Estática - OCW de la Universidad Politécnica de Madrid

Capítulo 13

Estática

13.1. Consideraciones Generales

En los capítulos precedentes se ha estudiado la descripción del movi-miento (cinemática), las magnitudes que caracterizan al mismo en sistemasmateriales (cinética), y la evolución de estas magnitudes con el tiempo (di-námica).

En este capítulo se estudiará la estática o equilibrio de los sistemas,entendida como la ausencia de movimiento. Se trata por tanto de un casoparticular de la dinámica, pero que por su importancia merece un trata-miento especial.

definición:

Se dice que un sistema material está en equilibrio cuando to-

das sus partículas se encuentran en reposo, y permanecen en el

mismo estado de reposo.

Para que se verique el equilibrio y éste sea estable han de darse unaserie de condiciones, cuyo análisis constituye el objeto de la estática. Éstapermitirá analizar diversos tipos de problemas:

1. Para un sistema sometido a un conjunto de fuerzas dadas, establecerla existencia de una o más posibles conguraciones de equilibrio ydeterminar éstas.

2. Analizar la estabilidad de las posiciones de equilibrio. El concepto deestabilidad consiste en garantizar si ante pequeñas perturbaciones res-pecto de la posición de equilibrio se mantiene el movimiento próximo

13.1

13.2 Capítulo 13. ESTÁTICA

a dicha conguración, o si por el contrario se aleja indenidamente dela misma.

3. Para un sistema en una conguración geométrica determinada, de-terminar las acciones necesarias (tanto en lo que respecta a fuerzasactivas como a reacciones) para el equilibrio y su estabilidad.

Las aplicaciones prácticas de la estática en la ingeniería son muy nu-merosas, siendo quizá la parte de la mecánica más empleada. Esto es asíespecialmente en la ingeniería civil y en el análisis estructural: por lo generallas estructuras se diseñan para estar y permanecer en reposo bajo las cargasde servicio estáticas, o para que su movimiento bajo cargas dinámicas seapequeño y estable (vibraciones).

Los principios generales de la dinámica de sistemas, desarrollados enlos capítulos anteriores permiten, mediante su particularización a las condi-ciones de la estática, establecer las condiciones generales del equilibrio. Enconcreto, para un sistema general de varias partículas (digamos N), la apli-cación del principio de la cantidad de movimiento a cada partícula (ecuación(6.3)), para las condiciones particulares del equilibrio (dvi/dt = 0), da lu-gar a una condición necesaria: F i = 0, (i = 1, 2, . . . N). Por otra parte,si el sistema parte de un estado inicial de reposo (vi(0) = 0) la condiciónanterior es también suciente. Podemos adoptar por lo tanto con caráctergeneral como condición de equilibrio (necesaria y suciente) la anulación dela resultante de las fuerzas ejercidas sobre cada partícula:

vi(0) = 0, F i = 0 ⇐⇒ vi(t) = 0 ∀i = 1, 2, . . . N (13.1)

En los sistemas reales con innitas partículas (p. ej., sólidos rígidos consi-derados como medios continuos) es preciso reducir las condiciones generalespara el equilibrio expresadas arriba a un número menor de condiciones, deforma que sea abordable el problema mediante los métodos de la mecánicade sistemas discretos estudiados en este curso1. En cualquier caso, el estudiode las fuerzas será esencial para las condiciones de equilibrio.

Ya se estableció una clasicación somera de las fuerzas en un sistema enel apartado 6.1. Sin embargo, recordaremos aquí algunos conceptos que nosserán útiles para la estática. En primer lugar, es posible clasicar las fuerzas

1Se puede estudiar la estática (y también la dinámica) en medios continuos, medianteecuaciones en derivadas parciales o formulaciones débiles equivalentes como el principiode los trabajos virtuales. Entre los procedimientos de resolución, el más potente en laactualidad es el Método de los Elementos Finitos (M.E.F.), especialmente adecuado parasu tratamiento numérico en ordenadores.

Aptdo. 13.1. Consideraciones Generales 13.3

en fuerzas activas o directamente aplicadas, y fuerzas pasivas, también lla-madas reacciones o fuerzas de ligadura. Las primeras son las que tienen unvalor conocido, variables con el tiempo o no (por ejemplo, cargas exterioresejercidas sobre el sistema), o posiblemente en función de la conguración oestado del sistema (por ejemplo, fuerzas internas en muelles o amortiguado-res). Por el contrario, se consideran reacciones las que sirven para imponeruna determinada ligadura o apoyo, y cuyo valor debe calcularse imponiendolas ecuaciones de equilibrio compatibles con dicha ligadura (o de la dinámicasi el problema no es estático).

Otra clasicación de las fuerzas a tener en cuenta es como interiores yexteriores. El primer caso engloba a todas las que provienen de partículasdentro del propio sistema, tanto por acciones de contacto, acciones a dis-tancia (por ejemplo, atracción gravitatoria), o mediante elementos discretoscomo resortes o amortiguadores. En este caso tanto la acción como la re-acción que postula la tercera ley de Newton se ejercen entre partículas delsistema. Por el contrario, se denomina fuerza exterior a la que proviene depuntos externos al sistema, y la reacción a la misma no se ejerce por tantosobre el sistema. Tanto las fuerzas activas como las reacciones pueden sera su vez interiores o exteriores, siendo ambas clasicaciones independien-tes. Así, las ligaduras pueden provenir de partículas del mismo sistema (porejemplo, distancias constantes entre puntos de un sólido rígido) o de fueradel mismo (por ejemplo, apoyos o sustentaciones externas).

Otro elemento importante para el análisis del equilibrio son las ligaduraso enlaces. Ya se habló sobre ellas en el apartado 6.1, por lo que sólamenterecordaremos aquí los aspectos fundamentales. Establecíamos allí la clasi-cación entre enlaces holónomos, funciones que imponían condiciones entrecoordenadas y tiempo:

φ(r1, r2, . . . , rn, t) = 0, (13.2)

y enlaces anholónomos, funciones que adicionalmente dependían de las ve-locidades:

φ(r1, . . . , rn, r1, . . . , rn, t) = 0 (13.3)

Asimismo, en función de su variación temporal, los enlaces se denominanreónomos si dependen explícitamente del tiempo (∂φ/∂t 6= 0) o escleró-

nomos si no varían con el tiempo (∂φ/∂t = 0). Por último, denominamoslisos a los enlaces cuyas fuerzas de reacción no realizan trabajo para los mo-vimientos permitidos por los mismos, mientras que serán rugosos en casocontrario. Para que tenga sentido esta última clasicación, es obvio que elenlace debe permitir algún movimiento, ya que en caso contrario no cabe ha-blar de trabajo. Para ilustrar esta última clasicación, considérese un apoyo


deslizante, que puede ser liso o con rozamiento entre las supercies; por elcontrario, si el apoyo restringe todos los movimientos del punto en cuestiónse convierte en un empotramiento, al cual no tiene sentido calicarlo comoliso ni rugoso.

13.2. Condiciones Analíticas del Equilibrio

En el capítulo 7 se estudió la formulación analítica de la mecánica, enrelación con la dinámica. Recordemos que la base de dicho planteamiento,debido originalmente al matemático francés Lagrange, es la descripción dela conguración del sistema mediante un conjunto reducido de coordenadasgeneralizadas, para las que empleamos la notación qi (i = 1, 2, . . . , n), quesirven para denir de manera unívoca la conguración. Estas coordenadaspueden, en principio, representar magnitudes físicas diversas (longitudes,ángulos, distancias al cuadrado, . . . ), no estando restringidas a sistemas decoordenadas algebraicas ni a bases de espacios vectoriales.

La ventaja fundamental del uso de coordenadas generalizadas es que ensu propia elección está incluida toda o a menos gran parte de la informaciónde los enlaces. Cuando los enlaces son holónomos, de las ecuaciones (6.2)que los expresan podemos eliminar las coordenadas dependientes; de estaforma, restan al nal únicamente las coordenadas independientes o grados

de libertad del sistema. Si existen además enlaces anholónomos propiamen-te dichos (es decir, no integrables) no será posible eliminar las coordenadasredundantes y será preciso mantener sus ecuaciones de ligadura de mane-ra explícita, para solucionarlas nalmente junto con las ecuaciones de ladinámica mediante multiplicadores de Lagrange (ver apartado 7.4).

En cualquier caso, el estudio de un sistema mediante coordenadas ge-neralizadas permite un marco ventajoso para establecer las condiciones deequilibrio, ya que por lo general nos restringiremos al mínimo múmero decondiciones. Sean las coordenadas generalizadas libres o no, por lo generalson un número mucho más reducido que el de las coordenadas cartesianasde todas las partículas del sistema; normalmente, serán además un conjuntodiscreto y nito de coordenadas, en lugar de un número innito como porejemplo el que corresponde a las partículas de un sólido considerado comoun medio continuo.

Puesto que la relación entre las conguraciones o posiciones del sistemay las coordenadas generalizadas ri(qj) (i = 1, . . . N ; j = 1, . . . n) es unívoca,es obvio que la denición de equilibrio (6.1) dada en el apartado anteriores equivalente a exigir que las coordenadas generalizadas sean constantes y

Aptdo. 13.2. Condiciones Analíticas del Equilibrio 13.5

permanezcan constantes:

qj = 0; qj = 0 (j = 1, . . . , n) (condición de equilibrio) (13.4)

Para establecer la restricción que esta condición impone a las fuerzas, par-timos de las ecuaciones de Lagrange (7.12):

ddt

(∂T

∂qj

)− ∂T

∂qj= Qj (13.5)

donde Qj son las fuerzas generalizadas (ecuación (7.7)) y T es la energíacinética. Esta última viene dada, en el caso en que los enlaces no dependandel tiempo, mediante (7.33)2:

T =12aklqkql

donde los coecientes akl son simétricos, y pueden ser función a su vez delas coordenadas, akl(qj). Sustituyendo en las ecuaciones de Lagrange (6.5),

dakjdt

qk + akj qk −12∂akl∂qj

qkql = Qj

y empleando la condición de equilibrio (6.4) se llega a la condición equiva-lente

Qj = 0 (j = 1, . . . , n) (13.6)

Es fácil ver también que, si Qj = 0 y se parte de condiciones iniciales dereposo (qj(0) = 0), puesto que la matriz de coecientes akl es regular, ha deser qj = 0. Por lo tanto, la anulación de las fuerzas generalizadas (6.6) esnecesaria y suciente para el equilibrio de un sistema, pudiendo considerarsecomo una condición equivalente a (6.4).

13.2.1. Unicidad del Equilibrio. Condición de Lipschitz

Acabamos de ver que si se anulan las fuerzas generalizas (Qj = 0) existesolución estática o de equilibrio. Sin embargo, no queda demostrado desdeel punto de vista matemático la unicidad de esta solución. Podría, en teoría,existir otra solución que fuese dinámica.

Desde un punto de vista físico determinista la falta de unicidad no tienesentido, pues supondría que a partir de condiciones iniciales dadas es impo-sible predecir el estado o la evolución de un sistema. Esto de hecho ocurre

2al igual que en capítulos anteriores, adoptaremos aquí el convenio de sumatorio im-plícito para los índices repetidos


en la dinámica para el caso de los sistemas caóticos, en los que el desorden(caos) se debe en realidad a una gran sensibilidad frente a perturbacionespequeñas, haciéndose en la práctica impredecible su evolución.

Veamos un sencillo ejemplo de sistema que posee solución no única,estática y dinámica:

mx = k∣∣∣√|x|∣∣∣ , siendo m, k > 0 (13.7)

La solución estática es obviamente:

x = 0

Sin embargo, existe asimismo una solución dinámica dada por:

x =k2

144m2t4

basta sustituir en (6.7) para comprobar que esta solución cumple efectiva-mente la ecuación.

Matemáticamente, la condición de unicidad se expresa por la Condición

de Lipschitz:

Se dice que una función Q(qi, t), denida en un Dominio D cum-

ple la condición de Lipschitz respecto de las variables qi si se

puede encontrar una constante k tal que ∀qi ∈ D y ∀∆qi,

|Q(qi + ∆qi, t)−Q(qi, t)| ≤ k∑i

|∆qi| (13.8)

La constante k se denomina constante de Lipschitz.Si el Dominio D es convexo, un requisito suciente para la condición de

Lipschitz es que existan derivadas parciales∂Q

∂qi, y que estén acotadas en D.

La función (6.7) propuesta en el ejemplo anterior no podemos garanti-zar que cumple la condición de Lipschitz en x = 0, pues no existe allí suderivada. por tanto, no está garantizada la unicidad de la solución, que dehecho hemos visto no es única.

13.3. Estabilidad del Equilibrio

13.3.1. Concepto de Estabilidad

Una perturbación del equilibrio en que se alteren las coordenadas qi,o bien se ponga en movimiento el sistema con velocidades iniciales qi 6= 0,

Aptdo. 13.3. Estabilidad del Equilibrio 13.7

-

6

k√|x|

x

F (x)

Figura 13.1: Sistema

gobernado por la ecua-

ción mx = k√|x|;

la solución estática en

x = 0 no es única, de-

bido a la no derivabi-

lidad de la función de

fuerza en este punto.

r

r

r

r jb?

mg

b?

mg

b?

mg

b?

mg

Figura 13.2: Ejemplos de

equilibrio estable, inestable e

indiferente.

dará lugar a una evolución dinámica del sistema, en la que obviamente laconguración varía respecto de la posición de equilibrio.

Se dice que el equilibrio es estable cuando la variación respecto de laposición de equilibrio está acotada, llegando a ser tan pequeña como que-ramos al hacer la perturbación sucientemente pequeña. En términos másprecisos, y suponiendo que la posición de equilibrio corresponde a qi = 0,diremos que el equilibrio es estable si para un valor ε tan pequeño como sedesee es posible encontrar un valor δ de forma que:

∀ε, ∃δ tal que |q0i| < δ, |q0i| < δ ⇒ |qi| < ε

En este caso lo que ocurre es que las fuerzas que se originan en estaperturbación tienden a devolver al sistema a su posición de equilibrio.

Por el contrario, se dice que el equilibrio es inestable cuando la con-


guración del sistema no está acotada, aún para una perturbación pequeña,perdiéndose por tanto la posición de equilibrio. Las fuerzas tienden a separarel sistema de su posición de equilibrio.

Por último, cabe hablar también de equilibrio indiferente, referido aperturbaciones en que se alteran tan sólo las coordenadas, pero no las velo-cidades. En este caso las nuevas posiciones, cercanas a la posición originalde equilibrio siguen siendo de equilibrio.

Restringiéndonos al caso en que las fuerzas provengan de un potencial V(Qi = −∂V/∂qi), es inmediato observar que la condición de equilibrio (6.6)exige que éste adopte un valor estacionario en la posición de equilibrio:

∂V

∂qi

∣∣∣∣qi=0

= 0 (i = 1, . . . n) (13.9)

El problema de la estabilidad del equilibrio es en realidad un problema dedinámica, como se ha observado arriba, puesto que una vez que se perturbala posición de equilibrio, aunque sea ligeramente, se pierden las condicionesestáticas (6.4).

13.3.2. Condiciones de Estabilidad: Teorema de Lejeune-Dirichlet

Supongamos un sistema en que las fuerzas provienen de un potencialV : Qi = −∂V/∂qi, y que además es autónomo: ∂V/∂t = 0. Sabemos queen el equilibrio debe cumplirse ∂V/∂qi = 0, por lo cual V adopta un valorestacionario en dicho punto. La condición analítica para la estabilidad delequilibrio viene dada por el teorema de Lejeune-Dirichlet, que arma:

Si el potencial V es mínimo en la posición de equilibrio, ésta es

estable

Cuando el potencial toma un valor estacionario correspondiente a un má-ximo, por el contrario, el equilibrio es inestable. En el caso en que V seaestacionario pero no corresponda ni a un mínimo ni a un máximo, el carácterdel equilibrio es en principio dudoso, pudiendo corresponder a situacionesde equilibrio indiferente o inestable.

Veamos en primer lugar una justicación del teorema mediante un razo-namiento sencillo e intuitivo, basado en la conservación de la energía total,E = T + V . Dicha energía debe conservarse, al provenir las fuerzas de unpotencial autónomo. Supongamos una perturbación del equilibrio, que es-té asociada bien a un cambio de las coordenadas qi o de las velocidadesqi, o de ambas al tiempo. En cualquier caso, y asignando (sin pérdida de

Aptdo. 13.3. Estabilidad del Equilibrio 13.9

generalidad) valor nulo al potencial en la posición de equilibrio, en ella laenergía total es nula; la perturbación inicial del mismo está asociada a unaenergía pequeña ε = ∆E de forma que en la evolución posterior (dinámica)se cumple:

ε = T + V

Si en la posición de equilibrio V |0 = 0 es un mínimo local, al separarseligeramente del mismo será V > 0. Por otra parte la energía cinética tambiénse anula en la posición de equilibrio y su carácter esencialmente positivoobliga igualemente a que sea T > 0. Al ser T + V = ε, esto indica queambos deben estar acotados:

T + V = ε, T > 0, V > 0 ⇒ T < ε, V < ε

La regularidad de V y T como funciones de las coordenadas y de las velo-cidades respectivamente hacen que esta condición sea equivalente a que lascoordenadas y las velocidades se mantengan igualmente pequeñas, asegu-rando por tanto la estabilidad.

Por el contrario, si V está en un punto de máximo, al apartarse delequilibrio es V < 0, por lo cual la energía cinética T debe crecer paramantener la suma igual a ε, apartándose el sistema cada vez más de laposición de equilibrio, con lo que éste será inestable.

Es posible realizar una discusión algo más precisa de la estabilidad ba-sándose en el desarrollo en serie de V (11.12):

V (q) = V (0) +∂V

∂qi

∣∣∣∣0︸︷︷︸

= 0

qi +12

∂2V

∂qi∂qj

∣∣∣∣0︸︷︷︸

def= kij

qiqj + . . . (13.10)

Al linealizar el sistema despreciando en el desarrollo anterior los términosde orden superior al segundo, tal como se vió en el capítulo 11 al estudiarlas pequeñas oscilaciones, el movimiento en general se puede describir comocombinación lineal de exponenciales del tipo (11.22):

q(t) =∑k

Ckakei√λkt (13.11)

estando los autovalores λk denidos por la expresión (11.29):

λk =akT[K]akakT[M]ak

(13.12)


donde el denominador debe ser positivo al corresponder la matriz [M] a laforma cuadrática de la energía cinética T (denida positiva). Si el numeradores positivo, por la denición de [K] = [kij ] en (6.10), quiere decir que setrata de un mínimo del potencial. Esta situación corresponde a λk > 0 y portanto ωk =

√λk ∈ R, por lo cual las soluciones dinámicas del movimiento

son pequeñas oscilaciones armónicas, acotadas, del tipo (11.24):

q(t) =∑k

Bkak cos(ωkt− δk)

Por el contrario, si el numerador en (6.12) fuese negativo, correspondiendoa un máximo de V , sería λk < 0, y sus raíces serían imaginarias, ±

√λk =

±i sk. Los sumandos correspondientes en la solución (6.11) serán

C1akeskt + C2ake−skt.

Este término no está acotado al incluir una exponencial creciente, lo queequivale a equilibrio inestable.

Puede teóricamente darse el caso de que V sea mínimo pero que elnumerador en (6.12) sea nulo, siendo entonces los términos pares de ordensuperior al segundo en (6.10) los encargados de hacer cumplir la condiciónde mínimo, ∆V > 0. La matriz [kij ] sería entonces semidenida positiva,siendo preciso para evaluar la estabilidad un estudio más detallado de lostérminos de orden superior.

El hecho de que el potencial sea mínimo corresponde a que las fuerzasque se generan en el sistema al perturbar la posición de equilibrio,

Qi '∂2V

∂qi∂qjqj ,

que son fuerzas pequeñas (del orden de qj), tiendan a recuperar la posiciónde equilibrio. Si existen además fuerzas de tipo viscoso (proporcionales a lasvelocidades qj) éstas no alteran la naturaleza del equilibrio puesto que soninnitésimas para alteraciones de las posiciones próximas al equilibrio. Enefecto, producida una perturbación en coordenadas, estas fuerzas de tipoviscoso no tenderían ni a devolver ni a apartar al sistema de la posición deequilibrio si las velocidades son cero, o prácticamente cero.

Por el contrario, hay resistencias pasivas como el rozamiento que tomanun valor nito ante cualquier intento de desplazamiento, en el sentido de im-pedir el mismo. En este caso sí pueden resultar estabilizadoras del equilibrio,creando lo que se puede llamar zonas de equilibrio estable (el equilibrio

Aptdo. 13.4. Equilibrio de una partícula 13.11

estable se produce no sólo en el punto de mínimo potencial V , sino en undominio nito en que las fuerzas de rozamiento garantizan la estabilidad).

Una consecuencia práctica inmediata del teorema de Lejeune-Dirichletes el teorema de Torricelli, para sistemas sujetos al campo gravitatorio sim-plicado. Este arma que

Para un un sistema sometido a un campo gravitatorio uniforme,

las posiciones de equilibrio estable son las que corresponden a los

mínimos de la altura (coordenada vertical) del centro de masas.

En efecto, el potencial del sistema es

V =∑i

migzi = MgzG

por lo cual, el mínimo de zG coincide con el mínimo de V , lo que garantizala estabilidad.

13.4. Equilibrio de una partícula

13.4.1. Partícula libre

Para jar ideas desarrollaremos en la práctica los conceptos de equili-brio expuestos arriba, comenzando por el sistema más simple, una partículao punto material libre. Las coordenadas generalizadas pueden ser las trescoordenadas cartesianas (x, y, z), o bién las coordenadas en otro sistemacomo cilíndricas, esféricas, etc. (ver apartado 2.2).

La condición de equilibrio es

F = 0 (13.13)

donde F es la resultante de todas las fuerzas ejercidas sobre la partícula. Engeneral, F será función de la posición de la partícula, lo cual nos permiteplantear el sistema de 3 ecuaciones con 3 incógnitas que dene las posicionesde equilibrio.

Si F (bien todas o algunas de sus componentes) depende a su vez deltiempo, es decir si se trata de un sistema no autónomo, para que hayaequilibrio será necesario conseguir la anulación de F (t) en todo momento.

Si las fuerzas provienen de un potencial V , la condición de equilibrio(6.13) equivale a

∂V

∂x=∂V

∂y=∂V

∂z= 0, (13.14)


es decir, V ha de tomar un valor estacionario. Para que este equilibrio seaestable, tal y como hemos visto con anterioridad, este punto debe constituirun mínimo de V , lo que queda garantizado si la matriz de derivadas segundases denida positiva:

∂2V

∂x2

∂2V

∂x∂y

∂2V

∂x∂z

∂2V

∂y∂x

∂2V

∂y2

∂2V

∂y∂z

∂2V

∂z∂x

∂2V

∂z∂y

∂2V

∂z2

> 0

Un resultado elemental de algebra matricial es que para que una matrizsea denida positiva todos sus menores principales han de ser positivos, locual en nuestro caso se traduce en tres inecuaciones, al ser la matriz deorden tres.

Conviene observar que, en el caso de emplear coordenadas curvilíneas yque estas no sean regulares en todo el dominio, en los puntos de singularidadno será posible aplicar el criterio anterior. Esto ocurre, por ejemplo, encoordenadas esféricas para los puntos de latitud λ = ±π/2. En estos puntoses necesario realizar un cambio a otras coordenadas regulares para estudiarel equilibrio.

Por último, este caso sencillo permite hacerse una idea intuitiva de lanaturaleza de las fuerzas estabilizadoras para una posición de equilibrioestable. En efecto, éstas quedan denidas por el gradiente de V con signocambiado,

F = −dVdr

= −gradV

vector que va dirigido hacia los puntos de mínimo valor de V , es decir endirección contraria a los puntos de máximo V . Por tanto, en el primer casolas fuerzas tienden a recuperar la posición de equilibrio, mientras que en elsegundo alejan a la partícula de esta posición.

13.4.2. Partícula ligada a una supercie

Consideramos la supercie denida por la expresión analítica

f(r) = 0 (13.15)


Figura 13.3: Partícula ligada a una

supercie

uO

F

N

f(r) = 0

CCCCCCW

Supondremos una partícula ligada de forma bilateral a la supercie me-diante un enlace liso, por lo que la reacción sobre la partícula será normala la supercie:

N = λgrad f (13.16)

La condición de equilibrio requiere la anulación de la resultante de sumarfuerzas aplicadas (F ) y reacción (N):

F + λgrad f = 0 (13.17)

Las cuatro incógnitas (coordenadas (x, y, z) de la partícula y multiplicadorλ) se resuelven mediante las cuatro ecuaciones escalares que se deducen de(6.15) y (6.17).

En el caso en que la ligadura no sea bilateral, pudiendo la partículaabandonar la supercie por una de sus caras, la reacción (6.16) no puedetomar un valor cualquiera, sino que se verá limitado a λ ≥ 0 ó λ ≤ 0 segúnla cara libre. El método a seguir en este caso es solucionar el problema igualque si la ligadura fuera bilateral, para comprobar después el signo de λ. Siéste es el adecuado, se da por válida la solución; si no, la partícula habríaabandonado la supercie y se rehace el cálculo considerándola libre a partirde ese instante.

Por lo general, en lugar de resolver directamente para las cuatro varia-bles (x, y, z, λ), es preferible un planteamiento más sencillo empleando ladenición paramétrica de la supercie, en función de dos parámetros u y v.Notemos que la ecuación (6.16) expresa simplemente que la fuerza aplicadaF ha de ser normal a la supercie, lo que equivale a que sea normal a dosvectores tangentes a la misma, ∂r/∂u y ∂r/∂v:

F · ∂r

∂u= 0, F · ∂r

∂v= 0 (13.18)


estas dos ecuaciones, en función de las variables u y v, denen las posicionesde equilibrio sobre la supercie. En el caso particular en que F provenga deun potencial, (6.18) equivale a:

−∂V∂r

· ∂r

∂u= 0 ⇒ ∂V (u, v)

∂u= 0,

−∂V∂r

· ∂r

∂u= 0 ⇒ ∂V (u, v)

∂v= 0;

es decir, equivale a que el potencial V (u, v) expresado como función de lascoordenadas (u, v) de la supercie, sea estacionario. De hecho, podríamoshaber considerado desde un principio (u, v) como las dos coordenadas gene-ralizadas del sistema, lo que nos habría conducido directamente al resultadoanterior.

La estabilidad del equilibrio se estudiará mediante la matriz de derivadassegundas de (u, v),

∂2V

∂u2

∂2V

∂u∂v

∂2V

∂v∂u

∂2V

∂v2

,

analizando si es denida positiva. Volvemos a hacer la observación, aquímás pertinente si cabe, de la comprobación de la regularidad de las coor-denadas. En una supercie por lo general las coordenadas serán curvilíneasy es bastante común que existan puntos en los que el mapa paramétrico nosea regular.

Por último queda por estudiar el caso de que la supercie no sea lisa,existiendo una componente tangencial de la reacción debida al rozamiento.Dejaremos esto para más adelante, en el apartado 6.7 en que se tratarán lasresistencias pasivas debidas al rozamiento.

13.4.3. Partícula ligada a una curva

Consideramos la curva Γ denida por las ecuaciones

f(r) = 0; g(r) = 0. (13.19)

Supongamos una partícula ligada a Γ mediante una ligadura bilateraly lisa, por lo que la reacción normal de Γ sobre la partícula será normal ala curva. Esta normal, como sabemos, no es única, expresándose en generalcomo combinación lineal:

N = λgrad f + µgrad g


Figura 13.4: Partícula ligada a una

curva Γ lisa: para el equilibrio la

fuerza aplicada F debe anular la re-

acción normal N .

uS

SS

SSw

SS

SS

SSo

F

N

Γ

para λ y µ arbitrarias. Si además actúa sobre la partícula una fuerza aplicadaF , el equilibrio requiere F + N = 0, es decir

F + λgrad f + µgrad g = 0 (13.20)

El problema queda planteado pues con 5 ecuaciones escalares (6.19) y (6.20)para las 5 incógnitas (x, y, z, λ, µ).

En la práctica, el planteamiento expuesto arriba puede resultar demasia-do engorroso, pudiendo ser preferible el empleo de la descripción paramétricade la curva, en función de un parámetro u:

Γ : u 7→ r(u)

La expresión de equilibrio (6.20) establece simplemente que F sea normal ala curva, cuya dirección en un punto viene denida por su tangente dr/du.Por tanto, equivale a

F · dr

du= 0 (13.21)

resultando una única ecuación en función del parámetro u, que dene el olos puntos de equilibrio.

En este caso, aunque F (r) no se haya obtenido a partir de un potencial,admitiendo que sea una función continua, siempre será posible obtener unadeterminada función potencial denida sobre la curva,

V1(u) = −∫

ΓF · dr

de forma que el equilibrio corresponde a los puntos en los que V1(u) esestacionario. En efecto, para un elemento dr sobre Γ,

F · dr = F · dr

dudu


por lo que la derivada de V1 coincide con (6.21):

dV1(u)du

= F · dr

du= 0

Si F se obtuvo a partir de un potencial general en el espacio V (r), lógica-mente el potencial sobre la curva coincidirá con aquél:

V1(u) = −∫−gradV · dr =

∫dV = V ((r(u))

La estabilidad del equilibrio corresponderá lógicamente a los mínimos de lafunción potencial,

d2V1

du2> 0.

Por último, en los casos en que la ligadura no sea lisa y puedan existir fuerzasde reacción tangentes a la curva, habrá que proyectar las fuerzas aplicadassegún la tangente para establecer la inecuación de rozamiento. Volveremosa este aspecto en el apartado 6.7 en que se trata del rozamiento.

13.5. Equilibrio de un sistema de partículas

13.5.1. Ecuaciones cardinales de la estática

En el caso de un sistema deN partículas, el equilibrio del mismo equivaleal de cada una de sus partículas:

F i = 0 (i = 1, . . . , N) (13.22)

donde F i es la fuerza total sobre cada partícula i, resultante de fuerzasexteriores e interiores:

F i = F exti + F int

i

La aplicación de las condiciones de equilibrio (6.22) puede resultar muytrabajosa, al tenerse que realizar para cada una de las N partículas. En elcaso de medios continuos, rígidos o no, constituidos por innitas partículas,es prácticamente imposible. Por lo tanto es necesario obtener ecuacionesy condiciones de tipo global que caractericen el equilibrio de un sistemaen su conjunto. Además, las ecuaciones (6.22) tienen el inconveniente deque intervienen tanto las fuerzas activas como las reacciones, a menudodesconocidas a priori.

El estudio del equilibrio se puede hacer particularizando algunos de losprincipios generales de la dinámica de sistemas estudiados en el capítulo 6.

Aptdo. 13.5. Equilibrio de un sistema de partículas 13.17

En primer lugar, al sumar (6.22) para todas las partículas del sistema,las fuerzas interiores se anulan dos a dos (apartado 6.2.1), por lo que seobtiene

F =N∑i=1

F exti = 0 (13.23)

tomando momentos de las fuerzas respecto de un punto cualquiera, sumandolos mismos obtendremos otra ecuación análoga:

MO =N∑i=1

ri ∧ F exti = 0 (13.24)

Al igual que en el apartado 6.2.2 hemos considerado que las fuerzas internasson centrales, por lo que sus momentos se anulan dos a dos.

Las ecuaciones (6.23) y (6.24), denominadas ecuaciones cardinales de

la estática, contituyen un conjunto necesario de condiciones que han decumplirse para que todo sistema esté en equilibrio. En el caso general deun sistema tridimensional serán 6 ecuaciones, mientras que para un sistemaplano se tratará de 3 ecuaciones. Estas ecuaciones equivalen a establecer queel sistema de fuerzas, como sistema de vectores deslizantes, sea un sistemanulo (resultante y momento en un punto nulos).

Como se ha dicho, las ecuaciones cardinales constituyen condiciones ne-cesarias pero no siempre sucientes para el equilibrio de un sistema. Dichode otra manera, el que en un sistema actúe un conjunto de fuerzas de resul-tante y momento nulos no es garantía de que el sistema esté en equilibrio.

Como ejemplos ilustrativos de esta armación basta considerar siste-mas en los que pueda haber movimiento relativo entre sus partes, como semuestra en la gura 6.5.

Un método general para establecer el equilibrio es subdividir el siste-ma global en subsistemas, de forma que al aplicar las ecuaciones (6.23) y(6.24) a cada subsistema resulten condiciones necesarias y sucientes parael equilibrio del mismo. Adelantaremos que para el caso de los sólidos rígi-dos estas ecuaciones sí son sucientes para garantizar el equilibrio, lo quese demostrará en el apartado 6.6; por tanto buscaremos una subdivisión ensubsistemas rígidos, sin movimiento relativo interno. Lógicamente, al partirun sistema en varios subsistemas las fuerzas ejercidas entre unos y otros,que antes eran internas y no aparecían en las ecuaciones, pasan a ser exter-nas y aumentan por tanto el número de incógnitas. Sin embargo tambiénaumenta el número de ecuaciones (6 por cada subsistema nuevo), de formaque se obtiene nalmente igual número de ecuaciones que de incógnitas.


- u CCCCCC

CCC

CCC

CCC

CC uF −F

K

F BBBBBBBBBBBBBBB

BBBBBBBBBBBBBBB

-−F

b

Figura 13.5: Dos sistemas en los que las fuerzas actuantes tienen resultante

y momento nulos, y sin embargo no están en equilibrio.

13.5.2. Principio de los Trabajos Virtuales

Este principio fue enunciado en el apartado 6.4.1 como un principio bási-co de la mecánica, equivalente a las leyes o principios de Newton-Euler. Suscaracterísticas esenciales que nos serán de utilidad son dos: por una parte,establece una condición global para el equilibrio de un sistema; por otra,permite eliminar todas las fuerzas de reacción correspondientes a enlaces

lisos, reacciones que por lo general son desconocidas a priori.Recordemos aquí simplemente el enunciado expuesto en 6.4.1. Se llaman

desplazamientos virtuales δri a cualquier conjunto de desplazamientosinnitésimos (tan pequeños como se desee) tomados en un instante dado.En general, no es necesario que los desplazamientos virtuales respeten losvínculos; sin embargo nos interesa restringir éstos a los denominados des-plazamientos virtuales compatibles, que sí respetan los vínculos lisos.

Se considera un sistema sometido a fuerzas activas f i y reacciones deenlaces lisos Ri. El trabajo virtual desarrollado por estas reacciones esnulo para δri compatibles. Por tanto, la condición necesaria y sucientepara el equilibrio es que el trabajo virtual de las fuerzas aplicadas sea nulo,para cualquier conjunto de desplazamientos virtuales compatibles con losenlaces:

δW =N∑i=i

f i · δri = 0 ∀δri compatibles

En el caso en que existan enlaces no lisos, el principio se aplica igual-mente pero considerando las fuerzas de rozamiento (que sí realizan trabajovirtual) como fuerzas activas. lo mismo habremos de hacer si existe alguna

Aptdo. 13.5. Equilibrio de un sistema de partículas 13.19

reacción de un enlace, liso o no, cuyo valor deseemos calcular. Esto últimoserá necesario realizarlo en cualquier caso si los enlaces son unilaterales, conobjeto de comprobar a posteriori el signo de la reacción obtenida, para versi es compatible con la inecuación del enlace.

Como ejemplo de aplicación, consideremos el sistema del muelle de lagura 6.5. Llamaremos x a la elongación del resorte medida desde la posiciónnatural del mismo, y sea su constante K. Tomaremos el desplazamientovirtual δx, obteniendo el trabajo virtual como

δW = Fδx−Kx δx = 0

donde Kx es la fuerza interna debida al resorte, que actúa en sentido con-trario a x. Al ser δx arbitrario, se llega inmediatamente a la condición deequilibrio

F = Kx

Como segundo ejemplo consideremos la aplicación del principio para calcu-lar el valor de una reacción de apoyo. Sea la viga biapoyada de la gura6.6, de longitud total l, en la que se desea calcular el valor de la reacciónvertical en A, RA.

Figura 13.6: Para calcular la reac-

ción en A liberamos la coacción

correspondiente para calcular el tra-

bajo virtual considerando RA como

fuerza activa

hhhhhhhhhhhhhhhhhh

CC

6?

6RB P

RA

δ bl δ

CC6RB

j6

RA?P

b a

A B

Para ello liberamos el apoyo en cuestión y lo sustituimos por una fuerzaincógnita RA. Los desplazamientos virtuales compatibles son los debidos algiro respecto del apoyo B, que viene caracterizado por el descenso δ en A.Expresando la nulidad del trabajo virtual:

δW = P

(b

lδ

)−RA(δ) = 0

al ser δ un valor arbitrario, se elimina para obtener

RA = Pb

l


Análogamente obtendríamos la reacción en el otro apoyo, RB = Pa

l.

13.6. Equilibrio del Sólido Rígido

13.6.1. Aplicación del Principio de los Trabajos Virtuales

Es posible obtener las condiciones generales de equilibrio del sólido rígidoen un caso general aplicando el Principio de los trabajos virtuales. Toma-remos para ello desplazamientos virtuales compatibles con la condición deindeformabilidad del sólido. Éstos han de cumplir una relación similar a la(4.10) que dene el campo de velocidades del sólido:

vi = vO + Ω ∧ ri

Las magnitudes vi pueden ser consideradas como velocidades virtualescompatibles. Análogamente, los desplazamientos virtuales compatibles son:

δri = δrO + δϕ ∧ ri

para valores arbitrarios pequeños de δrO y δϕ.Expresamos ahora el trabajo virtual:

δW =∑i

F i · δrO +∑i

(δϕ ∧ ri) · F i

denominando

Fdef=∑i

F exti

MOdef=∑i

ri ∧ F exti ,

se obtiene

δW = F · δrO + δϕ ·∑i

ri ∧ F i

= F · δrO + MO · δϕ

Puesto que δrO y δϕ pueden tomar valores arbitrarios, se deduce inme-diatamente que las condiciones necesarias y sucientes para el equilibrio sonF = 0 y MO = 0, que coinciden precisamente con las ecuaciones cardinalesde la estática, (6.23) y (6.24). Al contrario de la observación realizada en-tonces para un sistema general, en este caso particular (sólido rígido) hemosconcluido, gracias al principio de los trabajos virtuales, que las ecuaciones noson sólo necesarias sino también sucientes. Resumiendo, podemos armar:

Aptdo. 13.6. Equilibrio del Sólido Rígido 13.21

En un sólido rígido la condición necesaria y suciente para el

equilibrio es que el Sistema de Vectores Deslizantes formado por

las fuerzas externas sobre el sólido sea un sistema nulo:F =

∑i

F exti = 0

MO =∑i

ri ∧ F exti = 0

Podríamos haber alcanzado esta misma conclusión mediante la particu-larización de las ecuaciones de la dinámica del sólido, (9.1) y (9.2) ó (9.3),para las condiciones de la estática. En efecto, en el equilibrio es aG = 0, yHG = HO = 0 (constantes), por lo que se deducen de las citadas ecuacionesF = 0 y MO = 0 como condiciones necesarias y sucientes.

Del resultado anterior se pueden deducir diversos corolarios de interéspráctico:

Corolario 1.- Si sobre un sólido actúa un sistema de fuerzas, éstepuede ser sustituido por otro sistema de vectores deslizantes equivalente (esdecir, con igual resultante y momento en cualquer punto, lo que se denominatambién equipolente), sin alterar las condiciones de equilibrio.

En efecto, la diferencia entre los dos sistemas sería un sistema nulo, quecomo hemos visto no altera el equilibrio.

Corolario 2.- Si sobre un sólido actúan dos fuerzas, estará en equili-brio si y sólo si ambas siguen la misma recta de acción, con el mismo móduloy sentidos opuestos.

En efecto, es la única forma de que las dos fuerzas constituyan un sistemanulo.

Corolario 3.- Si sobre un sólido actúan tres fuerzas, para que hayaequilibrio éstas deben ser coplanarias y cortarse en un mismo punto.

La justicación es evidente, ya que de otra forma es imposible que elsistema resultante sea nulo.

En el caso en que el sólido tenga el movimiento restringido por enlaceso ligaduras, vale la pena distinguir varios casos:

Sólido libre: Los valores de los desplazamientos virtuales δrO y δϕ sonindependientes; por tanto para el equilibrio han de ser nulas tanto laresultante como el momento de las fuerzas aplicadas

F = MO = 0


Sólido con un punto jo: En este caso hay un punto O jo por lo cualpodemos tomar δrO = 0; la nulidad del trabajo virtual no impone portanto restricción alguna sobre F , siendo la condición de equilibrio

MO = 0

Sólido con eje jo: sea el eje jo (O,e); los desplazamientos compatiblesson por tanto δrO ‖ e, δϕ ‖ e, por lo que se obtienen las condicionesde equilibrio

F · e = 0, M · e = 0

es decir, las proyecciones de F y M sobre e deben anularse para elequilibrio.

13.6.2. Sistemas isostáticos e hiperestáticos

En la estática el objetivo suele ser determinar en primer lugar las con-guraciones o cargas exteriores para el equilibrio, para a continuación calcularlas reacciones en los enlaces o apoyos.

Los casos particulares comentados en el apartado anterior correspondena sustentaciones que dejan al sistema con algún grado de libertad. Al permi-tir el movimiento, se necesita para el equilibrio que una o más componentesde las fuerzas o momentos sea nulo.

Si se aumenta el número de coacciones del sólido, se llega a un puntoen que no se permite ningún grado de libertad de movimiento: el sistemaestará entonces en equilibrio para cualquier conjunto de cargas exteriores(siempre que no se supere la resistencia de rotura de los enlaces). Es elcaso, por ejemplo, de un sólido con un eje jo por un cojinete cilíndrico,restringiendo además el movimiento de traslación en la dirección del eje yel de rotación alrededor del mismo. Las reacciones tendrían 6 componentes,que se determinarían mediante las 6 ecuaciones cardinales de la estática(6.23) y (6.24).

Para jar ideas consideremos un sistema plano, formado por una vigarecta biapoyada, en el que uno de los apoyos es una articulación y el otroun apoyo simple que permite el desplazamiento horizontal (gura 6.7a)

En este caso las tres ecuaciones de la estática (M = 0; Fx = 0; Fy = 0)permiten calcualar las tres reacciones incógnitas, XA, YA e YB, para cual-quier conjunto de cargas exteriores. Decimos que la sustentación es isos-

tática, ya que el número de incógnitas a determinar, provenientes de lasreacciones de enlace, es igual al número de ecuaciones de la estática.

Aptdo. 13.7. Reacciones en los enlaces 13.23

b) hiperestática

a) isostática

6-

6XA YA YB

6-

6 6XA YA6YC

6YB

CCj j

CCj Figura 13.7: Sustentaciones

isostática e hiperestática de

una viga: en el segundo caso

las ecuaciones de la estática no

son sucientes para calcular

las reacciones en los apoyos;

se dice que existen reacciones

redundantes.

Imaginemos ahora que a la misma viga se le coloca otro apoyo C in-termedio, que restrinja tan sólo el movimiento vertical en ese punto. Paraun conjunto dado de cargas exteriores tenemos ahora 4 reacciones incógni-tas (XA, YA, YB, YC) y tan sólo 3 ecuaciones de la estática. Se dice que elsistema es estáticamente indeterminado o hiperestático, debido a que poseeapoyos redundantes, que sobran para garantizar el equilibrio.

Desde el punto de vista de la estática de sistemas rígidos no existe ningúntruco ni procedimiento que permita resolver este problema. Está correcta-mente planteado, ocurriendo que no tiene solución mediante el sólo empleo

de las ecuaciones globales de equilibrio. Es pues necesario obtener ecuacio-nes adicionales que proporcionen alguna relación más entre las incógnitas.Estas ecuaciones se obtienen a través de considerar la deformabilidad dela estructura (aplicando las técnicas que se estudian en la resistencia demateriales o en el cálculo de estructuras). A partir del estudio de la defor-mabilidad de los sólidos y las estructuras, así como de las ecuaciones decomportamiento de las mismas que ligan las deformaciones internas con lastensiones, se obtienen las ecuaciones adicionales necesarias. El estudio deestos aspectos se halla fuera del alcance de este curso.

13.7. Reacciones en los enlaces

Los enlaces, ligaduras o apoyos son dispositivos que restringen de algunamanera los movimientos del sistema.

Ya se han discutido las características generales y la clasicación de losmismos en el apartado 6.1 y en este mismo capítulo, en el apartado 6.1.Vimos entonces que los enlaces de tipo bilateral se pueden denir medianteecuaciones bien del tipo (6.2) si son holónomos, o bien del tipo (6.3) si sonanholónomos.

Las restricciones al movimiento están asociadas a fuerzas de reacción


o reacciones de los enlaces, que son las acciones necesarias para impediro coaccionar los movimientos que los enlaces restringen. Estas fuerzas sedenominan de reacción porque sólo se producen como reacción o respuestaa un intento de realizar el movimiento que el enlace prohibe. Su valor portanto no es conocido a priori, sino sólo como consecuencia de la solución delas ecuaciones del equilibrio (o de la dinámica en su caso). De ahí que nosinterese en general un procedimiento de solución que, en primera instancia almenos, elimine de las ecuaciones las reacciones desconocidas en los enlaces.Ésta es una de las ventajas principales del principio de los trabajos virtuales,expuesto en el apartado 6.5.2.

El cálculo de las reacciones en los enlaces se realiza entonces en unasegunda instancia, una vez que se conocen las posibles conguraciones deequilibrio. La obtención de las reacciones puede ser necesaria por diversosmotivos: bien para realizar una comprobación de la resistencia de los propiosdispositivos de apoyo o ligadura, bien para conocer los esfuerzos que setransmiten a otros sistemas colindantes, o bien para realizar un cálculomás detallado de los mecanismos de transmisión de los esfuerzos, como porejemplo las roscas de los tornillos, o los cojinetes de los ejes.

En otros casos puede no ser conveniente o práctico plantear el problemamediante trabajos virtuales. Este es el caso, por ejemplo, de los enlacesrugosos que sí realizan trabajo virtual. Es preciso conocer la naturaleza delos esfuerzos que realizan para plantear las ecuaciones de la estática.

En lo que sigue hablaremos brevemente de ambos tipos de enlaces: enprimer lugar las ligaduras lisas, y a continuación las que transmiten fuerzasde contacto de rozamiento.

13.7.1. Enlaces lisos

Apoyo simple.- La reacción corresponde a la que se produce entre dossupercies tangentes que se tocan en un punto, permitiendo el deslizamientorelativo entre ambas.

Sabemos por lo estudiado en cinemática (apartado 4.5.3) que las velo-cidades de los puntos en contacto correspondientes a cada uno de los dossólidos han de estar contenidas en el plano tangente común. Estas veloci-dades, correspondientes a partículas de cada sólido, no tienen porqué seriguales; en el caso en que lo sean estaremos en condiciones de rodadura, yen caso contrario existirá deslizamiento.

En cualquier caso, si el enlace es liso, para que la reacción no realicetrabajo ésta deberá ser normal a las supercies en contacto.

En general, este tipo de apoyo es compatible con una rotación relativa


entre ambos sólidos, rotación que puede descomponerse tal como se discutióen el apartado 4.5.3 en rodadura y pivotamiento.

Figura 13.8: Apoyo simple entre su-

percies lisas.6

Rótula esférica.- Esta unión entre dos sólidos puede considerarse, demanera idealizada, como una protuberancia esférica de uno de los sólidosque se inserta en una oquedad de la misma forma en el otro. Si ambassupercies son lisas, las fuerzas de contacto entre ambas serán radiales,siendo la resultante por tanto un vector que pasará por el centro de laesfera, en dirección arbitraria.

Figura 13.9: Rótula esférica mate-

rializada como una esfera sólida in-

cluida en una oquedad igualmente

esférica.

En denitiva, este enlace impone tres coacciones (las coordenadas(x, y, z) del centro de la esfera) y la reacción tiene consiguientemente tresincógnitas, las tres componentes del vector (Rx, Ry, Rz).


Articulación plana.- Constituye el caso correspondiente a la rótula es-férica para el movimiento plano. En él las coacciones son dos (coordenadas(x, y) del centro de la articulación), de igual manera que las componentesde la reacción (Rx, Ry), que pasará por el centro de la articulación y tendráuna orientación arbitraria en el plano.

~

Figura 13.10: Articula-

ción plana

Arbol circular en cojinete cilíndrico.- Se trata en este caso de unasupercie cilíndrica circular que penetra en una oquedad igualmente cilín-drica. Al ser las fuerzas normales al cilindro, reduciendo éstas a un punto Ode su eje, se obtiene una reacción de componentes (Rx, Ry) (siendo z la di-rección del eje) y un momento de componentes (Mx,My). Se considera queel cojinete cilíndrico permite el desplazamiento axial del eje (en direcciónz), así como la rotación del mismo, por lo que las únicas componentes nulasde la reacción son Rz y Mz.

Figura 13.11: Enlace materializado me-

diante un árbol circular en un cojinete ci-

líndrico, pudiendo deslizar según la direc-

ción del eje.

En algunos casos los cojinetes incorporan una coacción al movimientoaxial, producida por un saliente o tornillo que se aloje en una garganta deleje. En este caso la reacción tendría también la componente Rz, siendo en-


Figura 13.12: Enlace formado por una jun-

ta de revolución que no permite desliza-

miento en dirección axial.

tonces equivalente a la articulación plana mencionada arriba. El movimientopermitido se reduce a la rotación alrededor del eje Oz jo.

Otra variante es el caso en que el alojamiento circular sea muy estrechoen dirección axial, por lo que permitiría en la práctica los giros según lasdirecciones no axiales x e y. Por lo tanto, las componentes de la reacciónserían únicamente Rx y Ry, normales al eje, sin momentos de ningún tipo.Este enlace equivaldría a una rótula esférica, en la que se permite ademásel deslizamiento según la dirección axial del eje cilíndrico.

Empotramiento.- Es el enlace más rígido, consistiendo en una soldadu-ra o unión perfecta entre los sólidos. No admite movimientos relativos detraslación ni de rotación. entre los dos sólidos, por lo que las reaccionesincógnitas son seis: las fuerzas (Rx, Ry, Rz) y los momentos (Mx,My,Mz)en el punto de empotramiento.

Figura 13.13: Empotramiento: no

admite desplazamiento ni giros rela-

tivos.

(((

((((((

((((((

((((((

En el caso del movimiento plano lógicamente las reacciones quedan re-ducidas a tres, (Rx, Ry) para las fuerzas y Mz para el momento.

Las cuerdas o hilos.- Los hilos son capaces de transmitir esfuerzos tansólo en su propia dirección y en el sentido de tracción, es decir, en el que


tiende a estirar al hilo3.

Figura 13.14: Enlace proveniente de

un hilo.

AAAAAAAAAA

AAAAAAAAAA

Por tanto, la reacción tendrá una única componente (T ), denominadatensión del hilo. Al tratarse de un enlace de tipo unilateral, será precisocomprobar a posteriori el signo de la misma, comprobando que es de tracción(T > 0). En caso que resultase de compresión (T < 0) volveríamos a resolverel problema eliminando el hilo, ya que obviamente no podría actuar en elsentido de compresión.

El método habitual para calcular a posteriori la tensión del hilo es cor-tar el hilo, sustituyéndolo por la acción de la tensión T en cada uno de losdos sólidos que une, en la dirección del mismo.

En el contexto de la mecánica de sólidos rígidos y de sistemas discretoslos hilos que se manejan son por lo general inextensibles. Los hilos realestienen siempre una cierta elasticidad, pudiendo estirarse según la tensiónaplicada, aunque en la práctica generalmente sea muy poco. En esta asig-natura consideraremos que este estiramiento es despreciable, salvo que sediga expresamente lo contrario.

13.7.2. Enlaces con resistencias pasivas; Rozamiento

Rozamiento entre supercies en contacto

En los enlaces reales, materializados mediante supercies sólidas en con-tacto, no se da nunca de manera exacta el comportamiento ideal descritopara los enlaces lisos. Los contactos reales no se producen entre super-cies geométricas lisas, sino que existen rugosidades e imperfecciones en las

3Consideramos aquí tan sólo hilos sin peso ni cargas distribuidas que siempre adop-tan bajo tensión una conguración recta, quedando los hilos curvos sometidos a cargasdistribuidas para el capítulo 7.


mismas; por otra parte, al ser comprimidos, los sólidos se deforman, conlo que el contacto no es puntual. La lubricación de los contactos facilita eldeslizamiento entre las supercies, al hacer que el contacto se realice no demanera directa sino a través de una película de lubricante interpuesta.

Estos fenómenos contribuyen a hacer que las acciones de contacto realessean considerablemente más complejas que lo descrito en el apartado an-terior, y que además en muchos casos sea necesario condiderar reaccionesde enlace en forma de resistencias pasivas que desarrollan un trabajo. Lanaturaleza de estas resistencias es tal que se oponen al deslizamiento rela-tivo de los puntos en contacto, de forma que el trabajo realizado por ellases siempre negativo, detrayéndose de la energía mecánica del sistema. Deaquí el carácter disipativo de las mismas, que hace que la energía mecánicadisminuya siempre, siguiendo la segunda ley de la termodinámica.

Para la resistencia al deslizamiento de dos supercies en contacto, elmodelo más usual es el denominado rozamiento de Coulomb. Este modelopostula que si la fuerza normal que comprime a ambas supercies en con-tacto es N , el contacto es capaz de desarrollar una fuerza de rozamiento endirección tangencial cuyo valor está limitado por la desigualdad

R ≤ µN

donde µ es el denominado coeciente de rozamiento de Coulomb.Debe precisarse que esta inecuación establece el valor máximo del ro-

zamiento que puede movilizarse en el contacto. No debe cometerse el errorde suponer que la fuerza de rozamiento toma siempre el valor µN ; éstecorresponde únicamente al valor máximo que puede tomar.

En la práctica, el rozamiento se moviliza de forma gradual. Supongamosun contacto entre dos supercies en equilibrio bajo una fuerza normal a lasmismas de valor N . Si la acción se va inclinando ligeramente, se movili-za simultáneamente el rozamiento necesario para equilibrar la componentetangencial de la acción (R < µN). Llega un momento en que se alcanza elvalor máximo del rozamiento (R = µN) y el punto de contacto comienzaa deslizar. Por tanto, el valor máximo µN sólo se alcanza cuando se estáproduciendo el deslizamiento o cuando el contacto está en el límite, a puntode deslizar.

El rozamiento de Coulomb tiene una interpretación geométrica sencilla,ya que el ángulo entre las componentes normal y tangencial de la reacciónviene dado por

tgα =R

N≤ µ


Figura 13.15: En el modelo de rozamien-

to de Coulomb la reacción tangencial (T )que se moviliza es menor o igual como má-

ximo a µ por la reacción normal (N), loque permite denir el ángulo de rozamien-

to ϕ = arctanµ.6

?-

R = T

N

NT

ϕ = arctanµ

El deslizamiento se producirá por tanto si este ángulo supera el valor má-ximo denido por

α ≤ ϕ = arc tgµ,

es decir, la fuerza de reacción está contenida en un cono de rozamiento desemiángulo ϕ y vértice en el punto de contacto.

Por lo tanto la condición de equilibrio, en relación con las fuerzas aplica-das en uno de los sólidos, es que éstas se reduzcan a una resultante aplicadaen el punto de contacto, cuyo ángulo con la normal sea menor o igual queel ángulo de rozamiento ϕ, es decir, que esté incluida dentro del cono derozamiento.

La realidad es algo más compleja que lo expuesto arriba, ya que se com-prueba generalmente que al comenzar el deslizamiento el rozamiento tan-gencial se reduce. Esto da lugar a dos coecientes de rozamiento distintos:el coeciente estático antes del deslizamiento (µ), válido hasta la situaciónlímite, y el coeciente dinámico (µ′ < µ), una vez comenzado el desliza-miento. Asimismo, el coeciente de rozamiento depende en la realidad dediversos factores más, como la lubricación, el estado de las supercies encontacto, e incluso de la presión entre ambas.

El rozamiento, como mecanismo elemental, es responsable de diversasmanifestaciones de resistencias pasivas en mecanismos de enlace, como sedescribe a continuación.

Resistencia al giro en el cojinete de una articulación.- Sea unaarticulación formada por un cojinete que aloja a un eje cilíndrico de radio R(gura 6.16). Sobre el eje actúa una carga P , con una pequeña excentricidad


de forma que tiende a hacer girar el eje en el sentido contrario a las agujasdel reloj.

El rozamiento en el contacto eje-cojinete produce una fuerza de valorT ≤ µP , y en el límite de deslizamiento T = µP . Para que el eje comienzea girar alrededor de sí mismo, será necesario un momento que contrarresteel momento generado por esta fuerza de rozamiento, es decir M = µRP .Denominando

rdef= µR,

Figura 13.16: Resistencia al giro en

cojinetes

b-

?@@

@@

@@@I

BBBBM

N = P

T ≤ µPr

R

P

se puede interpretar esta resistencia como el efecto de un momento re-sistente al giro, de valor

Mr ≤ rP ⇔Mr < rP si no existe giro en el cojinete,Mr = rP si existe giro.

Se puede interpretar que el valor del parámetro r, con dimensiones delongitud, dene un círculo de rozamiento. Para que haya equilibrio la cargaexterior P , como vector deslizante resultante de las acciones, debe pasarpor dentro del círculo de rozamiento; si su eje de acción no intersecta elcírculo, se producirá giro en el cojinete.

El mecanismo de resistencia al giro en una rótula esférica es similar aéste, deniéndose un parámetro r que dene una esfera de rozamiento deigual manera.

Resistencia al pivotamiento.- Esta resistencia se origina por el hechode que el contacto entre dos supercies no es exactamente puntual, sino


que por la deformación de las supercies, se produce contacto en una zonade extensión nita. El giro de pivotamiento desencadena un rozamiento,que produce un momento resistente alrededor del eje de pivotamiento. Estemomento resistente se caracteriza por un parámetro ε con dimensiones delongitud, de forma que

Mp ≤ Nε ⇔Mp < Nε si no existe pivotamiento,Mp = Nε si existe pivotamiento.

Resistencia a la rodadura.- Se trata de otro mecanismo de resistenciapasiva muy común, aunque en este caso no está producido por el rozamientoentre supercies. Distinguiremos dos casos, según se trate de una ruedamotriz o remolcada.

Rueda motriz.- Consideremos una rueda rodando sobre una super-cie plana, sobre la que actua una carga vertical P (gura 14.14). Se observaque la reacción N , considerada como vector deslizante, no está situada bajoel eje de la rueda, sino ligeramente adelantada. Esto se debe a que estareacción es en realidad la resultante de las acciones de contacto en un áreanita no puntual, que tiende a deformarse hacia delante por efecto de larodadura.

Figura 13.17: Resistencia a la roda-

dura de una rueda Motriz, sobre la

que actúa un momentoM y una car-

ga P .

e?j

6-

δ

N = PT

P

M

Se puede denir por tanto un coeciente de resistencia a la rodadura δ,con dimensiones de longitud, de forma que el momento resistente vale


Mr ≤ Nδ ⇔Mr < Nδ si no existe rodadura,Mr = Nδ si existe rodadura.

Conviene recalcar que físicamente este efecto no está relacionado con elrozamiento sino con la deformación local del área de contacto. De hechoen la rodadura se produce una fuerza de rozamiento (T en la gura 6.17)que, aunque pudiera resultar chocante a primera vista, lleva el sentido delmovimiento de avance de la rueda. Esto es debido a que el movimiento rela-tivo que tiende a producir el par M sobre el punto de la rueda en contactotiene sentido opuesto al avance (es decir, hacia atrás). Por tanto el roza-miento empuja a la rueda en sentido opuesto, hacia delante. El valor deesta fuerza de rozamiento es

T ≤ µP ⇔T < µP si no existe deslizamiento,T = µP si existe deslizamiento.

Rueda remolcada.- La situación cambia si se trata de una rueda

remolcada, sobre la que actúa una carga P vertical y una tracción T ensentido del avance (gura 6.18).

Figura 13.18: Resistencia a la roda-

dura de una rueda remolcada, sobre

la que actúa una tracción T y una

carga P .

e?

6

-

δ

N = PT

P

T

En este caso la resistencia a la rodadura se produce de manera similar,manifestándose como un avance del eje de la resultante de las reaccionesnormales N , cuyo máximo valor es δ. El momento resistente a la rodaduravaldrá

Mr ≤ Nδ


Sin embargo, la reacción tangencial llevará en este caso el sentido opuesto alavance. Esto se puede interpretar debido a que la tracción sobre el eje de larueda tiende a producir un deslizamiento del punto de contacto en sentidodel avance.

Por último, observemos que en caso de duda respecto al sentido de lareacción tangencial en los casos de rodadura, conviene establecer las ecua-ciones cardinales (6.23) y (6.24) de equilibrio (o de la dinámica en su caso),cuya solución proporcionará el valor adecuado para la reacción en cada caso(en sentido algebraico, es decir con signo + ó −). A menudo es preferible estoya que las apreciaciones intuitivas respecto a la tendencia al deslizamientopueden prestarse a confusiones.

13.8. Sistemas de barras articuladas

13.8.1. Clasicación

Un tipo de sistemas de particular interés en diversas ramas de la ingenie-ría, y en concreto en la ingeniería estructural, son los formados por barrasarticuladas, con cargas concentradas aplicadas en las articulaciones.

Un conjunto de barras unidas mediante articulaciones puede dar lugara distintos tipos de sistemas, según el número de movimientos permitidos ode coacciones a los mismos.

En primer lugar, cada una de las barras debe estar en equilibrio. Alaplicar las ecuaciones cardinales (6.23) y (6.24) se concluye inmediatamenteque los esfuerzos en los extremos de cada barra deben ser iguales y de signocontrario, dirigidos según la propia barra. Este esfuerzo se denomina tensiónen la barra. En un sistema de barras existirá por tanto una incógnita por

Figura 13.19: Esfuerzos en una barra

en equilibrio

@@@@

F

−Fb

b

barra (su tensión) más 6 reacciones incógnitas provenientes de los apoyos(supuesta una sustentación isostática).

Aptdo. 13.8. Sistemas de barras articuladas 13.35

El número de ecuaciones de que se dispone para resolver estas incógnitasson las del equilibrio en cada articulación: es decir, 3 ecuaciones provenientesde anular la resultante de las fuerzas sobre la misma. No cabe hablar demomentos sobre la articulación ya que éstas se idealizan como puntos y nopueden transmitir momentos a las barras. Por lo tanto, en un caso general,suponiendo que el número de barras es b y el número de nudos n, se tienen3n ecuaciones para (6 + b) incógnitas. En el caso particular de sistemasplanos, estas se reducirán a 2n ecuaciones del equilibrio en cada nudo, para(3 + b) incógnitas.

Las posibles combinaciones, algunas de las cuales se ilustran en la gu-ra 6.20 para un caso plano, son las siguientes:

Tipo de sistema Sistema Plano Sistema Espacial(2D) (3D)

Mecanismo

(existen g.d.l. internos) 2n > 3 + b 3n > 6 + b

Estructura isostática

(sin g.d.l. internos) 2n = 3 + b 3n = 6 + b

Estructura hiperestática

(barras redundantes) 2n < 3 + b 3n < 6 + b

En el caso de los mecanismos, las coacciones de las barras rígidas y delas ecuaciones globales de equilibrio (3+b ó 6+b según sea 2D ó 3D) no sonsucientes para restringir el giro en todos los nudos, permitiendo entoncesmovimientos o grados de libertad internos. Los mecanismos se emplean enlos casos en que se quiera transmitir movimientos de forma controlada yecaz, como en las máquinas de diverso tipo. un ejemplo muy común es elmecanismo biela-cigüeñal de los motores de los automóviles. Sin embargo,en las estructuras con nes portantes de ingenieria civil, por lo general sebusca que no se muevan internamente, por lo que procuraremos una coaccióninterna mayor.

Las estructuras isostáticas poseen el número adecuado de barras paraque, junto con las ecuaciones del equilibrio global, coaccionen el movimientode giro en todas las articulaciones (2n = 3 + b ó 3n = 6 + b según que sea2D ó 3D). Se dice que estamos ante una estructura, porque ésta no poseegrados de libertad internos. Además esta estructura es isostática, puestoque las ecuaciones de la estática bastan para obtener todas las tensiones enlas barras incógnitas. Este tipo de sistemas sí son suceptibles de empleo eningeniería civil con nes estructurales y resistentes.

Por último, las estructuras hiperestáticas, restringen también los giros ymovimientos internos en los nudos, pero mediante un número de coacciones


mayor que el estrictamente necesario. El número de barras es mayor queen el caso isostático, de forma que se verica 2n < 3 + b ó 3n < 6 + bsegún estemos en 2D ó 3D. Las ecuaciones de la estática no son sucientespara obtener las tensiones en cada barra, habiendo de recurrirse a técnicaspropias del cálculo de estructuras hiperestáticas4, en las que es preciso teneren cuenta la deformabilidad de cada barra y su relación con la tensión enla misma. Estos sistemas también son adecuados para nes estructurales.

j j

j@@@@@@@@ j j

jj

j j

jj

j j

jj

a) isostático b) mecanismo c) isostático d) hiperestático

b = 6

n = 4n = 4b = 4

n = 4b = 5

n = 3b = 3

@@

@@

@@@@

Figura 13.20: Ejemplos de sistemas isostáticos, hiperestáticos y mecanismos

Conviene resaltar que la clasicación realizada arriba entre mecanismos,estructuras isostáticas e hiperestáticas, se reere exclusivamente a los gradosde libertad internos o a las coacciones a los mismos. Hemos supuesto en todala discusión que el número de reacciones provenientes de los apoyos externosdel sistema eran 3 para el caso plano y 6 para el espacial, correspondientesa lo que se denominó, en el apartado 6.6.2, sustentación isostática. Cabepensar sin embargo en una estructura internamente isostática, pero con unasustentación hiperestática, o incluso con una sustentación insuciente quepermita desplazamientos globales de la misma como sólido rígido. lo mismocabe decir de las estructuras hiperestáticas, que pueden tener sustentacionesisostáticas, hiperestáticas, o incluso insucientes.

También es necesario precisar que pueden existir casos en los que nosea válido aplicar las fórmulas dadas arriba para clasicar como isostáticoo hiperestático el sistema en su conjunto, ya que este puede ser heterogé-neo. En efecto, pudiera ocurrir que una parte del mismo tuviese el carácterde estructura (isostática o incluso hiperestática, con un número cualquierade barras redundantes) mientras que otra parte estuviese insucientementecoaccionada, constituyendo el conjunto un mecanismo. Por tanto, es nece-

4Estas técnicas se estudian en las disciplinas de resistencia de materiales y cálculo deestructuras.


sario realizar un análisis cuidadoso de cada sistema concreto, diferenciandosi es preciso las distintas partes, antes de aplicar las fórmulas de la tablaanterior.

Restringiéndonos a los casos de estructuras isostáticas sustentadas asi-mismo de manera isostática, explicaremos a continuación a grandes rasgosdos métodos generales de resolución para las mismas.

13.8.2. Método de los nudos

El método de los nudos se basa en realizar una separación de cada unode los nudos de la estructura, estableciendo el equilibrio de fuerzas en éla partir de las tensiones de las barras, las posibles cargas aplicadas en elnudo, y las posibles reacciones caso de existir un apoyo en el nudo.

En primer lugar se determinan, mediante las ecuaciones cardinales dela estática (6.23) y (6.24), las reacciones de apoyo de la estructura paralas cargas dadas, lo que siempre será posible si la sustentación es isostáticacomo se ha supuesto. A continuación se escoge un nudo en que exista unnúmero de barras (es decir, de incógnitas) sucientemente bajo para que sepuedan determinar las tensiones en barras por las ecuaciones de equilibrioen el nudo: un nudo con 3 barras como máximo en 3D, ó con 2 barras comomáximo en 2D. Al plantear el equilibrio del nudo (

∑F = 0) podremos

calcular las tensiones en barras unidas al nudo. Una vez resuelto este nudose procede a otro nudo conexo con éste, en el cual una de las tensiones yaes conocida (la de la barra que une ambos). Solucionamos este nudo parael resto de las tensiones incógnitas de igual manera. El procedimiento serepite sucesivamente, escogiendo siempre nudos con un número de incógnitassucientemente bajo, hasta resolver toda la estructura.

El método se ilustra mejor mediante un ejemplo, como el correspondientea la cercha articulada de la gura 6.21. En este ejemplo, una vez calculadaslas reacciones de apoyo (XB, YB, YA), se van calculando las tensiones enbarras, progresando de nudo en nudo como se ha dicho.

El procedimiento del cálculo se puede aplicar de forma analítica o deforma gráca, siendo este último procedimiento debido a Cremona.

Conviene aclarar que en una estructura isostática siempre existe un ca-mino isostático de solución que permite ir solucionando nudo a nudo. En elcaso en que no exista este camino, se tratará en realidad de una estructurahiperestática.


S

SSSSSSSSSSS

S

SSSSSSSSSSS LL

eA

CE

D P

13

4

26

7

B

66

-

YAYB

XB

5

Figura 13.21: Ejemplo de resolución de una estructura plana articulada por

el método de los nudos. Se comienza por el nudo A para determinar T1 y

T2, luego el C (T3 y T4), el D (T5 y T6) y por último el E (T7).

13.8.3. Método de las secciones

El método de las secciones, que se aplica tan sólo a sistemas planos, sebasa en plantear las ecuaciones de equilibrio a una parte de la estructura, enla que el resto se ha seccionado y sustituido por las tensiones en las barrascortadas.

El método comienza, al igual que en el caso anterior, por el cálculo delas reacciones de apoyo isostáticas. A continuación se basa en el principio deque, para una sección ideal (es decir, teórica) de una estructura, el efecto deun lado de la estructura sobre el otro se reduce a las fuerzas (como vectoresdeslizantes) de los elementos cortados aplicados en los puntos donde se hanseccionado. Esto permite considerar el equilibrio de uno sólo de los lados dela estructura, sujeto a las fuerzas (incógnitas) de las barras seccionadas.

Puesto que en el caso plano disponemos de 3 ecuaciones cardinales deequilibrio, buscaremos secciones en las que se corte tan sólo a tres barrascuya tensión sea desconocida. De esta forma será posible mediante la apli-cación de las ecuaciones de equilibrio calcular la tensión en las tres barras.Se procede así con sucesivas secciones hasta determinar nalmente todas lastensiones en barras de la estructura.

El mejor modo de explicar el método es, al igual que antes, mediante unejemplo, descrito en la gura 6.22.

Al igual que en el caso de los nudos, toda estructura isostática permite


LLeADB

YAYB

XB

S

SSSSSSSSSSS

S

SSSSSSSSSSS

16

2

4

35

7

66

-

PPPPPPPPq

/BBBBBBBBBBBBBBB

P ′

P

Q′

Q

P 2P 1

Figura 13.22: Resolución de una cercha articulada por el método de las sec-

ciones. Una vez calculadas las reacciones de apoyo, el corte por la sección

PP ′ permite determinar las tensiones T1, T3 y T4. La sección QQ′ permitirá

calcular T5 y T6, y así sucesivamente

dar secciones consecutivas de forma que en cada una surjan tan sólo 3incógnitas o menos. En caso de que no se pudiera, la estructura sería enrealidad hiperestática.

Estática - OCW de la Universidad Politécnica de Madrid

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