Estructuras o por qué las cosas no se caen
Me estaba planteando si dedicar, o no, un artículo a este libro. Finalmente, he decidido hacerlo. Es un gustazo leer un buen libro, poder escribir un artículo exprimiendo su jugo y recomendarlo a todo el mundo. Lo malo de este es, precisamente, que no puedo hacer esto último. No obstante, puedo decir detalles que todos, entenderéis sin problemas y que, al menos, os darán una idea de por dónde se mueven los ingenieros.
Respecto a quién lo recomiendo. Para quienes hayan estudiado elasticidad y resistencia de materiales (y se acuerden de la asignatura, claro está) no tendrán problema y les encantará. Si no habéis estudiado este tema y pretendéis leerlo deberían sonaros conceptos como tracción, compresión, concentración de tensiones, pandeo de barras, trabajo de deformación, etc. Si os suenan, adelante; si no es así, no lo puedo recomendar.
Para empezar, la teoría de estructuras está ligada al devenir de la Historia.
¿No me creéis? Un ejemplo: en tiempos de los romanos, los edificios novedosos como las Insula se venían abajo con mucha frecuencia. Tanto fue así, que el emperador Augusto promulgó una ley que limitaba su altura a 18 metros (ver información sobre las Insula aquí y aquí).
Otro ejemplo: el desarrollo de los motores. Al principio, las máquinas de vapor trabajaban con presiones muy bajas. Al ir aprendiendo más sobre hacer calderas y tuberías, se pudieron fabricar máquinas que podían aguantar más presión y, por tanto, poder tener más potencia. Y no las tenían todas consigo. Sólo entre los años 1859 y 1860 se perdieron 27 barcos debido a explosiones de sus calderas. ¿Imagináis el revuelo que formaría hoy una cosa así?
Pero la resistencia de materiales no sólo se relaciona con la ingeniería, sino con cualquier cosa que necesite un soporte. El libro habla de los huesos de los animales, la forma de los puentes, las velas de los barcos… hasta habla del corte al bies inventado por Madeleine Vionnet (para quien tenga curiosidad que lea este enlace). Veamos, si ponemos los hilos de las telas en la dirección de las tensiones principales, la tela aguanta más y se deforma menos, pero si se ponen a 45º se dice que se ponen “al bies” y tendremos alargamientos muy grandes pero simétricos. Esos alargamientos quedan muy bien cara a la moda, pero no va tan bien a nivel de resistencia.
La fabricación racional de velas para barcos se inició en EEUU. Como ponían, precisamente, la dirección de las costuras en las de las tensiones principales podían navegar más aprisa y aprovechando mejor la fuerza del viento que los veleros británicos. La cosa cambió en 1851. Ese año, el yate América viajó de Nueva York a Cowes para competir contra los mejores yates ingleses.
El América entró en una regata alrededor de la isla de Wight, cuyo premio bastante feo lo entregaba la reina Victoria. El objeto en forma de cacerola ha adquirido fama como la “Copa América“. Cuando se le dijo a la Reina que el América era el primer yate que había cruzado la meta, preguntó: “¿Y quién es el segundo?”
- Todavía no está a la vista, majestad.
Es curioso cómo puede cambiar la historia la dirección de las costuras de las velas, ¿verdad?
Pero hagamos un poco de historia. En 1633, cuando Galileo se instaló en Arcetri para estudiar la elasticidad, una de las primeras preguntas que se hizo fue: ¿cuáles son los factores que condicionan la resistencia de una cuerda? ¿depende de la longitud de la cuerda?
Evidentemente, la fuerza que se necesita para romper una cuerda larga es la misma que se necesita para romper una cuerda corta. Mucha gente, sin embargo, piensa que no es así. Y la verdad es que, intuitivamente, en una caída en montaña, da la sensación de que, realmente, la cuerda más larga puede aguantar una caída y la corta no. Hay una razón. La cuerda más larga se deformará más que la corta y le dará tiempo a amortiguar la caída. La energía de la caída se almacena en esa deformación. Por tanto, para romper una cuerda más larga no sólo hay que aplicar la misma fuerza, sino que debe aplicarse durante una mayor longitud. El golpe súbito de la caída queda amortiguado. En los coches veréis que su sistema de amortiguación no es un delgado y corto trozo de acero, sino que el material da vueltas sobre sí mismo (en otras palabras: muelles), con lo que son más largos y les da tiempo a absorber la energía del bache (ojito con los muelles que, en realidad, trabajan a torsión, o sea, se retuerce, no se alarga; aunque puedo explicar eso en otra historia). A esa capacidad de almacenar energía en forma de deformación elástica sin llegar a la rotura se le llama resiliencia.
En 1676, el fenomenal Robert Hooke nos dejaba un par de perlas para los ingenieros:
* Cualquier sólido cambia su forma, contrayéndose o alargándose, cuando se le aplica una fuerza mecánica.
* El cambio se produce cuando el sólido contrarresta la carga.
Y fijaos que la deformación se produce siempre. Cuando alguien sube a la torre de una catedral, la torre se hace más corta. Otra cosa es que la deformación sea tan pequeña en función de sus medidas que tengamos que utilizar aparatos especiales para medirlas.
También habla de las ruedas con radios. En las ruedas de madera de los carruajes tradicionales, el peso del vehículo es soportado por turno por cada uno de los radios. Este hecho parece que se hizo evidente por primera vez a un hombre notable y excéntrico, Sir George Cayley. Fue uno de los primeros y más brillantes pioneros de la aviación y estaba interesado en hacer ruedas mejores y más ligeras para sus aviones. En una época tan temprana como 1808 se le ocurrió que se podía ahorrar una gran cantidad de peso si conseguía ruedas en la que los radios trabajaran a tracción en lugar de compresión. Este razonamiento condujo, más adelante, al desarrollo de la moderna rueda de bicicleta, en la que los radios trabajan a tracción; quiero decir, que trabajan estirándose y no comprimiéndose (trabajan los de la parte superior de la rueda y no los inferiores).
El ahorro de peso está, sin embargo, casi limitado a ruedas grandes y poco cargadas, como las ruedas de la bicicleta. Cuando la rueda se vuelve más pequeña y sufre cargas mayores, no existe ninguna ventaja en usar radios. Las ruedas de acero prensado de los coches modernos son poco más pesadas que las ruedas de radios de alambre, por lo que compensan las molestias y los gastos que originan.
Y también habla de las aplicaciones de las tensiones a la música. Las cuerdas de una guitarra, por ejemplo, suenan diferente en función de la tensión que soportan, aparte de la longitud que tienen. De hecho, dada la rigidez de las cuerdas, pequeños cambios de tensión originan grandes cambios en sus sonidos. Este detalle que puede parecer no ser más que una mera curiosidad tuvo importancia en su día. Los romanos solían pedir que los oficiales que se encargaban de las catapultas tuvieran un buen oído musical, de forma que podían conocer, por el sonido que emitían, la tensión que tenían sus cuerdas.
Esto también nos da una pista de por qué las mujeres y los niños pueden dar notas más agudas al cantar. No es que se varíe la tensión de las cuerdas vocales, sino porque tienen laringes más pequeñas y, por tanto, cuerdas vocales más cortas: sobre los 36 mm en los hombres y 26 mm en las mujeres. El cambio en la voz de los jóvenes se debe al crecimiento alrededor de los 14 años.
Pero, aparte de estas curiosidades, la razón por la que he querido hablaros de este libro, es por la filosofía que introduce cuando relaciona lo que es seguridad con la sociedad o con las personas y nuestra psicología en particular.
Sir Alfred Pugsley dice en su obra “La Seguridad de las estructuras” que los sentimientos humanos son excepcionalmente proclives a temer la rotura de las estructuras, y el profano se aferra con extraordinaria tenacidad a la convicción de que cualquier estructura o instrumento con el que esté personalmente asociado debe ser “irrompible”. Esto ocurre en toda clase de situaciones. Algunas veces no es dañino pero a veces el efecto es contraproducente. Durante la última guerra mundial, los proyectistas de aviones tenían la opción, hasta cierto punto, de rebajar la seguridad estructural del avión a cambio de aumentar cualidades del aparato. Resulta que las pérdidas de bombarderos por acciones del enemigo eran muy altas: algo así como uno de cada veinte salidas. En cambio, las pérdidas debidas a roturas estructurales eran muy pocas, mucho menos de un avión de cada cien mil. Dado que la estructura del avión suponía un tercio de su peso, hubiera sido perfectamente racional haber adelgazado la estructura de los bombarderos para así conseguir otras ventajas.
Si se hubiese hecho esto habría habido un ligero aumento de la tasa de accidentes estructurales, pero el peso ahorrado se podía haber invertido en cañones más eficaces o en una coraza de protección más gruesa. En tal caso habría habido una tasa neta de reducción en las bajas. Pero los aviadores no querían saber nada de esto. Preferían el alto riesgo de ser derribados por el enemigo al riesgo menor de que el avión rompiera en el aire por razones estructurales.
Pugsley sugiere que, de alguna manera, consideramos ultrajante que una estructura se rompa, y que esa consideración, probablemente, la hemos heredado de nuestros antepasados arborícolas, que estaban aterrorizados, por encima de todas las cosas, de que el árbol en el que vivían se rompiese debajo de ellos, cayéndose los niños, las cunas y todo lo demás. Sea esta la verdadera razón o no, los ingenieros deben tener en cuenta estos sentimientos, aunque el peso propio adicional que exija produzca en sí otros peligros.
Otra cosa que comenta es que hay estructuras que sólo pueden romper en circunstancias excepcionales, pero que puede pasar mucho tiempo antes que surjan esas circunstancias. Por ejemplo, las olas caprichosamente altas para los barcos, los golpes de viento ascendente excepcionalmente fuertes para los aviones, una combinación de presión de viento muy fuerte con cargas de tráfico excepcionalmente altas para un puente, etc. Aunque es posible que estos acontecimientos ocurran, pueden pasar muchos años antes de que se den. Así, una estructura esencialmente poco segura puede durar mucho tiempo, sencillamente porque nunca ha sufrido una prueba seria.
Los ingenieros responsables tratan, por supuesto, de predecir este tipo de cosas y evitarlas con la estructura, pero en muchos casos estos valores excepcionales de cargas entran dentro de lo que las compañías de seguros llaman “Actos de Dios” (aquello que no puede esperar una persona razonable). Por ejemplo, un barco que choca contra un puente, destruyéndose a la vez el barco y el puente, como un caso algo que sucedió realmente.
En 1975 un barco carguero golpeó un pilar del Puente de Tasmania sobre el río Derwent en Hobart, Australia. Causó el derrumbe de uno de los tramos del puente. Era casi de noche y estaba chispeando, por lo que había poca visibilidad. El tráfico en el puente continuó y varios automovilistas cayeron más de 30 metros hacia el río.
Parece ser que la cifra de muertos nunca se supo. Un conductor se dio cuenta y se detuvo, tratando de avisar a los demás. Sin embargo, la mayoría de ellos no se enteraron y continuaron su camino hacia la muerte.
Es muy difícil entrever qué podían haber hecho desde un punto de vista estructural para corregirlo tanto el ingeniero naval como el ingeniero de caminos que proyectó el puente. Estel problema, sin embargo, no concierne a los ingenieros, sino a la asociación de pilotos. Más aún, un avión no puede ser proyectado para que pueda chocar contra una montaña. Proyectamos, hasta cierto punto, coches que pueden chocar contra un muro de ladrillos sin que se maten los pasajeros, pero no esperamos que el coche siga en uso después del accidente.
En fin, espero que con estos párrafos entendáis un poco más las comeduras de coco de algunos ingenieros.
Título: “Estructuras o por qué las cosas no se caen”
Autor: J. E. Gordon
Lo del puente de Tasmania está tomado de aquí:
http://www.naturesplatform.com/mychild_sp.html#Derwent
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