Conceptes Fonamentals de Mecànica: Força, Esforços i Estructures

La Força: Definició i Representació Vectorial

La força és una acció capaç de produir o modificar l'estat de repòs o de moviment d'un cos, o d'alterar la seva forma o dimensions.

Unitats de Mesura de la Força

La seva unitat en el Sistema Internacional (S.I.), també conegut com M.K.S. (metres, quilograms, segons), és el Newton (N). Cal tenir en compte que 1 quilopond (Kp) equival a 9,8 Newtons (N).

Formes d'Aplicació de la Força

Les forces es poden donar de dues maneres:

• Contacte directe entre cossos.
• Contacte indirecte (com la força magnètica i la força gravitatòria).

Les forces no es poden veure, però sí que podem veure o notar-ne els efectes.

Representació de Forces mitjançant Vectors

Per indicar com actua una força sobre un cos, fem servir un vector, que és una representació geomètrica semblant a una fletxa. Els paràmetres que defineixen un vector són:

• Mòdul: És el valor en Newtons que es representa a escala. Abans de fer un vector, cal definir l'escala. S'expressa amb (Fa = x).
• Direcció: La direcció es representa amb una línia, que pot ser horitzontal, vertical o inclinada.
• Sentit: El sentit indica cap a on va el vector (d'esquerra a dreta, de dalt a baix, o amb una inclinació específica, per exemple, 20º).

Forma Polar d'un Vector

Exemple: Mòdul → 20 N, 30º.

Mesurament de Forces

Les forces es mesuren amb el dinamòmetre.

La relació entre pes, massa i gravetat és:

• P = Pes (Newtons, N)
• M = Massa (Quilogram, Kg)
• G = Gravetat (9,8 m/s²)

Fórmula: P = M · G

Esforços i Resistència dels Cossos

Definició d'Esforç i Resistència

Quan apliquem una força a un cos, diem que aquest cos suporta un esforç. Si el cos suporta l'esforç sense trencar-se o deformar-se gaire, aleshores diem que aquest cos és resistent a l'esforç.

Factors de la Resistència

La resistència d'un cos a un determinat esforç depèn dels següents factors:

• El material.
• El tipus d'esforç.
• La forma i les dimensions.

Tipus d'Esforços

Els principals tipus d'esforços són:

• Esforç de tracció.
• Esforç de compressió (o vinclament).
• Esforç de flexió.
• Esforç de torsió.
• Esforç de cisallament o tallant.

Les Propietats Mecàniques dels Materials

Comportament dels Materials

Les propietats mecàniques determinen el comportament dels materials quan estan sotmesos a esforços (forces).

Tipus de Propietats Mecàniques

Resistència

És la capacitat que té un material de suportar esforços sense deformar-se excessivament ni trencar-se.

Tenacitat

És la propietat que tenen alguns materials de suportar forces i cops sense trencar-se; és la capacitat de resistència al xoc.

Fragilitat

És la propietat contrària a la tenacitat. Els materials fràgils es trenquen fàcilment en rebre cops o xocs.

Elasticitat

És la propietat que tenen els materials de recuperar la seva forma original després d'haver estat deformats per un esforç.

Plasticitat

És la capacitat que té un material per adquirir deformacions permanents sense trencar-se.

Propietats derivades de la Plasticitat

Ductilitat

És la propietat d'alguns materials de deformar-se permanentment en forma de fil prim sense trencar-se.

Mal·leabilitat

És la capacitat d'un material de deformar-se permanentment en forma de làmina molt fina sense trencar-se.

Estructures i els seus Elements

Definició d'Estructura

Una estructura és un conjunt de peces o d'elements, units entre si, que serveixen de suport i d'esquelet d'alguna cosa amb la funció bàsica de suportar forces.

Funcions Essencials de les Estructures

Una estructura ha de complir tres funcions principals:

1. Resistent: Per suportar càrregues.
2. Rígida: Que no es deformi.
3. Estable: Per no bolcar.

Tipus d'Estructures

• Armadura: Constitueix l'esquelet de l'objecte. Solen ser metàl·liques o de formigó.
• Laminars o de carcassa: Són panells units entre si que envolten l'objecte.

Estructures Metàl·liques

Les estructures metàl·liques van substituir la pedra i la fusta, utilitzant principalment l'acer. Aquest material permetia treballar més de pressa, adquiria una gran resistència i l'estructura pesava menys.

Tanmateix, les estructures metàl·liques també tenen inconvenients: l'acer es rovella i cal pintar-lo sovint, i es deforma molt en cas d'incendi.

Elements de les Estructures Metàl·liques

Perfils laminats

Són productes que s'obtenen a les acereries i d'alumini.

Bigues

Són estructures horitzontals que estan sotmeses a una força de flexió.

Pilars

Són estructures verticals sotmeses a una força de compressió. En el seu moment van substituir les columnes.

Tirants i tensors

Estan sotmesos a una força de tracció i serveixen per aguantar una estructura amb una base prima.

Tornapuntes

Estan sotmesos a una força de compressió. És una estructura posada en diagonal per aguantar una estructura plana.