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Un experimento práctico de análisis estructural que explora la relación entre la carga aplicada y la deformación en reglas, así como el comportamiento dinámico de estructuras simples sometidas a movimientos oscilatorios. El experimento se divide en dos fases: la primera analiza la rigidez de las reglas al aplicar diferentes pesos, mientras que la segunda investiga la influencia de la masa en el período y la frecuencia de oscilación. Tablas de datos, ilustraciones y conclusiones que permiten comprender los conceptos de rigidez, resonancia y amortiguamiento en el contexto de la ingeniería.
Typology: Schemes and Mind Maps
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En la segunda fase de este experimento, se investigó el comportamiento dinámico de estructuras simples al someterlas a movimientos oscilatorios. Para ello, se utilizaron reglas sujetas verticalmente por su base, dejando la parte superior libre. Se añadieron masas con plastilina en la parte libre de las reglas, y la base fue movida a diferentes ritmos para observar cómo respondían las reglas a estas oscilaciones. Este tipo de experimentos es fundamental para comprender cómo las estructuras responden a fuerzas dinámicas, como las que se experimentan durante un terremoto o en cualquier situación que implique vibraciones. En particular, se busca identificar fenómenos como la resonancia y el amortiguamiento, que son cruciales en el diseño de estructuras sismorresistentes y en el análisis de sistemas vibratorios. Resonancia es un fenómeno que ocurre cuando la frecuencia del movimiento aplicado a una estructura coincide con su frecuencia natural de vibración. En este caso, la estructura puede experimentar oscilaciones amplificadas, lo que puede llevar a daños significativos si no se controla adecuadamente. En el contexto del experimento, al mover la tabla a una frecuencia que coincida con la frecuencia natural de las reglas, se podría observar un aumento considerable en la amplitud de sus oscilaciones. Por otro lado, el amortiguamiento se refiere al proceso mediante el cual las oscilaciones de una estructura disminuyen con el tiempo. Esto ocurre debido a la disipación de energía, ya sea por la fricción interna dentro del material, el rozamiento con el aire, o cualquier otro mecanismo de pérdida de energía. El nivel de amortiguamiento de un sistema determina cuán rápidamente las oscilaciones se atenúan después de haber sido excitadas. Este experimento ofrece una visión práctica de cómo las estructuras simples responden a excitaciones dinámicas y proporciona un marco básico para entender conceptos que son esenciales en la ingeniería estructural y en la dinámica de sistemas. Ilustración 2 : análisis de una masa afectada por una excitación
PLANTEAMIENTO DEL MODELO DE EXPERIMENTACIÓN La practica consta de dos experimentos juntos, en el primero se analizó la rigidez de las reglas y en el segundo la resonancia y amortiguamiento de estas. Primer experimento Materiales
Segundo experimento Sujetar las mismas tres reglas verticalmente en una tabla, fijando firmemente la base de cada regla y dejando la otra parte libre. Moldear masas con plastilina y colocarlas en la parte libre de cada regla para añadir peso. Preparar un dispositivo o mecanismo para mover la tabla base, permitiendo que se aplique un movimiento oscilatorio a diferentes ritmos. Mover la tabla base a un ritmo constante y observar cómo reaccionan las reglas con las masas en sus extremos. Aumentar gradualmente el ritmo del movimiento y notar cualquier cambio en el comportamiento de las reglas, como un incremento en la amplitud de las oscilaciones. Identificar el ritmo de movimiento en el que se produce la resonancia, observando cuándo las reglas oscilan con la mayor amplitud. Evaluar el nivel de amortiguamiento al dejar de mover la tabla y observar cómo las oscilaciones de las reglas disminuyen con el tiempo. Anotar todas las observaciones relacionadas con la resonancia y el amortiguamiento para un análisis posterior. Comparar el comportamiento de las tres reglas para determinar cómo afectan las variaciones en las masas y el ritmo de movimiento a su respuesta dinámica. Ilustración 5 :modelo del experimento Ilustración 6 :masas siendo afectadas por el movimiento
RESULTADOS Resultados del primer experimento TABLA PARA MEDIR RIGIDEZ (PRUEBA 1) MEDICIÓN PESO (g) DISTANCIA MEDIDA (m) FUERZA (N) DEFLEXIÓN (m) RIGIDEZ (K) 0 0 0.21 0 1 10 0.185 98.1 0.025 3924 2 20 0.155 196.2 0.055 3567. 3 30 0.115 294.3 0.095 3097. K promedio 3529. TABLA PARA MEDIR RIGIDEZ (PRUEBA 2) MEDICIÓN PESO (g) DISTANCIA MEDIDA (m) FUERZA (N) DEFLEXIÓN (m) RIGIDEZ (K) 0 0 0.215 0 1 10 0.19 98.1 0.025 3924 2 20 0.16 196.2 0.055 3567. 3 30 0.125 294.3 0.09 3270 k promedio 3587. TABLA PARA MEDIR RIGIDEZ (PRUEBA 3) MEDICIÓN PESO (g) DISTANCIA MEDIDA (m) FUERZA (N) DEFLEXIÓN (m) RIGIDEZ (K) 0 0 0.205 0 1 10 0.18 98.1 0.03 3270 2 20 0.145 196.2 0.065 3018. 3 30 0.12 294.3 0.09 3270 K promedio 3186. RIGIDEZ PROMEDIO PRUEBA RESULTADO 1 3529. 2 3587. 3 3186. promedio 3434.
FRECUENCIA Y PERIODO PESO FRECUENCIA (1/s) PERIODO (s) 15g 0.61 1. 30g 0.47 2. 40g 0.39 2. EXPERIMENTO DE PERIODOS Y FRECUENCIAS (PRUEBA 3) NO. PESO (G) TIEMPO EN CRONOMETRO (S) FRECUENCIA (1/S) PERIODO (S) 1 40 2.85 0.351 2. 2 40 5.61 0.362 2. 3 40 8.3 0.372 2. 4 40 10.93 0.380 2. 5 40 13.51 0.388 2. 6 40 16.03 0.397 2. 7 40 18.51 0.403 2. 8 40 20.95 0.410 2. 9 40 23.34 0.418 2. 10 40 25.68 0.427 2. promedio = 0.391 2.
CONCLUCIONES Primer experimento Al agregar peso adicional (monedas) a las reglas, observaste una deflexión mayor en cada una. La relación entre la carga aplicada y la deflexión es clave para determinar la rigidez de las reglas. La rigidez (k) de las reglas puede estimarse utilizando la relación Deflexión ∝= 1 𝑘
A mayor deflexión para la misma carga, menor es la rigidez de la regla. Comparando la deflexión con 1, 2, y 3 monedas, podrías observar que la relación entre la carga y la deflexión es lineal si las reglas se comportan de manera elástica dentro del rango de cargas aplicadas. Si las reglas eran del mismo material y dimensiones, cualquier diferencia en la deflexión observada podría deberse a pequeñas variaciones en el material o en la forma de colocarlas. Si las reglas eran de diferentes materiales o dimensiones, este experimento habría demostrado claramente cuáles son más rígidos, según la menor deflexión observada. Ilustración 7 :regla siendo afectada por un peso de 20 g
COMENTARIOS Alinear correctamente las reglas: En el primer experimento, alinear las reglas perfectamente en la tabla vertical fue un desafío, ya que cualquier inclinación o desajuste podría haber afectado las mediciones de deflexión. Medir con precisión la deflexión: Medir la distancia desde la mesa hasta la punta libre de las reglas, especialmente después de agregar las monedas, requirió cuidado para evitar errores de paralaje o inconsistencias en las lecturas. Controlar el movimiento de la tabla: En el segundo experimento, controlar de manera uniforme el movimiento de la tabla para que las reglas oscilen correctamente fue complicado. Variaciones en el ritmo de movimiento pueden haber introducido errores en la medición de los periodos y frecuencias. Entender la relación entre carga y deflexión: El primer experimento nos ayudó a comprender cómo las cargas adicionales (monedas) afectan la deflexión de una regla y, por ende, su rigidez. Esta relación es crucial para diseñar y evaluar estructuras que soporten cargas. Analizar el comportamiento dinámico: El segundo experimento permitió estudiar cómo diferentes masas influyen en la frecuencia natural de un sistema, lo cual es esencial en la ingeniería para evitar resonancias destructivas en estructuras sometidas a vibraciones. Practicar la medición y análisis de fenómenos físicos: Ambos experimentos nos sirvieron para practicar la medición y el análisis de fenómenos físicos, habilidades fundamentales en la investigación científica y el desarrollo de proyectos de ingeniería. Identificar la rigidez de una estructura: Aprendimos a identificar cómo la rigidez de una regla varía con la carga aplicada, lo que es directamente aplicable al diseño de vigas y otros elementos estructurales. Calcular frecuencias y periodos: Aprendimos a calcular periodos y frecuencias naturales de oscilación, información esencial para diseñar estructuras que sean seguras frente a vibraciones. Manejar complicaciones experimentales: Aprendimos a manejar y superar complicaciones comunes en la experimentación, como la necesidad de precisión en las mediciones y el control de variables externas, para obtener resultados fiables.
BIBLIOGRAFIA Hibbeler, R. C. (2021). Análisis estructural (10ª ed.). Pearson Educación. McCormac, J. C., & Nelson, J. K. (2014). Structural Analysis (8th Edition). Pearson. Civil Engineering Community - Structural Analysis: https://www.civilengineeringcommunity.com/category/structural-analysis/ The Constructor - Civil Engineering Home: https://theconstructor.org/structural-engg/ Ingeniero de Caminos - Análisis Estructural: https://ingenierocaminos.com/analisis-estructural/ CivilGeeks - Análisis de Estructuras: https://civilgeeks.com/
