2. Esfuerzo
Las fuerzas internas de un elemento están
ubicadas dentro del material por lo que se
distribuyen en toda el área; justamente se
denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de área,
la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y es
un parámetro que permite comparar la resistencia
de dos materiales, ya que establece una base
común de referencia.
3. Tipos de Esfuerzo
• Tracción: Hace que se separen entre sí las distintas partículas que
componen una pieza, tendiendo a alargarla. Por ejemplo, cuando se
cuelga de una cadena una lámpara, la cadena queda sometida a un
esfuerzo de tracción, tendiendo a aumentar su longitud.
• Compresión: Hace que se aproximen las diferentes partículas de un
material, tendiendo a producir acortamientos o aplastamientos. Cuando
nos sentamos en una silla, sometemos a las patas a un esfuerzo de
compresión, con lo que tiende a disminuir su altura.
4. Flexión: Es una combinación de compresión y de tracción. Mientras que las
fibras superiores de la pieza sometida a un esfuerzo de flexión se alargan, las
inferiores se acortan, o viceversa. Al saltar en la tabla del trampolín de una
piscina, la tabla se flexiona. También se flexiona un panel de una estantería
cuando se carga de libros o la barra donde se cuelgan las perchas en los
armarios.
Cizallamiento o cortadura: Se produce cuando se aplican fuerzas
perpendiculares a la pieza, haciendo que las partículas del material tiendan a
resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Al cortar con unas tijeras un
papel estamos provocando que unas partículas tiendan a deslizarse sobre otras.
Los puntos sobre los que apoyan las vigas están sometidos a cizallamiento.
5. Torsión: Las fuerzas de torsión son las que hacen que una pieza tienda a
retorcerse sobre su eje central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los
ejes, las manivelas y los cigüeñales.
6. Esfuerzo de torsión
Se define como la capacidad torsión de objetos en rotación alrededor de un eje fijo.
En otras palabras, es la multiplicación de la fuerza y la distancia más corta entre el punto
de aplicación de la fuerza y el eje fijo. De la definición, también se puede inferir que, el par
es una cantidad vectorial que tiene tanto la dirección como en magnitud. Sin embargo, ya
que está girando alrededor de un eje fijo de su dirección puede ser en sentido horario o
antihorario. Durante las explicaciones y ejemplos que dan la dirección "+" si se gira hacia
la derecha y "-" si se gira hacia la izquierda. El par se muestra en la física con el símbolo
"τ". Usted puede venir a través torsión con otro nombre "momento"
7. Deformación
Son consecuencia de procesos mecánicos, a
partir de fuerzas externas o internas que afectan
a las características mecánicas de los elementos
constructivos. En el caso de las deformaciones,
son una primera reacción del elemento a una
fuerza externa, al tratar de adaptarse a ella.
8. Tipos de Deformación
Dependiendo del tipo de material, el tamaño y la
geometría del objeto, y las fuerzas aplicadas, varios tipos de
deformación pueden resultar. La imagen de la derecha
muestra el esfuerzo de ingeniería vs diagrama de
deformación para un material dúctil típica tal como el acero.
Diferentes modos de deformación pueden ocurrir en
diferentes condiciones, como se puede describir en base a un
mapa mecanismo de deformación.
9. • Deformación elástica
Este tipo de deformación es reversible. Una vez que ya no se aplican las fuerzas, el
objeto vuelve a su forma original. Elastómeros y metales con memoria de forma tales
como Nitinol exhiben grandes rangos de deformación elástica, como el caucho. Sin
embargo elasticidad es no lineal en estos materiales. Metales normales, cerámica y la
mayoría de los cristales muestran elasticidad lineal y una zona elástica pequeña.
• Deformación plástica
Este tipo de deformación es irreversible. Sin embargo, un objeto en el rango de
deformación plástica primero se ha sometido a deformación elástica, que es reversible,
por lo que el objeto volverá forma parte a su forma original. Termoplásticos blandos
tienen una gama bastante grande deformación plástica como hacer metales dúctiles
tales como el cobre, la plata, y oro. Acero también lo hace, pero no es de hierro fundido.
Plásticos duros termoestables, caucho, cristales, y cerámicas tienen rangos de
deformación plástica mínimos. Un material con un amplio rango de deformación plástica
es la goma de mascar en húmedo, que puede ser estirado decenas de veces su longitud
original.
11. Fundamentos de estática
Fatiga de los Materiales
Se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas
dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un
fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este
comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a
mediados del siglo XIX comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la
rotura con cargas dinámicas son muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y
a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el
caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el
ensayo de prototipos.
12. Características de una rotura por
fatiga
• La rotura tiene su origen en pequeños defectos ó CONCENTRADORES de tensión.
• Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección
remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática.
• El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características
resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en
su proceso de fabricación.
• El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y su avance
depende del nivel de tensión aplicado.
13. SEÑALES DE FATIGA
La Falla por Fatiga es repentina y total, las señales son
microscópicas. En las Fallas estáticas las piezas sufren una
deformación detectable a simple vista. Para evitar la falla por
fatiga se pueden aumentar considerablemente los factores de
seguridad, pero esto implicaría aumentar ostensiblemente los
costos de fabricación de las piezas.
14. Curvas S-N
Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde
una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una
amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la
resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este
procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas
decrecientes.
15. Fatiga Térmica
se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a
tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén
presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de
estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o
contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales
sometidas a variaciones de temperatura. La magnitud de la
tensión térmica resultante debido a un cambio de temperatura
depende del coeficiente de dilatación térmica y del módulo de
elasticidad. Se rige por la siguiente expresión:
16. Fatiga Estática
Ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico simultáneo.
Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y
reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos
materiales. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o
picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones
originando grietas. La de propagación también aumenta en el medio
corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá el interior de la
grieta produciendo nuevos concentradores de tensión.
18. Torsión
Es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento
sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma
mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde
una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible
encontrarla en situaciones diversas.
La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier
curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano
formado inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso una curva
paralela al eje se retuerce alrededor de él.
19. Estudio General
El estudio general de la torsión es complicado porque bajo ese
tipo de solicitación la sección transversal de una pieza en
general se caracteriza por dos fenómenos:
1: Aparecen tensiones tangenciales paralelas a la sección
transversal. Si estas se representan por un campo vectorial sus
líneas de flujo "circulan" alrededor de la sección.
2:Cuando las tensiones anteriores no están distribuidas
adecuadamente, cosa que sucede siempre a menos que la
sección tenga simetría circular, aparecen alabeos seccionales
que hacen que las secciones transversales deformadas no sean
planas.
20. Característica
La torsión se caracteriza geométricamente
porque cualquier curva paralela al eje de la pieza
deja de estar contenida en el plano formado
inicialmente por las dos curvas. En lugar de eso
una curva paralela al eje se retuerce alrededor de
él mismo.
21. Tipos de Torsión
Torsión de Saint-Venant pura.
Es aplicable a piezas prismáticas de gran inercia torsional con cualquier forma de
sección, en esta simplificación se asume que el llamado momento de alabeo es nulo, lo
cual no significa que el alabeo seccional también lo sea.
Torsión alabeada pura
Para piezas de muy escasa inercia torsional, como las piezas de pared
delgada, puede construirse un conjunto de ecuaciones muy simples en la que
casi toda la resistencia a la torsión se debe a las tensiones cortantes inducidas
por el alabeo de la sección.
22. Torsión mixta
En el dominio de torsión de Saint-Venant dominante y de
torsión alabeada dominante, pueden emplearse con cierto
grado de aproximación la teoría de Sant-Venant y la teoría de
torsión alabeada. Sin embargo en el dominio central de
torsión extrema, se cometen errores importantes y es
necesario usar la teoría general más complicada.
23. Torsión en una Barra
Cuando un árbol de sección circular es sometido a Torsión, debe cumplir lo
siguiente:
• Las secciones del árbol de sección circular deben permanecer circulares antes y
después de la torsión.
• Las secciones planas del árbol de sección circular deben permanecer planas antes
y después de la torsión sin alabearse.
• La Torsión que se le aplicara al árbol de sección circular debe estar dentro del
rango de elasticidad del material.
• La proyección sobre una sección transversal de una línea radial de una sección,
debe permanecer radial luego de la torsión.
