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
xyzdFAB

Una fuerza constante F = (−10, 20, −10) N actúa sobre un objeto mientras este se mueve en línea recta del punto A(1, 2, 1) al punto B(1, −2, −2). Las coordenadas están en metros. Halla el trabajo W realizado por la fuerza.

F = (−10, 20, −10) NA(1, 2, 1) mB(1, −2, −2) m
W = J
2.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
xyzABC

Halla el área A del triángulo de vértices A(2, −4, −2), B(−2, −1, 1) y C(4, 3, 1). Las coordenadas están en metros.

A(2, −4, −2)B(−2, −1, 1)C(4, 3, 1)
A = m²
3.Reacciones en vigasMedia
P = 30 kNM = 25 kN·mABRB​ = ?3 m3 m2 m

La viga simplemente apoyada tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B. Soporta una carga puntual P a 3 m de A y un par antihorario M a 6 m de A. Halla la reacción vertical RB, tomando positivo hacia arriba.

L = 8 mP = 30 kN en 3 mM = 25 kN·m (antihorario) en 6 m
RB = kN
4.Reacciones en vigasDifícil
w = 6 kN/mP = 40 kNABRA​ = ?RB​1 m7 m2 m

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

L = 10 mP = 40 kN en 1 mw = 6 kN/m de 8 a 10 m
RA = kN
5.Armaduras: método de los nudosMedia
ABCDEFGH35 kN20 kN40 kN10 kN4 × 3 m3 m

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: 35 kN ↓F: 20 kN ↓G: 40 kN ↓H: 10 kN ↓
  1. 1miembro AB
  2. 2miembro BC
  3. 3miembro CD
  4. 4miembro DE
  5. 5miembro FG
  6. 6miembro GH
  7. 7miembro AF
  8. 8miembro HE
  9. 9miembro BF
  10. 10miembro CG
  11. 11miembro DH
  12. 12miembro FC
  13. 13miembro HC
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
ABCDEFGH30 kN10 kN10 kN10 kN4 × 3 m3 m

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.

C: 30 kN ↓D: 10 kN ↓F: 10 kN →G: 10 kN ↓
  1. 1miembro AB
  2. 2miembro BC
  3. 3miembro CD
  4. 4miembro DE
  5. 5miembro FG
  6. 6miembro GH
  7. 7miembro AF
  8. 8miembro HE
  9. 9miembro BF
  10. 10miembro CG
  11. 11miembro DH
  12. 12miembro FC
  13. 13miembro HC
7.Bastidores y máquinasMedia
8 kN1 m1,5 m0,75 mABCD

Una viga horizontal AB está articulada a una pared en A y apuntalada por el puntal CD, articulado a la pared en C, 0,75 m por debajo de A. Una carga de 8 kN cuelga en B. Desprecia los pesos. Halla el valor de la fuerza A en el pasador sobre la viga en A.

P = 8 kNAD = 1 mAB = 2,5 mAC = 0,75 m
A = kN
8.Bastidores y máquinasDifícil
6 kN2 kN4 m4 mABC

Una pluma horizontal uniforme AB de peso 2 kN está articulada a una pared en A y sujeta por un cable desde su extremo B hasta el punto C de la pared, 4 m por encima de A. En B cuelga una carga de 6 kN. Halla la tensión T en el cable.

W = 6 kNWb = 2 kNAB = 4 mAC = 4 m
T = kN
9.Cortante y momento flectorMedia
8 kN/m20 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.

20 kN @ 3 m8 kN/m, 0–6 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)
10.Cortante y momento flectorDifícil
w = 4 kN/mP = 20 kNABsección6 m4 m

Halla el momento flector Mx en la sección x = 6 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 = 20 kN en 6 mw = 4 kN/m de 0 a 10 mx = 6 m
Mx = kN·m
11.Centroide y momento de inerciaMedia
150 mm240 mm144 mmØ60xIx​ = ?

Una placa de 150 mm × 240 mm tiene un agujero circular de diámetro 60 mm en su línea central vertical, con su centro a 144 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 = 60 mmcentro del agujero: y = 144 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inerciaDifícil
1201028018xM positivocotas en mm

Una viga de fundición tiene la sección en T de la figura, con el ala arriba. Las tensiones admisibles son 30 MPa a tracción y 90 MPa a compresión. Halla el mayor momento flector positivo Mallow que puede soportar la viga.

bf = 120 mmtf = 10 mmtw = 18 mmhw = 280 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Disoluciones

1.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: W = −50 J

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.

Desplazamiento

d = B − A = (1, −2, −2) − (1, 2, 1) = (0, −4, −3) m

Trabajo

W = F·d = (−10)·0 + 20·(−4) + (−10)·(−3) = −50 J

Respuesta

W = −50 J

Trabajo negativo: la fuerza actúa sobre todo en contra del movimiento.

2.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: A = 20,15 m²

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.

Vectores de las aristas

AB = B − A = (−4, 3, 3)
AC = C − A = (2, 7, 3)

Producto vectorial

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 3·3 − 3·7 = −12
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 3·2 − (−4)·3 = 18
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−4)·7 − 3·2 = −34
|AB × AC| = √((−12)² + 18² + (−34)²) = 40,3

Área del triángulo

A = ½·40,3 = 20,15 m²

Respuesta

A = 20,15 m²
3.Reacciones en vigas

Respuesta: RB = 8,125 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.

Momentos respecto a A

Antihorario positivo.

ΣMA = 0: RB·8 − 30·3 + 25 = 0
RB = 65/8 = 8,125 kN

Equilibrio vertical

RA = 30 − 8,125 = 21,88 kN

Respuesta

RB = 8,125 kN

Una reacción negativa actúa hacia abajo.

4.Reacciones en vigas

Respuesta: RA = 37,2 kN

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

w = 6 kN/mP = 40 kNABRA​RB​1 m7 m2 m

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 = 6·2 = 12 kN, aplicada en x̄ = 9 m
ΣMA = 0: RB·10 = 40·1 + 6·2·9
RB = 148/10 = 14,8 kN
ΣFy = 0: RA = 52 − 14,8 = 37,2 kN

Respuesta

RA = 37,2 kN
5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: miembro DH

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 D

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

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Comprueba con el método de los nudos

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

AB: 63,75 kN (T), BC: 63,75 kN (T), CD: 41,25 kN (T), DE: 41,25 kN (T), FG: 72,5 kN (C), GH: 72,5 kN (C), AF: 90,16 kN (C), HE: 58,34 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 40 kN (C), DH: 0, FC: 12,37 kN (T), HC: 44,19 kN (T)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: DH
6.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: miembro BF

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 B

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

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Comprueba con el método de los nudos

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

AB: 30 kN (T), BC: 30 kN (T), CD: 30 kN (T), DE: 30 kN (T), FG: 50 kN (C), GH: 50 kN (C), AF: 28,28 kN (C), HE: 42,43 kN (C), BF: 0, CG: 10 kN (C), DH: 10 kN (T), FC: 28,28 kN (T), HC: 28,28 kN (T)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: BF
7.Bastidores y máquinas

Respuesta: A = 29,24 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 ΣFx = 0, ΣFy = 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 puntal

FCD = 8·2,5/(0,6·1) = 33,33 kN

Componentes en A

Ax = FCD·cos α = 26,67 kN (hacia la pared)
Ay = 8 − FCD·sin α = −12 kN

Módulo

A = √(26,67² + −12²) = 29,24 kN

Respuesta

A = 29,24 kN

Una Ay negativa significa que la pared tira de la viga hacia abajo en A.

8.Bastidores y máquinas

Respuesta: T = 9,899 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 ΣFx = 0, ΣFy = 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.

Ángulo del cable

BC = √(4² + 4²) = 5,657 m, sin β = 0,7071

Momentos respecto a A

T·0,7071·4 = 6·4 + 2·2
T = 9,899 kN

Respuesta

T = 9,899 kN
9.Cortante y momento flector

Respuesta: D (x = 3 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 = 34 kN, R2 = 34 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 = 30, MC = 52, MD = 66 kN·m, ME = 52, MF = 30, MG = 0

Respuesta

Marca D: MD = 66 kN·m
10.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = 96 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 = 4·10 = 40 kN, aplicada en x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 20·6 + 4·10·5
RB = 320/10 = 32 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 32 = 28 kN
w = 4 kN/mP = 20 kNABRA​ = 28RB​ = 32sección6 m4 m

Corta en x = 6 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 = 28·6 − 4·6·3 = 96 kN·m

Respuesta

Mx = 96 kN·m
11.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 170,4 × 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 − 2827·144)/(36000 − 2827) = 118 mm

Placa completa respecto a ȳ

150·240³/12 + 36000·2,046² = 173 × 10⁶ mm⁴

Agujero respecto a ȳ

π·60⁴/64 + 2827·26,05² = 2,554 × 10⁶ mm⁴

Resta

Ix = 170,4 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 170,4 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Mallow = 9,527 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 = (1200·285 + 5040·140)/6240 = 167,9 mm
borde superior: c = 290 − 167,9 = 122,1 mm

Momento de inercia

I = 120·10³/12 + 1200·117,1² + 18·280³/12 + 5040·27,88² = 5,332 × 10⁷ mm⁴

Momento admisible por cada borde

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

borde superior: M = 90·5,332 × 10⁷/122,1 = 39,29 kN·m
borde inferior: M = 30·5,332 × 10⁷/167,9 = 9,527 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 9,527 kN·m (borde inferior)

Respuesta

Mallow = 9,527 kN·m

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