Por qué no se hunden los suelos de los pisos?

Alguna vez te has preguntado esto? Por qué no se hunden los suelos de los pisos?

Está claro que porque hay vigas y losetas. Pero, ¿por qué no se rompen las vigas? O ¿por qué resisten las alas de los aviones o los huesos de las alas de las aves sin romperse?

Un bambú, una caña, un hueso largo, un cilindro de aluminio que debe resistir flexiones… todos ellos están huecos.

Cuando una columna se dobla, la parte de afuera se estira, mientras que la parte interior se comprime. Hagan ustedes mismos la prueba con un tubo de caña o de plástico. Sencillamente son varias circunferencias que se rodean unas a otras y cada una es más larga que las interiores.

Si la parte exterior se estira y la interior se comprime hay una zona intermedia de la columna que ni se estira ni se comprime. Esta zona no realiza ninguna fuerza contra los brazos que quieren doblarla: sencillamente sigue como está.

Toda la columna puede considerarse formada por fibras: largas líneas de átomos unidos con fuerza a lo largo de la línea, con menos fuerza a través de la misma.

Cuando estiramos una de las líneas, tratamos de separar cada átomo de los que tiene a cada lado.  Ahora bien, las fuerzas entre átomos son fuerzas eléctricas, inmensamente intensas. Demos un ejemplo. La fuerza de un ser humano implica subirse separándose del suelo al saltar a pies juntillas, o colgando de una barra. Pensemos que una persona tiene una masa de 70 kg. La fuerza que tiene que hacer para saltar o para no caerse de la barra es de 700 Newton. La unidad Newton (N) no nos interesa, es una unidad para comparar fuerzas.

Una grúa que levante un coche en el aire ejerce una fuerza de unos 10.000N. Para mantener un avión de 180 pasajeros en el aire, éste tiene que ejercer una fuerza de 780.000N.

Si, en vez de levantarnos contra la fuerza de la gravedad, la fuerza fuese eléctrica, nuestros brazos o piernas tendrían que hacer una fuerza de un décimo de un billón (español) de billones de Newtons.

Las vigas normales están llenas de defectos en sus filas de átomos: huecos, dislocaciones. Pero una fibra de grafeno, un material en el cual los átomos de carbono se enlazan unos con otros de manera casi perfecta, puede acercarse a esos valores de resistencias. Los hilos de las arañas funcionan bajo el mismo principio que el grafeno: líneas de átomos enlazados por fuerzas eléctricas sin casi defectos en los enlaces atómicos.

La naturaleza dio con estas soluciones para las alas de las aves. Los materiales son de muy baja resistencia atómica, puesto que tanto las aves como nosotros sólo podemos utilizar carbonato cálcico para los huesos. Pero en las aves, cuyas alas trabajan la flexión, el interior de los huesos no genera resistencia elástica, no sirve para nada respecto a la resistencia a la flexión y, por prueba y fracaso, o acierto, los huesos de las aves se fueron haciendo huecos. Al disminuir la cantidad de materia en el interior, los huesos bajan de peso, mientras mantienen toda la resistencia elástica.

De la misma manera, las vigas de los aviones son largas tiras de aluminio unidas por chapas llenas de agujeros circulares.

En España está volviendo la construcción y con ella las grandes grúas en los solares vacíos. Si las miran ven que esas grúas que levantan grandes pesos son triángulos de columnas de acero. De hecho, las grúas están esencialmente vacías de materia.

Lo mismo ocurre con las grúas de los camiones que les rescatan a ustedes en las carreteras cuando tienen una avería. Son tubos huecos que encajan unos dentro de otros. De hecho, para la resistencia elástica casi lo único que importa son las paredes de las columnas.

Las vigas de las casas eran trozos prismáticos de maderas pesadas que cruzaban de un lado a otro los techos de las construcciones. Eran un aumento inútil de masa que no tenía ninguna función estructural. Hoy, las vigas son líneas cuya sección transversal es una I latina mayúscula, con las partes superior e inferior grandes y pesadas y la lámina que las enlaza pudiendo ser muy ligera.

De la misma manera, las trirremes griegas de la batalla de Salamina que derrotaron a la armada persa (más bien fenicia) y los barcos de los vikingos que cruzaron el Atlántico antes que Colón, eran cascos de láminas delgadas de madera unidos entre sí con cuerdas tensas de lino. Un barco, al final, es una viga que se sostiene en los extremos cuando una ola la levanta y deja un hueco en su centro, o al revés cuando la ola empuja su centro hacia arriba. Lo que se necesita es flexibilidad y poco peso. Eran naves marineras.

Las vigas delgadas resisten maravillosamente la flexión, pero no tienen resistencia a los impactos de las balas. Cuando los barcos empezaron a montar caños pesados cuyas balas eran impulsadas por la pólvora, los cascos de aquellos se hicieron acorazados: grandes troncos de robles o maderas duras tropicales que resistían los choques de las balas.

Láminas gruesas pero, aún así, muy delgadas frente al tamaño total de los barcos.

Hagamos una pequeña comparación casera. Nuestra piel, con un espesor de no más de un par de milímetros, tiene una superficie de aproximadamente un metro cuadrado.

La fachada de un edificio de 30 metros de largo por 30 metros de alto (nueve plantas y el bajo) tiene 900 metros cuadrados. El espesor de las paredes exteriores no pasa de 300 milímetros.

Si dividimos 2 milímetros entre 1 metro cuadrado obtenemos un 2 en las unidades correspondientes. Si dividimos 300 milímetros entre 900 metros cuadrados obtenemos 0.333. La piel humana, referida a la superficie del cuerpo es 6 veces mas gruesa que el espesor de la fachada referida a la superficie de la misma.

Piensen en un barco petrolero de 200 metros de largo. Su casco puede tener un espesor de 10 cm. Intenten hacer los cálculos de arriba (un par de multiplicaciones y divisiones) y verán que el casco de acero de un petrolero actual es bastante más fino (referido a la superficie total del casco) que las láminas de madera de un barco vikingo.

No nos caemos por el suelo de los pisos que habitamos porque las fuerzas de resistencia a la flexión son eléctricas, muy intensas, pero sobre todo porque la geometría de las vigas está hecha para resistir grandes fuerzas con muy poca masa propia.

Otra cosa son las uniones entre huesos, entre láminas, entre vigas. Si están bien soldadas las resistencias son casi las mismas que las de las propias láminas. Pero si están atornilladas, o unidas puntualmente, las fuerzas se concentran en superficies muy pequeñas y esos tornillos, o uniones puntuales, ceden con facilidad.