Principios Físicos de las Estructuras: Fuerza, Equilibrio y Estabilidad

Estructuras y Principios Físicos Fundamentales

La forma surge de las leyes físicas que gobiernan la naturaleza. La forma arquitectónica y el conjunto de formas crean una estructura.

Este conjunto o estructura, generado a través de procesos naturales, adopta una forma u otra dependiendo de la masa involucrada. La materia influye en la estructura y, por lo tanto, en la forma, a través de propiedades como el peso, la rigidez, la capacidad de deformación, etc.

Estática

La estática trata sobre las dos exigencias básicas de la estructura:

• Equilibrio: Resistencia a la inestabilidad debida a acciones horizontales como el viento o sismos.
• Estabilidad: Resistencia a la inestabilidad debida a asentamientos irregulares del terreno.

Fuerza

Se define como fuerza todo aquello que tiende a modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Es una cantidad vectorial y posee tres propiedades que deben especificarse simultáneamente para su correcta individualización:

• Magnitud: Indica el tamaño o intensidad de la fuerza.
• Dirección: Corresponde a la línea de acción de la fuerza.
• Sentido: Indica hacia qué extremo de la línea de acción se dirige la fuerza.

Principio de Transmisibilidad de una Fuerza

Al actuar una fuerza sobre un cuerpo rígido, los efectos externos que produce no cambian si esta se desliza a cualquier punto localizado a lo largo de su línea de acción. Desde el punto de vista del equilibrio, una fuerza puede considerarse actuando en cualquier punto de su línea de acción.

Composición y Descomposición de Fuerzas

La composición de fuerzas (suma de fuerzas) considera las tres propiedades vectoriales.

Ley del Paralelogramo

La resultante de dos fuerzas es la diagonal del paralelogramo formado por ellas.

Descomposición de Fuerzas

Se utiliza para encontrar las componentes de una fuerza en diferentes direcciones, a menudo usando:

• Funciones Trigonométricas:
  • sen(α) = cateto opuesto / hipotenusa
  • cos(α) = cateto adyacente / hipotenusa
  • tan(α) = cateto opuesto / cateto adyacente
• Teorema de Pitágoras:
  • a² + b² = c²
  • (F_x)² + (F_y)² = F²
  • F = √( (F_x)² + (F_y)² )

Leyes de Newton y Equilibrio

Primera Ley de Newton (Inercia)

Todo objeto continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúan sobre él. Condición de equilibrio estático: ∑F = 0.

Equilibrio (∑F = 0)

Es un estado de balance. Se define de varias formas según el contexto:

• Equilibrio mecánico: Estado en el cual no actúan fuerzas ni momentos netos sobre un cuerpo.
• En líquidos: Estado en el cual la tasa de evaporación es igual a la tasa de condensación.
• General: Estado en el que no sucede cambio alguno de energía.

Segunda Ley de Newton (Aceleración)

La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él, tiene la dirección de la fuerza neta y es inversamente proporcional a la masa del objeto. Fórmula: F = m × a.

Tercera Ley de Newton (Acción-Reacción)

Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero.

Ley de Gravitación Universal

Dos partículas materiales en el universo se atraen entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. De esta ley se deriva la fuerza de atracción sobre un cuerpo de masa m próximo a la superficie de la Tierra: F = m × g (donde g es la aceleración debida a la gravedad).

Fuerzas Comunes en un Cuerpo

Peso (Fuerza Gravitatoria)

Es la fuerza ejercida sobre un cuerpo debido a la atracción gravitacional de otro cuerpo (normalmente la Tierra). Comparando con la segunda ley de Newton (F=ma), el peso (P) es P = m × g.

Fuerza Normal

Es la componente de la fuerza de soporte perpendicular a una superficie de contacto. Para un objeto en reposo sobre una superficie horizontal, es la fuerza hacia arriba que equilibra el peso del objeto.

Centro de Gravedad

Es el punto en el centro de la distribución de masa de un objeto, donde se considera que actúa la fuerza total de gravedad. Para que un cuerpo esté en equilibrio estable, la línea vertical que pasa por su centro de gravedad debe caer dentro de su base de apoyo.