EDICIóN GENERAL

¿Por qué las “ventanas” de los barcos son redondas?

¿Alguien podría explicarme por qué "cuando se aplica una fuerza sobre una superficie rectangular ésta se concentra en los ángulos o esquinas"?

Gracias.
#9 Yo creo que no es cierto, pero a ver si algún físico lo explica.
En mi opinión (sin más fundamentos), en el caso del barco, por lógica, la fractura podría venir en el centro de los lados de los rectángulos, por el mismo principio que, en un edificio, lo mejor es situar la carga cerca de los pilares y no en de centro de las vigas. Al eliminar las esquinas, también se eliminan los "lados" (o al menos la longitud de los lados). Creo que es el mismo motivo por el que los túneles son redondos y no cuadrados.
Pero vamos, que seguro que estoy equivocado porque es cierto que lo que se redondean son las esquinas.
#9 y #14
Si no me equivoco os lo explico, creo que tiene que ver con esto.
Si tienes una ventana redonda o cuasi-redonda, al aplicar una fuerza uniforme, como sería una ventana hundida en el agua, la fuerza en los bordes sería uniforme. Sin embargo, si aplicas una fuerza sobre una ventana cuadrada o rectangular, para las mismas condiciones que el otro caso (ventana hundida), la fuerza en las esquinas es mayor porque las esquinas están a una distancia mayor que los centros de los lados desde el centro de presión. En una ventana hundida, tanto redonda como cuadrada, el centro de presión está en el centro de ambas formas.
En un cuadrado las esquinas están a una distancia del centro raiz de 2 veces mayor que uno de los lados. En una circunferencia están a la misma.

He dicho que me podía equivocar, pero mi lógica me dice que es por la mecánica de fluidos, como he explicado.
PS. En caso de que la ventana esté semihundida, la situación más desfavorable sigue siendo para la ventana cuadrada. Por el tema de las distancias.

EDIT: #14 Hacer túneles cuadrados es muy complicado. Es como hacer un taladro cuadrado para madera, es más difícil que uno redondo, ¿verdad? ;) Lo de los túneles también es por simpleza, a parte de otros motivos.
#19 En realidad aunque el centro de fuerzas esté en otro punto da un poco igual. Como si está en el borde. El problema en el fondo está en cómo se deforma, pues deformación=tensión. Si la deformación es uniforme (círculo), la tensión es uniforme, si no lo es (cuadrado), la tensión se concentra en puntos.

Quizá lo difícil de entender para los no ingenieros o similares es imaginarse un círculo o un rectángulo deformándose, que si no estás habituado no es sencillo. El secreto del cálculo de resistencia de materiales es ser capaz de imaginarse cómo se deforman las piezas.
#21 No he podido leer el artículo porque no funciona, pero sigo pensando que en los barcos la deformación de la ventana es pequeña. Que las ventanas son redondas para que en caso de hundimiento aguanten lo máximo sin romperse, para ello se utiliza esta forma y de ahí la explicación de mecánica de fluidos. De todas formas, lo que dices es correcto y se complementa con lo que dije.
#22 Que la deformación sea pequeña no quiere decir que no influya en su rotura: toda rotura se produce por un exceso de deformación que el material no puede soportar, aunque esa deformación sea completamente microscópica. Todo el cálculo de estructuras y resistencia de materiales está basado en el cálculo de la deformación.

La mecánica de fluidos apenas influye pues la rotura de la ventana se produce en las mismas condiciones sea la presión o sea un martillazo lo que le afecte.
#24 Efectivamente, la rotura se produce por exceso de deformación. Lo que quería decir es que la deformación es pequeña (no visible) porque las ventanas son pequeñas, pero haberla, hayla.
Lo que yo decía de mecánica de fluidos era una suposición sobre las fuerzas que se producen en un barco. Está claro que un martillazo rompe una ventana, pero no es eso a lo que me refería. Si un barco se hunde o se sumerge, se producen fuerzas por la presión del agua contra la ventana. Es ahí donde entra la mecánica de fluidos, a eso me refería.
Pero bueno, yo de barcos sé poquito y con eso buscaba una explicación lógica.
Lo del arco de #25 explica lo que dice el artículo.
#25 #28 El arco aquí no influye para nada porque las fuerzas son perpendiculares al plano la forma redondeada. No tiene nada, pero nada que ver. Para que se produzca un arco de descarga las fuerzas tienen que estar en el plano de la forma redondeada.

#27 Las fuerzas no "tienden a infinito". Tienen un valor mayor al de alrededor, pero de ahí a tender a infinito va un trecho.
#29 En un barco las fuerzas no son siempre perpendiculares al plano de la ventana. Hay momentos en los que la componente de la fuerza aplicada va en el plano de la ventana.
#29 Difiero contigo, las cargas en el plano de la ventana se disipan mejor con arco o círculos en este caso ya que las acciones pueden venir desde cualquier punto, otra cosa son las fuerzas con otros planos (cuando está sumergido, viento, etc), que supongo que será mecánica de fluidos en la que no entro (como dije en el comentario).
#29 la solución de la ecuación diferencial parcial de la teoría de elasticidad tiende a infinito en las esquinas tanto en 2D como en 3D. Obviamente la teoría de elasticidad no es valida en las esquinas porque debido al aumento de las tensiones se produce una plastificación (además de que las esquinas 'matemáticamente perfectas' no existen en la realidad..). Pero vamos, el objetivo de hacer las ventanas redondas es evitar la plastificación, ya que en las zonas plastificadas la rotura por fatiga se acelera (de ahí los limites que se imponen en el dimensionado elastico y en la variación de las tensiones al dimensionar para fatiga).
#9 #14 #16 #19 #20 El arco tiene la ventaja que cuando se le aplica un carga, este trabaja a compresión por lo que el material sufre menos, en cambio si está recto el material trabaja a tracción (se hunde por el centro) con lo cual se deforma y produce unas tensiones en los vértices (tira hacia el centro de ellos). Además que se reparte mucho mejor las cargas al resto de la estructura es.wikipedia.org/wiki/Arco_de_descarga
Aparte súmale mecánica de fluidos (no me meto simplemente porque no tengo conocimientos). Fíjate que los vasos plásticos que más duran son los circulares, y lo que tienen ángulo son un coñazo porque a poco que los deformes se rompen. En las fachadas de edificios una patología muy común es que hayan fisuras en las esquinas de las ventanas.
Muchas gracias, #43, #44, #31, #25, #20, #19, #16, #14... ¡Espero no dejarme a ninguno! ¿Y si usamos toda esta información en la Wikipedia?
#48 Muchas gracias por la explicación; yo lo di por válido; juer, el lobby de ingenieros anda pegando fuerte por aquí...
#49 Suma a #48 también.
#19 Hacer un cuadrado perfecto en una madera es complicado, pero hacer casi un cuadrado no lo es tanto; es cuestión de usar la broca adecuada:
www.youtube.com/watch?v=pES8ThLeAj8
#9 #19 Y otros. Experimento práctico: Coged 2 folios. En uno recortad un circulo grande y en el otro un cuadrado o rectángulo. Luego tirar de dos esquinas del folio en uno y otro a ver cual parte antes...

Lo he entendido al leer #45, me he imaginado la deformación de la estructura y lógicamente parte por las esquinas. Creo que es así vamos...
#9 y #14 en.wikipedia.org/wiki/Stress_concentration

Se debe a la concentración de tensión. Podéis verlo graficamente con una búsqueda en Google (goo.gl/f7pKg ). Un cambio de sección brusco hace que la tensión se concentre y provoca fracturas.
#14 Hombre, tu crees que no es cierto, llevan los ingenieros navales millones de horas estudiando diseños haciendo pruebas de resistencia, de fuerzas, puliendo diseños... eliminando erros, reforzando la estructura y 20,000 cosas, pero claro ahora llegas tu desde tu sofá y dices: "eso no es cierto". Claro hombre, por supuesto.
#35 A ver, que no has entendido el asunto. No pongo en duda que los barcos se construyan así porque es la mejor solución sino lo de que "cuando se aplica una fuerza sobre una superficie rectangular ésta se concentra en los ángulos o esquinas".
La duda viene porque si el rectángulo es hueco, realmente la fuerza la sufren los lados, no las esquinas pero, efectivamente, al ser sólido, la tensión acaba centrándose en las esquinas.
Listillo.
#36 "efectivamente, al ser sólido, la tensión acaba centrándose en las esquinas." Pues haberlo pensao antes de sugerir que el artículo estaba equivocado.
#38 Has desayunado un payaso o qué coño te pasa?
#39 Me da que no, pero igual tu si has desayunado mas de la cuenta y necesites tomar un poco de allbran.
#9 #36 Bueno, hay una cosa q estudian los de estructuras q se llama "teoría de grietas", ese campo se llama fractomecánica, creo recordar.

Basicamente, es así.
En un objeto (o vano) rectangular, las grietas aparecen en las esquinas.

Si alguien tiene mucho interés en el tema, puede ir echandole un ojo a esto:
es.wikipedia.org/wiki/Mecánica_de_la_fractura

Pero sin conocimientos previos no es nada divertido, yo estudié cosas de estas hace años y no me acuerdo de nada
xD
La verdad que tiene su gracia el tema. Es muy lógico y muy sencillo (creo, tal y como yo lo veo) si has estudiado estructuras o resistencia de materiales o asignaturas del estilo; pero se hace difícil justificar todos estos matices para poder explicarlo en un comentario de tres párrafos (son asignaturas de años... y años... :-) ).

La cuestión, es que todo tipo de estructuras (edificios, aviones, submarinos, una horquilla del pelo, un clip...) cuando entran en carga se deforman; es decir, al aplicar fuerza sobre ellas se crean tensiones (estamos "estresando" el material, no está "a gusto"). Cuando éstas tensiones son excesivas, los materiales cascan (o dicho en jerga, se fisuran). Hay varios tipos de tensiones (no es lo mismo romper un lápiz combándolo con los dedos de una mano - flexión- que intentando aplastarlo sobre la mesa -compresión/tracción). En el caso de un barco, yo lo desconocía, pero tiene sentido lo apuntado por #43, resulta interesante que el casco no presente flexiones -que son una putada para los materiales, que suelen soportar mejor la tracción y mejor aún la compresión-; por eso interesa que la superficie del casco transmita tracciones y compresiones y no flexiones. Esto se conseguira según el tipo de materiales, las uniones, etc.

Partiendo de que lo que se transmiten son estos esfuerzos, la forma más eficaz de abrir huecos (hay que entender los huecos como singularidades del casco, por lo que son puntos estructuralmente débiles) es aquella que menos se deforme. De todas las formas posibles, se puede justificar matemáticamente que la circunferencia es mucho más estable en este sentido que otras formas (sería curioso a modo de experimento ver si ventanas más o menos elípticas funcionarían mejor, a costa de encarecer costes de producción...); pero aparte de poderse justificar parece bastante intuitivo. Coge un anillo e imagina que le aplicas la misma fuerza en todos los puntos al mismo tiempo. La deformación es mínima. Si cogieses un cuadrado la cosa cambiaría, habría zonas más dadas a romper que otras: tenderá a rasgarse por el centro del lado pero también por las esquinas.

Así que imagino que los tiros de la pregunta sobre la forma de las ventanas van por ahí... aunque tampoco estaría de más conocer las condiciones de contorno (las "reglas del juego" específicas del diseño y mecánica náuticas).

PD: #14 estás algo encaminado en lo de la longitud de los lados. Una de las fórmulas fundamentales de todo este tema habla de que los esfuerzos flectores son proporcionales al cuadrado de la luz o longitud del tramo. Por eso no les valían las reglas de tres para construir iglesias. Ah! y la tensión que surge en las esquinas es porque tienen que mantener el ángulo de los lados entre sí.
#9 No es que se apliquen sobre un cuadrado. Si tienes una ventana en un muro (forma cuadrada), cuando se aplican fuerzas en la parte superior (por ejemplo un forjado), la distribución de las tensiones, se concentran en los ángulos del cuadrado.

No sé si me he explicado, pero la fuerza se realiza tangencial al cuadrado, no perpendicular.
#9 La tensión depende de la distancia al apoyo. En la diagonal es donde la distancia a los apoyos es mayor, por lo que las tensiones tangenciales son mayores en el plano que pasa por la diagonal y el vector de la fuerza.

Al mismo tiempo tiene a deformarse como una superficie reglada, lo que alivia la tensión en la dirección de la directriz de la deformada (no hay deformación, no hay tensión). Esa tensión no puede "desaparecer", tiene que generarse en otro punto, concretamente en la perpendicular a la directriz, que coincide también justo con la diagonal.
#9 Lo que pasa es que la frase esta mal expresada.
Las estructuras de casco están diseñadas para transmitir gargas normales a su superficie en forma de tracciones o compresiones puras, sin esfuerzos de flexión (en principio). Estas se transmiten a través de la superficie del casco. Cuando existe un hueco, si este es irregular o presenta esquinas, estos puntos, tienden a acumular mayor tensión, lo que supone un punto débil. Es especialmente importante en submarinos y aviones pues estan sometidos a altas presiones y requieren un funcionamiento eficaz del casco en la disipación de estas a través de su superficie en forma de compresión pura.

Respecto a la frase en si, pues si se aplica una fuerza sobre una superficie rectangular homogénea, la distribucion de trensiones depende de las condiciones de apoyo de la superficie. Si el apoyo es perimetral, las mayores tensiones se acumulan en el centro, sucediendo además que las esquinas son los puntos de menos esfuerzo, las cargas tienden a conducirse directamente al apoyo de forma transversal a la superficie (por el lado corto digamos), pues esta presenta mayor rigidez en esa dirección.(Si la superficie es curva, esta rigidez aumenta aun mas.)

menéame