5 Cosas Que Jenga Puede Enseñarnos Sobre Ingeniería Estructural

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El juego jenga puede enseñarte sobre una variedad de componentes de ingeniería estructural. Aprende 5 cosas que jenga puede enseñarte sobre ingeniería estructural.

Los seres humanos son ingenieros estructurales de origen natural. Si le resulta difícil de creer, mire a un niño pequeño jugar con unos simples bloques de madera. Sin instrucción externa, y a través de muchas pruebas y errores enérgicos, él o ella eventualmente aprenderá que la forma más estable de construir hacia arriba es colocar una viga horizontal sobre dos columnas verticales.

La lógica intuitiva del niño es la misma que inspiró a los arquitectos micénicos del siglo XIII antes de Cristo. para construir la famosa Puerta del León a partir de dos columnas de piedra y una viga ligeramente arqueada. Es el mismo conocimiento estructural que les dijo a los antiguos egipcios que si quieres construir algo alto de piedra, debes comenzar por la base. Y es el mismo ingeniero natural en todos nosotros que dice: "Amigo, si quieres ganar en Jenga, ¡no dejes un solo soporte en la parte inferior de la torre!"

Jenga es uno de los juegos más populares del mundo, tercero solo para Monopoly y Scrabble en el número de unidades vendidas [fuente: Little]. El objetivo del juego es simple: comienzas con una pila de 54 bloques, tres bloques en todo y 18 niveles de altura. Cada nivel de bloques debe ser perpendicular al nivel debajo de él. Cada jugador debe quitar un bloque cerca de la parte inferior de la torre y colocarlo en la parte superior usando solo una mano a la vez. Eventualmente la torre se vuelve peligrosamente inestable. Si eres el que finalmente lo derriba, pierdes.

Jenga fue inventada por Leslie Scott, una ciudadana británica nacida y criada en Kenia y Tanzania. (Jenga significa "construir" en swahili). Scott jugó el juego con su familia en África durante años; finalmente dejó un trabajo con Intel para lanzar a Jenga en una feria de juguetes de 1983, donde se convirtió en un fenómeno de juego instantáneo [fuente: Little].

Parte del encanto 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. Un golpe accidental en la mesa de juego es una excelente versión a escala de un terremoto catastrófico.

Comencemos nuestra exploración de la ingeniería estructural de Jenga con una mirada a las cargas.

5. Cargas

Uno de los principios más importantes de la ingeniería estructural es cargando. ¿Has oído hablar de un muro de carga? Por lo general, es una pared interna (como la que divide su cocina y sala de estar) que también sirve como una columna que sostiene el segundo piso o el techo. Si quita un muro de carga, la estructura podría no ser capaz de soportar su propio peso, y eso causa problemas.

En Jenga, no se cortan dos bloques de madera exactamente a las mismas dimensiones, lo que significa que los bloques se apoyan uno sobre otro de manera desigual [fuente: Smith]. Uno de los principales trucos de Jenga es localizar las piezas "sueltas", que son más fáciles de quitar sin perturbar la integridad de la torre. Si una pieza está suelta, entonces sabes que no puede soportar carga.

Entonces, ¿qué nos enseña esto acerca de la ingeniería estructural? Al diseñar un edificio, los ingenieros deben considerar la ruta de carga Desde lo alto del edificio hasta la cimentación. Cada nivel de la estructura debe soportar 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, columnas, remaches, hormigón y muro seco.
  • Cargas vivas - Las fuerzas aplicadas por todos los elementos "móviles" que pueden afectar a una estructura, incluidas las personas, los muebles, los automóviles y los fenómenos meteorológicos normales, como la lluvia, la nieve y el viento.
  • Cargas dinamicas - Las cargas dinámicas son cargas vivas que ocurren repentinamente con gran fuerza. Algunos ejemplos son terremotos, tornados, huracanes y choques de aviones [fuente: Sí Mag].

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

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

4. Fundaciones

Al igual que usted necesita encontrar la superficie perfecta para jugar con Jenga, los ingenieros estructurales deben considerar las superficies sobre las cuales eligen construir.

Al igual que usted necesita encontrar la superficie perfecta para jugar con Jenga, los ingenieros estructurales deben considerar las superficies sobre las cuales eligen construir.

Cada familia tiene su superficie favorita para jugar a Jenga. La mesa de cartas endeble está fuera de discusión porque el menor golpe de un codo errante hará que su torre se caiga. La robusta mesa de la cocina es una opción sólida, ya que no gira tan fácilmente como la mesa de juego, pero nada le gana a un buen piso de madera dura. No puedes tirarlo de lado, es bastante plano y la única amenaza para la estabilidad es el bebé o mascota que gatea de vez en cuando.

Los ingenieros estructurales también deben considerar la superficie sobre la que están construyendo su estructura. Si deja caer un edificio de 15 pisos sobre un suelo suelto, la estructura podría asentarse de manera desigual, causando grietas en las paredes o incluso un colapso. Incluso si un edificio está construido sobre roca sólida, un terremoto podría empujarlo hacia un lado, haciendo que se deslice por la calle unos pocos pies, aplastando cualquier cosa en su camino. Es por eso que todos los edificios modernos, pequeños y altos, están construidos sobre cimientos.

Una fundación sirve un par de propósitos clave. En primer lugar, transfiere la carga de la estructura al suelo.(Hablamos de cargas en la última página). Cuanto más alto y pesado es un edificio, más carga se conduce hacia abajo. Si el edificio se asienta sobre la superficie, entonces los elementos más bajos de la estructura tendrían que soportar la carga combinada de todo lo que hay sobre ellos. Pero con una base diseñada adecuadamente, la carga de toda la estructura pasa a través de los elementos más bajos y se dispersa en la tierra debajo.

Las fundaciones también tienen el propósito de anclar físicamente la estructura al suelo. Este es un papel crucial en edificios muy altos. Imagínese tratando de equilibrar un palo de patio en un extremo. Podría ser capaz de lograrlo en una superficie extremadamente plana, pero incluso una exhalación lo derrumbaría. Pero, ¿qué sucede si sacas el patio de atrás y atascas un extremo en el suelo unos centímetros? Ahora puedes tocarlo, o incluso patearlo, y no se caerá. Una cimentación entierra una parte del edificio en el suelo, lo que le da una mayor estabilidad frente a los cambios dinámicos de carga.

Para los edificios altos construidos sobre suelos sueltos o arena, los ingenieros conducen pilas de acero a lo profundo de la tierra hasta que alcanzan la base. Luego, construyen una base de concreto reforzado alrededor de las pilas de acero para crear un anclaje firme sobre el cual construir.

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

3. Tensión y compresión.

En ingeniería estructural, existen dos fuerzas básicas que operan en cualquier elemento estructural: compresión y tensión. Compresión es la fuerza aplicada cuando dos objetos se juntan. Piense en una pila de piedras pesadas. La fuerza que aplasta la piedra inferior es la compresión. Tensión es la fuerza aplicada cuando un objeto se tira o se estira. Un buen ejemplo es la superficie de un trampolín. Cuando alguien salta sobre el trampolín, el material se estira.

Los ingenieros hablan de la resistencia a la tracción de materiales. Esta es la fuerza máxima que se puede aplicar a un material sin separarlo. Los paquetes 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 centímetro de diámetro puede soportar el peso de dos elefantes adultos [fuente: Sí Mag].

Ahora pensemos en una estructura típica en 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 en dos columnas experimenta compresión y tensión al mismo tiempo. El peso apoyado en la parte superior de la viga lo comprime hacia adentro hacia el centro de la viga. Y aunque no puedas verlo a simple vista, la parte inferior de la viga se estira hacia afuera.

Imagínate si la viga fuera de goma. El peso lo estiraría en forma de "U". Es por eso que el caucho hace un material de construcción tan pésimo. Los ingenieros estructurales eligen (y, a veces, diseñan) materiales con las mejores características de compresión y tensión para el trabajo. La piedra es excelente bajo compresión, pero notablemente fácil de separar. Es por eso que un arco de piedra dura mucho más que una viga de piedra. El concreto reforzado es un material de construcción ideal, porque el concreto le otorga resistencia a la compresión y las varillas de acero incrustadas le otorgan resistencia a la tracción.

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

Ahora explicaremos por qué siempre es mejor dejar dos soportes en la parte inferior de la torre Jenga.

2. Fuerza de rotación

Mantener esta torre inclinada en posición vertical implica mucho más que la simple suerte.

Mantener esta torre inclinada en posición vertical implica mucho más que la simple suerte.

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

Los ingenieros estructurales no hablan de mantener un edificio "equilibrado". Hablan de mantener equilibrio rotacional. Imagine un edificio alto como un brazo de palanca largo con la mayoría del brazo por encima del suelo y una sección más pequeña (la base) por debajo del suelo. El punto donde el edificio se encuentra con el suelo es el punto de apoyo de la palanca. Ahora imagine el edificio inclinándose ligeramente hacia la derecha o hacia la izquierda. En lugar de simplemente caerse, puedes pensar que gira alrededor del fulcro. Los ingenieros y los físicos tienen dos nombres para esta fuerza de rotación: la momento o esfuerzo de torsión.

Un principio básico de la ingeniería estructural es que cuanto más largo sea su brazo de palanca (o cuanto más lejos esté del fulcro), mayor será el momento. Para disminuir el momento de un edificio muy alto, necesita construir soportes amplios. Cuanto más anchos sean los soportes, menor será el momento. Para entender esto, trate de pararse con los pies separados y haga que un amigo intente empujarlo hacia un lado. Requiere mucha fuerza. Ponga sus talones juntos e intente lo mismo. Tu amigo apenas tiene que tocarte y tú te das vuelta. Una estructura con una base ancha agradable es inherentemente más estable que un edificio con una base estrecha.

Para la última lección de ingeniería estructural aprendida de Jenga, hablaremos sobre los terremotos.

1. Fuerzas del terremoto

La torre de Jenga más alta jamás registrada fue de 40 niveles, alcanzada con el conjunto original de Jenga diseñado por la propia Leslie Scott [fuente: Museo de la Infancia].La mayoría de los jugadores tienen suerte si pueden obtener más de 30 niveles antes de que todo se derrumbe. 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 se ubica demasiado peso en la parte superior de la estructura, comienza a actuar como un péndulo inverso, balanceándose hacia adelante y hacia atrás en su estrecha conexión a la tierra [fuente: FEMA]. En Jenga, el resultado es una limpieza de dos minutos. En la vida real, tendrías una catástrofe.

Cuando los ingenieros estructurales deciden construir en una región sísmicamente activa, deben considerar los efectos de las vibraciones laterales en su edificio. Cuando las ondas sísmicas ondulan a través de la tierra, empujan los edificios hacia arriba y hacia abajo y hacia atrás y hacia adelante. Las protuberancias ascendentes y descendentes no son tan peligrosas como los movimientos laterales, que tienen más probabilidades de provocar un colapso [fuente: Asociación de Gobiernos del Área de la Bahía].

Estas vibraciones de lado a lado se experimentan de manera diferente a diferentes distancias del suelo. Cuanto más alto subes un edificio, más pronunciadas son las vibraciones. Cuando pones peso en la ecuación, los efectos pueden ser desastrosos. De acuerdo con el texto seminal, "Por qué se derrumban los edificios", las fuerzas sísmicas crecen en proporción al peso de la estructura y el cuadrado de su altura [fuente: Levy].

Una estructura de gran altura vibra con un mucho más largo. período - el tiempo que se tarda en recorrer una vibración completa - que un edificio de fondo pesado. Un período más largo también significa un desplazamiento físico más grande. Tomemos el ejemplo de un edificio de dos pisos. Cuando ocurre un terremoto, el edificio se balancea 2 pulgadas (51 milímetros) fuera del centro. Cuando agrega peso a la parte superior del mismo edificio (incluso si es algo simple como un techo de tejas pesado), el balanceo aumenta a 3 pulgadas (76 milímetros) fuera del centro [fuente: Asociación de Gobiernos del Área de la Bahía].

Esperamos que hayas aprendido algunas cosas sobre por qué se derrumban los edificios, y qué puedes hacer para vencer a tu hermana en Jenga. Para obtener mucha más información sobre los juegos familiares y la ciencia cotidiana, vaya a los enlaces de la página siguiente.

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