Forces, Propietats Mecàniques i Estructures

Forces

Les forces són accions capaces de produir o modificar l'estat de repòs o de moviment d'un cos o de produir-hi deformacions. La unitat de força, en el sistema internacional de mesura, és el newton (N).

Característiques:

1. No es veuen, només els efectes.
2. Es produeixen entre cossos que estan en contacte o no.
3. En diferents punts d'aplicació obtenim diferents efectes.
4. Per mesurar-les utilitzem el dinamòmetre.
5. La seva representació es fa amb vectors que tenen longitud, direcció i sentit.

Propietats mecàniques dels materials

Característica que determina el comportament del material quan hi actuen una o més forces.

Conseqüència o efectes de les forces: doblegar, estirar, arrugar, trencar...

Tipus de propietats:

1. Resistència: capacitat que té un material de resistir forces sense deformar-se excessivament ni trencar-se.
2. Tenacitat i fragilitat: Propietat que tenen alguns materials de suportar forces i cops sense trencar-se. La fragilitat és el contrari de la tenacitat. La resistència i la tenacitat són conceptes diferents perquè un material pot ser fràgil però resistent a alguns esforços.
3. Elasticitat: Propietat que tenen els materials de recuperar la seva forma original després d'haver estat deformats per un esforç.
   - Límit elàstic: és el límit de força en el qual la deformació és permanent i el material pot arribar a trencar-se.
4. Plasticitat: Propietat per la qual podem canviar la forma.
   - Ductilitat: És la propietat d'alguns materials de deformar-se permanentment en forma de fil prim sense trencar-se.
   - Malleabilitat: És la propietat d'alguns materials de deformar-se permanentment en forma de làmina molt fina sense trencar-se.
5. Duresa: Propietat que indica l'oposició que té un material a ser ratllat o penetrat.

Esforços

La resistència d'un material depèn d'una sèrie de característiques: materials, dimensions, forma i tipus d'esforç.

Hi ha 5 tipus d'esforços:

1. Tracció: Són dues forces oposades que actuen sobre un cos i tendeixen a estirar-lo o allargar-lo. Ex: cable. La resistència que té l'objecte a la tracció depèn del material i de la secció o gruix.
2. Compressió: Aquesta classe d'esforç es produeix quan les forces que actuen sobre un objecte van en la mateixa direcció però són oposades; en aquest cas tendeixen a aixafar-lo o a escurçar-lo.
3. Flexió: Quan les forces o les càrregues que actuen sobre una peça s'apliquen contra el seu eix longitudinal i tendeixen a corbar-la, diem que la peça suporta un esforç de flexió. La resistència a la flexió depèn del material, la longitud i la forma de la secció. Com més llarg és un cos i més petit el seu cantell, menys resistència té a la flexió.
4. Torsió: és l'efecte on l'acció de les forces fan que un cos giri o es torci.
5. Cisallament o tallant: Són dues forces oposades en una mateixa part de l'element.

Estructures

Conjunt d'elements units entre ells amb la funció bàsica de suportar forces. Les funcions bàsiques de tota estructura són: suportar l'acció de forces exteriors i interiors, aguantar el propi pes i el de les càrregues que li carreguem i mantenir l'estabilitat.

Com són?

Totes tenen les mateixes funcions, però totes són diferents.

Antigament les estructures eren de blocs de pedra ja que no hi havia bigues de formigó o acer. Els blocs eren col·locats de manera que el pes quedés distribuït i es mantenien unides formant resistència.

D'armadura: És formada per un conjunt d'elements resistents, units o engalzats entre si, que constitueixen l'esquelet de diversos tipus d'objectes o construccions. Les més corrents són les estructures metàl·liques i les de formigó.

Laminar o carcassa: És formada per làmines o plafons units entre si que solen envoltar l'objecte.

Disseny

Abans de dissenyar s'ha de tenir en compte alguns factors, el material i la forma.

• Materials: La característica més important és la resistència, ja que els pesos o càrregues que haurà de suportar i la capacitat del material de resistir els esforços i evitar les deformacions fan que calgui adoptar materials resistents. És per això que les estructures es construeixen amb materials com l'acer, l'alumini, el formigó, la fusta i el plàstic, tots prou resistents.
• Forma: L'estructura també ha de tenir estabilitat, no pot bolcar ni caure amb facilitat.
  Per incrementar l'estabilitat de l'estructura, s'utilitzen diversos sistemes:
  • Fixar l'estructura a terra per mitjà de claus, cargols, fonaments, etc.
  • Augmentar el pes de la base.
  • Construir una base de suport més ampla.
  • Col·locar-hi cables tensors.

Estructures metàl·liques

La pedra i la fusta són substituïdes per l'acer al s. XIX, que dóna més resistència i pesa menys. L'estructura triangular proporciona resistència i rigidesa. Nus: és la unió dels elements.

Tipus d'unions:

• Unió rígida: no permet el moviment.
• Unió articulada: permet el moviment.

La unió depèn del material i de si cal desmuntar l'estructura.

Tipus d'unions segons si es desmunten o no:

• Desmontable: es realitza amb cargols o passadors.
• Fixa: es realitza amb soldadura o reblons.

Inconvenients de les estructures metàl·liques

• Es rovellen, cal pintar-les.
• Es deformen amb la calor i el fred.

Quins elements intervenen en les estructures metàl·liques?

Les estructures metàl·liques es construeixen bàsicament amb perfils, d'acer o alumini, les seves formes depenen de l'esforç que han de suportar:
Doble T = IPN: Forma de U: I a les amples = HEB: