Esfuerzos, Resistencia y Propiedades de los Materiales: Conceptos Fundamentales

Esfuerzos y Resistencia

Sabemos que las fuerzas no solo pueden generar movimiento en un cuerpo, sino que además pueden deformarlo. Consideremos un cuerpo sometido a fuerzas externas y con algunos apoyos aplicados en su superficie.

Equilibrio Estático

Se define como aquella condición en la cual un cuerpo, sometido a una serie de fuerzas y momentos exteriores, se mantiene en reposo o con un movimiento uniforme.

Principio de Corte

Si a un cuerpo en equilibrio se le corta por una sección cualquiera, sigue estando sometido a las fuerzas y momentos exteriores. Para que siga estando en equilibrio, tenemos que colocar en la sección cortada una resultante de fuerzas y una resultante de momentos, que representaremos como R y M. En dicha sección existen unas tensiones, fuerzas por unidad de área, que dan como resultante R y M. A pesar de que dichas fuerzas son interiores si se considera todo el sistema, son exteriores cuando se aplican sobre el subsistema. El subsistema aislado con las fuerzas exteriores que actúan sobre él y las fuerzas resultantes de la interacción con el sistema total se denomina diagrama de sólido libre.

Tensión Unitaria

Es el esfuerzo por unidad de área que se ejerce entre las dos partes de un cuerpo, dividido idealmente por un determinado plano BB, a través de una superficie de BB de tamaño infinitesimal, alrededor de un punto. La tensión unitaria se refiere a un punto y a un plano (BB). Como es una fuerza, la tensión unitaria es un vector, por lo que, por regla general, podremos considerar 3 componentes: una normal y dos situadas en el plano (tensión normal y tensiones tangenciales) y se suelen designar σ y τ, respectivamente.

Ley de Hooke

La ley de Hooke estableció la ley fundamental que relaciona la fuerza aplicada y la deformación producida. Para una deformación unidimensional, la Ley de Hooke se puede expresar matemáticamente:

f = -k x X

• -k: es la constante de proporcionalidad o de elasticidad.
• X: es la deformación, esto es, lo que se ha comprimido o estirado a partir del estado que no tiene deformación. Se conoce también como el alargamiento de su posición de equilibrio.
• F: es la fuerza resistente del sólido.

El signo ( - ) en la ecuación se debe a la fuerza restauradora, que tiene sentido contrario al desplazamiento. La fuerza se opone o se resiste a la deformación. Las unidades son: Newton/metro (New/m) - Libras/pies (Lb/p).

Nota: Si el sólido se deforma más allá de un cierto punto, el cuerpo no volverá a su tamaño o forma original, entonces se dice que ha adquirido una deformación permanente.

La fuerza más pequeña que produce deformación se llama límite de elasticidad.

El límite de elasticidad es la máxima longitud que puede alargarse un cuerpo elástico sin que pierda sus características originales. Más allá del límite elástico, las fuerzas no se pueden especificar mediante una función de energía potencial, porque las fuerzas dependen de muchos factores, entre ellos el tipo de material.

Propiedades de los Materiales

• Rigidez: propiedad que tiene un material para resistir la deformación.
• Elasticidad: habilidad de un material para recuperar sus dimensiones originales al retirar el esfuerzo aplicado.
• Ductibilidad: habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse.
• Plasticidad: capacidad de un material para deformarse bajo la acción de un esfuerzo y permanecer deformado al retirarse dicho esfuerzo.
• Fragilidad: opuesto a la ductibilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura con cargas estáticas sin aviso.
• Tensión: es el estado de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas opuestas que lo atraen.
• Torsión: acción de una fuerza para retorcer un cuerpo sobre su eje central.
• Deformación: es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos, producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.
• Fuerza Interna: resistencia interior de un cuerpo a una fuerza externa.
• Resistencia: propiedad del material para resistir la acción de fuerzas como compresión, tensión y corte.
• Límites de Proporcionalidad: punto de la curva en la gráfica de esfuerzo por deformación.
• Punto de Cedencia: punto donde se deforma el material sin un incremento sensible de la fuerza.
• Resistencia Última: esfuerzo máximo basado en la sección de los vectores originales.