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Instituto Universitario Politécnico
Santiago Mariño.
Extensión-Porlamar
Análisis crítico: Esfuerzo-Deformación
Prof: Ing. Julián Carneiro.
Elemento de Maquina.
Bachiller
Wolfgang Salazar
C.I 19.435.381
Ingeniería Industrial #45.
Porlamar, Octubre de 2015.
El desarrollo de relaciones de carga-esfuerzo y carga- desplazamiento
requiere de relaciones esfuerzo-deformación que relacionen las
componentes del tensor de deformaciones con las del tensor de esfuerzos.
La forma de esta relación depende del comportamiento del material. Las
relaciones esfuerzo-deformación se pueden tratar teóricamente con el uso
de la primera ley de termodinámica, correspondiente a la ley de conservación
de la energía. Debe notarse, que la cantidad total de energía en un sistema
es generalmente indeterminado, por lo que sólo cambios en la energía
interna son medibles. Estos cambios se determinan por la primera ley de la
termodinámica. Si los efectos electromagnéticos se ignoran, esta ley se
describe como:
El trabajo realizado por un sistema mecánico por la acción de fuerzas
externas y el calor que fluye dentro del sistema proveniente del exterior es
igual al incremento de la energía interna más el incremento de energía
cinética.
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. Al momento de
llevar a cabo la realización o ejecución de una estructura se necesita tanto un
diseño correcto como unos elementos que sean aptos de resistir las fuerzas,
cargas y acciones a las que va a estar sometida; por tanto, se realiza un
estudio del material empleado y se procede al soporte de los diferentes
elementos de la estructura; los tipos de esfuerzos son:
En deducciones de estructuras e ingeniería se conoce como tracción
al esfuerzo interno que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos
fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Este tipo de
esfuerzo se caracteriza por separar entre sí las distintas partículas que
componen una pieza, tendiendo a alargarla. Por ejemplo, cuando se cuelga
de una cadena un columpio, la cadena queda sometida a un esfuerzo de
tracción, tendiendo a aumentar su longitud.
Sin embargo, el esfuerzo de compresión se refleja gracias a las
tensiones o presiones que están internamente en sólido deformable o algún
medio continuo, con la función de reducir el volumen del cuerpo y a su vez
un acortamiento del mismo en determinada dirección. En términos generales,
la compresión logra la aproximación de las diferentes partículas de un
material, tendiendo a causar un acortamiento o aplastamiento. Un ejemplo
cotidiano es estar sentado sobre una pelota inflable; pues el esfuerzo
causado tiende a disminuir su altura.
Por su parte, la cortadura (cizalladura o tensión cortante) se define
como el esfuerzo que sufre una pieza cuando sobre ella se ejercen fuerzas
incluidas en la propia superficie de actuación. Un ejemplo de esfuerzo de
cortadura sería el que soportan los roblones después de colocados.
El tipo de esfuerzo que presenta un elemento estructural alargado en
una dirección perpendicular a su eje longitudinal; es denominado como
flexión, donde se combina la compresión y la 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 una tabla del trampolín de
una piscina se ejemplifica este esfuerzo, ya que la tabla se flexiona.
Por último, Se define como el contenido torsión de objetos en rotación
alrededor de un eje fijo, al tipo de esfuerzo empleado por una pieza. 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. Por lo general, las fuerzas de
torsión son las se encargan que una pieza tienda a retorcerse sobre su eje
central. Están sometidos a esfuerzos de torsión los ejes, las manivelas y los
cigüeñales.
La resistencia del material no es el único parámetro que debe
utilizarse al diseñar o analizar una estructura; es importante controlar las
deformaciones para que la estructura cumpla con el propósito para el cual se
diseñó tiene la misma o mayor importancia. El análisis de las deformaciones
se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las
cargas aplicadas.
En la ingeniería o ámbito destinado a la utilización y manejo de
cálculos la deformación se conceptualiza como el cambio en el tamaño o
forma de un cuerpo debido a esfuerzos producidos por una o más fuerzas
aplicadas sobre el mismo o bajo efectos de dilatación térmica. La
deformación se logra medir mediante magnitudes como deformación unitaria
o deformación axial; la cual se consigue al determinar el cambio de
longitudes por la unidad de longitud.
En puntos claves para el cálculo y aplicación de deformaciones es
preciso conocer la fuerza o carga axial, cuya Fuerza que actúa a lo largo
del eje longitudinal de un miembro estructural aplicada al centroide de la
sección transversal del mismo produciendo un esfuerzo uniforme.
Es importante resaltar que la deformación es un proceso termodinámico
en el que la energía interna del cuerpo acumula energía potencial elástica. A
partir de unos ciertos valores de la deformación se pueden producir
transformaciones del material y parte de la energía se disipa en forma de
plastificado, endurecimiento, fractura o fatiga del material. Existen dos tipos de
deformaciones que puede presentar un material al presentarse antes una acción.
La deformación plástica, irreversible o permanente; suele ser
aquella deformación en la que el material no regresa a su forma original
después de retirar la carga aplicada. Esto suele suceder porque, en la
deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos
irreversibles al obtener mayor energía potencial elástica. La deformación
plástica es lo inverso a la deformación reversible. En cambio, cuando un
cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la
deformación se le denomina deformación elástica. En este tipo de
deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía
interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios
termodinámicos reversibles.
Usualmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que
resisten grandes elongaciones cuando se les aplica una fuerza, como la
goma elástica que puede estirarse sin dificultad recuperando su longitud
original una vez que desaparece la carga. Esta actuación, sin embargo, no
es propio de estos materiales, de modo que los metales y aleaciones de
estudio técnica, piedras, hormigones y maderas empleados en construcción
y, en general, cualquier material, presenta este comportamiento hasta un
cierto valor de la fuerza aplicada; si bien en los casos apuntados las
deformaciones son pequeñas, al retirar la carga desaparecen.
Al valor máximo de la fuerza aplicada sobre un objeto para que su
deformación sea elástica se le denomina límite elástico y es de gran
importancia en el diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones es
éste y no el de la rotura, el que se adopta como variable de diseño
(particularmente en mecanismos). Una vez superado el límite elástico
aparecen deformaciones plásticas (que son permanentes tras retirar la
carga) comprometiendo la funcionalidad de ciertos elementos mecánicos.
La ley de Hooke; es el principio que define bajo postulado el método
deformación; esta enuncia originalmente formulada para casos del
estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento unitario que
experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza
aplicada F; siendo δ el alargamiento, L la longitud original, E: módulo de
Young, A la sección transversal de la pieza estirada. La ley se aplica a
materiales elásticos hasta un límite denominado límite elástico.
La deformación y el esfuerzo logran relacionarse en el conocido
diagrama esfuerzo deformación, el mismo muestra la curva usual llamada
también convencional, tecnológica, de ingeniería o nominal, la cual expresa
tanto el esfuerzo como la deformación en términos de las dimensiones
originales de la probeta, un modo muy útil cuando se está interesado en
comprobar los datos de resistencia y ductilidad para el propósito de diseño
en ingeniería.
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