5 cosas que Jenga puede enseñarnos sobre ingeniería estructural

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

La lógica intuitiva del niño es la misma que inspiró a los arquitectos micénicos del siglo XIII a. C. para construir la famosa Puerta de los Leones con 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 con piedra, debes comenzar por la base. Y es el mismo ingeniero nato que todos llevamos dentro el que dice: "Amigo, si quieres ganar en Jenga, ¡no dejes ni un solo apoyo en la parte inferior de la torre!".

Jenga es uno de los juegos más populares del mundo, solo superado por 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 de ancho 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. Finalmente, la torre se vuelve peligrosamente inestable. Si eres tú quien finalmente lo derriba, pierdes.

Jenga fue inventado por Leslie Scott, un ciudadano británico nacido y criado en Kenia y Tanzania. (Jenga significa "construir" en swahili). Scott jugó con su familia en África durante años; eventualmente dejó un trabajo con Intel para lanzar 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. Los edificios, después de todo, son vulnerables a las mismas fuerzas que pueden derribar una torre Jenga: fuerzas como cargas, tensión, compresión, torsión y más. Un golpe accidental de la mesa de juego es una excelente versión a escala de un terremoto catastrófico .

Comencemos nuestra exploración de la ingeniería estructural de Jenga con un vistazo a las cargas.

1. cargas
2. Cimientos
3. Tensión y Compresión
4. Fuerza rotacional
5. Fuerzas sísmicas

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

En Jenga, no se cortan dos bloques de madera con exactamente las mismas dimensiones, lo que significa que los bloques descansan uno sobre el 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 sobre la ingeniería estructural? Al diseñar un edificio, los ingenieros deben considerar la ruta de carga desde la parte superior del edificio hasta los cimientos. Cada nivel de la estructura necesita soportar las fuerzas aplicadas hacia abajo desde los niveles superiores. Hay tres tipos de cargas que ocurren en un edificio:

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

El siguiente principio importante que enseña Jenga sobre la ingeniería estructural es la importancia de los cimientos.

Cada familia tiene su superficie favorita para jugar Jenga. La mesa de juego endeble está fuera de discusión porque el más mínimo golpe de un codo errante hará que tu torre se derrumbe. La sólida mesa de la cocina es una opción sólida, porque no se mueve tan fácilmente como la mesa de juego, pero nada supera a un buen piso de madera. No puede golpearlo de lado, es bastante plano y la única amenaza para la estabilidad es el bebé o la mascota que gatea ocasionalmente.

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

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

Los cimientos también sirven para anclar físicamente la estructura al suelo. Este es un papel crucial en edificios muy altos. Imagínese tratando de equilibrar una vara de jardín en un extremo. Es posible que pueda sacarlo en una superficie extremadamente plana, pero incluso una exhalación lo derribaría. Pero, ¿qué sucede si sacas el palo de la yarda hacia atrás y clavas un extremo en el suelo unos centímetros? Ahora puede tocarlo, o incluso patearlo, y no se volcará. Los cimientos entierran una parte del edificio en el suelo, lo que le otorga una mayor estabilidad frente a los cambios de carga dinámicos.

Para edificios altos construidos sobre suelos sueltos o arena, los ingenieros clavan pilotes de acero profundamente en la tierra hasta que alcanzan el lecho rocoso. Luego construyen una base de concreto reforzado alrededor de los pilotes de acero para crear un ancla firme sobre la cual construir.

A continuación, veremos qué pueden enseñarnos los bloques de Jenga de madera sobre los materiales de construcción.

En ingeniería estructural, hay dos fuerzas básicas en el trabajo en cualquier elemento estructural: compresión y tensión. La 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. La tensión es la fuerza que se aplica cuando se tira o se estira un objeto. Un buen ejemplo es la superficie de un trampolín. Cuando alguien salta al trampolín, el material se estira.

Los ingenieros hablan de la resistencia a la tracción de los 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, razón por la cual 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: Yes Mag ].

Ahora pensemos en una estructura típica en Jenga. Si quita la pieza central en una fila, crea dos estructuras simples de viga y columna a cada lado de la torre. Una viga colocada sobre dos columnas experimenta compresión y tensión al mismo tiempo. El peso que se apoya en la parte superior de la viga la comprime hacia adentro, hacia el centro de la viga. Y aunque no puede 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 es un material de construcción tan pésimo. Los ingenieros estructurales eligen (ya 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. Por eso un arco de piedra dura mucho más que una viga de piedra. El hormigón armado es un material de construcción ideal , porque el hormigón le da resistencia a la compresión y las varillas de acero incrustadas le dan resistencia a la tracción.

Las torres de Jenga no son lo suficientemente altas o pesadas como para aplicar una compresión o tensión serias en las piezas de madera, por lo que hay muy poca preocupación de dividir una viga. Pero en los 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.

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

Los ingenieros estructurales no hablan de mantener un edificio "equilibrado". Hablan de mantener el equilibrio rotacional . Imagine un edificio alto como un largo brazo de palanca con la mayor parte del brazo por encima del suelo y una sección más pequeña (los cimientos) 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 , puede pensar que gira alrededor del punto de apoyo. Los ingenieros y los físicos tienen dos nombres para esta fuerza de rotación: el momento o torque .

Un principio básico de la ingeniería estructural es que cuanto más largo sea el brazo de palanca (o cuanto más lejos esté del fulcro), mayor será el momento. Para disminuir el momento de un edificio muy alto, debe construir soportes anchos. Cuanto más anchos sean los soportes, menor será el momento. Para comprender esto, intente pararse con los pies bien separados y pídale a un amigo que intente empujarlo hacia un lado. Requiere mucha fuerza. Junta los talones e intenta lo mismo. Tu amigo apenas tiene que tocarte y te vuelcas. Una estructura con una buena base ancha es inherentemente más estable que un edificio con una base estrecha.

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

La torre Jenga más alta registrada fue de 40 niveles, alcanzada utilizando 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 superar los 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 con 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 eligen construir en una región sísmicamente activa, deben considerar los efectos de las vibraciones laterales en su edificio. Cuando las ondas sísmicas recorren la tierra, empujan los edificios hacia arriba y hacia abajo y hacia adelante y hacia atrás. Los golpes hacia arriba y hacia abajo no son tan peligrosos 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 subas a un edificio, más pronunciadas serán las vibraciones. Cuando agrega peso a la ecuación, los efectos pueden ser desastrosos. Según el texto seminal, "Por qué se caen los edificios", las fuerzas sísmicas crecen en proporción al peso de la estructura y al cuadrado de su altura [fuente: Levy ].

Una estructura con mucho peso en la parte superior vibra con un período mucho más largo (el tiempo que tarda en recorrer una vibración completa) que un edificio con mucho peso en la parte inferior. Un período más largo también significa un mayor desplazamiento físico. 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 pesadas ), la oscilación 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 caen los edificios y qué puedes hacer para finalmente vencer a tu hermana en Jenga. Para obtener mucha más información sobre los juegos familiares y la ciencia cotidiana, diríjase a los enlaces de la página siguiente.

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