La física del puente

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Un puente es una construcción artificial, cuya función principal es conectar dos zonas habitadas por el hombre, salvando los obstáculos que impiden el traslado de un sitio a otro. Dichos obstáculos pueden ser naturales (un río, una quebrada, etc.) o construidos por el hombre (una vía férrea, un camino, etc.). No obstante, nos surge un pequeño interrogante: ¿cómo intervienen las fuerzas de la física en la construcción de los puentes?

Los ingenieros civiles deben tener en cuenta dos elementos fundamentales al momento de planificar la construcción de un puente: el terreno donde será emplazado y la utilidad del mismo. Los cálculos realizados en los planos deben ser desarrollados en forma exacta, ya que el menor error puede significar una catástrofe, causando la muerte de gran cantidad de personas.

Fotografía del Puente de la Torre (en inglés "Tower Bridge"). Este es un puente levadizo que cruza el río Támesis y se encuentra ubicado en Londres.

FUERZAS FÍSICAS QUE INTERVIENEN EN UN PUENTE COLGANTE

Un puente colgante está sometido a cuatro fuerzas físicas, y en donde los cables del puente soportan un peso enorme, dando lugar a la fuerza de tensión. Tener en cuenta todas las variables físicas que intervienen en la construcción de un puente evita deterioros o daños irreversibles.

FUERZA DE TRACCIÓN:

Es el esfuerzo al que está sometido un cuerpo debido a la aplicación de dos fuerzas opuestas. En un puente colgante las fuerzas de tracción son realizadas por los cables principales. Un cuerpo sufre estiramientos (deformaciones positivas) por causa de la tracción.

Puente "Octavio Frías de Oliveira" en São Paulo, Brasil. Es el único puente atirantado en el mundo con dos pistas curvas sostenidas por una única estructura.

FUERZA DE COMPRESIÓN:

Es una fuerza contraria a la tracción, ya que tiende a reducir en determinada dirección la longitud de un cuerpo. Es la resultante de las fuerzas entrando al cuerpo o presiones que recibe un sólido deformable. Las columnas sobre las cuales se apoyan las cargas reciben fuerzas de compresión.

PESO:

El peso es una fuerza, que depende de la aceleración de la gravedad (9,8 m/s²). La segunda Ley de Newton dice que para calcular una fuerza se debe realizar el producto entre la masa por la aceleración a la que está sometido el cuerpo. En el caso de peso, la fórmula sería la siguiente:

P= m.g

P: peso

m: masa

g: aceleración de la gravedad

Por lo tanto: P= m. 9,8 m/s².

Además, la tercera Ley de Newton refiere que por cada fuerza que actúe sobre un cuerpo, existirá una fuerza igual, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.

Vista del puente Golden Gate, en California, Estados Unidos.

Un puente colgante debe soportar el peso, a través de los cables, lo cual genera una tensión contraria (en los anclajes) para evitar el desmoronamiento del puente.

FUERZA CORTANTE:

Es una tensión que actúa en dirección tangente al plano de referencia. La torsión produce esfuerzos cortantes. En los puentes, ocurre en vigas y pilares.

Puente de la bahía de Yokohama, en Japón Este puente colgante atirantado de 860 metros de largo, por el que pasa una carretera metropolitana de seis carriles, es la puerta de entrada al Puerto Yokohama.

HISTORIA DEL PUENTE

En la prehistoria, el hombre utilizó por primera vez árboles, con el fin de conectar dos áreas separadas por un río. También hizo uso de losas de piedra para atravesar pequeñas corrientes.

Posteriormente se construyeron puentes en arcos, realizados con troncos y piedras, aunque los mismos no podían soportar cargas muy pesadas.

Puente Romano de Córdoba, con la Mezquita de Córdoba. Los romanos fueron grandes constructores de puentes y acueductos en la antigüedad.

Cuando la civilización romana dominaba grandes regiones y conquistaba nuevas, construía a su paso puentes de madera y de piedra labrada. Esto, sumado a la implementación de calzadas pavimentadas, logró una red de comunicaciones que alcanzó los 90.000 km de carreteras.

Un puente construido por los romanos se destruyó por el paso de los soldados. Ellos sabían que al ingresar a él debían dejar de marchar y caminar normalmente, pero ocurrió que no lo hicieron así. Esto produjo que se generaran ondas mecánicas que entraron en resonancia con la frecuencia natural del puente, rompiendo el mismo. Asimismo, el viento también puede afectar a los puentes y generar resonancia, un caso de ello es el del puente Tacoma Narrows.

En 1940, el puente colgante Tacoma Narrows colapsó debido a oscilaciones de gran intensidad que le dieron el nombre "Galloping Gertie".

Cuando cayó el Imperio Romano se detuvo la construcción de puentes, porque en la época medieval los ríos representaban una defensa natural contra los invasores. Se destruyeron muchos puentes y aquellos que quedaron en pie tenían una estricta vigilancia, incluyendo fortificaciones.

Cuando finalizó la Edad Media, se renovó la necesidad de construir puentes, llevando a grandes avances hacia comienzos del siglo XIX. A partir de allí, la locomotora a vapor y la distribución de redes ferroviarias promovieron una mejora en la materia prima utilizada para la construcción de puentes y se requirieron nuevos diseños que le otorgaron mayor resistencia.

Imagen del Puente de Coalbrookdale, ubicado en Shropshire, Inglaterra. Se hizo famoso durante la Revolución industrial al convertirse en el primer puente en arco en cuya fabricación se utilizó hierro fundido.

Con todo, la llegada del automóvil generó un impulso para las inversiones, que produjo el mayor crecimiento hasta entonces en la construcción de obras ya que los accidentes automovilísticos en cruces y pasos a nivel darían origen a la necesidad de la creación de puentes que los evitaran.

A principios del siglo XX se ha buscado mejorar la construcción de puentes colgantes y planificarlos para que alcancen grandes extensiones. Colosales proyectos se han llevado a cabo, permitiendo notables ventajas económicas para las regiones vinculadas por los mismos. La única forma de vincular dos zonas de distancias mayores a un kilómetro son los puentes colgantes.

El Puente de Carlos en Praga, un claro ejemplo de puente para peatones y ciclistas.

LOS PUENTES MÁS ASOMBROSOS EN LA ACTUALIDAD

Imagen del Infinity Bridge, un puente inglés de 273 m de longitud. Su nombre surge de la foto nocturna del río, cuando las luces de los arcos y del tablero del puente, reflejadas sobre las aguas del río Tees, forman el signo matemático "Infinito".

Fotografía del puente peatonal conocido como Puente Mur o Puente Aiola Island. Ubicado en un giro del río Mur, en la ciudad de Graz, Austria, este magnífico puente supuso la creación de una isla artificial sobre una plataforma flotante. Los visitantes acceden a ella y toman numerosas fotografías.

Henderson Wave Bridge, el puente peatonal en forma de serpiente más alto de Singapur. La longitud total del puente es de 274 metros, con 7 semi-curvas alternadas por encima y por debajo de su cubierta. Su ancho es de 8 metros y se eleva 36 metros por encima de la autopista Henderson Road.

Puente viviente en la región de Cherrapunji, India. Estos puentes hechos de raíces son capaces de sostener a más de 50 personas, llegan a tener más de 500 años y medir más de 30 metros: un gran ejemplo del hombre trabajando en armonía con la naturaleza.

TIPOS DE PUENTES

Los puentes se pueden clasificar considerando dos características principales: su estructura y el material que los componen.

SEGÚN SU ESTRUCTURA:

Pueden ser fijos o móviles.

Puentes fijos:

• Puentes de vigas: Son los más comunes y de construcción simple. El más pequeño está compuesto por una viga horizontal, sostenida en cada extremo por una estructura de soporte (muelle). Al aumentar la longitud, se incorporan otras vigas adicionales, por ello no son aptos para largas distancias.
• Puentes de arcos: Se dividen en arco de celosía vertical, tímpano o celosía diagonal y de arcadas macizas. En dichos puentes, el peso se transfiere a los apoyos mediante compresión, que genera un empuje horizontal y una carga vertical. Es conveniente colocarlos en lugares capaces de proporcionar una buena resistencia al empuje horizontal. Los romanos construyeron muchos de estos puentes.

Puente sobre el río Colorado, en Estados Unidos.

• Puentes de armaduras: Pueden ser de armadura sencilla o de armadura rígida. Se componen con hormigón armado o pretensado, también con armaduras de acero recubiertas de hormigón. Son recomendados para separar en niveles los cruces de carreteras y ferrocarriles.
• Puentes sustentados por cables: Se dividen en colgantes y atirantados. Los puentes colgantes se utilizan para conectar longitudes extensas; sus elementos principales son los cables, torres y pilares. Su funcionamiento es a tracción, evitando flexiones debido a su flexibilidad. Un ejemplo de este tipo de construcción es el puente de San Francisco, Estados Unidos. Los atirantados, en cambio, poseen armaduras y cables reforzados, para que puedan soportar la flexión producida por las cargas que atraviesan el puente. Un puente con estas características es el puente de Brooklyn.

Fotografía del famoso Puente de Brooklyn, ubicado en la ciudad de Nueva York. Fue construido entre 1870 y 1883 y, en el momento de su inauguración, era el puente colgante más grande del mundo, con 1825 metros de largo.

• Puentes cantiléver: Contienen brazos voladizos, que se proyectan desde los pilares. Conectan tramos muy largos. El puente Bélice, por ejemplo, une la ciudad de Guatemala con el Océano Atlántico.
• Puentes de pontones: Son puentes flotantes permanentes, compuestos por pontones (cascos construidos de acero o materiales plásticos).

Puente de Mostar, en Bosnia Herzegovina. Ubicado sobre el río Neretva, data del siglo XVI y es uno de los monumentos históricos más famosos de la antigua Yugoslavia. Forma parte del Patrimonio de la Humanidad desde 2005.

Puentes móviles:

• Puentes basculantes: Son construidos sobre canales navegables, para permitir el paso de embarcaciones por debajo de ellos, sin necesidad de elevar la traza de la carretera. Puede contener una o dos secciones, las cuales tienen una apertura en dirección perpendicular al plano en el cual se encuentra construido el puente.
• Puentes giratorios: También denominados puentes de oscilación, poseen un extremo que rota sobre un eje central, con el fin de posibilitar el tráfico marítimo a ambos lados del mismo. En Buenos Aires se encuentra un puente con estas características: el "puente de la mujer".

Vista parcial del Puente de la Mujer, ubicado en la Ciudad de Buenos Aires, Argentina.

• Puentes retractables: Conocidos también como puentes de desplazamiento horizontal, contienen una calzada que se puede mover en sentido horizontal para permitir el paso de embarcaciones.
• Puentes de levante: Contienen una plataforma que se eleva en forma vertical y paralela a su posición original. Son recomendados para trayectos donde se requiere una gran capacidad de carga.
• Puente transbordador: Se compone por un vagón que cuelga de cordones o de un transportador fijo y se desplaza sobre un cuerpo de agua.

SEGÚN EL MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN:

• Puentes de cuerdas: También denominados pasarela, son los que dieron origen a los actuales puentes colgantes y atirantados. Las cuerdas son construidas con lianas, enredaderas, soga, cuero, mimbre, etc. Las mismas se agrupan y tuercen en forma de espiral para otorgarle resistencia. Muchas culturas aún cuentan con este tipo de puentes.

Puente de cuerda. La mayoría de estos puentes suspendidos fueron usados por la civilización Inca, justo antes de la colonización europea en el siglo XVI.

• Puentes de madera: La madera es el primer material utilizado en la construcción de puentes, son los más sencillos y de fácil construcción, además de poseer un bajo costo. A lo largo de la historia se han construido más cantidad de puentes de madera que de piedra.
• Puentes de piedra: Los romanos fueron especialistas en construir puentes de piedra. De hecho, utilizaron el arco de medio punto (media circunferencia) para mantener el equilibrio de las fuerzas y pesos de las piedras. El arco distribuye las fuerzas y las dirige hacia los laterales. Por ello, era fundamental estudiar la resistencia del subsuelo y construir cimientos que permitieran soportar dichas fuerzas.

Puente con arco de medio punto.

• Puentes de acero: Son grandes estructuras, cuyo principal componente es el acero. Su costo es alto y están sometidos a la corrosión, por ello también conllevan un mantenimiento costoso.
• Puentes de hierro forjado: Es un material que posibilitó muchas innovaciones en la construcción de puentes a partir del siglo XIX. Actualmente su uso está muy difundido en todo el mundo, ya que tiene alta resistencia.
• Puentes de hormigón armado: Sus componentes principales son el acero y el hormigón, por lo que son aptos para soportar grandes esfuerzos de flexión. El acero resiste tracciones y el hormigón compresiones.
• Puentes mixtos: Son aquellos que se construyen con acero y hormigón en forma yuxtapuesta, no como los puentes de hormigón armado o pretensado, que pueden presentar agrietamientos por tracción con mayor regularidad.