La ingeniería civil es una rama que va más allá de la construcción ya que su aporte contribuye al desarrollo de una población.
La ingeniería civil es una rama de la ingeniería que aplica los conocimientos de física, matemáticas, química, mecánica, hidráulica, topografía y geología para la elaboración de infraestructura, principalmente edificios, obras hidráulicas y de transporte como carreteras y puentes, en general de gran tamaño y para uso público, haciendo uso de materiales que cumplen con los objetivos constructivos, tales como concreto, acero, suelo, etc. Algo muy importante para conocer su función principal es que corresponde a la ingeniería de la civilización, siendo de esta manera una ingeniería más allá de la construcción ya que otra característica que posee es un fuerte componente organizativo que logra su aplicación en la administración del ambiente urbano principalmente, y frecuentemente rural; no solo en lo referente a la construcción, sino también, al mantenimiento, control y operación de lo construido, así como en la planificación de la vida humana en el ambiente diseñado desde esta misma. Esto comprende planes de organización territorial tales como prevención de desastres, control de tráfico y transporte, manejo de recursos hídricos, servicios públicos, tratamiento de basuras y todas aquellas actividades que garantizan el bienestar de la humanidad que desarrolla su vida sobre las obras civiles construidas y operadas por ingenieros civiles.
La importancia de la ingeniería civil reside en que es una rama de la ingeniería que hace uso de herramientas técnicas, procedimientos y materiales para la construcción de obras seguras y eficientes que contribuyan al desarrollo de una población, así como adaptarse y contribuir a los cambios de la civilización.
Se podría decir que la ingeniería comenzó cuando los humanos empezaron a ingeniarse artículos para su vida cotidiana. Los primeros hombres utilizaron algunos principios de la ingeniería para conseguir sus alimentos, pieles y construir armas de defensa como hachas, puntas de lanzas , martillos etc. El desarrollo de la ingeniería comenzó con la revolución agrícola (año 8000 a. C.) cuando las tribus dejaron de ser nómadas para cultivar sus productos y criar animales comestibles.A partir de que el hombre aprendió a convivir en grupo de manera sedentaria, surgen tres prioridades fundamentales: la construcción de viviendas, la disposición de agua potable e instrumentos para sus requerimientos cotidianos. Fue la necesidad quien hizo a los primeros ingenieros civiles de la historia.Hasta épocas relativamente recientes, bajo el término arquitecto se englobaba a la persona que dominaba los conocimientos arquitectónicos, estructurales, geológicos, hidráulicos… necesarios para la construcción de las obras civiles, militares y máquinas de las distintas épocas.
Es tras el Renacimiento cuando el desarrollo del conocimiento y las nuevas demandas sociales obligan a la especialización de las ramas.
Con frecuencia se observan algunos fenómenos que involucran la fricción y la mayoría de las personas los comprede en forma natual.
Se pueden mencionar tan sólo unos pocos de la gran cantidad de ejemplos de hechos que suceden cotidianamente en el que intervienen las fuerzas de fricción:
Las ruedas del auto al moverse sobre el pavimento.
Una lancha sobre el agua que al avanzar genera fricción entre el agua y la superficie de la lancha.
Cuando se frota una mano contra otra se produce una fricción que genera calor y calienta las manos.
El agua de un río produce fricción sobre el lecho del río.
Cuando se frotan dos objetos, como una pieda con un trozo de madera, se produce una fricción que genera calor.
Un patinador de hielo puede avanzar muy rápido pues la fricción entre el hielo y la navaja de los patines es baja.
Un objeto que entra del espacio exterior a la atmósfera terrestre, se incendia debido a la fricción que produce entre ellos.
Cuando se empuja una caja sobre una superficie áspera cuesta mucho trabajo moverla.
Cuando el piso está mojado es más fácil resbalar, pues el agua disminuye la fricción del piso.
Una soga que resbala en un trozo de madera puede quemarlo.
Como se puede ver en la lista anterior, la fricción no sólo se limita a un lugar en específico, sino que va desde una superficie sólida e incluso en agua hasta llegar al espacio.
Pero, en sí, ¿qué es la fricción? La fuerza puede ser definidacomo una fuerza resistente que actúa sobre un cuerpo e impide o retarda el deslizamiento del cuerpo con reacción a un segundo cuerpo o superficie de los cuales esté en contacto. Hibbeler En general, pueden ocurrir dos tipos de fricción entre superficies. La fricción fluida existe cuando las superficies en contacto están separadas por una película de fluido (gas o líquido). La naturaleza de la fricción fluida se estudia en la materia de mecánica de fluidos, ya que depende del conocimiento de la velocidad del fluido y de la capacidad del fluido de resistir fuerzas cortantes.
Existe otro tipo de fricción que se llama se fricción seca que mayormente es conocida como fricción de Coulomb, ya que sus características fueron estudiadas extensamente por C. A Coulomb en 1781.
Charles de Coulomb Charles-Augustin de Coulomb Físico francés Nació el 14 de junio de 1736 en Angulema (Francia).Ingeniero militar en las Indias Occidentales (Antillas), posteriormente se radica en Blois (Francia), donde realiza investigaciones en magnetismo y electricidad.En el año 1777 ideó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica. Gracias a este invento, fue capaz de establecer el principio, conocido ahora como ley de Coulomb, que rige la interacción entre las cargas eléctricas. En 1779 publicó el tratado Teoría de las máquinas simples, un análisis del rozamiento en las máquinas. La unidad de medida de carga eléctrica, el culombio, recibió este nombre en su honor.Charles de Coulomb falleció en París el 23 de agosto de 1806.
Para poder tener un poco más claro lo que es la fricción se puede considerar como ejemplo que el conductor de un vehículo en movimiento, que va sobre una carretera seca e inclinada, aplica la suficiente fuerza de frenado como para trabar todas las ruedas. El vehículo se desliza sobre la carretera y llegará a detenerse sin golpe alguno. Para analizar estas situaciones, tanto el vehículo que se desliza como estacionario se modelan simplemente como un bloque sobre un plano inclinado. El siguiente paso lógico consiste en considerar el diagrama de cuerpo libre del bloque. Donde W es el peso del bloque, y por conveniencia se resuelve en componentes paralelas y perpendiculares al plano inclinado, Wm y Wn respectivamente.
Si el cuerpo que se muestra es estacionario, habrá una reacción en el plano inclinado que actúa sobre el cuerpo, que es igual y opuesta a W. Esta reacción se resuelve en componentes convenientes F y N que actúan en direcciones opuestas a Wm y Wn, respectivamente. Cabe mencionar que la fuerza normal N siempre actúa en forma perpendicular a la superficie e impide el movimiento en esa dirección. Por lo tanto N es igual a W cos T, haya o no haya un movimiento paralelo a la superficie. La fuerza tangencial F es la fuerza de fricción, que puede impedir o no impedir el movimiento. Suele indicarse mediante una letra calicráfica para distinguirse de otras fuerzas. La fuerza de fricción siempre actúa en las superficies de contacto , entre los cuerpos, paralela (o tangente) a las superficies, y actúa en la dirección opuesta a la dirección en la cual el cuerpo tiende a moverse. La fuerza de fricción no depende del área de contacto si no encuentra deformaciones grandes. Sin embargo, la línea de acción de la fuerza normal resultante no se conoce a menos que haya un punto de contacto distinto.
Otro dato importante de la fricción es la magnitud, " Cantidad represantada por la longitud (escala) de la flecha vectorial" Rosas (2009) . que tiene los siguientes valores con respecto a W sen T, que es la fuerza que tiende a causar el movimiento a lo largo de la rampa.
1. F= sen T , no hay movimiento , o hay movimiento a velocidad constante.
2. 0 < F < W sen T, el cuerpo acelera hacia abajo.
3. F > Wsen T > 0, el cuerpo se mueve inicialmente hacia abajo con una velocidad decreciente y al final se detiene; una vez que se ha detenido, F= WsenT.
Como se puede ver, estas generalizaciones tendrían sentido incluso sin mucho conocimiento de la dinámica.
La magnitud de la fuerza de fricción varía desde cero hasta un valor máximo para cualquier par de fuerzas dado. F siempre es cero cuando no hay fuerza que se oponga a la fuerza de fricción.
La fuerza de fricción es igual a la fuerza aplicada hasta cierto valor límite F máx. como se muestra en la fígura a continuación:
La máxima fuerza de fricción depende de los materiales involucrados, de la geometría condición de las superficies en contacto y de la fuerza normal N que presiona un cuerpo sobre otro. El material y las propiedades de la superficie se agotan juntas y se representan en el análisis mediante el coeficiente de fricción µ. Se encuentra que bajo la mayoría de las condiciones, la fuerza de fricción limitante es proporcional a la fuerza normal entres los cuerpos. De ahí se deriva la siguiente fórmula:
Fmax= µN (0 < F < Fmax) El coeficiente de fricción es más grande para un par dado de materiales cuando el movimiento es inminente ; el coeficiente de fricción estático se denota por la letra griega µ o µs . el coeficiente disminuye cuando hay un deslizamiento relativo de los cuerpos ; a esto se le llama coeficiente de fricción cinética ( o fricción deslizante, o fricción dinámica) y se indica por medio de µk y la magnitud de la fuerza de fricción cinética viene dada por Fk =µ k N. El coeficiente de fricción cinética (µk < µs) es aproximadamente constante a velocidades moderadas de frotamiento. A velocidades más altas, el coeficiente de fricción disminuye aún más debido al calor generado por la fricción como también se puede ver en la figura anterior.
Esta es la razón del fenómeno del debilitamiento de los frenos a altas velocidades o durantes descensos largos. Resulta claro que, trabjando las ruedas en un vehículo en movimiento en forma inmediata, se reduce la fuerza de frenado en la superficie de la carretera (µk < µs), puede causar deslizamiento lateral del vehículo, puesto que el deslizamiento en cualquier dirección facilita el deslizamiento en otras direcciones. El calor generado en el plano de contacto de deslizamiento de cada llanta puede causar cambios adicionales en la fuerza de fricción que actúa sobre un vehículo. La determinación experimental del coeficiente de fricción estática normalmente es cosa sencilla.
Para mejor comprensión obsérvese las figuras que aparecerán a continuación:
En ella un bloque de peso W está sobre un plano representado por una línea punteada. El plano es horizontal de manera que la reacción entera R que actúa sobre el bloque es normal al plano.
Supóngase que se inclina el plano en un pequeño ángulo T con respecto a la horizontal. Ahora la reacción R es la resultante de la fuerza de fricción F y la fuerza normal N.
Conforme el ánguo T se incrementa aún más, llega a un valor crítico Tc , en cuyo ángulo el bloque empieza a deslizarse.
De nuevo la reacción R es la resultante de las fuerzas F y N. La magnitud mas grande posible para la fuerza de fricción, F, para los cuerpos dado ocurre cuando el movimiento es inminente, y esto ocurre en el ángulo típico en donde comienza dicho movimiento, para todos los propósitos prácticos. De hecho, no hay forma de demostrar que el movimiento es inminente si no se le deja comenzar. En aquellos ángulos que son mayores que el ángulo crítico, el bloque se acelera hacia abajo sobre el plano inclinado. En estos casos, la reacción R ya no es paralela al peso W, ya que F < senT.
El ángulo crítico Tc en el cual es inminente el movimiento se llama ángulo de reposo. La fuerza de fricción está en su máximo en este ángulo, de manera que se obtiene :
Tan Tc= F/N = µs N / N= µs Por lo tanto, medir el ángulo de reposo es el único paso importante requerido para determinar el coeficiente de fricción estático.
Los conceptos recién estudiados se extienden a situaciones en donde el peso de un cuerpo no tiende a causar movimiento.
Por ejemplo:
El bloque que se muestra en la figura está sobre un plano horizontal, de manera que sólo se puede mover si se aplica una fuerza P lo suficientemente grande. Aquí el movimiento es inminente o principiante cuando la fuerza lateral llega a una magnitud crítica Pc. En ese instante, la fuerza de fricción está en su máximo, de manera que:
Tan Tc= F/N = µsN/N = µs En este caso, el ángulo T, se llama ángulo de fricción estática, que es equivalente al ángulo de reposo.
Los coeficientes de fricción en la fricción seca (llamada también fricción de Coulomb) normalmente son sensibles a la humedad, temperatura, polvo, contaminación, películas de óxido, acabado superficial y reacciones químicas. El área de contacto y la fuerza normal afectan a los coeficientes sólo cuando causan grandes deformaciones en uno o en ambos cuerpos en contacto. Todos los valores publicados para los coeficientes de fricción se determinan empíricamente, y con mayor frecuencia se refieren a la fricción estática. Como regla, los valores altos de coeficientes de fricción se encuentran entre 0.6 y 1.0, y los valores bajos están alrededor de 0.1 o menos. Para las superficies toscas o pegajosas, o en cualquier otro caso en donde haya una elevada interacción superficial, µs puede ser mayor que la unidad. Hay numerosas formas de clasificar los problemas que involucran la fricción en seco. En general, el primer paso consiste en decidir si la ecuación antes mencionada es aplicable o no. Es esencial recordar que F= µs N, cuando hay movimiento o movimiento inminente. Hay muchos casos en donde hay una fricción que es menor que la fricción máxima posible para las condiciones dadas; en tales casos, F < µsN y para determinar la fuerza de fricción se pueden usar las ecuaciones del equilibrio.
En muchas aplicaciones de la ingeniería se encuentran problemas que involucran fricción seca. Algunos tratan con situaciones simples como la del bloque que se desliza sobre un plano, muchos tratan con la estabilidad de cuerpos rígidos en movimiento acelerado.
Cierto número de máquinas y mecanismos comunes pueden analizarse aplicando las leyes de fricción seca. Éstos incluyen cuñas, tornillos, chumaceras, cojinetes de empuje y transmisiones de banda.
La mayoría de los problemas que involucran la fricción pertenecen a uno de los siguientes tres grupos:
Primer grupo: todas las fuerzas aplicadas están dadas y los coeficientes de fricción se conocen; en estos casos, se desea determinar si el cuerpo considerado permanecerá en reposo o se deslizará. La fuerza de fricción F requerida para mantener el equilibrio es desconocida y debe determinarse con la fuerza normal N , dibujando un diagrama de cuerpo libre y resolviendo las ecuaciones de equilibrio. Después se compara el valor encontrado de la magnitud F de la fuerza de fricción con el valor máximo . Si F es menor o igual que Fm, el cuerpo permanecerá en reposo. Si el valor de F encontrado es mayor que Fm no se puede mantener el equilibrio y ocurre el movimiento; entonces, la magnitud real de la fuerza de fricción es Fk =µkN.
En los problemas del segundo grupo, todas las fuerzas aplicadas están dadas y se sabe que el movimiento es inminente ; se desea determinar el valor del coeficiente de fricción estática. Aquí se determina nuevamente la fuerza de fricción y la fuerza normal dibujando un diagrama de cuerpo libre y resolviendo las ecuaciones de equilibrio. como se sabe, el valor encontrado para F es el valor máximo Fm, se puede encontrar el coeficiente de fricción al escribir y resolver la ecuación:
Fm = µsN En los problemas del tercer grupo se proporciona el coeficiente de fricción estática y se sabe que el movimiento en una dirección dada es inminente: se desea determinar la magnitud o la dirección de una de las fuerzas aplicadas. La fuerza de fricción se debe mostrar en el diagrama de cuerpo libre con un sentido opuesto al del movimiento inminente y con una magnitud Fm= µs N. como se puede apreciar en la siguiente imagen:
Entonces se pueden escribir las ecuaciones de equilibrio y se puede determinar la fuerza deseada.
Cuando solo están involucradas tres fuerzas puede ser más conveniente representar la reacción de la superficie por medio de una sola fuerza R y resolver el problema dibujando un triángulo de fuerzas.
Cuando dos cuerpos A y B están en contacto, las fuerzas de fricción ejercidas, respectivamente, por A sobre B y por B sobre A son iguales y opuestas (tercerla Ley de Newton). Al dinujar el diagrama de cuerpo libre correspondiente a uno de los cuerpos es importante incluir la fuerza de fricción apropiada con su sentido correcto. Por tanto siempre se debe tener presente la siguiente regla: el sentido de la fuerza de fricción que actúa sobre A es opuesta al sentido del movimiento (o al del movimiento inminente) de A visto desde B.
IMPORTANCIA DE LA INGENIERÍA: FRICCIÓN
Autor:
Diana Karina Mass Cel.