ACTIVIDAD INTEGRADORA
La mecánica se puede definir como la ciencia que describe y predice las condiciones de reposo o movimiento de los cuerpos bajo la acción de fuerzas. La cual se divide en tres partes, tales son la mecánica de cuerpos rígidos, la mecánica de cuerpos de formables y la mecánica de fluidos.
La mecánica de cuerpos rígidos se divide en dos áreas: estática y dinámica, estas dos ciencias son las que hace mención, la cual son ciencias que en verdad son muy fascinante y que son de gran relevancia para distintas carreras pero por mi parte en la carrera de ingeniería. La estática trata sobre el equilibrio de los cuerpos, es decir, de los que se encuentran en estado de reposo (sin movimiento) o se mueven con una velocidad constante; en tanto que la dinámica se basa en el movimiento acelerado de los cuerpos. Aunque la estática puede considerarse como la parte de la dinámica en la que la aceleración sea cero, la estática merece tratarse aparte en los estudios de ingeniería, porque muchos objetos se diseñan con la intención de que permanezcan en equilibrio.
En esta parte del estudio de la mecánica se supone que los cuerpos son perfectamente rígidos. Sin embargo, las estructuras y las máquinas reales nunca lo son y se deforman bajo las cargas a las que están sometidas.
Estas de formaciones casi siempre son pequeñas y no afectan de una manera grande a las condiciones de equilibrio o de movimiento de la estructura en consideración. Pero son importantes cuando se tiene muy en cuenta la resistencia de la estructura a las fallas y se estudian en la mecánica de materiales, que es una parte de la mecánica de cuerpos de formables.
La parte de la mecánica que la de fluidos, se subdivide en el estudio de los fluidos incompresibles y el de los fluidos compresibles. Mencionando a la hidráulica que es una subdivisión importante en el estudio de los fluidos incompresibles y trata problemas referente a los líquidos.
La mecánica es una ciencia física ya que pues estudia fenómenos físicos. Sin embargo, muchas personas la asocian con las matemáticas, mientras que otras la denominan con un tema de ingeniería. Por lo tanto la mecánica es la base de la mayoría de las ciencias de la ingeniería y es importante estudiarlas, pero no tiene el carácter empírico propio de algunas ciencias de la ingeniería, es decir, no se basa sólo en la experiencia u observación si no por su rigor y la importancia que da al razonamiento deductivo se parece a las matemáticas.
Esto no lleva a saber que la mecánica no ciencia pura, si no es una ciencia aplicada. Su propósito es explicar y predecir los fenómenos físicos y poner las bases para aplicarlas en ingeniería.
Ahora bien la rama de la Mecánica que estudia el equilibrio estático de los cuerpos se le denomina Estática.
La Estática o también llamada equilibrio de los sistemas, es relacionando como la ausencia de movimiento. Trata por tanto de un caso particular de la dinámica, el objeto que tiene la estática es el análisis de una serie de condiciones para que se verifique el equilibrio y que éste sea estable.
La estática determina las condiciones bajo las cuales un cuerpo actuado por diversas fuerzas permanece en equilibrio, es decir en reposo o como diríamos sin ningún tipo de movimiento. El desarrollo de esta viene desde mucho tiempo atrás, mucho antes del desarrollo de la dinámica, pues los principios que involucra a la Estática podían formularse simplemente a partir de las medidas geométricas y de la medición de fuerzas.
Algunos de sus principios fueron elaborados por los egipcios y los babilónicos en problemas relacionados con la construcción de las pirámides y de templos. Entre los más antiguos escritos sobre este tema se puede mencionar a Arquímedes (287-212 a.C.) quién formuló los principios del equilibrio de fuerzas actuando en palancas y algunos principios de la hidrostática. Documentos antiguos registran también estudios sobre la polea, el plano inclinado, y la llave de tuerca, en una época en que las necesidades de ingeniería se limitaban principalmente a la construcción (Hibbeler, 1993).
Uno de los temas principales sobre dichos escritos se encuentra el principio de Arquímedes, este principio afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
Ahora bien la explicación del principio de Arquímedes consta de dos partes: La primera es el estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido y la segunda es la sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones.
Este principio lo podemos a aplicar en cosas que hacemos cotidianamente como por ejemplo cuando nadamos o cuando tiramos un objeto al agua; el objeto se hunde si su peso es mayor que el peso del fluido desalojado. El objeto flota cuando su peso es menor o igual al peso del fluido desplazado. Algo tan cotidiano que la gran mayoría de las personas la pasamos tan desapercibo.
Retomando con el tema de la estancia decimos que es un sistema material que está en equilibrio cuando todas sus partículas se encuentran en reposo, y permanecen en el mismo estado de reposo como ya había mencionado, pero para que se verifique el equilibrio y éste sea estable han de darse una serie de condiciones.
Lo primero sería que para un sistema sometido a un conjunto de fuerzas dadas, establecer la existencia de una o más posibles configuraciones de equilibrio y determinar éstas, luego sería analizar la estabilidad de las posiciones de equilibrio.
El concepto de estabilidad consiste en garantizar si ante pequeñas perturbaciones respecto de la posición de equilibrio se mantiene el movimiento próximo a dicha configuración, o si por el contrario se aleja indefinidamente de la misma.
Para un sistema en una configuración geométrica determinada, determinar las acciones necesarias (tanto en lo que respecta a fuerzas activas como a reacciones) para el equilibrio y su estabilidad.
Un cuerpo en equilibrio estático, si no se le perturba, no sufre aceleración de traslación, de rotación o un algún otro movimiento sobre el cuerpo, porque la suma de todas las fuerzas o la suma de todos los momentos que actúan sobre él son cero. Sin embargo, si el cuerpo se desplaza ligeramente, se podría llegar a tres posibles resultados:
El primer resultado sería que el objeto regresa a su posición original, en cuyo caso se dice que está en equilibrio estable.
El segundo seria si el objeto se aparta más de su posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio inestable.
Y ya por último sería si el objeto permanece en su nueva posición, en cuyo caso se dice que está en equilibrio neutro o indiferente. Ahora bien el momento de una fuerza podría llevarse a cabo de una manera sencilla, si nos dan un brazo de palanca, con un punto de aplicación en un extremo y una fuerza en el otro, el momento de esa fuerza vendría siendo el producto de la fuerza por la distancia al punto de aplicación. Esto se podría representar con la fórmula de:
Mo = F. d
Haciendo mención sobre las aplicaciones prácticas de la estática en la ingeniería las cuales son muy numerosas, esto así especialmente en la ingeniería civil que por lo general las estructuras son diseñadas para estar y permanecer en reposo bajo las cargas de servicio estáticas, o para que su movimiento bajo cargas dinámicas sea pequeño y estable como las vibraciones.
En definitiva en la ingeniería civil, la estática tiene una gran importancia, ya que analiza las fuerzas interiores y exteriores de una estructura, e incluso va ligada con el análisis estructural, el cual se encarga de determinar las dimensiones de los elementos estructurales, bajo la aplicación de cargas que nos podrán garantizar estructuras seguras y estables.
Por otra parte también hablaremos sobre la dinámica que es el completo de la estancia refiriéndonos a la mecánica de cuerpos rígidos, esta es una rama de la física que más transcendencia ha tenido a lo largo del surgimiento del hombre. La dinámica es la encargada del estudio del origen del movimiento, por lo que su estudio es referido a cómo es que se produce dicho movimiento.
La principal razón para el desarrollo de la dinámica fuera posterior, está directamente relacionada con el desarrollo de los métodos para medir el tiempo. Un avance en una teoría permite la construcción de nuevos aparatos de medición que a su vez ayudan a perfeccionar la teoría y así sucesivamente. El desarrollo de nuevas tecnologías permite el avance en las teorías.
Puesto que los principios de la dinámica dependen de la precisión en la medida del tiempo, esta materia vino a desarrollarse mucho más tarde. Galileo Galilei fue uno de los grandes aportadores en este campo. Su trabajo consistió en experimentos con péndulos y cuerpos en caída libre. Pero entres las aportaciones más significativas a la dinámica, se deben a Isaac Newton, conocido por su aportación de sus tres leyes fundamentales del movimiento y también de la ley de la Gravitación Universal.
Los trabajos más significativos que han tenido un nivel de sistematización de esta ciencia descansan principalmente sobre los hombros de Galileo y Newton. Las leyes de la Mecánica, aunque no son las más complejas, son muy fundamentales en la vida de la humanidad, basta solo pensar que el condicionamiento del sistema solar está sujeto a la Ley de la Gravitación Universal descrita por Newton y a las leyes de Kepler, es decir nuestro hábitat está regido por leyes físicas. Las leyes de Newton son unas de las leyes físicas más conocidas universalmente, ellas poseen carácter de sistema y de manera general permiten explicar el movimiento de partículas y se constituyen en la base para el análisis de otros fenómenos físicos en otros campos de la física.
También podemos añadir que la fuerza es la acción que modifica el estado de reposo o movimiento de los cuerpos y que su relación con el tiempo y la masa es la siguiente: La aceleración adquirida por un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a la masa del mismo.
Las ideas de Galileo Galilei sobre la dinámica, sus estudios sobre los movimientos de los cuerpos fueron precursores de las leyes de Newton. Isaac Newton podría representar un salto enorme en la ciencia. Al analizar el movimiento de la Luna llegó a una descripción perfecta de los movimientos, una descripción que puede ser utilizada tanto para las estrellas y objetos más pequeños en la Tierra.
Ahora bien la dinámica también incluye la cinemática, la cual corresponde al estudio de la geometría del movimiento. Es utilizada para relacionar el desplazamiento, la velocidad, la aceleración y el tiempo, sin hacer referencia a la causa del movimiento. Su estudio nos lleva la relación que existe entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, su masa y el movimiento de este mismo. La cinética también se utiliza para predecir el movimiento ocasionado por fuerzas dadas, o para determinar las fuerzas que se requieren para producir un movimiento específico.
El estudio de la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos, pero también en la termodinámica y electrodinámica.
En otros campos científicos, como la economía o la biología, también es común hablar de dinámica en un sentido similar, para referirse a las características de la evolución a lo largo del tiempo del estado de un determinado sistema.
La primera contribución importante se debe a Aristóteles. Él define, que el movimiento dinámico, como: "La realización acto, de una capacidad o posibilidad de ser potencia, en tanto que se está actualizando". El problema está en que Aristóteles invierte el estudio de la cinemática y dinámica, estudiando primero las causas del movimiento y después el movimiento de los cuerpos.
Este error dificultó el avance en el conocimiento del fenómeno del movimiento hasta, en primera instancia, San Alberto Magno, que fue quien advirtió este error, y en última instancia hasta Galileo Galilei e Isaac Newton. De hecho, Thomas Bradwardine, en 1328, presentó en su De proportionibus velocitatum in motibus una ley matemática que enlazaba la velocidad con la proporción entre motivos a fuerzas de resistencia; su trabajo influyó la dinámica medieval durante dos siglos, pero, por lo que se ha llamado un accidente matemático en la definición de acrecentar, su trabajo se descartó y no se le dio reconocimiento histórico en su día.
Como mencionamos que Isaac Newton fue unos de los hombres lo cual sus investigaciones y aportaciones nos llevaron a conocer a la ciencia que hoy denominamos Dinámica que es de los hemos estado hablando, es por ese motivo que hago mención sobre sus tres leyes que este científico estableció. Según la primera Ley de Newton, si no existen fuerzas externas que actúen sobre un cuerpo, éste permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante en línea recta. Galileo expuso que si no existe fricción, el cuerpo Continuará moviéndose a velocidad constante, ya que ninguna fuerza afectará el movimiento.
Cuando se presenta un cambio en el movimiento de un cuerpo, éste presenta un nivel de resistencia denominado inercia. Como por ejemplo en un vehículo que ha frenado de improviso y tú has debido detenerte con tus propias manos, has experimentado lo que es la inercia. Por tanto, a la primera ley de Newton también se le conoce como ley de la inercia.
En ausencia de la acción de fuerzas, un cuerpo en reposo continuara en reposo, y uno en movimiento se moverá en línea recta y con velocidad constante. La segunda ley de newton determina que si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera.
La aceleración se produce en la misma dirección que la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se mueve. Recuerda que la fuerza y la aceleración son magnitudes vectoriales por lo que tienen un valor, una dirección y un sentido. Si la masa de los cuerpos es constante.
La fórmula que expresa la según da ley de Newton es:
Fuerza = masa x aceleración.
En cambio cuando la masa del cuerpo aumenta, la aceleración disminuye. Entonces, debes establecer la cantidad de movimiento que equivale al producto de la masa de un cuerpo por su velocidad.
Y por mencionar a la tercera ley de newton que postula que la fuerza que impulsa un cuerpo genera una fuerza igual que va en sentido contrario. Si un cuerpo ejerce fuerza en otro cuerpo, el segundo cuerpo produce una fuerza sobre el primero con igual magnitud, en la misma dirección y sentido contrario.
La fuerza siempre se produce en partes iguales y opuestos, para cada acción de un cuerpo sobre otro siempre existirá una reacción igual y contraria. Por esta razón, a la tercera ley de Newton también se le conoce como ley de acción y reacción. Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un cuerpo, este reacciona con una fuerza de la misma magnitud, misma dirección y sentido contrario.
Isaac Newton también aporto mucho con su teoría de la gravitación universal, en esta explico las leyes de Kepler y, por tanto, los movimientos celestes, a partir de la existencia de una fuerza, la fuerza de la gravedad, que actuando a distancia produce una atracción entre masas. Esta fuerza de gravedad demostró que es la misma fuerza que en la superficie de la Tierra denominamos peso.
Newton demostró que la fuerza de la gravedad tiene la dirección de la recta que une los centros de los astros y el sentido corresponde a una atracción. Es una fuerza directamente proporcional al producto de las masas que interactúan e inversamente proporcional a la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad, G, se denomina constante de gravitación universal.
Newton consiguió explicar con su fuerza de la gravedad el movimiento elíptico de los planetas. La fuerza de la gravedad sobre el planeta de masa m va dirigida al foco, donde se halla el Sol, de masa M, y puede descomponerse en dos componentes:
Existe una componente tangencial (dirección tangente a la curva elíptica) que produce el efecto de aceleración y desaceleración de los planetas en su órbita (variación del módulo del vector velocidad).
La componente normal, perpendicular a la anterior, explica el cambio de dirección del vector velocidad, por tanto la trayectoria elíptica.
De la misma manera que la estática, la dinámica en la ingeniería civil puede aplicarse en todo lo que se mueve, como por ejemplo, en la Hidráulica, turbinas, motores, maquinaria pesada, grúas, de la misma forma que en análisis de vigas por métodos dinámicos y de energía, como también nos ayuda en el diseño de pavimentos de carreteras, de vías y puentes para ferrocarriles.
Cabe mencionar que estas dos ciencias son fundamentales en el desarrollo de la fisica, en la ingeniería entre otros grandes campos.
En el caso de la estática es una ciencia que trata sobre el equilibrio y los objetos están equilibrio porque sus partículas se encuentran en reposo. Para mí todo esto se me hace muy fascinante y siento que al saber y comprender todo esto será de muy buena ayuda.
Esto lo podemos referir en su aplicación ya que puede darse en todas partes o sea en todo lo que nos rodea en este mundo, el campo en que me quiero referir es en la ingeniería civil. Esta ingeniería trata acerca de la construcción, en la resistencia de los materiales que se usan, entonces al hablar de la estática nos hace referencia que ayuda a que las estructuras no se caigan, entonces se dice que sin la estática no se puede construir o al menos no racionalmente. El estudio de los esfuerzos a los que esta aplicado cierto cuerpo es lo que permite calcular que fuerzas se necesitan para contrarrestarlos y que así el cuerpo permanezca en equilibrio.
Por lo tanto uno de los principales objetivos de la estática es la obtención de esfuerzos cortantes, fuerza normal, de torsión y momento flector a lo largo de una pieza, que puede ser desde una viga de un puente.
Su importancia reside en que una vez trazados los diagramas y obtenidas sus ecuaciones, se puede decidir el material con el que se construirá las estructuras, las dimensiones que deberá tener, límites para un uso seguro, entre otras, mediante un análisis de materiales. Por tanto, la aplicación de la ingeniería civil y la construcción, siempre serán requeridas para construir una estructura fija.
Y en el caso de la dinámica, también existen muchas aplicaciones en el campo la ingeniería, empezando por la cinemática, la cual tiene aplicación en el trazado de carreteras, en el cálculo dinámico de estructuras, como por ejemplo los puentes de Ferrocarril y carreteras cuando entra un tren de cargas.
Con relación a lo anterior, puede considerarse el cálculo sísmico, como un análisis dinámico de estructuras tal es el caso de edificios, chimeneas, etc.
La dinámica es una de las herramientas que utilizan los ingenieros y que debemos tener presente antes y durante diseñar y construir, aunque algunos ingenieros modernos cuentan con una técnica, la cual es desarrollar ecuaciones matemáticas basadas en las características físicas de los objetos que diseñan.
En conclusión la estática y la dinámica están muy presente en nuestro día a día, pues todo lo que nos rodea se basa en lo que los grandes como Newton y la ayuda de sus tres fundamentales leyes y la de la gravitación universal que han sido de gran ayuda, es por eso que desde los inicios del estudio de la física que nos ha llevado a la mecánica y de ahí a estas ciencias ya mencionadas, y que gracias a los científicos importantes como Aristóteles, Arquímedes y nuevamente Isaac Newton, que hasta hoy en día otros grandes científicos han descubierto cosas nuevas y que los usos de la estática y de la dinámica para nuestra vida diaria y laboral nos han beneficiados en proyección a la ingeniería entro otros más, para que Hoy gracias a ellas, hemos evolucionado aún más.
Referencias:
MECANICA VECTORIAL PARA INGENIEROS, ESTATICA de Beer, Johnson, Mazurek, Eisenberg. Novena Edición.
MECÁNICA VECTORIAL PARA INGENIEROS, DINÁMICA de Beer y Johnston. McGraw Hill.
http://w3.mecanica.upm.es/~goico/mecanica/libro/cap13.pdf
http://www.ual.es/~mnavarro/TEMA4Estatica.pdf
https://uthmkt.files.wordpress.com/2011/02/notas-de-la-materia-fuedut-uni-2.pdf
Autor:
Morales Martín Germán Eliel
Elaboración y Presentación de Textos
Docente: Dr. Guadalupe del Carmen Cú Balám
SEGUNDO Semestre Grupo "A"
Ciclo Escolar: 2015-2016 Fase II