TEMA 1

 

 ESTRUCTURES I ESFORÇOS MECÀNICS

1.- FORCES

Nosaltres utilitzem forces constantment. Fem força, per exemple, quan aguantem o aixequem un cos, l’empenyem per desplaçar-lo, o bé quan intentem deformar-lo. Però, què és una força? 

             Vaixell de vela                           Aixecament de pesos                     Cascada d'aigua

Una força és una acció capaç de produir una deformació en un cos o modificar-ne l’estat de moviment o repòs.

         Deformació plastilina                  Persones en bicicleta                       Força d'atracció

Per indicar com actua una força sobre un cos fem servir un vector, que és una representació geomètrica semblant a una fletxa. La seva longitud mostra el valor de la força; l’orientació del segment indica la direcció amb què actua i la punta de la fletxa n’assenyala el sentit.

                                                              

Segons com actuïn les forces, els efectes poden ser molt diferents. Per exemple, no és el mateix aplicar força a una taula des de dalt, que des de sota, i ni tampoc des d’un costat. A la següent imatge es poden apreciar les conseqüències d’aplicar aquestes forces.

 

Per mesurar forces s’utilitza el dinamòmetre. Aquest aparell, inventat per Isaac Newton, basa el seu funcionament en l’estirament d’una molla. Com més gran és la força més gran és l’allargament de la molla.

  

        Dinamòmetre                           Iman

SABIES QUE...?

• La unitat de força en el sistema internacional és el newton(N).

• El pes és una mesura de la força amb la qual la Terra atreu qualsevol cos per acció de la gravetat.

  

                           Newtons                                             Força de gravetat     

2.- ESFORÇOS

L’ esforç és la força a la qual és sotmesa una peça en una secció determinada i que tendeix a estirar-la, aixafar-la, corbar-la, torçar-la o tallar-la.

La resistència d'un objecte a un determinat esforç depèn d'aquests 4 factors:

• Material

• Dimensions

• Forma

• Tipus d'esforç

Hi ha 5 tipus d'esforç: esforç de tracció, esforç de compressió, esforç de torsió, esforç de flexió i esforç de tallant o cisallament.

2.1.- ESFORÇ DE TRACCIÓ

Es produeix quan dues forces oposades actuen sobre un cos i tendeixen a estirar-lo o allargar-lo.

Normalment els fils, els cables i les cordes treballen a tracció.

                

2.2.- ESFORÇ DE COMPRESSIÓ

L’ esforç de compressió es produeix quan un objecte és empès (comprimit) per dues forces que actuen en sentits oposats, les quals tendeixen a aixafar-lo o a escurçar-lo.

El vinclament és la deformació que sofreixen els cossos sotmesos a compressió quan són llargs i prims.

2.3.- ESFORÇ DE FLEXIÓ

L’ esforç de flexió es produeix quan les forces que actuen sobre una peça s’apliquen en el seu eix longitudinal i tendeixen a corbar-la.

2.4.- ESFORÇ DE TORSIÓ

L’ esforç de torsió consisteix en l’aplicació de dues forces en sentits oposats que tendeixen a girar o a retorçar un cos.

2.5.- ESFORÇ DE CISALLAMENT/ TALL

Es produeix quan dues forces oposades són aplicades en la mateixa zona de l'objecte, intentant tallar-lo.

SABIES QUE...?

• La secció d’una peça és la superfície o l’àrea que resulta en tallar-la per un pla perpendicular al seu eix longitudinal.

RECORDA...

• No s’ha de confondre la curvatura produïda per un esforç de compressió amb vinclament amb la curvatura produïda per un esforç de flexió.
• Si bé en tots dos casos el cos es corba, les forces hi actuen de manera diferent.

3.- LES PROPIETATS MECÀNIQUES DELS MATERIALS

Les propietats mecàniques indiquen el comportament dels materials quan estan sotmesos a esforços (forces) que intenten estirar-los o deformar-los així com el comportament davant impactes, fregament amb altres materials, etc. 

La principal propietat mecànica és la resistència.

Quan els materials es deformen aquesta deformació pot ser de dos tipus: 

• Plàstica:  quan el material es deforma de manera permanent. 
• Elàstica:  qual el material recupera la forma inicial al deixar d'aplicar l'esforç.

3.1.- RESISTÈNCIA

Anomenem resistència a la capacitat que té un material de suportat esforços (forces) sense deformar-se excessivament ni trencar-se. 

L’acer, la fusta i el plàstic són considerats materials molt resistents.

Podem establir, doncs, cinc tipus de resistència mecànica, d’acord amb els cinc tipus d’esforç als quals poden estar sotmesos els materials: a la tracció, a la compressió, a la flexió, a la torsió i al cisallament.

3.2.- TENACITAT I FRAGILITAT

La tenacitat és la propietat que tenen alguns materials de suportar forces i cops sense trencar-se. És la capacitat de resistència al xoc. La tenacitat és la propietat contrària a la fragilitat. Els materials fràgils es trenquen fàcilment en rebre cops o xocs.

3.3.- ELASTICITAT I PLASTICITAT

L’ elasticitat és la propietat que tenen els materials de recuperar la seva forma original després d’haver estat deformats per un esforç. La plasticitat és la capacitat que té un material per adquirir deformacions permanents sense trencar-se.

Alguns metalls, com el coure, l’acer o l’alumini, també tenen la propietat de la plasticitat. 

Cal, però, escalfar-los per deformar-los amb facilitat. 

De la plasticitat se’n deriven dues propietats més: 

• La ductilitat:  és la propietat d’alguns materials de deformar-se permanentment en forma de fil prim sense trencar-se. 
• La mal·leabilitat: és la propietat d’alguns materials de deformar-se permanentment en forma de làmina molt fina sense trencar-se.

3.4.- DURESA

La duresa és la propietat que indica l’oposició que ofereix un material a ser ratllat, penetrat o tallat.

SABIES QUE...?

• Rígid o flexible? Diem que un material és rígid quan no es pot doblegar fàcilment. En canvi, si es doblega amb facilitat diem que és flexible. 
• Aquestes propietats no tenen res a veure amb la plasticitat: doblegar-se no vol dir canviar de forma. Un cable elèctric sol ser flexible, però, doblegat o no, segueix sent rodó, prim i llarg.

RECORDA...

• No hem de confondre la resistència amb la tenacitat. 
• Un material pot ser fràgil, o poc tenaç, però en canvi ser molt resistent a alguns esforços. 
• De la mateixa manera, un material tenaç pot ser poc resistent a certs esforços. 
• No hem de confondre la duresa amb la tenacitat o la resistència. 
• Precisament el vidre és un material molt dur, però, alhora, és molt poc tenaç (és fàcil de trencar amb un cop). 
• La fusta natural, en canvi, és un material bastant tou; però, al mateix temps, és força tenaç i resistent a determinats esforços.

4.- ESTRUCTURES

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.

Tota estructura, per realitzar correctament la seva funció, ha de complir quatre condicions:

• Ser resistent, per suportar les càrregues a les quals està sotmesa.
• Ser rígida, perquè no es deformi per l’acció d’esforços.
• Ser estable, per no bolcar quan està sotmesa a forces externes.
• Ser tan lleugera com es pugui: pesarà menys, s’estalviarà material i serà més econòmic.

Fes clic aquí per veure el vídeo “Les grans estructures de la Sagrada Família”:

4.1.- ELEMENTS DE LES ESTRUCTURES

Els més rellevants són: fonaments, columnes i pilars, bigues, tirants i tensors, arcs, voltes i cúpules, i perfils.

4.1.1.- FONAMENTS

En algunes estructures, com ara els edificis, és la part que està sota terra i que serveix de base.

4.1.2.- COLUMNES I PILARS

Aquests elements verticals de les estructures solen suportar esforços de compressió i, en ocasions, esforços laterals de flexió.

4.1.3.- BIGUES I TRAVESSERS

Són les peces, disposades en forma horitzontal (solen ser més llargues que no pas amples), que serveixen per suportar càrregues i que estan sotmeses a esforços de flexió. També solen suportar esforços de cisallament.

4.1.4.- TIRANTS I TENÇORS

Són cables o barres, sotmesos a esforços de tracció, que serveixen per augmentar l’estabilitat i la resistència de les estructures. Els podem trobar als ponts penjants, les antenes de televisió, els suports de rètols, etc.

4.1.5.- ARCS, VOLTES, CÚPULES

Són elements arquitectònics que mitjançant l’ús de formes corbades serveixen per cobrir espais i recintes.

4.1.6.- PERFIL

Les grans estructures metàl·liques es construeixen bàsicament amb perfils estructurals d’acer laminat en calent. 

Tanmateix, les més petites utilitzen sovint tubs estructurals (de secció rodona, quadrada o rectangular). No obstant això, cada cop són més freqüents les estructures metàl·liques fetes amb perfils i tubs d’alumini.

4.2.- TIPUS D'ESTRUCTURES

Totes les estructures compleixen les mateixes funcions bàsiques, però no totes són iguals. 

Hi ha una gran varietat d’estructures, tant pel que fa a la forma, als materials utilitzats i al sistema de construcció. 

Consegüentment, en podem distingir diferents tipus: estructures d’armadura, estructures laminars, estructures massives i altres (de voltes, pneumàtiques, geodèsiques...).

5.- PROBLEMES