta

δ_P = 30,63 mm

12.Flecha de la viga

Respuesta: δ_max = 4,96 mm

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 = 10000 N, w = 12 N/mm, L = 2000 mm, EI = 8,4 × 10¹¹ N·mm²

Cada carga por separado

δ_P = PL³/(48EI) = 10000·2000³/(48·8,4 × 10¹¹) = 1,984 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·2000⁴/(384·8,4 × 10¹¹) = 2,976 mm

Súmalas

δ_max = 1,984 + 2,976 = 4,96 mm

Respuesta

δ_max = 4,96 mm

13.Pandeo de pilares

Respuesta: P_cr = 27,56 kN

Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en P_cr = 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 1·3000 = 3000 mm

Carga crítica

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/3000² = 27561 N = 27,56 kN

Respuesta

P_cr = 27,56 kN

14.Pandeo de pilares

Respuesta: d = 83,99 mm

Carga crítica necesaria

P_cr = n·P = 3·90000 = 270000 N

KL = 1·2500 = 2500 mm

Despeja el diámetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·270000·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 83,99 mm

Respuesta

d = 83,99 mm

Comprobación: la esbeltez KL/r es 119,1, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.

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