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 ángulo θ entre los vectores a = (1, −5, −6) y b = (5, 3, 3), en grados.

a = (1, −5, −6)b = (5, 3, 3)
θ = °
2.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
xyzrFOA

Una fuerza F = (20, 0, −60) N actúa en el punto A(−4, 2, 0). Las coordenadas están en metros. Halla la componente y My del momento de la fuerza respecto a el punto O(−3, −3, 3).

F = (20, 0, −60) NA(−4, 2, 0) mO(−3, −3, 3) m
My = N·m
3.Reacciones en vigasMedia
P1​ = 55 kNP2​ = 40 kNABRA​ = ?RB​2 m0,5 m2,5 m

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

L = 5 mP1 = 55 kN en 2 mP2 = 40 kN en 2,5 m
RA = kN
4.Reacciones en vigasDifícil
w = 3 kN/mP = 75 kNABCRB​ = ?2 m3 m1 m2 m

La viga tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B, a 6 m de A, y vuela más allá de B hasta el extremo libre C. Soporta una carga puntual P a 2 m de A y una carga uniformemente repartida w desde 5 m hasta el extremo libre en 8 m. Halla la reacción vertical RB, tomando positivo hacia arriba.

AB = 6 mAC = 8 mP = 75 kN en 2 mw = 3 kN/m de 5 a 8 m
RB = kN
5.Armaduras: método de los nudosMedia
ABBCACACB40 kN6 m1 m3 m

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

luz = 6 maltura = 3 mB está a 1 m de Acarga vertical = 40 kN
FBC = kN
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
ABCDEFGH25 kN20 kN25 kN10 kN15 kN4 × 4 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: 25 kN ↓D: 20 kN ↓F: 25 kN →G: 10 kN ↓H: 15 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 BG
  13. 13miembro DG
7.Bastidores y máquinasMedia
15 kN5 m1,5 m1,5 mABCDE

El bastidor en A mostrado se apoya en un pasador en A y en un rodillo en B, separados 5 m. Las patas se unen en el pasador C, a 3 m de altura, y el tirante horizontal DE está a 1,5 m sobre el suelo. En C actúa una carga de 15 kN. Halla el valor de la fuerza C que el pasador C ejerce sobre la pata BC.

P = 15 kNAB = 5 maltura de C = 3 maltura de DE = 1,5 m
C = kN
8.Bastidores y máquinasDifícil
w = 1,5 kN/m12 kN1,6 m0,8 m1,2 mABCD

La viga AB de la ménsula de pared mostrada está articulada en A y apuntalada por el puntal CD (C está 1,2 m por debajo de A). La viga soporta una carga uniforme de 1,5 kN/m en toda su longitud y una carga puntual de 12 kN en su extremo libre B. Halla la fuerza FCD en el puntal.

w = 1,5 kN/mP = 12 kNAD = 1,6 mAB = 2,4 mAC = 1,2 m
FCD = kN
9.Cortante y momento flectorMedia
w = 2 kN/mP = 70 kNAB0,5 m2 m

El voladizo está empotrado en A. Soporta una carga uniformemente repartida w en toda su longitud y una carga puntual P a 0,5 m de A. Halla el momento flector MA en el empotramiento A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 2,5 mP = 70 kN en 0,5 mw = 2 kN/m de 0 a 2,5 m
MA = kN·m
10.Cortante y momento flectorDifícil
w = 3 kN/mP = 35 kNAB1,5 m3,5 m

La viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida w en toda su luz y una carga puntual P. Halla el momento flector máximo Mmax en la viga.

L = 5 mP = 35 kN en 1,5 mw = 3 kN/m de 0 a 5 m
Mmax = kN·m
11.Centroide y momento de inerciaMedia
2401030010xcotas en mm

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

bf = 240 mmtf = 10 mmtw = 10 mmhw = 300 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inerciaDifícil
2203020016xM = 15 kN·mcotas en mm

La sección en T se usa como viga con el ala arriba y soporta un momento flector positivo de 15 kN·m. Halla la tensión de flexión σinferior en el borde inferior.

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 16 mmhw = 200 mmM = 15 kN·m
σinferior = MPa

3Disoluciones

1.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: θ = 122,8 °

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.

Producto escalar

a·b = 1·5 + (−5)·3 + (−6)·3 = −28

Módulos

|a| = √(1² + (−5)² + (−6)²) = 7,874
|b| = √(5² + 3² + 3²) = 6,557

Ángulo

cos θ = −28/(7,874·6,557) = −0,5423
θ = arccos(−0,5423) = 122,8°

Respuesta

θ = 122,8°
2.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: My = −120 N·m

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.

Vector de posición de O a A

r = A − O = (−4, 2, 0) − (−3, −3, 3) = (−1, 5, −3) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 5·(−60) − (−3)·0 = −300 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·20 − (−1)·(−60) = −120 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·0 − 5·20 = −100 N·m

Componente pedida

My = −120 N·m

Respuesta

My = −120 N·m
3.Reacciones en vigas

Respuesta: RA = 53 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.

P1​ = 55 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​2 m0,5 m2,5 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.

ΣMA = 0: RB·5 = 55·2 + 40·2,5
RB = 210/5 = 42 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 42 = 53 kN

Respuesta

RA = 53 kN
4.Reacciones en vigas

Respuesta: RB = 34,75 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 = 3·3 = 9 kN, x̄ = (5 + 8)/2 = 6,5 m

Equilibrio

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

ΣMA = 0: RB·6 = 75·2 + 9·6,5
RB = 208,5/6 = 34,75 kN
RA = 84 − 34,75 = 49,25 kN

Respuesta

RB = 34,75 kN
5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: FBC = −12,96 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.

ABBCACACB40 kNAy​Cy​

Reacciones en los apoyos

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 40·1 → Cy = 6,667 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 6,667 = 33,33 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 = 3/5,831 = 0,5145, cos γ = 5/5,831 = 0,8575
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6,667/0,5145 = −12,96 kN

Respuesta

FBC = −12,96 kN (compresión)
6.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 → FCG = 0

Comprueba con el método de los nudos

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

AB: 62,08 kN (T), BC: 65,83 kN (T), CD: 65,83 kN (T), DE: 56,25 kN (T), FG: 62,08 kN (C), GH: 56,25 kN (C), AF: 46,35 kN (C), HE: 70,31 kN (C), BF: 27,81 kN (T), CG: 0, DH: 27,19 kN (T), BG: 4,688 kN (C), DG: 11,98 kN (C)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: CG
7.Bastidores y máquinas

Respuesta: C = 14,58 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 tirante a partir de la pata BC

By = 7,5 kN
T = 7,5·2,5/1,5 = 12,5 kN

Componentes de la fuerza del pasador sobre BC

Cx = T = 12,5 kN, Cy = −By = −7,5 kN

Módulo

C = √(12,5² + 7,5²) = 14,58 kN

Respuesta

C = 14,58 kN
8.Bastidores y máquinas

Respuesta: FCD = 34,5 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.

Resultante de la carga uniforme

w·L = 1,5·2,4 = 3,6 kN en 1,2 m

Momentos respecto a A para la viga

FCD·0,6·1,6 = 3,6·1,2 + 12·2,4 = 33,12 kN·m
FCD = 34,5 kN

Respuesta

FCD = 34,5 kN
9.Cortante y momento flector

Respuesta: MA = −41,25 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.

Quédate con la parte del extremo libre

P: −70·0,5 = −35 kN·m
w: −2·2,5²/2 = −6,25 kN·m
MA = −35 − 6,25 = −41,25 kN·m

Respuesta

MA = −41,25 kN·m

Negativo significa tracción en la cara superior.

10.Cortante y momento flector

Respuesta: Mmax = 44,63 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 = 3·5 = 15 kN, aplicada en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 35·1,5 + 3·5·2,5
RB = 90/5 = 18 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 18 = 32 kN

¿Dónde es V = 0?

V(1,5⁻) = RA − w·1,5 = 27,5 kN
V(1,5⁺) = 27,5 − 35 = −7,5 kN
El cortante cambia de signo en la carga, así que el máximo está bajo la carga.

Momento máximo

Mmax = RA·1,5 − w·1,5²/2 = 32·1,5 − 3·1,5²/2 = 44,63 kN·m

Respuesta

Mmax = 44,63 kN·m

Se produce en x = 1,5 m desde A.

11.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 54,55 × 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: Af = 240·10 = 2400 mm², yf = 300 + 10/2 = 305 mm
alma: Aw = 10·300 = 3000 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2400·305 + 3000·150)/5400 = 218,9 mm

Teorema de Steiner

ala: 240·10³/12 + 2400·(305 − 218,9)² = 1,782 × 10⁷ mm⁴
alma: 10·300³/12 + 3000·(150 − 218,9)² = 3,674 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,782 × 10⁷ + 3,674 × 10⁷ = 5,455 × 10⁷ mm⁴ = 54,55 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 54,55 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inercia

Respuesta: σinferior = 67,11 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 = 220·30 = 6600 mm², yf = 200 + 30/2 = 215 mm
alma: Aw = 16·200 = 3200 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6600·215 + 3200·100)/9800 = 177,4 mm

Teorema de Steiner

ala: 220·30³/12 + 6600·(215 − 177,4)² = 9,802 × 10⁶ mm⁴
alma: 16·200³/12 + 3200·(100 − 177,4)² = 2,986 × 10⁷ mm⁴
Ix = 9,802 × 10⁶ + 2,986 × 10⁷ = 3,966 × 10⁷ mm⁴

Tensión de flexión

El borde inferior está a ȳ del eje.

y = 177,4 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·177,4/3,966 × 10⁷ = 67,11 MPa

Respuesta

σinferior = 67,11 MPa

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