Propiedades de los Materiales y Fundamentos de Mecánica Estructural

Clasificación y Propiedades de los Materiales

Clasificación de los Materiales

• Naturales: Obtenidos de nuestro entorno, solo son tratados mecánicamente.
• Artificiales o Sintéticos: Aquellos que se obtienen mediante un tratamiento físico o químico (ej. hierro).
• Reciclados: Se obtienen a partir de otros materiales ya usados con anterioridad. Son tratados física y químicamente (ej. aglomerados).

Propiedades de los Materiales

Propiedades Tecnológicas

• Maleabilidad: Facilidad para extenderse en láminas cuando se le comprime. (Ej: Oro)
• Ductilidad: Bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres, hilos, etc.
• Fusibilidad: Capacidad de un material para derretirse o fundirse.
• Soldabilidad: Mayor o menor facilidad que ofrecen los materiales para unirse por medio de la soldadura.
• Colabilidad: La colabilidad de un metal fundido depende de su fluidez, la cual le permite penetrar en todas las cavidades de un molde, produciendo una pieza completa.
• Forjabilidad: Capacidad de un material para deformarse mediante presión o impacto, utilizando martillos o pilones.

Propiedades Mecánicas

• Resistencia: Oposición de un material a deformarse o romperse bajo una carga.
• Dureza: Oposición que ofrecen los materiales a la penetración, el rayado, la cortadura y las deformaciones permanentes.
• Tenacidad: Es la capacidad de un material de absorber energía y admitir una deformación considerable antes de romperse.
• Elasticidad: Propiedad mecánica de un material de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra bajo la acción de fuerzas externas.
• Plasticidad: Propiedad mecánica de un material anelástico, natural o artificial, de deformarse permanente e irreversiblemente.
• Fragilidad: Propiedad de algunos materiales de romperse con muy poca deformación.
• Rigidez: Capacidad de un material para soportar grandes esfuerzos sin adquirir grandes deformaciones o desplazamientos.
• Isotropía: Propiedad de los materiales que presentan las mismas condiciones de elasticidad, cualquiera que sea la dirección en que se les deforme.
• Anisotropía: Propiedad de los materiales en los que las condiciones de elasticidad varían según la dirección en que se produzcan las deformaciones.

Propiedades Físicas

• Densidad: Es la cantidad de masa que tiene un material por unidad de volumen.
• Homogeneidad: Un material es homogéneo si tiene en todos sus puntos la misma estructura molecular o iguales propiedades físicas.
• Heterogeneidad: Un cuerpo es heterogéneo si no tiene en todos sus puntos la misma estructura molecular o propiedades físicas.
• Permeabilidad: Capacidad que tiene un material de permitir que un flujo lo atraviese sin alterar su estructura interna.
• Porosidad: Medida de los espacios vacíos en un material. Generalmente se expresa como una fracción o porcentaje (escala entre 0 y 1).
• Compacidad: Es el grado de densidad o empaquetamiento de las partículas de un material.
• Higroscopicidad: Se refiere a la propiedad de algunas sustancias para absorber la humedad del ambiente.

Propiedades Químicas

• Composición química: Presencia o ausencia de determinados compuestos en un material.
• Estabilidad química: Capacidad de un material para resistir el ataque de agentes químicos agresivos.

Propiedades Térmicas

• Conductividad térmica: Facilidad de un material para conducir el calor.
• Dilatación térmica: Es el aumento de volumen que sufren los materiales cuando se calientan.
• Puntos de cambio de estado: Son las temperaturas a las cuales un material cambia de estado (sólido a líquido, líquido a gaseoso, etc.).
• Reflexión del calor: Según su comportamiento ante el calor radiante, los materiales pueden ser permeables o impermeables a la energía calorífica.

Propiedades Electromagnéticas

• Conductividad eléctrica: Capacidad de un material para transmitir la corriente eléctrica.
• Resistencia eléctrica: Capacidad de un material para impedir la circulación de la corriente eléctrica.

Propiedades Ópticas

• Transmisión: De la energía luminosa que incide sobre un cuerpo, una parte se absorbe y disipa, y otra puede atravesarlo.
• Reflexión y Refracción: Estas propiedades se relacionan con el comportamiento de los cuerpos al ser iluminados.
• Brillo: Está relacionado con el fenómeno de reflexión de la luz. Es una propiedad fundamental para aplicaciones como la fibra óptica.

Propiedades Acústicas

Se refieren a la capacidad de los materiales para actuar como transmisores o aislantes del sonido.

Clasificación de Cargas en Estructuras

"Carga es toda causa capaz de producir estados tensionales en una estructura o elemento estructural".

Clasificación de las Cargas

• Según su origen: Gravitatorias, sísmicas, eólicas, especiales (por deformación, por maquinarias, presión del agua, presión del terreno).
• Según su estado inercial: Estáticas o dinámicas (móviles y de impacto).
• Según su tiempo de aplicación: Permanentes o accidentales.
• Según su ubicación en el espacio: Concentradas o distribuidas.
• Según su recta de acción: Verticales, horizontales u oblicuas.

Descripción de Tipos de Cargas

• Gravitatorias: Cargas verticales debidas al peso propio y al uso.
• Eólicas: Cargas, generalmente horizontales, producidas por la acción del viento.
• Sísmicas: Cargas generadas por movimientos telúricos, de origen volcánico o tectónico.
• Por Maquinarias: Cargas dinámicas o de impacto, como el choque de un auto contra una columna.
• Por Deformación: Cargas originadas por fenómenos como el descenso de apoyos.
• Estáticas: Cargas que no cambian su estado de reposo, o lo hacen muy lentamente en el tiempo.
• Dinámicas: Cargas que varían rápidamente en el tiempo, ya sea en magnitud, dirección o punto de aplicación (pueden ser móviles o de impacto).
• Permanentes: Cargas que persisten durante toda la vida útil de la estructura.
• Accidentales: Cargas cuya magnitud y/o posición pueden variar a lo largo del tiempo.

Principios Fundamentales de la Mecánica Clásica

Leyes de Newton

1. Primera Ley (Principio de Inercia): Un cuerpo permanecerá en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.
2. Segunda Ley (Principio Fundamental de la Dinámica): Cuando una fuerza neta actúa sobre un cuerpo, produce una aceleración en la dirección de la fuerza que es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo (F=ma).
3. Tercera Ley (Principio de Acción y Reacción): Cuando dos cuerpos interaccionan, la fuerza que el primero ejerce sobre el segundo es igual en magnitud y dirección, pero de sentido contrario, a la fuerza que el segundo ejerce sobre el primero.

Conceptos Clave: Peso y Masa

• Peso:
  • Es la fuerza que ocasiona la caída de los cuerpos debido a la gravedad.
  • Es una magnitud vectorial.
  • Se mide con el dinamómetro.
  • Varía según su posición (depende de la altitud y latitud).
  • Sus unidades de medida son el Newton (N) y la dina.
  • Produce aceleraciones.
• Masa:
  • Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.
  • Es una magnitud escalar.
  • Se mide con la balanza.
  • Su valor es constante, independientemente del lugar.
  • Sus unidades de medida son el gramo (g) y el kilogramo (kg).
  • Sufre alteraciones solo si se añade o quita materia.

Hipótesis Fundamentales de la Estática

• Hipótesis de Rigidez: La estática supone que los cuerpos son idealmente rígidos, es decir, no se tienen en cuenta las deformaciones de los materiales bajo la acción de las cargas.
• Principio de Transmisibilidad (Hipótesis de la traslación de una fuerza sobre su recta de acción): El efecto externo de una fuerza sobre un cuerpo rígido no varía si esta se traslada sobre su recta de acción.
• Hipótesis de Superposición de Efectos: Si un conjunto de fuerzas actúa sobre un cuerpo rígido, el efecto total se puede obtener reemplazando todas las fuerzas por una única fuerza resultante y la totalidad de los pares por un único par resultante.