Conceptes Clau d'Enginyeria: Estructures, Esforços i Materials

Conceptes Fonamentals en Enginyeria i Mecànica

Engranatges i Vectors

Un engranatge és un mecanisme compost de diverses rodes dentades que transmeten moviment i força.

Un vector és una "fletxa" que indica el sentit i la direcció d’una força o d’un moviment.

Propietats Mecàniques dels Materials i Tipus d'Esforços

Les propietats mecàniques dels materials ens indiquen el comportament dels materials davant els esforços.

Tipus d’esforços:

• Esforç de tracció: Es produeix quan dues forces oposades actuen sobre un cos i tendeixen a estirar-lo o allargar-lo.
• Esforç de compressió: Es produeix quan les forces que actuen sobre un objecte van en la mateixa direcció però són oposades i tendeixen a comprimir-lo.
• Esforç de flexió: Quan les forces actuen sobre una peça s’apliquen contra el seu eix longitudinal i tendeixen a corbar-la.
• Esforç de torsió: És quan l’acció de les forces fa que un cos giri o es torci.
• Esforç de cisallament (o tallant): És quan l’acció de les forces tendeix a tallar-lo o separar-lo.

Què és una Estructura?

Una estructura és un conjunt d’elements que ha de ser capaç de suportar forces sense trencar-se, deformar-se, moure’s o desplaçar-se.

Funcions Essencials de les Estructures

Les estructures compleixen diverses funcions vitals:

1. Funció d’emmagatzematge: Són estructures que han de garantir protecció davant forces exteriors.
2. Funció d’assolir altura: Per tal d’allotjar persones i objectes en espais de superfície reduïda, s’han de dissenyar i construir estructures capaces de suportar edificis ben alts.
3. Funció de protecció i formes: Moltes estructures s’utilitzen per protegir elements fràgils o sensibles d’accions externes.
4. Funcions de cobertura i creació d’espais: Les cobertes dels edificis són estructures que aïllen l’edifici de l’exterior. Principalment són: arcs, voltes, cúpules, sostres, teulades i terrats.
5. Funció de superació d’accidents geogràfics: Per suportar alguns accidents geogràfics, l’home ha construït ponts, túnels i altres estructures capaces de permetre la comunicació entre diferents emplaçaments.

Rigidesa, Resistència i Estabilitat de les Estructures

Les estructures han de ser rígides, resistents i estables.

• Rigidesa: Cada objecte experimenta una deformació que depèn del material amb què s’ha fabricat, de la seva forma i de la força que s’aplica. Com més rígid, menys deformació.
• Resistència: Una estructura ha de ser resistent per tal de no trencar-se quan és sotmesa a esforços.
• Estabilitat: És l’altra característica que, juntament amb la resistència i la rigidesa, ha de tenir qualsevol estructura per mantenir-se en equilibri.

Parts Fonamentals d'una Estructura

Les estructures es componen de diversos elements clau:

• Fonaments: Base resistent que suporta el pes d’una estructura i el transmet al terreny.
• Pilars: Elements verticals que sostenen els esforços de compressió.
• Tensors: Elements que eviten que altres parts de l’estructura se separin. Normalment, es constitueixen amb cables o cordes de materials diversos.
• Bigues: Peça horitzontal que suporta esforços de flexió.
• Murs: Elements verticals que suporten forces a la seva part superior i les transmeten cap a la base.
• Arcs: Elements estructurals que suporten càrregues i les dirigeixen cap als pilars, i que també connecten zones aïllades per accidents geogràfics com rius o barrancs.
• Voltes: La volta transmet càrregues sobre murs en lloc de fer-ho sobre els pilars, distribuint el pes de manera eficient.
• Cúpules: Cobreixen espais amb plantes de formes diverses. La seva funció original és la protecció. S’utilitzen des de fa temps en la construcció de vivendes senzilles.
• Perfils: Estructura no massissa que serveix per recobrir bigues i pilars. S’utilitza per aconseguir estructures resistents, lleugeres i barates.

Tipus d'Estructures

Podem classificar les estructures en diferents categories:

• Massives: Formades per elements massissos, són estables, rígides i molt resistents (ex: edificis antics, piràmides).
• Laminars o de Carcassa: Tenen funció de protecció, normalment protegeixen el xassís de l’objecte (ex: rentadores, ordinadors, carrosseries de cotxes).
• D'Armadura: Formades per peces allargades que s’uneixen per donar forma a un esquelet rígid.
  • D'entramat (ex: ponts de bigues, edificis amb esquelet metàl·lic).
  • Penjades (ex: ponts penjats).
  • Triangulars (ex: Torre Eiffel, grues).

Els Ponts: Classificació i Funció

Un pont és una estructura construïda per salvar un obstacle físic, tot passant-hi per damunt.

Tipus de Ponts:

• Ponts de bigues: Construïts amb elements de fusta o de metall disposats horitzontalment.
• Ponts d’arcs: Són ponts més resistents, ja que els arcs redueixen l’esforç del pont enviant les càrregues cap als pilars.
• Ponts penjats: Ponts on la plataforma està sostinguda a través d’uns tensors (cables) que pengen de torres.

Centre de Gravetat

El centre de gravetat és el centre de la massa d’un objecte, el punt on l’objecte està en equilibri i a través del qual es pot sostenir a si mateix.