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5 cosas que Jenga puede enseñarnos sobre la ingeniería estructural

5 cosas que Jenga puede enseñarnos sobre la ingeniería estructural
Satisfacer
  1. Gastos
  2. cimientos
  3. tensión y compresión
  4. fuerza rotacional
  5. fuerzas sísmicas

5: Gastos

Uno de los principios más importantes de la ingeniería estructural es Cargando. ¿Alguna vez has oído hablar de una pared de apoyo? Suele ser una pared interior (como la que divide la cocina y la sala de estar) que también actúa como columna que sostiene el segundo piso o techo. Si quita un muro de carga, es posible que la estructura no pueda soportar su propio peso, causando problemas.

En Jenga, no se cortan dos bloques de madera exactamente del mismo tamaño, lo que significa que los bloques se apoyan entre sí de manera desigual. [source: Smith]. Uno de los principales trucos de Jenga es localizar las partes “sueltas”, que son más fáciles de quitar sin comprometer la integridad de la torreta. Si una pieza está suelta, sabrá que no puede soportar peso.

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Entonces, ¿qué nos dice esto sobre la ingeniería estructural? Al diseñar un edificio, los ingenieros deben tener en cuenta camino de carga desde la parte superior del edificio hasta los cimientos. Cada nivel de la estructura debe resistir las fuerzas aplicadas hacia abajo desde los niveles superiores. Hay tres tipos de cargas que ocurren en un edificio:

  • cargas muertas – Las fuerzas aplicadas por todos los componentes estáticos de la estructura, como vigas, pilares, remaches, hormigón y placas de yeso.
  • cargas vivas – Las fuerzas aplicadas por todos los elementos “en movimiento” que pueden afectar una estructura, incluidas las personas, los muebles, los automóviles y los fenómenos meteorológicos normales como la lluvia, la nieve y el viento.
  • cargas dinámicas – Las cargas dinámicas son cargas de tensión que ocurren repentinamente con gran fuerza. Algunos ejemplos son terremotos, tornados, huracanes y accidentes aéreos. [source: Yes Mag].

Los ingenieros deben realizar cálculos cuidadosos para garantizar que los muros, techos y techos de carga puedan soportar cargas muertas, vivas e incluso dinámicas, especialmente cuando se construye en áreas sísmicas activas.

El siguiente principio importante que Jenga enseña sobre ingeniería estructural es la importancia de una base.

4: Fundamentos

Así como necesitas encontrar la superficie perfecta para jugar a Jenga, los ingenieros estructurales deben considerar las superficies que eligen construir.

Imágenes de Richard Elliott / Getty

Cada familia tiene su superficie favorita para jugar a Jenga. La frágil mesa de juego está fuera de discusión, ya que el menor impacto de un codo perdido hará que su torre se derrumbe. La mesa de cocina resistente es una opción sólida porque no ronca tan fácilmente como la mesa de gráficos, pero nada supera a un buen piso de madera. No puedes golpearlo de costado, está totalmente plano y la única amenaza para la estabilidad es el bebé o algún animal que gatea.

Los ingenieros estructurales también deben considerar la superficie sobre la que están construyendo su estructura. Si dejas caer un edificio de 15 pisos sobre un terreno blando, la estructura puede asentarse de manera desigual, provocando que las paredes se agrieten o incluso colapsen. Incluso si un edificio está construido sobre roca sólida, un terremoto puede golpearlo de lado, arrastrarlo unos metros por la calle y aplastar todo a su paso. Es por eso que todos los edificios modernos, grandes y pequeños, se construyen sobre cimientos.

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Una fundación tiene dos objetivos principales. Primero, transfiere la carga de la estructura al suelo. (Hablamos de cargas en la última página). Cuanto más alto y pesado es un edificio, menor es la carga. Si el edificio quedara plano sobre la superficie, los miembros inferiores de la estructura tendrían que soportar la carga combinada de todo lo que está encima de ellos. Pero con una base diseñada adecuadamente, la carga de toda la estructura pasa a través de los elementos inferiores y se dispersa hacia la tierra que se encuentra debajo.

Los cimientos también sirven para anclar físicamente la estructura al suelo. Desempeña un papel crucial en edificios muy altos. Imagínese tratando de equilibrar una caña en un extremo. Puede quitarlo en una superficie extremadamente plana, pero exhalar también hará que se caiga. Pero, ¿qué pasa si sacas el tallo del jardín y plantas un extremo en el suelo unos centímetros? Ahora puedes tocarlo, o incluso estrellarlo, y no se caerá. Una cimentación entierra parte del edificio en el suelo, lo que le otorga mayor estabilidad frente a cambios dinámicos de carga.

Para los rascacielos construidos en tierra suelta o arena, los ingenieros empujan postes de acero profundamente en el suelo hasta que llegan a la roca. Luego construyen una base de hormigón armado alrededor de los postes de acero para crear un ancla sólida sobre la que construir.

A continuación, veremos lo que los bloques de madera Jenga pueden enseñarnos sobre los materiales de construcción.

3: tensión y compresión

En la ingeniería estructural, dos fuerzas fundamentales actúan sobre cada elemento estructural: la compresión y la tensión. Compresión es la fuerza que se aplica cuando se empujan dos objetos juntos. Piense en un montón de piedras pesadas. La fuerza que golpea la piedra de fondo es la compresión. Voltaje es la fuerza que se aplica cuando se tira o se estira un objeto. Un buen ejemplo es la superficie de un trampolín. Cuando alguien se sube a la cama elástica, el material se estira.

los ingenieros hablan resistencia a la tracción de materiales. Ésta es la fuerza máxima que se puede aplicar a un material sin romperlo. Los mazos de cables de acero tienen una resistencia a la tracción increíblemente alta, por lo que se utilizan en los puentes colgantes más largos y pesados ​​del mundo. Incluso un solo cable de acero de solo 1 cm de diámetro puede soportar el peso de dos elefantes adultos. [source: Yes Mag].

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Pensemos ahora en una estructura típica de Jenga. Si quita la pieza central en una fila, creará dos estructuras simples de vigas y columnas a cada lado de la torre. Una viga colocada sobre dos columnas sufre compresión y tensión. El peso que descansa sobre la viga la comprime hacia adentro, hacia el centro de la viga. Y aunque no puede verlo a simple vista, la parte inferior de la viga está estirada.

Imagínese si el radio estuviera hecho de goma. El peso lo estiraría en forma de “U”. Es por eso que el caucho es un material de construcción tan pobre. Los ingenieros estructurales eligen (y en ocasiones diseñan) materiales con las mejores características de compresión y tensión para el trabajo. La piedra es excelente bajo compresión, pero muy fácil de separar. Es por eso que un arco de piedra dura mucho más que una viga de piedra. El hormigón armado es un material de construcción ideal ya que el hormigón proporciona resistencia a la compresión y las barras de acero integradas proporcionan resistencia a la tracción.

Las torres Jenga no son lo suficientemente altas ni pesadas para aplicar una compresión o tensión grave a las piezas de madera, por lo que no hay mucha preocupación por dividir una viga. Pero en los proyectos de construcción de la vida real, los ingenieros deben considerar cuidadosamente las fortalezas y debilidades de cada elemento.

Ahora te explicamos por qué siempre es mejor dejar dos soportes en la base de la Torre Jenga.

2: fuerza de rotación

Mantener esta torre inestable en posición vertical implica más que suerte.

Mantener esta frágil torre en pie requiere más que suerte.

Equipo / Getty Images

Los jugadores experimentados de Jenga saben que la forma más rápida de derribar una torre es quitar las dos piezas exteriores de la fila inferior, dejando toda la estructura equilibrada sobre un solo y estrecho bloque de madera. Con un solo soporte en la parte inferior, cada golpe y empuje en la torre se amplifica, lo que hace que se balancee precariamente de lado a lado. Pero, ¿cuáles son exactamente las fuerzas que actúan sobre una estructura con un soporte tan estrecho? ¿Y qué los hace tan peligrosos?

ingenieros estructurales no hablan de mantener un edificio “equilibrado”. Hablan de mantenimiento equilibrio rotacional. Imagine un edificio grande como un brazo de palanca largo con la mayor parte del brazo por encima del suelo y una sección más pequeña (los cimientos) por debajo del suelo. El punto donde el edificio se encuentra con el suelo es el punto de apoyo de la palanca. Ahora imagina que el edificio se inclina ligeramente hacia la derecha o hacia la izquierda. En lugar de caer, puede pensar en ello como una rotación alrededor del fulcro. Los ingenieros y los físicos tienen dos nombres para esta fuerza de rotación: o hora o Pareja.

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Un principio básico de la ingeniería estructural es que cuanto más largo sea el brazo de palanca (o más lejos del fulcro), mayor será el impulso. Para reducir el impulso de un edificio muy alto, es necesario construir soportes anchos. Cuanto más anchos sean los soportes, más débil será el impulso. Para averiguarlo, intente pararse con los pies separados y pídale a un amigo que lo haga a un lado. Se necesita mucha fuerza. Junta los talones y prueba lo mismo. Tu amigo apenas debería tocarte y balancearte de inmediato. Una estructura con una base amplia y agradable es intrínsecamente más estable que un edificio con una base estrecha.

Para la última lección de ingeniería estructural que aprendimos de Jenga, hablaremos sobre terremotos.

1: Fuerzas sísmicas

La torre Jenga más alta registrada tenía 40 niveles, logrados utilizando el conjunto Jenga original diseñado por la propia Leslie Scott. [source: Museum of Childhood]. La mayoría de los jugadores tienen la suerte de superar los 30 niveles antes de que todo se desmorone. La razón por la que la torre se vuelve cada vez más inestable a medida que crece se debe a la distribución desigual del peso. Cuando hay demasiado peso encima de la estructura, comienza a actuar como un péndulo invertido, oscilando hacia adelante y hacia atrás en su estrecha conexión con la tierra. [source: FEMA]. En Jenga, el resultado es una limpieza de dos minutos. En la vida real tendrías un lío.

Cuando los ingenieros estructurales eligen construir en una región sísmicamente activa, deben considerar los efectos de las vibraciones laterales en su construcción. A medida que las ondas sísmicas se propagan por la tierra, empujan los edificios hacia arriba y hacia abajo y hacia adelante y hacia atrás. Las protuberancias hacia arriba y hacia abajo no son tan peligrosas como los movimientos laterales, que tienen más probabilidades de provocar un colapso. [source: Association of Bay Area Governments].

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Estas vibraciones laterales se perciben de manera diferente a diferentes distancias del suelo. Cuanto más alto subes a un edificio, más pronunciadas son las vibraciones. Cuando agrega peso a la ecuación, los efectos pueden ser desastrosos. Según el texto fundacional “Por qué se derrumban los edificios”, las fuerzas sísmicas aumentan en proporción al peso de la estructura y al cuadrado de su altura. [source: Levy].

La estructura pesada en la parte superior vibra mucho más tiempo. curso del tiempo – el tiempo que se tarda en atravesar una vibración completa, en comparación con un edificio con un fondo pesado. Un período más largo también significa un mayor cambio físico. Veamos el ejemplo de un edificio de dos pisos. Cuando ocurre un terremoto, el edificio oscila 2 pulgadas (51 milímetros) desde el centro. Cuando agrega peso a la parte superior del mismo edificio (incluso si es algo tan simple como un techo de tejas pesadas), la oscilación aumenta a 3 pulgadas (76 mm) desde el centro. [source: Association of Bay Area Governments].

Con suerte, has aprendido algunas cosas sobre por qué se están cayendo los edificios y qué puedes hacer para finalmente derrotar a tu hermana en Jenga. Para obtener más información sobre juegos familiares y ciencia cotidiana, visite los enlaces en la página siguiente.

No, no necesitas un título en ingeniería estructural para ganar en Jenga, pero a veces se siente así, ¿verdad?

No, no necesitas un título en ingeniería estructural para ganar en Jenga, pero a veces se siente así, ¿verdad?

Imágenes de Jeffrey Coolidge / Getty

Los seres humanos nacen naturalmente como ingenieros estructurales. Si le resulta difícil de creer, observe a un niño jugar con una serie de simples bloques de madera. Sin instrucciones externas, y a través de muchas pruebas y errores extenuantes, aprenderá que la forma más estable de construir es colocar una viga horizontal en dos columnas verticales.

La lógica intuitiva del niño es la misma que inspiró a los arquitectos micénicos del siglo XIII a. C. a construir la famosa Puerta de los Leones con dos columnas de piedra y una viga ligeramente arqueada. Es el mismo sentido de estructura que les dijo a los antiguos egipcios que si quieres construir algo alto con piedra, debes comenzar de par en par en la base. Y es el mismo ingeniero nacido en todos nosotros el que dice: “¡Amigo, si quieres vencer a Jenga, no dejes ni un solo apoyo en la base de la torre!”

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Jenga es uno de los juegos más populares del mundo, tercero detrás de Monopoly y Scrabble en número de unidades vendidas. [source: Little]. El objetivo del juego es simple: comienzas con una pila de 54 bloques: tres bloques de ancho y 18 niveles de alto. Cada nivel de bloques debe ser perpendicular al nivel inferior. Cada jugador debe quitar un bloque cerca de la base de la torre y colocarlo en la parte superior usando solo una mano a la vez. Finalmente, la torre se vuelve peligrosamente inestable. Si usted es el que acaba en quiebra, pierde.

Jenga fue inventada por Leslie Scott, una ciudadana británica nacida y criada en Kenia y Tanzania. (Jenga significa “construir” en swahili). Scott ha estado jugando con su familia en África durante años; finalmente renunció a su trabajo en Intel para abrir Jenga en una feria de juguetes de 1983, donde se convirtió en un fenómeno de juego instantáneo. [source: Little].

Parte del atractivo de Jenga es su simplicidad; nada más que bloques de madera y gravedad. Pero incluso este simple juego puede enseñarnos mucho sobre el mundo más complejo de la ingeniería estructural. Después de todo, los edificios son vulnerables a las mismas fuerzas que pueden derribar una torre Jenga: fuerzas como cargas, tensión, compresión, torsión y más. El juego de mesa Accidental Shock es una versión a gran escala de un terremoto catastrófico.

Comencemos nuestra exploración de la ingeniería estructural de Jenga echando un vistazo a las cargas.