Estática: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 12 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Vectores: producto escalar y vectorial

Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vector unitario
û = a/|a|
Componentes a partir de un ángulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Producto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proyección escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabajo
W = F·d
Producto vectorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triángulo ½|a × b|
Momento respecto a O
MO = r × F, r = A − O
Volumen de un paralelepípedo
V = |a·(b × c)|

Método

  1. Escribe cada vector en componentes; para una fuerza dada por un módulo y un ángulo, usa F·cos θ y F·sin θ.
  2. Para longitudes y direcciones usa el módulo √(x² + y² + z²) y el vector unitario a/|a|.
  3. Usa el producto escalar para ángulos, proyecciones, perpendicularidad y trabajo: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Usa el producto vectorial para vectores perpendiculares, áreas y momentos: escribe con cuidado las tres componentes, manteniendo el orden a × b.

Reacciones en vigas

Equilibrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carga uniforme
resultante w·L en el centro de la carga
Momento
M = F·d

Método

  1. Dibuja un diagrama de cuerpo libre y sustituye cada apoyo por sus reacciones.
  2. Sustituye cada carga repartida por una única fuerza aplicada en su centroide.
  3. Toma momentos respecto a un apoyo para hallar la reacción en el otro.
  4. Usa ΣFy = 0 para hallar la reacción restante y compruébala con una segunda ecuación de momentos.

Armaduras: método de los nudos

Método de los nudos
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Método de las secciones
ΣM = 0 about a cut point
Esfuerzo en la barra
positivo = tracción, negativo = compresión

Método

  1. Halla las reacciones en los apoyos de toda la armadura.
  2. Método de los nudos: empieza por un nudo con como mucho dos esfuerzos desconocidos en las barras y usa ΣFx = 0 y ΣFy = 0.
  3. Método de las secciones: corta por la barra que necesitas y toma momentos respecto a un punto donde se cortan las demás barras desconocidas.
  4. Supón tracción; una respuesta negativa significa compresión.

Bastidores y máquinas

Equilibrio de cada elemento
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Elemento de dos fuerzas
fuerza a lo largo de la recta que pasa por sus dos pasadores
Fuerza en el pasador
iguales y opuestas sobre los dos elementos que une
Magnitud de la fuerza en un pasador
F = √(Fx² + Fy²)
Palanca, alicates, palanca acodada
Fin·a = Fout·b
Mecanismo de rodilla
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carga uniforme
resultante w·L en el centro de la carga

Método

  1. Dibuja toda la estructura y halla las reacciones en los apoyos si no hay más de tres incógnitas.
  2. Localiza los elementos de dos fuerzas: cargados solo en dos pasadores, su fuerza actúa a lo largo de la recta entre los pasadores.
  3. Desmonta el bastidor y dibuja cada elemento por separado, con fuerzas iguales y opuestas en los pasadores donde se unen los elementos.
  4. Para cada elemento, toma momentos respecto a un pasador con fuerzas desconocidas y después usa ΣFx = 0 y ΣFy = 0; combina las componentes en una magnitud al final.

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)

2Problemas de práctica

1.Vectores: producto escalar y vectorialMedia
xyzab

Halla el producto escalar a·b de a = (3, 2, −4) y b = (−1, −6, 2).

a = (3, 2, −4)b = (−1, −6, 2)
a·b =
2.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
xyzab

El vector unitario n̂ es perpendicular a a = (−1, 5, 3) y a b = (−5, −1, 1) y tiene componente z positiva. Halla su componente y n̂y.

a = (−1, 5, 3)b = (−5, −1, 1)n̂z > 0
n̂y =
3.Reacciones en vigasMedia
w = 2 kN/mP = 20 kNABMA​ = ?3,5 m1 m0,5 m

La viga en voladizo está empotrada en el muro en A. Soporta una carga uniformemente repartida w desde el muro hasta 3,5 m y una carga puntual P a 4,5 m del muro. Halla el valor del momento de empotramiento MA en el muro.

L = 5 mP = 20 kN en 4,5 mw = 2 kN/m de 0 a 3,5 m
MA = kN·m
4.Reacciones en vigasDifícil
w = 6 kN/mP = 50 kNABCRA​ = ?1 m1 m1,5 m1,5 m

La viga tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B, a 3,5 m de A, y vuela más allá de B hasta el extremo libre C. Soporta una carga puntual P a 1 m de A y una carga uniformemente repartida w desde 2 m hasta el extremo libre en 5 m. Halla la reacción vertical RA, tomando positivo hacia arriba.

AB = 3,5 mAC = 5 mP = 50 kN en 1 mw = 6 kN/m de 2 a 5 m
RA = kN
5.Armaduras: método de los nudosMedia
ABBCACACB20 kN4 m3 m3 m

Usa el método de los nudos para hallar la fuerza FAC en la barra AC. Da la tracción como positiva y la compresión como negativa.

luz = 4 maltura = 3 mB está a 3 m de Acarga vertical = 20 kN
FAC = kN
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
ABBCACACB30 kN30 kN4 m1 m4 m

Usa el método de los nudos para hallar la fuerza FAC en la barra AC. Da la tracción como positiva y la compresión como negativa.

luz = 4 maltura = 4 mB está a 1 m de Acarga vertical = 30 kNcarga horizontal = 30 kN →
FAC = kN
7.Bastidores y máquinasMedia
OAB150 NQ200 mm150 mmFO​ = ?

La palanca acodada mostrada gira alrededor del pasador O. Una fuerza vertical de 150 N en A (a 200 mm de O) se equilibra con una fuerza horizontal en B (a 150 mm por encima de O). Halla el valor de la reacción FO en el pasador.

F = 150 NOA = 200 mmOB = 150 mm
FO = N
8.Bastidores y máquinasDifícil
F = ?1000 N8 mmABC

Una prensa de rodilla tiene dos bielas iguales AB y BC, cada una de 120 mm de longitud entre pasadores. La articulación B está 8 mm por encima de la recta AC. ¿Qué fuerza hacia abajo F en B produce una fuerza de prensado horizontal de 1000 N en el deslizador C? Desprecia el rozamiento y los pesos.

Q = 1000 NAB = BC = 120 mmh = 8 mm
F = N
9.Cortante y momento flectorMedia
M0​ = 25 kN·mAB1 m9 m

La viga simplemente apoyada soporta un par en sentido horario M0 = 25 kN·m en x = 1 m desde A, y ninguna otra carga. Halla el momento flector Mx justo a la derecha del par. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 10 mM0 = 25 kN·m en sentido horario, en 1 m
Mx = kN·m
10.Cortante y momento flectorDifícil
w = 2 kN/mABC4 m1 m

La viga descansa sobre una articulación en A y un apoyo deslizante en B, y vuela 1 m más allá de B hasta el extremo libre C. Una carga uniformemente repartida w actúa en toda la longitud A–C. Halla el momento flector positivo máximo Mmax entre los apoyos.

L = 5 mw = 2 kN/m de 0 a 5 mapoyos en x = 0 y x = 4 m
Mmax = kN·m
11.Centroide y momento de inerciaMedia
14060t = 14xcotas en mm

Una sección en U está colocada con el lado abierto hacia arriba: una placa de base de 140 mm de ancho con dos alas verticales de 60 mm de altura total. La base y las alas tienen todas 14 mm de espesor. Halla su momento de inercia Ix respecto al eje horizontal x que pasa por su centroide.

b = 140 mmh = 60 mmt = 14 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inerciaDifícil
2601024014xM = 20 kN·mcotas en mm

La sección en T se usa como viga con el ala arriba y soporta un momento flector positivo de 20 kN·m. Halla la tensión de flexión σinferior en el borde inferior.

bf = 260 mmtf = 10 mmtw = 14 mmhw = 240 mmM = 20 kN·m
σinferior = MPa

3Disoluciones

1.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: a·b = −23

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Multiplica las componentes correspondientes y suma

a·b = 3·(−1) + 2·(−6) + (−4)·2 = (−3) + (−12) + (−8) = −23

Respuesta

a·b = −23

Negativo: el ángulo entre los vectores es mayor de 90°.

2.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: n̂y = −0,4576

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Producto vectorial

(a × b)x = aybz − azby = 5·1 − 3·(−1) = 8
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−5) − (−1)·1 = −14
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−1) − 5·(−5) = 26

Normalizar

La componente z de a × b ya es positiva.

|a × b| = √(8² + (−14)² + 26²) = 30,59
n̂ = (8, −14, 26)/30,59 = (0,2615, −0,4576, 0,8498)
n̂y = −0,4576

Respuesta

n̂y = −0,4576
3.Reacciones en vigas

Respuesta: MA = 102,3 kN·m

Equilibrio de un voladizo: un empotramiento puede empujar hacia arriba y además impedir el giro, así que da una reacción vertical RA y un momento de empotramiento MA. ΣFy = 0 da RA, y los momentos respecto al muro dan MA = Σ(carga × distancia al muro). Una carga repartida actúa como su resultante en el centroide del diagrama de carga.

Resultante de la carga repartida

W = 2·3,5 = 7 kN, x̄ = 1,75 m

Momento respecto al muro

MA = P·a + W·x̄ = 20·4,5 + 7·1,75 = 102,3 kN·m

Respuesta

MA = 102,3 kN·m
4.Reacciones en vigas

Respuesta: RA = 35,71 kN

Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Sustituye cada carga repartida por su resultante (su área) aplicada en el centroide del diagrama de carga, y toma momentos respecto a un apoyo para eliminar la reacción de ese apoyo de la ecuación.

Resultante de la carga repartida

W = 6·3 = 18 kN, x̄ = (2 + 5)/2 = 3,5 m

Equilibrio

Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario. Después, equilibrio de fuerzas verticales.

ΣMA = 0: RB·3,5 = 50·1 + 18·3,5
RB = 113/3,5 = 32,29 kN
RA = 68 − 32,29 = 35,71 kN

Respuesta

RA = 35,71 kN
5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: FAC = 5 kN

Método de los nudos: cada nudo de una armadura está en equilibrio, así que ΣFx = 0 y ΣFy = 0 en cada nudo. Empieza por un nudo con como mucho dos fuerzas de barra desconocidas. Un resultado negativo significa que la barra está a compresión.

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

Reacciones en los apoyos

Equilibrio de toda la armadura. Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario.

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 15 = 5 kN

Nudo C

El apoyo deslizante solo da una reacción vertical, así que el nudo C tiene solo dos fuerzas de barra desconocidas. Supón ambas a tracción.

sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0,9487 = −15,81 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−15,81)·0,3162 = 5 kN

Respuesta

FAC = 5 kN (tracción)
6.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: FAC = 28,13 kN

Método de los nudos: cada nudo de una armadura está en equilibrio, así que ΣFx = 0 y ΣFy = 0 en cada nudo. Empieza por un nudo con como mucho dos fuerzas de barra desconocidas. Un resultado negativo significa que la barra está a compresión.

ABBCACACB30 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reacciones en los apoyos

Equilibrio de toda la armadura. Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario.

ΣMA = 0: Cy·4 = 30·1 + 30·4 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 37,5 = −7,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN

Nudo C

El apoyo deslizante solo da una reacción vertical, así que el nudo C tiene solo dos fuerzas de barra desconocidas. Supón ambas a tracción.

sin γ = 4/5 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −37,5/0,8 = −46,88 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−46,88)·0,6 = 28,13 kN

Respuesta

FAC = 28,13 kN (tracción)
7.Bastidores y máquinas

Respuesta: FO = 250 N

Máquinas: los alicates, las palancas, los mecanismos articulados y las abrazaderas convierten una fuerza de entrada en una fuerza de salida mayor o con otra dirección. Dibuja una parte como cuerpo libre y toma momentos respecto a su pivote: la fuerza en el pasador se elimina, y Fin·a = Fout·b da la ventaja mecánica a/b. La fuerza en el pasador se obtiene después de ΣF = 0 en la misma parte. En un mecanismo de rodilla, dos bielas se unen formando un ángulo pequeño θ; cada biela es un elemento de dos fuerzas, así que una fuerza pequeña F en la articulación crea fuerzas grandes F/(2 sin θ) en las bielas y una fuerza de apriete F/(2 tan θ).

Fuerza en B

Q = 150·200/150 = 200 N

Reacción en el pasador

Ox = 200 N, Oy = 150 N
FO = √(200² + 150²) = 250 N

Respuesta

FO = 250 N
8.Bastidores y máquinas

Respuesta: F = 133,6 N

Máquinas: los alicates, las palancas, los mecanismos articulados y las abrazaderas convierten una fuerza de entrada en una fuerza de salida mayor o con otra dirección. Dibuja una parte como cuerpo libre y toma momentos respecto a su pivote: la fuerza en el pasador se elimina, y Fin·a = Fout·b da la ventaja mecánica a/b. La fuerza en el pasador se obtiene después de ΣF = 0 en la misma parte. En un mecanismo de rodilla, dos bielas se unen formando un ángulo pequeño θ; cada biela es un elemento de dos fuerzas, así que una fuerza pequeña F en la articulación crea fuerzas grandes F/(2 sin θ) en las bielas y una fuerza de apriete F/(2 tan θ).

Ángulo de la biela

sin θ = 8/120 = 0,06667, θ = 3,823°

Fuerza en la biela

Flink = Q/cos θ = 1002 N

Fuerza en B

F = 2·Flink·sin θ = 2·1000·tan θ = 133,6 N

Respuesta

F = 133,6 N
9.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = 22,5 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. Un par aplicado hace que el diagrama de momentos flectores salte en el valor del par.

Reacciones en los apoyos

Momentos respecto a A, antihorario positivo: RB·L − M0 = 0. Equilibrio vertical: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 25/10 = 2,5 kN (hacia arriba)
RA = −RB = −2,5 kN (hacia abajo)

Corte justo a la derecha del par

La parte izquierda contiene ahora RA y el par.

Mx = RA·a + M0 = −2,5·1 + 25 = 22,5 kN·m

Respuesta

Mx = 22,5 kN·m
10.Cortante y momento flector

Respuesta: Mmax = 3,516 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. Momento máximo: como dM/dx = V, el momento flector alcanza su máximo donde el cortante pasa por cero, ya sea en una carga puntual o dentro de una carga repartida.

Reacciones en los apoyos

Equilibrio de toda la viga, incluida la carga sobre el voladizo.

Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 2·5 = 10 kN, aplicada en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 2·5·2,5
RB = 25/4 = 6,25 kN
ΣFy = 0: RA = 10 − 6,25 = 3,75 kN

Cortante nulo

RA − w·x0 = 0 → x0 = 3,75/2 = 1,875 m

Momento positivo máximo

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 3,75²/(2·2) = 3,516 kN·m

Respuesta

Mmax = 3,516 kN·m
11.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 0,9586 × 10⁶ mm⁴

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.

Divide en rectángulos

Toma la base con su ancho completo y las dos alas encima de ella (altura h − t), para no contar nada dos veces.

base: A1 = 140·14 = 1960 mm², y1 = 7 mm
dos alas: A2 = 2·14·46 = 1288 mm², y2 = 14 + 46/2 = 37 mm

Centroide

ȳ = (1960·7 + 1288·37)/3248 = 18,9 mm

Teorema de Steiner

base: 140·14³/12 + 1960·(7 − 18,9)² = 309408 mm⁴
dos alas: 2·14·46³/12 + 1288·(37 − 18,9)² = 649240 mm⁴
Ix = 309408 + 649240
Ix = 958648 mm⁴ = 0,9586 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 0,9586 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inercia

Respuesta: σinferior = 89,38 MPa

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.

Divide en dos rectángulos

Mide cada y desde el borde inferior.

ala: Af = 260·10 = 2600 mm², yf = 240 + 10/2 = 245 mm
alma: Aw = 14·240 = 3360 mm², yw = 240/2 = 120 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2600·245 + 3360·120)/5960 = 174,5 mm

Teorema de Steiner

ala: 260·10³/12 + 2600·(245 − 174,5)² = 1,293 × 10⁷ mm⁴
alma: 14·240³/12 + 3360·(120 − 174,5)² = 2,612 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,293 × 10⁷ + 2,612 × 10⁷ = 3,905 × 10⁷ mm⁴

Tensión de flexión

El borde inferior está a ȳ del eje.

y = 174,5 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·174,5/3,905 × 10⁷ = 89,38 MPa

Respuesta

σinferior = 89,38 MPa

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