La principal idea del libro Structures Or Why Things Don’t Fall Down de James Edward Gordon es proporcionar una explicación informal de las fuerzas básicas que sostienen juntas las cosas ordinarias y esenciales del mundo, incluyendo edificios, cuerpos, aviones en vuelo y cascaras de huevo.
El libro explora los conceptos básicos de la ingeniería estructural y las fuerzas físicas que mantienen unidas las estructuras. Gordon usa ejemplos prácticos y explicaciones claras para ayudar a los lectores a entender cómo y por qué las cosas se mantienen en pie, y cómo se pueden romper.
Por qué fue importante la publicación del libro Structures?
El libro es considerado un clásico de la ingeniería estructural. El libro ha sido publicado por primera vez en 1968 y ha influenciado a varias generaciones de ingenieros y arquitectos desde entonces. En concreto, su impacto significó:
- Popularización de la ingeniería: Gordon ayudó a popularizar la ingeniería estructural entre un amplio público, lo que ayudó a promover un mejor entendimiento de la ciencia y la tecnología entre la población en general.
- Influencia en otros autores: El libro ha influenciado a muchos otros escritores e ingenieros en el desarrollo de su propia obra, y ha sido una fuente de inspiración para generaciones de futuros ingenieros.
- Mejoramiento del diseño estructural: El libro ha sido utilizado por muchos ingenieros y arquitectos para mejorar sus propios proyectos y diseños estructurales.
Elon Musk y el libro Structures
Elon Musk ha declarado en varias ocasiones que el libro Structures de James Edward Gordon es uno de sus libros favoritos. Musk ha dicho que el libro le ayudó a entender los fundamentos de la resistencia de materiales y el diseño de estructuras.
Musk ha aplicado los principios de «Structures» en sus empresas, como SpaceX y Tesla. Por ejemplo, SpaceX utiliza materiales ligeros y eficientes para construir sus cohetes, lo que les permite transportar más carga y llegar más lejos. Tesla utiliza materiales ligeros y resistentes para construir sus coches eléctricos, lo que les permite aumentar la autonomía.
En concreto, Musk ha mencionado que el libro le ayudó a entender los siguientes conceptos:
- La importancia de la eficiencia en el diseño de estructuras.
- La importancia de utilizar los materiales adecuados para cada aplicación.
- La importancia de la innovación en el diseño de estructuras.
Musk ha dicho que el libro «Structures» es una obra maestra de la ingeniería y que es imprescindible para cualquier persona que quiera aprender sobre el diseño y la construcción de estructuras.
Algunos ejemplos concretos de cómo Musk ha aplicado los principios de «Structures» en sus empresas:
- SpaceX utiliza materiales compuestos, como el carbono y el kevlar, para construir sus cohetes. Estos materiales son mucho más ligeros que el acero o el aluminio, lo que permite a SpaceX transportar más carga y llegar más lejos.
- Tesla usa aluminio y acero para construir sus coches eléctricos. Estos materiales son ligeros y resistentes, lo que permite a Tesla aumentar la autonomía de sus coches.
- SpaceX utiliza motores Raptor para propulsar sus cohetes. Estos motores están diseñados para ser eficientes y potentes, lo que permite a SpaceX reducir el peso de sus cohetes y aumentar su alcance.
El libro Structures
El libro se divide en tres partes. En la primera parte, Gordon introduce los conceptos básicos de la resistencia de materiales, como la tensión, la compresión, la flexión y la torsión. También explica las propiedades físicas de los materiales más comunes, como el acero, el hormigón, el madera y el plástico.
En la segunda parte, Gordon analiza los distintos tipos de estructuras, desde las más simples, como las vigas y los pilares, hasta las más complejas, como los puentes y los edificios. En cada caso, explica cómo se diseñan y construyen las estructuras para soportar las cargas que les serán aplicadas.
En la tercera parte, Gordon analiza algunos ejemplos de estructuras naturales, como los huesos, las alas de los pájaros y las hojas de las plantas. En estos casos, la naturaleza ha desarrollado estructuras que son muy eficientes y que cumplen su función sin necesidad de materiales artificiales.
Principales ideas de Structure
- El estudio de las estructuras biológicas y artificiales se inició en el siglo XVII.
- La tensión y la deformación son fuerzas que actúan dentro del material de una estructura sólida.
- Las fuerzas de tracción separan los átomos y pueden provocar fluencia.
- Las estructuras construidas por compresión suelen ser bastante fuertes.
- La viga fue un invento importante para hacer más seguras las estructuras de compresión.
- Las grietas y el mal uso de ciertos materiales pueden provocar el colapso de una estructura.
- Las fuerzas de tracción y compresión pueden provocar un colapso estructural, pero por motivos distintos a las grietas.
- Los cálculos y las pruebas experimentales aumentan la seguridad y la eficiencia de las estructuras artificiales.
El estudio de las estructuras biológicas y artificiales se inició en el siglo XVII.
¿Qué mantiene unido a un avión mientras se mueve por el aire o evita que un puente colapse bajo la presión de los automóviles? Todo está en el diseño de su estructura.
Una estructura se puede definir como un conjunto de materiales destinados a soportar cargas. Nuestro mundo está lleno de ellos: las estructuras ocurren tanto en el mundo biológico como en el creado por el hombre.
Las estructuras biológicas, que por supuesto son mucho más antiguas, transportan materia y protegen a los seres vivos. Las estructuras biológicas actuales son en su mayoría blandas, como el tejido muscular o los pétalos de las flores. Sin embargo, también existen partes estructurales biológicas rígidas, como cuernos, huesos, dientes o cortezas de árboles.
Las estructuras artificiales, por el contrario, son creadas por el hombre. Pero en términos relativos, los humanos no han estado estudiando formalmente estructuras durante mucho tiempo.
El estudio de las estructuras se inició en el siglo XVII, en gran parte gracias a Galileo. Galileo tuvo que cambiar de disciplina después de que la Iglesia Católica amenazara con perseguirlo por su trabajo en el campo de la astronomía en 1633. Dejó atrás la astronomía y comenzó a estudiar la resistencia y el carácter de diferentes materiales físicos.
El prestigio de Galileo atrajo una mayor atención académica al tema. A mediados de la década de 1650, los académicos comenzaron a investigar las formas en que los diferentes materiales y estructuras se comportan bajo cargas pesadas. Ese mismo siglo, Robert Hooke también descubrió cómo se comporta la materia a nivel atómico.
Hooke escribió que una estructura sólo puede resistir una carga empujándola con una fuerza igual. Entonces, si una catedral empuja hacia abajo los cimientos con su peso, los cimientos se romperán o empujarán hacia arriba con la misma fuerza. Este es uno de los conceptos fundamentales de las estructuras y su resistencia.
La tensión y la deformación son fuerzas que actúan dentro del material de una estructura sólida.
El estrés no es sólo un problema psicológico que afecta a las personas: las estructuras también pueden sufrirlo.
En física, la tensión es una fuerza que puede existir en cualquier punto dentro de un sólido. Mide el grado en que los átomos y moléculas dentro del material son separados por fuerzas externas.
La tensión se mide dividiendo una fuerza por el área sobre la que actúa (en otras palabras, newtons/área). Por lo tanto, si dos personas tiran de cada extremo de una cuerda, esto genera tensión dentro de la cuerda. Si tiran con la misma fuerza de otra cuerda hecha del mismo material pero con menor diámetro, habría más tensión en esa cuerda porque su área es menor. Por eso una cuerda fina se rompería antes que una más gruesa.
Entonces, el estrés nos dice el grado en que los átomos se separan. La tensión, por otro lado, mide hasta qué punto se están separando.
Medimos la deformación comparando el aumento en la longitud de un objeto con su longitud original. Entonces, si una máquina tira de una varilla de 10 cm de largo y aumenta la longitud de la varilla en 0,2 cm, la deformación resultante es 0,02 y, a diferencia de la tensión, la deformación no tiene una unidad de medida.
La tensión y la deformación también describen la rigidez de un material cuando se toman en conjunto. La rigidez, también conocida como módulo de elasticidad de Young (llamado así en honor al científico Thomas Young), mide la elasticidad de un material bajo una tensión determinada.
Algunos materiales son más elásticos que otros. El caucho, por ejemplo, es, por supuesto, mucho más elástico que el diamante, por lo que el módulo de elasticidad de Young del diamante es mucho mayor que el módulo de elasticidad del caucho.
Las fuerzas de tracción separan los átomos y pueden provocar fluencia.
Cuando tiras de cualquiera de los lados de un trozo de goma, se estira. Pero ¿qué permite que un sólido cambie de forma bajo presión?
El caucho cambia de forma cuando se tira de él porque los átomos que contiene se mueven. Estos átomos están siendo influenciados por fuerzas de tracción .
Las fuerzas de tracción separan los átomos en lugar de juntarlos. Desempeñan un papel importante en los vasos presurizados, como vejigas, arterias, cilindros de buceo y globos. Las moléculas de un globo se separan cuando lo inflas, por ejemplo. Las velas funcionan de la misma manera: se estiran cuando las golpea una ráfaga de viento.
Cuando se aplican fuerzas de tracción, se produce fluencia . La fluencia ocurre cuando un material sólido se deforma bajo la influencia de una tensión mecánica. Y si esa fuerza se aplica con regularidad, el material seguirá cambiando y transformándose con el tiempo.
Piense en la forma en que los zapatos nuevos se vuelven más cómodos cuanto más los usa: las áreas de los zapatos que están más estresadas físicamente cambian de tal manera que el estrés se redistribuye. Con el tiempo, el peso de tu cuerpo se distribuye alrededor de los zapatos de manera más equitativa. La fluencia es esencialmente un mecanismo de adaptación de las estructuras.
Sin embargo, los materiales no necesariamente se estiran debido a las fuerzas de tracción. Si ese fuera el caso, los vasos sanguíneos seguirían creciendo con el tiempo, pero no es así. Cuando las fuerzas de tracción estiran un sólido, el sólido se extiende en la dirección en la que se tira, pero al mismo tiempo se contrae lateralmente, en un ángulo de 90° con respecto a la dirección de la fuerza que se aplica.
Entonces, cuando la sangre fluye a través de la aorta, provoca una tensión longitudinal, que contrarresta la tensión circunferencial que afecta a las paredes. Estos dos tipos de estrés se anulan entre sí y la aorta conserva su forma.
Las estructuras construidas por compresión suelen ser bastante fuertes.
Algunas estructuras, como iglesias, castillos o monumentos antiguos, han logrado permanecer intactos durante siglos o incluso milenios. ¿Qué hace que puedan permanecer de pie tanto tiempo?
Las estructuras permanecen en su lugar en gran medida gracias a las fuerzas de compresión que actúan sobre ellas. A diferencia de las fuerzas de tracción, las fuerzas de compresión empujan una estructura en lugar de tirar de ella.
Incluso antes de empezar a estudiar física, nuestros antepasados sabían intuitivamente que debían evitar construir edificios que pudieran verse afectados por fuerzas de tracción. En cambio, construyeron estructuras donde todo estaba comprimido, como edificios de mampostería unidos por muchas piezas pequeñas que se empujaban unas sobre otras.
Una estructura sólo es estable cuando la presión de compresión actúa uniformemente sobre sus elementos de soporte. Si dos ladrillos están unidos con mortero pero las fuerzas de compresión son más fuertes en uno de ellos, el otro podría verse afectado por fuerzas de tracción, lo que puede provocar que se agriete.
Los antiguos comprendieron implícitamente los principios de las estructuras y sus fuerzas mucho antes de poder realizar cálculos sobre ellas. Esto es lo que les permitió construir enormes castillos e iglesias antes de la era científica, cuando Galileo y otros eruditos descubrieron los principios básicos de las estructuras.
Cuando una estructura comprimida cae, se debe a falta de estabilidad y no a falta de fuerza. Las estructuras en tensión pueden colapsar cuando su tensión es demasiado alta, pero es raro que una estructura en compresión colapse por la misma razón.
Los niños también lo entienden intuitivamente. Cuando construyen una torre con bloques, saben que eventualmente colapsará si es demasiado alta y no es lo suficientemente recta verticalmente.
La viga fue un invento importante para hacer más seguras las estructuras de compresión.
El techo de tu casa es obviamente una parte importante de su diseño, ya que protege la casa de los elementos. Un techo puede parecer un componente bastante simple de una estructura, pero para los ingenieros, un techo es mucho más complicado de lo que parece.
Los tejados presentan muchos desafíos para los ingenieros. Un techo permanente y estable puede ser peligroso porque supone mucho peso sobre las paredes circundantes del edificio. Y debido a que muchos techos son triangulares, la fuerza resultante generalmente no empuja hacia abajo verticalmente; empuja hacia afuera contra las paredes. Las fuerzas de tracción resultantes sobre las paredes podrían provocar que el edificio se derrumbara sobre sí mismo.
Windows complica aún más las cosas. La gente quiere poder mirar hacia afuera y dejar entrar la luz natural a su casa, pero las ventanas debilitan aún más las paredes y reducen su capacidad para soportar el peso del techo. Como resultado, los ingenieros tuvieron que encontrar una manera de construir techos triangulares que no pusieran demasiada tensión en las paredes y, por lo tanto, no pusieran en riesgo la estructura.
Así surgió la viga.
Las vigas canalizan la fuerza del techo hacia abajo y lejos de las paredes. Soportan una carga en ángulo recto con respecto a la longitud de la viga, pero no ejercen ninguna fuerza horizontal sobre los elementos de soporte.
Y los rayos también existen en la naturaleza. Cualquier estructura pesada bien puede mantenerse unida mediante una viga. Los caballos, por ejemplo, tienen cuerpos pesados pero patas muy delgadas, ¡y aun así pueden llevar a un humano en sus espaldas! Probablemente esto se deba a su columna vertebral horizontal, que funciona de manera similar a la viga de un techo.
Por eso, las vigas hacen que las estructuras pesadas y compresivas sean más estables. Sin embargo, incluso con una viga pueden surgir otros problemas.
Las grietas y el mal uso de ciertos materiales pueden provocar el colapso de una estructura.
Incluso los puentes aparentemente bien diseñados o recién construidos pueden colapsar a veces. Hay varias razones posibles para esto, pero las grietas y los problemas materiales suelen ser los principales culpables.
Las estructuras pueden desmoronarse cuando desarrollan grietas o cuando se les agrega material nuevo. CE Inglis escribió sobre esto en 1913, cuando publicó un libro sobre la importancia de las irregularidades dentro de un material.
Inglis descubrió que las regiones localizadas de tensión en los materiales se ven exacerbadas por agujeros, grietas y esquinas afiladas. Una estructura puede parecer estable, pero aún así puede romperse si desarrolla mucha tensión local.
Los agujeros y grietas tampoco son los únicos agentes de tensión local. La adición de material nuevo también puede causar tensión al aumentar la rigidez de la estructura. Por lo tanto, si pones un parche en una prenda de vestir rota, por ejemplo, es posible que se rompa aún más.
Sin embargo, las grietas no son todas iguales; No siempre son peligrosos y no siempre ponen en riesgo una estructura. El factor clave que determina si una grieta es peligrosa es su longitud.
El punto crítico en el que la longitud de una grieta la convierte en un peligro para la estructura se llama longitud crítica de grieta de Griffith. Las grietas más cortas son, por supuesto, más seguras y estables.
La longitud de la grieta de Griffith depende de los niveles de tensión en el material de una estructura. Cuanta más tensión tenga una estructura, más corta será la longitud de la fisura de Griffith.
Cuando una grieta alcanza la longitud crítica de grieta de Griffith, comienza a crecer muy rápidamente a medida que la estructura ejerce cada vez más presión sobre ella. Este proceso puede provocar que la estructura colapse de forma bastante repentina.
Las fuerzas de tracción y compresión pueden provocar un colapso estructural, pero por motivos distintos a las grietas.
Si sigues estirando una banda elástica, eventualmente llegará a un punto en el que se romperá; las fuerzas de tracción que actúan sobre él hacen que su material desarrolle grietas o agujeros.
Cuando se aplican fuerzas de tracción a un material, los enlaces interatómicos que contiene se estiran, y sólo pueden estirarse hasta cierto punto. Después de un aumento de aproximadamente el 20 por ciento en la tensión de tracción, los enlaces químicos se debilitan y eventualmente se desprenden entre sí, produciendo una grieta o un agujero.
Sin embargo, las fuerzas de compresión son diferentes. Cuando una estructura colapsa por compresión, se produce debido al cizallamiento, el proceso por el cual una parte de un material se ve obligada a deslizarse más allá de otra parte.
Cuando un sólido se comprime, sus enlaces interatómicos no se estiran, porque los átomos se juntan, en lugar de separarse. Pero la tensión de compresión aún puede causar que una estructura colapse debido a lo que se llama falla por compresión.
La falla por compresión es causada por corte, generalmente cuando los cortes ocurren en un ángulo de alrededor de 45°. Las grietas de corte diagonal son similares a las grietas de tracción: también tienen una longitud de Griffith crítica a partir de la cual comienzan a crecer rápidamente y pueden causar que la estructura colapse repentinamente.
Si una grieta en vidrio o piedra alcanza la longitud crítica de Griffith, la liberación de energía resultante puede incluso hacer que salten astillas.
Hasta ahora hemos visto lo peligrosas que pueden ser las fuerzas de tracción y compresión. Incluso si una estructura parece estar en buen estado, una grieta aparentemente pequeña puede provocar su desaparición. Afortunadamente, contamos con científicos que realizan investigaciones complejas sobre cómo diseñar y construir estructuras que tendrán una probabilidad muy alta de ser estructuralmente seguras. Pero ¿cómo abordan los problemas planteados por diversas fuerzas y grietas?
Los cálculos y las pruebas experimentales aumentan la seguridad y la eficiencia de las estructuras artificiales.
Cuando una persona se frustra o se estresa, a menudo se concentra en sus problemas, lo que sólo sirve para aumentar sus niveles de estrés. Un fenómeno similar ocurre en el metal y, apropiadamente, se llama fatiga.
La fatiga ocurre cuando la carga pesada sobre un metal fluctúa y hace que pierda fuerza. La gente notó este fenómeno por primera vez durante la revolución industrial, cuando la maquinaria a veces se rompía al moverla.
Cuando la presión sobre un metal cambia, puede alterar la estructura cristalina dentro de él, haciendo que sus grietas se extiendan incluso si no han alcanzado la longitud crítica de grieta de Griffith.
La fatiga del metal es muy difícil de detectar, por lo que los metalúrgicos han realizado muchas pruebas experimentales para determinar cómo calcularla. Estos experimentos y cálculos son muy importantes para mantenernos a salvo.
Los cálculos de resistencia estructural se basan en estadísticas, lo que significa que se basan en la probabilidad. Por lo tanto, técnicamente siempre existe la posibilidad de que una estructura colapse, incluso cuando los cálculos de construcción parecen sólidos.
Estos cálculos son tan complejos que, en la década de 1970, diferentes grupos de expertos evaluaron de forma independiente el diseño estructural de los aviones para asegurarse de que fueran seguros. También se utilizaron pruebas experimentales cuando se estaban desarrollando nuevas estructuras de aviones.
De hecho, entre 1935 y 1955, se construyeron y probaron hasta su destrucción alrededor de 100 tipos diferentes de aviones.
Las pruebas experimentales también hacen que las estructuras sean más eficientes. Las estructuras siempre se rompen en su punto más débil, por lo que es importante fortalecer estos puntos débiles lo más posible. También podemos reducir el peso y el material en las zonas de la estructura menos propensas a romperse.
Foto de Aleksandar Pasaric