Una fuerza axial es una fuerza que actúa directamente sobre el centro axial de un objeto en la dirección del eje longitudinal. Estas fuerzas pueden ser de compresión o de tensión, dependiendo del sentido en el que se ejerza la fuerza.
Cuándo una fuerza axial actúa lo largo del eje longitudinal y este eje pasa por el centro geométrico del objeto, será además una fuerza axial concéntrica. En caso contrario será un fuerza axial excéntrica.
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Fuerza axial: concepto y definición
Una de las partes importantes para entender una fuerza axial es el concepto de centro geométrico y de centro axial.
El centro geométrico es un punto dentro del espacio delimitado por la forma del objeto y que es el centro perfecto de su masa, en otras palabras, desde este punto encontraremos la misma cantidad de masa del objeto en cualquier dirección.
En un objeto simple y simétrico, como un cilindro, es fácil encontrar el centro geométrico realizando unas simples medidas de sus lados. En un objeto complejo, por ejemplo una bicicleta, encontrar el centro geométrico es mucho más complicado. Para encontrarlo existen series de ecuaciones matemáticas realmente complejas.
El centro geométrico en un objeto complejo puede estar prácticamente en cualquier lugar dentro del espacio definido por su forma, esto incluye espacio no ocupado por masa del objeto. Por ejemplo, el centro geométrico de una bicicleta podría estar en el espacio entre los tubos de la estructura central.
Factores como la densidad, que puede ser no homogénea en todo el objeto, y estructuras no simétricas pueden hacer que el centro geométrico se sitúe en el interior de la forma definida por el objeto, en su superficie e incluso fuera.
El eje axial de un objeto va de un lado a otro del objeto pasando por el llamado centro axial. Esta línea depende de la forma del objeto y no de su masa. Por tanto, el centro axial y el centro geométrico pueden coincidir en el mismo punto o puede que no.
Cuándo una fuerza actúa directamente sobre el centro axial en paralelo al eje longitudinal, coincida o no con el centro geométrico, es una fuerza axial.
Una fuerza axial actúa comprimiendo o tensionando (estirando) el eje axial en dos direcciones opuestas. Una fuerza axial, por tanto, no hace moverse al objeto. Lo comprime o lo tensiona, pero no lo mueve.
Ejemplo: fuerza axial en una columna
Un ejemplo típico de fuerza axial se puede observar en las columnas de un edificio. La columna tiene un eje axial que la atraviesa desde arriba hacia abajo. La columna está sometida constantemente a una fuerza axial de compresión ejercida por el techo del edificio.
En el ejemplo de la columna, el centro geométrico y el centro axial coinciden, por lo que la fuerza axial es además una fuerza concéntrica. Si el eje axial que recorre la fuerza axial no pasa por el centro geométrico, la fuerza sería excéntrica.
Los objetos en los que actúan fuerzas axiales excéntricas no podrán soportar grandes cantidades de energía, mientras que los objetos en los que la fuerza axial es concéntrica pueden hacer frente a cantidades de energía mucho mayores.
Estos factores son tenidos en cuenta para calcular la carga o esfuerzo normal que soportarán las columnas de un edificio y determinar su posición óptima dentro de la construcción.