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Estática
Problema
2024 · Ordinaria · Suplente
3.1
Examen
BLOQUE 3. SISTEMAS MECÁNICOS

De la viga que se muestra en la figura:

Imagen del ejercicio
a) Calcule las reacciones en los apoyos.b) Represente los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector.
VigasReacciones en apoyosEsfuerzo cortante+1
BLOQUE 3. SISTEMAS MECÁNICOS
a) Cálculo de las reacciones en los apoyos

Tipo de viga: Viga simplemente apoyada con voladizo. El apoyo A es una articulación, por lo que presenta dos reacciones (RAxR_{Ax}, RAyR_{Ay}). El apoyo B es un rodillo, por lo que presenta una reacción vertical (RByR_{By}). La carga PP es una fuerza puntual descendente.

Datos
P=400NP = 400\,N
L1=2m(distancia de A a B)L_1 = 2\,m \quad\text{(distancia de A a B)}
L2=1m(distancia de B a P)L_2 = 1\,m \quad\text{(distancia de B a P)}
Ltotal=L1+L2=3mL_{\text{total}} = L_1 + L_2 = 3\,m
Fórmulas

Para el equilibrio estático de la viga, se aplican las ecuaciones de equilibrio:

Fx=0(Sumatorio de fuerzas horizontales)\sum F_x = 0 \quad \text{(Sumatorio de fuerzas horizontales)}
Fy=0(Sumatorio de fuerzas verticales)\sum F_y = 0 \quad \text{(Sumatorio de fuerzas verticales)}
MA=0(Sumatorio de momentos respecto al apoyo A)\sum M_A = 0 \quad \text{(Sumatorio de momentos respecto al apoyo A)}
Sustitución

1. Sumatorio de fuerzas horizontales:

Fx=RAx=0\sum F_x = R_{Ax} = 0

2. Sumatorio de momentos respecto al apoyo A (sentido antihorario positivo):

MA=RByL1P(L1+L2)=0\sum M_A = R_{By} \cdot L_1 - P \cdot (L_1 + L_2) = 0
RBy(2m)400N(2m+1m)=0R_{By} \cdot (2\,m) - 400\,N \cdot (2\,m + 1\,m) = 0
2RBy400N3m=02 R_{By} - 400\,N \cdot 3\,m = 0
2RBy1200Nm=02 R_{By} - 1200\,N \cdot m = 0
RBy=1200Nm2mR_{By} = \frac{1200\,N \cdot m}{2\,m}
RBy=600NR_{By} = 600\,N

3. Sumatorio de fuerzas verticales (sentido hacia arriba positivo):

Fy=RAy+RByP=0\sum F_y = R_{Ay} + R_{By} - P = 0
RAy+600N400N=0R_{Ay} + 600\,N - 400\,N = 0
RAy+200N=0R_{Ay} + 200\,N = 0
RAy=200NR_{Ay} = -200\,N
Resultado
RAx=0NR_{Ax} = 0\,N
RAy=200N(La direccioˊn real es hacia abajo)R_{Ay} = -200\,N \quad \text{(La dirección real es hacia abajo)}
R_{By} = 600\,N \quad \text{(La dirección real es hacia arriba)}
b) Representación de los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector

Se define el origen de coordenadas en el apoyo A (x=0mx=0\,m). Los tramos a considerar son desde x=0mx=0\,m hasta x=2mx=2\,m (apoyo B) y desde x=2mx=2\,m hasta x=3mx=3\,m (carga P).

Funciones del esfuerzo cortante V(x)
Tramo 1: $0 \le x < 2\,m$ (desde A hasta antes de B)

Se considera la fuerza RAyR_{Ay} que actúa a la izquierda de la sección.

Fórmulas
V(x)=RAyV(x) = R_{Ay}
Sustitución
V(x)=200NV(x) = -200\,N
Resultado
V(x)=200NV(x) = -200\,N
Tramo 2: $2\,m \le x < 3\,m$ (desde después de B hasta antes de P)

Se consideran las fuerzas RAyR_{Ay} y RByR_{By} que actúan a la izquierda de la sección.

Fórmulas
V(x)=RAy+RByV(x) = R_{Ay} + R_{By}
Sustitución
V(x)=200N+600NV(x) = -200\,N + 600\,N
Resultado
V(x)=400NV(x) = 400\,N
Funciones del momento flector M(x)
Tramo 1: $0 \le x < 2\,m$ (desde A hasta antes de B)

Se considera el momento generado por la fuerza RAyR_{Ay} a la izquierda de la sección.

Fórmulas
M(x)=RAyxM(x) = R_{Ay} \cdot x
Sustitución
M(x)=200NxM(x) = -200\,N \cdot x
Resultado
M(x)=200x NmM(x) = -200x \text{ N}\cdot\text{m}
Tramo 2: $2\,m \le x \le 3\,m$ (desde después de B hasta P)

Se consideran los momentos generados por las fuerzas RAyR_{Ay} y RByR_{By} a la izquierda de la sección.

Fórmulas
M(x)=RAyx+RBy(xL1)M(x) = R_{Ay} \cdot x + R_{By} \cdot (x - L_1)
Sustitución
M(x)=200Nx+600N(x2m)M(x) = -200\,N \cdot x + 600\,N \cdot (x - 2\,m)
M(x)=200x+600x1200M(x) = -200x + 600x - 1200
Resultado
M(x)=(400x1200) NmM(x) = (400x - 1200) \text{ N}\cdot\text{m}
Valores significativos para los diagramas
Esfuerzo cortante V(x)
Sustitución
V(0)=200NV(0) = -200\,N
V(2)=200NV(2^-) = -200\,N
V(2+)=400NV(2^+) = 400\,N
V(3)=400NV(3^-) = 400\,N
V(3+)=V(3)P=400N400N=0NV(3^+) = V(3^-) - P = 400\,N - 400\,N = 0\,N
Momento flector M(x)
Sustitución
M(0)=2000=0NmM(0) = -200 \cdot 0 = 0\,N \cdot m
M(2)=2002=400NmM(2) = -200 \cdot 2 = -400\,N \cdot m
M(3)=40031200=12001200=0NmM(3) = 400 \cdot 3 - 1200 = 1200 - 1200 = 0\,N \cdot m
Descripción de los diagramas
Diagrama de Esfuerzo Cortante (V(x))

El diagrama de esfuerzo cortante presenta un valor constante de 200N-200\,N desde x=0mx=0\,m hasta el apoyo B en x=2mx=2\,m. En el apoyo B (x=2mx=2\,m), experimenta un salto vertical ascendente de 600N600\,N debido a la reacción RByR_{By}, pasando de 200N-200\,N a 400N400\,N. Desde x=2mx=2\,m hasta el extremo final de la viga en x=3mx=3\,m, el valor del esfuerzo cortante se mantiene constante en 400N400\,N. En el extremo final (x=3mx=3\,m), el diagrama cierra a cero debido a la carga puntual PP de 400N400\,N aplicada hacia abajo.

Diagrama de Momento Flector (M(x))

El diagrama de momento flector comienza en M(0)=0NmM(0)=0\,N \cdot m en el apoyo A (articulación). Decrece linealmente desde 0Nm0\,N \cdot m hasta un valor de M(2)=400NmM(2)=-400\,N \cdot m en el apoyo B. La pendiente de esta sección es de 200N-200\,N. Desde el apoyo B (x=2mx=2\,m) hasta el extremo final de la viga en x=3mx=3\,m, el momento flector aumenta linealmente desde 400Nm-400\,N \cdot m hasta M(3)=0NmM(3)=0\,N \cdot m en el punto de aplicación de la carga PP. La pendiente de esta sección es de 400N400\,N.