Resumen del libro Structures or Why Things Don’t Fall Down por James Edward Gordon
Resumen corto: Structures explica las leyes de la física que mantienen las estructuras. Desde estructuras hechas por el hombre como aviones, hasta estructuras biológicas como el cuerpo.
¿Quién es James Edward Gordon?
James Edward Gordon fue uno de los fundadores del campo de la ciencia de los materiales. Escribió varios libros y fue galardonado con la Medalla de Plata Británica de la Royal Aeronautical Society y la Medalla Griffith del Club de Ciencia de Materiales.
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La ciencia de materiales
¿Qué mantiene unido a un avión mientras vuela o evita que un puente se derrumbe bajo el peso de los automóviles? Todo está en el diseño de su estructura.
Una estructura, en el contexto ingenieril, se puede definir como una colección de materiales destinados a soportar cargas. Pero su presencia no se limita a lo que diseñamos, sino que las estructuras ocurren tanto en el mundo biológico como en el creado por el hombre.
Las estructuras biológicas, transportan materia y protegen a los seres vivos. Las estructuras biológicas actuales son en su mayoría blandas, como tejido muscular o pétalos de flores. Sin embargo, existen partes estructurales biológicas algo rígidas, como los cuernos, huesos, caparazones, dientes o la corteza de árbol.
Las estructuras artificiales, por otro lado, están hechas por el hombre. Pero en términos relativos, los humanos no han estado estudiando formalmente las estructuras durante mucho tiempo.
El estudio de las estructuras se inició en el siglo XVII, gracias en gran parte 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 fuerza 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 estrés.
Siguiendo esta tendencia, Robert Hooke descubrió cómo se comporta la materia a nivel atómico. Hooke describió como una estructura tenía que ejercer una fuerza igual pero de sentido opuesto para mantenerse. Entonces, si una catedral empuja hacia abajo sobre una base con su peso, la base se romperá o empujará hacia arriba con la misma fuerza. Este es uno de los conceptos fundamentales de las estructuras y su fuerza. Esto le llevó a desarrollar la ley de Hooke, que permite describir el comportamiento de los materiales como si fuesen muelles, y con ello simplificar el proceso de caracterizar los materiales.
El estrés físico
En física, el estrés es una fuerza que puede existir en cualquier punto dentro de un sólido. Mide el grado en el que los átomos y las moléculas dentro del material están siendo separados por fuerzas externas.
El estrés se mide dividiendo la fuerza por el área sobre la que actúa (newtons / área). Si dos personas tiran de los extremos de una cuerda, esto genera tensión dentro de la cuerda. Si tiran con la misma forma de otra cuerda hecha de
el mismo material pero con un diámetro menor, habría más tensión en esa cuerda porque su área es menor: por eso una cuerda delgada es más frágil que una más gruesa.
El estrés nos dice el grado en que los átomos se separan. La tensión, por otro lado, mide cuán lejos están siendo separados. Medimos la deformación comparando el aumento de la longitud de un objeto respecto a su longitud original. Por lo tanto, si una máquina tira de una varilla de 10 cm de largo y aumenta la longitud de la varilla en 0,2 cm y, a diferencia de la tensión, la deformación no tiene una unidad de medida.
El estrés y la deformación describen la rigidez de un material cuando se toman juntos. La rigidez, conocida como módulo de elasticidad de Young (llamado así por el científico Thomas Young), mide la elasticidad del material bajo una tensión determinada.
Algunos materiales son más elásticos que otros. Cuanto más alto el módulo de elasticidad de Young mayor es la elasticidad.
Cuando tiramos de cualquier lado 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 porque los átomos de su interior se mueven. Estos átomos están siendo afectados por fuerzas de tracción. Las fuerzas de tracción separan los átomos en lugar de juntarlos. Las moléculas de un globo se estiran cuando lo inflamos.
Cuando se aplican fuerzas de tracción, el 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.
Los zapatos nuevos se vuelven más cómodos cuanto más los usamos: las áreas de los zapatos que están físicamente estresadas cambian y el estrés se redistribuye. Eventualmente, nuestro peso corporal se distribuye entre los zapatos de manera más equitativa.
Los materiales no necesariamente se estiran únicamente debido a las fuerzas de tracción. Si ese fuera el caso, los vasos sanguíneos seguirían creciendo con el tiempo, pero este no es el caso. Cuando las fuerzas de tracción estiran un sólido, el sólido se extiende en la dirección en que se tira, pero al mismo tiempo se contrae lateralmente, en un ángulo de 90 grados con la dirección de la fuerza que se aplica.
Entonces, cuando la sangre fluye a través de la aorta, provoca un estrés longitudinal, que contrarresta el estrés circunferencial que afecta a las paredes. Estos dos tipos de estrés se anulan mutuamente y la aorta conserva su forma.
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