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 valor de k para el que los vectores a = (3, 3, 0) y b = (−3, k, 0) son perpendiculares.

a = (3, 3, 0)b = (−3, k, 0)
k =
2.Vectores: producto escalar y vectorialDifícil
xyzABC

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

A(−2, 3, 1)B(4, −4, −2)C(−1, −1, 2)
A = m²
3.Reacciones en vigasMedia
P1​ = 75 kNP2​ = 45 kNABCRA​ = ?4 m2 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. Halla la reacción vertical RA, tomando positivo hacia arriba.

AB = 6 mAC = 8 mP1 = 75 kN en 4 mP2 = 45 kN en 8 m
RA = kN
4.Reacciones en vigasDifícil
w = 10 kN/mP = 70 kNADCMA​ = ?3 m3 m4 m

Una viga compuesta está empotrada en el muro en A, tiene una rótula interior en C (a 3 m de A) y descansa sobre un apoyo deslizante en D (a 10 m de A). Soporta una carga puntual P a 6 m de A, una carga uniformemente repartida w en todo el tramo CD. Halla el valor del momento de empotramiento MA en el muro.

AC = 3 mAD = 10 mP = 70 kN en 6 mw = 10 kN/m de 3 a 10 m
MA = kN·m
5.Armaduras: método de los nudosMedia
ABBCACACB55 kN5 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 = 5 maltura = 3 mB está a 1 m de Acarga vertical = 55 kN
FBC = kN
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
ABBCACACB15 kN15 kN6 m5 m2 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 = 2 mB está a 5 m de Acarga vertical = 15 kNcarga horizontal = 15 kN ←
FBC = kN
7.Bastidores y máquinasMedia
OAB250 NQ240 mm75 mmFO​ = ?

La palanca acodada mostrada gira alrededor del pasador O. Una fuerza vertical de 250 N en A (a 240 mm de O) se equilibra con una fuerza horizontal en B (a 75 mm por encima de O). Halla el valor de la reacción FO en el pasador.

F = 250 NOA = 240 mmOB = 75 mm
FO = N
8.Bastidores y máquinasDifícil
F = ?4000 N25 mmABC

Una prensa de rodilla tiene dos bielas iguales AB y BC, cada una de 80 mm de longitud entre pasadores. La articulación B está 25 mm por encima de la recta AC. ¿Qué fuerza hacia abajo F en B produce una fuerza de prensado horizontal de 4000 N en el deslizador C? Desprecia el rozamiento y los pesos.

Q = 4000 NAB = BC = 80 mmh = 25 mm
F = N
9.Cortante y momento flectorMedia
w = 8 kN/mP = 30 kNABsección0,5 m0,5 m2 m

El voladizo está empotrado en A. Soporta una carga uniformemente repartida w en toda su longitud y una carga puntual P a 1 m de A. Halla el momento flector Mx en la sección x = 0,5 m desde el empotramiento A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 3 mP = 30 kN en 1 mw = 8 kN/m de 0 a 3 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
10.Cortante y momento flectorDifícil
w = 6 kN/mP = 45 kNABsección2 m2 m1 m

Halla el momento flector Mx en la sección x = 2 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 = 5 mP = 45 kN en 4 mw = 6 kN/m de 0 a 5 mx = 2 m
Mx = kN·m
11.Centroide y momento de inerciaMedia
200 mm150 mm90 mmØ30xIx​ = ?

Una placa de 200 mm × 150 mm tiene un agujero circular de diámetro 30 mm en su línea central vertical, con su centro a 90 mm por encima del fondo. Halla el momento de inercia Ix respecto al eje horizontal que pasa por el centroide.

b = 200 mmh = 150 mmd = 30 mmcentro del agujero: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inerciaDifícil
3002526018xM negativocotas 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 100 MPa a compresión. Halla el mayor momento flector negativo Mallow que puede soportar la viga (da su valor absoluto).

bf = 300 mmtf = 25 mmtw = 18 mmhw = 260 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Disoluciones

1.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: k = 3

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.

El producto escalar es igual a cero

a·b = 3·(−3) + 3·k + 0·0 = 0
−9 + 3·k = 0

Despeja k

k = −(−9)/3 = 3

Respuesta

k = 3
2.Vectores: producto escalar y vectorial

Respuesta: A = 13,52 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 = (6, −7, −3)
AC = C − A = (1, −4, 1)

Producto vectorial

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−7)·1 − (−3)·(−4) = −19
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−3)·1 − 6·1 = −9
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 6·(−4) − (−7)·1 = −17
|AB × AC| = √((−19)² + (−9)² + (−17)²) = 27,04

Área del triángulo

A = ½·27,04 = 13,52 m²

Respuesta

A = 13,52 m²
3.Reacciones en vigas

Respuesta: RA = 10 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·6 = 75·4 + 45·8
RB = 660/6 = 110 kN

Equilibrio vertical

RA = 75 + 45 − 110 = 10 kN

Respuesta

RA = 10 kN
4.Reacciones en vigas

Respuesta: MA = 225 kN·m

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. Una rótula interior no puede transmitir momento flector, lo que da una ecuación adicional: el momento respecto a la rótula de las fuerzas de cualquiera de los dos lados es nulo.

Tramo CD

La rótula no tiene momento, así que los momentos respecto a C solo en CD deben equilibrarse.

W = 10·7 = 70 kN en 3,5 m desde C
ΣMC = 0: RD·7 = 70·3 + 70·3,5
RD = 65 kN
VC = 140 − 65 = 75 kN

Tramo AC

La fuerza en la rótula VC actúa hacia abajo sobre AC (igual y opuesta a su acción sobre CD).

RA = 75 = 75 kN
MA = 75·3 = 225 kN·m

Respuesta

MA = 225 kN·m
5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: FBC = −18,33 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.

ABBCACACB55 kNAy​Cy​

Reacciones en los apoyos

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 55·1 → Cy = 11 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 11 = 44 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 = 0,6, cos γ = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −11/0,6 = −18,33 kN

Respuesta

FBC = −18,33 kN (compresión)
6.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: FBC = −8,385 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.

ABBCACACB15 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Reacciones en los apoyos

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 15·5 − 15·2 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 7,5 = 7,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7,5/0,8944 = −8,385 kN

Respuesta

FBC = −8,385 kN (compresión)
7.Bastidores y máquinas

Respuesta: FO = 838,2 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 = 250·240/75 = 800 N

Reacción en el pasador

Ox = 800 N, Oy = 250 N
FO = √(800² + 250²) = 838,2 N

Respuesta

FO = 838,2 N
8.Bastidores y máquinas

Respuesta: F = 2632 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 = 25/80 = 0,3125, θ = 18,21°

Fuerza en la biela

Flink = Q/cos θ = 4211 N

Fuerza en B

F = 2·Flink·sin θ = 2·4000·tan θ = 2632 N

Respuesta

F = 2632 N
9.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = −40 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: −30·0,5 = −15 kN·m
w: −8·2,5²/2 = −25 kN·m
Mx = −15 − 25 = −40 kN·m

Respuesta

Mx = −40 kN·m

Negativo significa tracción en la cara superior.

10.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = 36 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 = 6·5 = 30 kN, aplicada en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·4 + 6·5·2,5
RB = 255/5 = 51 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 51 = 24 kN
w = 6 kN/mP = 45 kNABRA​ = 24RB​ = 51sección2 m2 m1 m

Corta en x = 2 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 = 24·2 − 6·2·1 = 36 kN·m

Respuesta

Mx = 36 kN·m
11.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Ix = 56,05 × 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 = (30000·75 − 706,9·90)/(30000 − 706,9) = 74,64 mm

Placa completa respecto a ȳ

200·150³/12 + 30000·0,362² = 56,25 × 10⁶ mm⁴

Agujero respecto a ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·15,36² = 0,2066 × 10⁶ mm⁴

Resta

Ix = 56,05 × 10⁶ mm⁴

Respuesta

Ix = 56,05 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide y momento de inercia

Respuesta: Mallow = 38,04 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 = (7500·272,5 + 4680·130)/12180 = 217,7 mm
borde superior: c = 285 − 217,7 = 67,25 mm

Momento de inercia

I = 300·25³/12 + 7500·54,75² + 18·260³/12 + 4680·87,75² = 8,527 × 10⁷ mm⁴

Momento admisible por cada borde

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

borde superior: M = 30·8,527 × 10⁷/67,25 = 38,04 kN·m
borde inferior: M = 100·8,527 × 10⁷/217,7 = 39,16 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 38,04 kN·m (borde superior)

Respuesta

Mallow = 38,04 kN·m

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