25.7 : Estabilidad de Estructuras

En ingeniería mecánica, la estabilidad de los sistemas sometidos a diversas fuerzas es fundamental para diseñar estructuras duraderas y eficientes. Una forma fundamental de explorar estos conceptos es analizando sistemas como dos varillas conectadas en un punto de pivote, O, con un resorte de torsión de constante elástica k en el punto de pivote. Este sistema es similar en apariencia a un gato de tijera que se usa para cambiar neumáticos en un automóvil. En este caso, los brazos del varillaje (equivalentes a las varillas en este sistema) son totalmente verticales, correspondiendo al caso en el que el vehículo ha sido elevado lo máximo posible.

Estas varillas se colocan inicialmente verticalmente y la acción del resorte evita que giren. Si dos cargas externas F y F’, de igual magnitud y dirección opuesta, se aplican al sistema de tal manera que comparten la misma línea de acción a lo largo de las varillas, entonces el sistema permanece en equilibrio. Esta alineación asegura que no haya ningún momento o par neto que actúe para desplazar al sistema de su estado de equilibrio.

Sin embargo, si el punto de pivote, O, se mueve ligeramente hacia los lados, este movimiento da como resultado una pequeña desviación angular de las varillas con respecto a la vertical. Esto hace que los extremos de cada varilla giren con respecto a sus puntos de pivote, introduciendo pares en el sistema. El primer par resulta del apoyo de reacción en el punto O. Esta fuerza, que ahora actúa en ángulo, intenta desplazar aún más la varilla de su orientación vertical inicial, alejándola del equilibrio. El segundo par, resultante de la resistencia del resorte de torsión, ejerce una fuerza de restauración para devolver la varilla a su posición vertical original. El sistema alcanza un punto de carga crítica Fcr cuando estos dos momentos son iguales. Si la carga aplicada excede la carga crítica, el sistema se vuelve inestable; si es menor que la carga crítica, el sistema permanece estable.

Este principio es universalmente aplicable en sistemas estructurales y se utiliza ampliamente en diseños de ingeniería mecánica, incluida la estabilización de edificios, vehículos y maquinaria.