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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Vector unitario: û = a/|a|
Componentes a partir de un ángulo: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Producto escalar: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Proyección escalar de a sobre b: a·b/|b|
Trabajo: W = F·d
Producto vectorial: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Áreas: paralelogramo |a × b|, triángulo ½|a × b|
Momento respecto a O: M_O = r × F, r = A − O
Volumen de un paralelepípedo: V = |a·(b × c)|

Método

Escribe cada vector en componentes; para una fuerza dada por un módulo y un ángulo, usa F·cos θ y F·sin θ.
Para longitudes y direcciones usa el módulo √(x² + y² + z²) y el vector unitario a/|a|.
Usa el producto escalar para ángulos, proyecciones, perpendicularidad y trabajo: a·b = |a||b|cos θ.
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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Carga uniforme: resultante w·L en el centro de la carga
Momento: M = F·d

Método

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

Armaduras: método de los nudos

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

Método

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

Bastidores y máquinas

Equilibrio de cada elemento: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Palanca, alicates, palanca acodada: F_in·a = F_out·b
Mecanismo de rodilla: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carga uniforme: resultante w·L en el centro de la carga

Método

Dibuja toda la estructura y halla las reacciones en los apoyos si no hay más de tres incógnitas.
Localiza los elementos de dos fuerzas: cargados solo en dos pasadores, su fuerza actúa a lo largo de la recta entre los pasadores.
Desmonta el bastidor y dibuja cada elemento por separado, con fuerzas iguales y opuestas en los pasadores donde se unen los elementos.
Para cada elemento, toma momentos respecto a un pasador con fuerzas desconocidas y después usa ΣF_x = 0 y ΣF_y = 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/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)

2Problemas de práctica

1.Vectores: producto escalar y vectorialMedia

Halla la proyección escalar comp_b a de a = (−4, −3, −7) sobre b = (−5, −1, 5), es decir, la componente de a en la dirección de b.

a = (−4, −3, −7)b = (−5, −1, 5)

comp_b a =

2.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil

Halla el área A del paralelogramo generado por a = (5, −5, 5) y b = (−3, −4, 3).

a = (5, −5, 5)b = (−3, −4, 3)

A =

3.Reacciones en vigasMedia

La viga simplemente apoyada tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B. Halla la reacción vertical R_A.

L = 4 mP₁ = 60 kN en 1 mP₂ = 40 kN en 3 m

R_A = kN

4.Reacciones en vigasDifícil

La viga simplemente apoyada tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B. Halla la reacción vertical R_A.

L = 4 mP = 50 kN en 1,5 mw = 2 kN/m de 1 a 2 m

R_A = kN

5.Armaduras: método de los nudosMedia

Exactamente un miembro de esta cercha no soporta ninguna fuerza con estas cargas. ¿Cuál es el miembro de fuerza nula? Haz clic en él en el diagrama.

B: 15 kN ↓F: 10 kN ↓

1miembro AB
2miembro BC
3miembro CD
4miembro DE
5miembro FG
6miembro GH
7miembro AF
8miembro HE
9miembro BF
10miembro CG
11miembro DH
12miembro BG
13miembro DG

6.Armaduras: método de los nudosDifícil

Exactamente un miembro de esta cercha no soporta ninguna fuerza con estas cargas. ¿Cuál es el miembro de fuerza nula? Haz clic en él en el diagrama.

B: 10 kN ↓D: 10 kN ↓H: 35 kN ←

1miembro AB
2miembro BC
3miembro CD
4miembro DE
5miembro FG
6miembro GH
7miembro AF
8miembro HE
9miembro BF
10miembro CG
11miembro DH
12miembro BG
13miembro DG

7.Bastidores y máquinasMedia

El bastidor en A mostrado se apoya en un pasador en A y en un rodillo en B, separados 4 m. Las patas se unen en el pasador C, a 4 m de altura, y el tirante horizontal DE está a 1,2 m sobre el suelo. En C actúa una carga de 10 kN. Halla el valor de la fuerza C que el pasador C ejerce sobre la pata BC.

P = 10 kNAB = 4 maltura de C = 4 maltura de DE = 1,2 m

C = kN

8.Bastidores y máquinasDifícil

Una pluma horizontal uniforme AB de peso 1,5 kN está articulada a una pared en A y sujeta por un cable desde su extremo B hasta el punto C de la pared, 2 m por encima de A. En B cuelga una carga de 2 kN. Halla la tensión T en el cable.

W = 2 kNW_b = 1,5 kNAB = 2 mAC = 2 m

T = kN

9.Cortante y momento flectorMedia

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. Soporta una carga puntual P₁ entre los apoyos y una carga puntual P₂ en C. Halla el momento flector M_x bajo la carga P₁. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 5 mP₁ = 20 kN en 1 mP₂ = 30 kN en 5 mapoyos en x = 0 y x = 4 m

M_x = kN·m

10.Cortante y momento flectorDifícil

La viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida sobre parte de su luz. Halla el momento flector máximo M_max en la viga.

L = 8 mw = 4 kN/m de 1 a 8 m

M_max = kN·m

11.Centroide y momento de inerciaMedia

Halla el momento de inercia I_x de la sección en T respecto al eje horizontal x que pasa por su centroide.

b_f = 300 mmt_f = 20 mmt_w = 18 mmh_w = 220 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Centroide y momento de inerciaDifícil

Una sección en I soldada tiene un ala superior de 150 × 20 mm, un alma de 290 mm de alto y 10 mm de espesor, y un ala inferior de 220 × 12 mm (ancho × espesor). Halla su momento de inercia I_x respecto al eje horizontal x que pasa por su centroide.

ala superior: 150 × 20 mmalma: 10 × 290 mmala inferior: 220 × 12 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Disoluciones

1.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: comp_b a = −1,68

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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.

Producto escalar

a·b = (−4)·(−5) + (−3)·(−1) + (−7)·5 = −12

Longitud de b

|b| = √((−5)² + (−1)² + 5²) = 7,141

Proyección escalar

comp_b a = a·b/|b| = −12/7,141 = −1,68

Respuesta

comp_b a = −1,68

Negativa: a tiene una componente que apunta contra b.

2.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: A = 46,37

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Producto vectorial

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = (−5)·3 − 5·(−4) = 5

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 5·(−3) − 5·3 = −30

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = 5·(−4) − (−5)·(−3) = −35

Área

A = |a × b| = √(5² + (−30)² + (−35)²) = 46,37

Respuesta

A = 46,37

3.Reacciones en vigas

Respuesta: R_A = 55 kN

Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Tomar momentos respecto a un apoyo elimina su reacción de la ecuación.

Diagrama de cuerpo libre

Sustituye los apoyos por fuerzas de reacción. Un apoyo deslizante da una reacción vertical; con solo cargas verticales, la articulación también da una reacción vertical.

Equilibrio

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

ΣM_A = 0: R_B·4 = 60·1 + 40·3

R_B = 180/4 = 45 kN

ΣF_y = 0: R_A = 100 − 45 = 55 kN

Respuesta

R_A = 55 kN

4.Reacciones en vigas

Respuesta: R_A = 32,5 kN

Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Tomar momentos respecto a un apoyo elimina su reacción de la ecuación.

Diagrama de cuerpo libre

Sustituye los apoyos por fuerzas de reacción. Un apoyo deslizante da una reacción vertical; con solo cargas verticales, la articulación también da una reacción vertical.

Equilibrio

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

Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 2·1 = 2 kN, aplicada en x̄ = 1,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 50·1,5 + 2·1·1,5

R_B = 78/4 = 19,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 52 − 19,5 = 32,5 kN

Respuesta

R_A = 32,5 kN

5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: miembro CG

Miembros de fuerza nula: en un nudo, las fuerzas deben equilibrarse en todas las direcciones. Si un nudo no tiene carga ni apoyo, y dos de sus tres miembros están alineados, el equilibrio perpendicular a esa línea involucra solo al tercer miembro, así que su fuerza es cero. Si en un nudo sin carga solo se unen dos miembros y no están alineados, ambos son nulos.

Nudo C

BC y CD están en una misma línea recta y el nudo no tiene carga. Al equilibrar las fuerzas perpendicularmente a esa línea queda solo CG.

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

Comprueba con el método de los nudos

Resolver todos los nudos da estas fuerzas en los miembros (T = tracción, C = compresión).

AB: 14,06 kN (T), BC: 9,375 kN (T), CD: 9,375 kN (T), DE: 4,687 kN (T), FG: 14,06 kN (C), GH: 4,687 kN (C), AF: 23,44 kN (C), HE: 7,812 kN (C), BF: 8,75 kN (T), CG: 0, DH: 6,25 kN (T), BG: 7,812 kN (T), DG: 7,812 kN (C)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: CG

6.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: miembro CG

Nudo C

BC y CD están en una misma línea recta y el nudo no tiene carga. Al equilibrar las fuerzas perpendicularmente a esa línea queda solo CG.

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

Comprueba con el método de los nudos

Resolver todos los nudos da estas fuerzas en los miembros (T = tracción, C = compresión).

AB: 16,25 kN (C), BC: 7,5 kN (C), CD: 7,5 kN (C), DE: 1,25 kN (T), FG: 18,75 kN (C), GH: 36,25 kN (C), AF: 26,52 kN (C), HE: 1,768 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 1,25 kN (T), BG: 12,37 kN (C), DG: 12,37 kN (T)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: CG

7.Bastidores y máquinas

Respuesta: C = 6,145 kN

Bastidores y máquinas: a diferencia de una armadura, un bastidor contiene al menos un elemento que soporta fuerzas en más de dos puntos, o una carga entre sus pasadores. Busca primero los elementos de dos fuerzas: un elemento cargado solo en dos pasadores tiene su fuerza a lo largo de la recta que los une, así que aporta una incógnita, no dos. Después usa toda la estructura para hallar las reacciones en los apoyos cuando no hay más de tres incógnitas. Por último, desmonta el bastidor: dibuja cada elemento por separado, con las fuerzas en los pasadores iguales y opuestas en los dos elementos que conectan, y escribe ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 y ΣM = 0 para él. Tomar momentos respecto a un pasador elimina de la ecuación las dos componentes de la fuerza de ese pasador.

Fuerza en el tirante a partir de la pata BC

B_y = 5 kN

T = 5·2/2,8 = 3,571 kN

Componentes de la fuerza del pasador sobre BC

C_x = T = 3,571 kN, C_y = −B_y = −5 kN

Módulo

C = √(3,571² + 5²) = 6,145 kN

Respuesta

C = 6,145 kN

8.Bastidores y máquinas

Respuesta: T = 3,889 kN

Ángulo del cable

BC = √(2² + 2²) = 2,828 m, sin β = 0,7071

Momentos respecto a A

T·0,7071·2 = 2·2 + 1,5·1

T = 3,889 kN

Respuesta

T = 3,889 kN

9.Cortante y momento flector

Respuesta: M_x = 7,5 kN·m

Reacciones en los apoyos

Equilibrio de toda la viga. La carga del voladizo también produce momento respecto a A.

ΣM_A = 0: R_B·4 = 20·1 + 30·5

R_B = 170/4 = 42,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 50 − 42,5 = 7,5 kN

Corta bajo P₁ y quédate con la parte izquierda

M_x = R_A·1 = 7,5·1 = 7,5 kN·m

Respuesta

M_x = 7,5 kN·m

10.Cortante y momento flector

Respuesta: M_max = 31,01 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.

Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 4·7 = 28 kN, aplicada en x̄ = 4,5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 4·7·4,5

R_B = 126/8 = 15,75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 28 − 15,75 = 12,25 kN

Cortante nulo

El cortante empieza en R_A, se mantiene constante en los tramos descargados y disminuye con pendiente w dentro de la carga.

R_A − w·(x₀ − 1) = 0

x₀ = 1 + 12,25/4 = 4,063 m

Momento máximo

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 1)²/2 = 12,25·4,063 − 4·3,063²/2 = 31,01 kN·m

Respuesta

M_max = 31,01 kN·m

11.Centroide y momento de inercia

Respuesta: I_x = 50,52 × 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 dos rectángulos

Mide cada y desde el borde inferior.

ala: A_f = 300·20 = 6000 mm², y_f = 220 + 20/2 = 230 mm

alma: A_w = 18·220 = 3960 mm², y_w = 220/2 = 110 mm

Centroide

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (6000·230 + 3960·110)/9960 = 182,3 mm

Teorema de Steiner

ala: 300·20³/12 + 6000·(230 − 182,3)² = 1,386 × 10⁷ mm⁴

alma: 18·220³/12 + 3960·(110 − 182,3)² = 3,667 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1,386 × 10⁷ + 3,667 × 10⁷ = 5,052 × 10⁷ mm⁴ = 50,52 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

I_x = 50,52 × 10⁶ mm⁴

12.Centroide y momento de inercia

Respuesta: I_x = 152,2 × 10⁶ mm⁴

Divide en tres rectángulos

Mide cada y desde el borde inferior.

ala superior: A = 3000 mm², y = 312 mm

alma: A = 2900 mm², y = 157 mm

ala inferior: A = 2640 mm², y = 6 mm

Centroide

ȳ = (3000·312 + 2900·157 + 2640·6)/8540 = 164,8 mm

Teorema de Steiner

ala superior: 150·20³/12 + 3000·147,2² = 6,513 × 10⁷ mm⁴

alma: 10·290³/12 + 2900·7,77² = 2,05 × 10⁷ mm⁴

ala inferior: 220·12³/12 + 2640·158,8² = 6,658 × 10⁷ mm⁴

I_x = 6,513 × 10⁷ + 2,05 × 10⁷ + 6,658 × 10⁷

I_x = 1,522 × 10⁸ mm⁴ = 152,2 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

I_x = 152,2 × 10⁶ mm⁴

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Estática: pack de repaso

1Fórmulas y métodos

Vectores: producto escalar y vectorial

Método

Reacciones en vigas

Método

Armaduras: método de los nudos

Método

Bastidores y máquinas

Método

Cortante y momento flector

Método

Centroide y momento de inercia

2Problemas de práctica

3Disoluciones

Producto escalar

Longitud de b

Proyección escalar

Respuesta

Producto vectorial

Área

Respuesta

Diagrama de cuerpo libre

Equilibrio

Respuesta

Diagrama de cuerpo libre

Equilibrio

Respuesta

Nudo C

Comprueba con el método de los nudos

Respuesta

Nudo C

Comprueba con el método de los nudos

Respuesta

Fuerza en el tirante a partir de la pata BC

Componentes de la fuerza del pasador sobre BC

Módulo

Respuesta

Ángulo del cable

Momentos respecto a A

Respuesta

Reacciones en los apoyos

Corta bajo P1 y quédate con la parte izquierda

Respuesta

Reacciones en los apoyos

Cortante nulo

Momento máximo

Respuesta

Divide en dos rectángulos

Centroide

Teorema de Steiner

Respuesta

Divide en tres rectángulos

Centroide

Teorema de Steiner

Respuesta

Corta bajo P₁ y quédate con la parte izquierda