SOLICITACIONES MECÁNICAS
Bueno chicos y chicas después de un breve parón volvemos a retomar el blog con una mini entrada con su correspondiente mini esfuerzo para hablar de las solicitaciones mecánicas que son las siguientes: tracción compresión cortadura torsión y flexión,
La mecánica desde el punto de vista Físico (estática,
cinemática y dinámica), estudia las fuerzas y los movimientos considerando que
los cuerpos que las sufren son rígidos (indeformables).
En la práctica se observa que los cuerpos rígidos no
existen, sino que todos se deforman más o menos cuando se les aplican fuerzas.
Por ello la ingeniería, además de la mecánica-física
aplicada a las máquinas e instalaciones, estudia la deformación de los cuerpos,
considerándola como una parte de la mecánica aplicada denominada RESISTENCIA DE
MATERIALES.
RESISTENCIA DE MATERIALES
Es pues, la parte de la mecánica que estudia la deformación
de los cuerpos cuando sufren la acción de fuerzas externas. El objeto de la
RESISTENCIA DE MATERIALES es doble:
Conocidas unas fuerzas, determinar las dimensiones del
material que pueda soportarlas.
Conocido un material (con su forma y dimensiones),
determinar la fuerza o fuerzas que puede soportar.
Normalmente el problema a resolver es de tipo a), lo que
ocurre en el diseño o proyecto de máquinas, instalaciones, estructuras
resistentes, edificios,
Antes de meternos de lleno en la clase de esfuerzos que afectan a la resistencia mecánica tenemos que hablar de las deformaciones y los tipos de deformaciones que hay, primero voy a explicar lo que significa deformación mecánica: La 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
Cuando se trata de cuerpos sólidos las deformaciones pueden ser de dos tipos:
Deformaciones permanentes: el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica
Deformación no permanente: el cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. 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
Clases de esfuerzos
TRACCIÓN
Es el esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la
aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.
Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene
cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y
poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.
Son muchos los materiales que se ven sometidos a tracción en
los diversos procesos mecánicos. Especial interés tienen los que se utilizan en
obras de arquitectura o de ingeniería, tales como las rocas, la madera, el
hormigón, el acero, varios metales, etc. Cada material posee cualidades propias
que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:
elasticidad (módulo de elasticidad) plasticidad ductilidad fragilidad
ENSAYO DE TRACCIÓN
Para conocer las características resistentes a tracción de
un material cualquiera se lo somete a un ensayo de tracción. Para ello se
utiliza una máquina universal de ensayos, como la que podemos observar en
nuestro laboratorio de ensayos de materiales. Hay estrictas normas y
protocolos, para realizar ensayos, que fueron acordadas en convenciones
científicas internacionales.
Los ensayos de tracción se realizan con probetas
perfectamente normalizadas, en cuanto a sus dimensiones, a fin de asegurar la
repetibilidad internacional del ensayo. Se las prepara en un torno, atendiendo
cuidadosamente su forma y tamaño.
La característica principal de una probeta de tracción para
aceros es su parte central, cuya sección transversal es circular de área 1 cm2,
por lo que su diámetro es de 11,284mm. Esta sección se mantiene constante en
una longitud L0 , para ensancharse gradualmente en sus extremos y brindar
mejores posibilidades de sujeción a las mordazas de la máquina de ensayos.
La probeta se coloca entre mordazas, P [Kg] en la máquina de ensayos, y se la tracciona lentamente
hasta romperla. En un papel milimetrado se gráfica el estiramiento en función
de la fuerza aplicada. Así , en el eje de las abscisas, se referencian los alargamientos
y en el eje de las ordenadas, el esfuerzo en Kg o en N (newtons) . L[mm] El problema de obtener resultados tan específicos, es que
luego no se puede utilizar los datos obtenidos en una aplicación real, cuando
por ejemplo cambia el diámetro, o la forma de la sección. Por lo que habría que
realizar infinidad de ensayos , para distintos materiales, con distintas
formas, y con distintas dimensiones.
Para evitar esto, los investigadores han propuesto
reemplazar la fuerza de tracción por la Tensión de tracción, y el alargamiento L, por el alargamiento específico obteniendo así el gráfico Tensión - deformación específica . De esta manera se tiene una idea más concreta de cual es
la tensión con que trabaja un material cuando se estira un determinado
porcentaje, sin importar su forma ni su tamaño, y estos datos ahora se pueden
aplicar a cualquier cálculo de dimensionamiento o verificación de elementos
estructurales o de máquinas en la realidad
una imagen dice que vale mas que mil palabras así que con la imagen que viene a continuación podemos ver los diferentes tipos de rotura de un material sometido a tracción dependiendo de la ductilidad del material cabe destacar que la ductilidad es una propiedad que presentan algunos
materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales
bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse
vídeo demostrativo de ensayo a tracción
TIPOS DE FALLO
ductil a torsion: El tornillo presenta alargamiento y la zona de fractura muestra adelgazamiento, con textura fibrosa central y desgarre periférico. Esta morfología se presenta generalmente en tornillos de bajo grado.
ALGUNAS CAUSAS
Sobrecarga a tensión en servicio.
Grado del tornillo inferior al necesario.
fragil a torsion: El tornillo no presenta alargamiento ni adelgazamiento, predominando una textura granular brillante transversal. Esta morfología se presenta generalmente en tornillos de grado alto.
ALGUNAS CAUSAS
Sobrecarga a tensión en servicio.
Grado del tornillo inferior al necesario.
Materiales característicos:
Hormigón: su resistencia para soportar esfuerzos de tracción es mucho menor que su resistencia para soportar esfuerzos de compresión
En el hormigón armado el acero se encarga de absorber los esfuerzos de tracción que el hormigón por si solo no puede soportar.
El hormigón se considera adecuado cuando el promedio de cualquier grupo de tres ensayos consecutivos iguala o supera la resistencia especifica y ninguno de los ensayos, dentro de estos tres ni individuales, esta por debajo de 0,5 MPa por debajo de dicha resistencia
La resistencia especifica: es la resistencia a la compresión a los 28 de vida de la probeta normalizada de este.
Es la resultante de las tensiones o presiones que existe
dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a
una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en
determinada dirección. Los ensayos
practicados para medir el esfuerzo de compresión son contrarios a los aplicados
al de tracción, con respecto al sentido de la fuerza aplicada. Tiene varias
limitaciones: Dificultad de aplicar una carga concéntrica o axial, sin que
aparezca pandeo.Una probeta de sección circular es preferible a otras formas. El
ensayo se realiza en materiales: Duros. Semiduros. Blandos.
ENSAYO DE COMPRESION
El esfuerzo de compresión es la resultante de las tensiones
o presiones que existen dentro de un sólido deformable o medio continuo,
caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un
acortamiento del cuerpo en determinada dirección (coeficiente de Poisson).En
piezas estructurales suficientemente esbeltas los esfuerzos de compresión puede
producir además abolladura o pandeo
En ingeniería, el ensayo de compresión es un ensayo técnico
para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo
de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales
(sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material.
Existen varias limitaciones especiales del ensayo de
compresión a las cuales se debe dirigir la atención:
1. La dificultad de
aplicar una carga verdaderamente concéntrica o axial.
2. El carácter
relativamente inestable de este tipo de carga en contraste con la carga
tensíva. Existe siempre una tendencia al establecimiento de esfuerzos
flexionantes y a que el efecto de las irregularidades de alineación
accidentales dentro de la probeta se acentúa a medida que la carga prosigue.
3. La fricción
entre los puentes de la máquina de ensaye o las placas de apoyo y las
superficies de los extremos de la probeta debido a la expansión lateral de
ésta. Esto puede alterar considerablemente los resultados que se obtendrían si
tal condición de ensayo no estuviera presente.
4. Las áreas
seccionales relativamente mayores de la probeta para ensayo de compresión para
obtener un grado apropiado de estabilidad de la pieza. Esto se traduce en la
necesidad de una máquina de ensaye de capacidad relativamente grande o probetas
tan pequeñas y, por lo tanto, tan cortas que resulta difícil obtener de ellas
mediciones de deformación de precisión adecuada.
Se supone que se desean las características simples del
material y no la acción de los miembros estructurales como columnas, de modo
que la atención se limita aquí al bloque de compresión corto.
Requerimientos para probetas de compresión.
Para el esfuerzo uniforme de la probeta de compresión, una
sección circular es preferible a otras formas. Sin embargo, la sección cuadrada
o rectangular se usa frecuentemente y para piezas manufacturadas, tales como el
azulejo, ordinariamente no resulta posible cortar probetas que se ajusten a
ninguna forma en particular.
La selección de la relación entre la longitud y el diámetro
de una probeta de compresión parece ser más o menos un compromiso entre varias
condiciones indeseables. A medida que la longitud de la probeta se aumenta, se
presenta una tendencia creciente hacia la flexión de la pieza, con la
consiguiente distribución no uniforme del esfuerzo sobre una sección recta. Se
sugiere una relación entre altura y diámetro de 10 como un límite superior
práctico. A medida que la longitud de la probeta disminuye, el efecto de la
restricción friccional en los extremos se torna sumamente importante; asimismo,
para longitudes menores de aproximadamente 1.5 veces el diámetro, los planos
diagonales a 10 largo de los cuales la falla se verificaría en una probeta más
larga intersectan la base, con el resultado de que la resistencia aparente se
aumenta. Comúnmente se emplea una relación entre longitud y diámetro de 2 o
más, aunque la relación entre altura y diámetro varíe para materiales
diferentes.
El tamaño real depende del tipo de material, del tipo de
mediciones a realizar, y del aparato de ensaye disponible. Para materiales
homogéneos para los cuales se requiera solamente la resistencia última, pueden
usarse probetas pequeñas. El tamaño de las probetas de materiales heterogéneos
debe ajustarse al tamaño de las partículas componentes o agregados.
Los extremos a los cuales se aplica la carga deben ser
planos y perpendiculares al eje de la probeta o, de hecho, convertidos así
mediante el uso de cabeceo y dispositivos de montaje.
Los tramos de calibración para mediciones de deformación
deben preferiblemente ser más cortos que el largo de la probeta cuando menos el
diámetro de la probeta.
FLEXIÓN
se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un
elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje
longitudinal. El término "alargado" se aplica cuando una dimensión es
dominante frente a las otras. Un caso típico son las vigas, las que están
diseñadas para trabajar, principalmente, por flexión. Igualmente, el concepto
de flexión se extiende a elementos estructurales superficiales como placas o
láminas.
El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión
presenta una superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a
lo largo de cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor
antes de la deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento
flector.
ENSAYO DE FLEXIÓN
Ensayo consistente en someter a una deformación plástica una
probeta recta de sección plena, circular o poligonal, mediante el pliegue de
ésta, sin inversión de su sentido de flexión, sobre un radio especificado al
que se le aplica una presión constante.
Los ensayos de flexión se utilizan principalmente como
medida de la rigidez. Este ensayo es casi tan habitual en materiales
poliméricos duros como el ensayo de tracción, y tiene las ventajas de
simplificar el mecanizado de las probetas y evitar los problemas asociados al
empleo de mordazas. El parámetro más importante que se obtiene de un ensayo de
flexión es el módulo de elasticidad (también llamado módulo de flexión).
El módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal es
un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según
la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado
y estudiado por el científico inglés Thomas Young.
Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de
Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo
una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor
máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona
una barra, aumenta de longitud.
Tanto el módulo de Young como el límite elástico son
distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una
constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse
empíricamente mediante ensayo de tracción del material. Además de este módulo
de elasticidad longitudinal, puede definirse el módulo de elasticidad
transversal de un material.
Viga en voladizo de sección cuadrada sometida a flexión
recta simple, mediante una carga en el extremo libre. La animación muestra una
simulación mediante el método de los elementos finitos, donde se observan
tensiones crecientes cerca de la sección empotrada a medida que se incrementa
la carga (y también la de flexión debida a ella).
TIPOS DE FALLO
ductil a flexion El tornillo presenta doblado y la zona de fractura muestra textura fibrosa en un extremo y un labio por desgarre opuesto. Esta morfología se presenta generalmente en tornillos de bajo grado.
ALGUNAS CAUSAS
Sobrecarga a flexión en servicio.
Carga lateral elevada.
Grado del tornillo inferior al necesario.
fragil a flexion El tornillo no presenta deformación y la zona fractura
muestra textura granular con formación de escalones algunas veces. Esta
morfología se presenta generalmente en tornillos de grado alto.
ALGUNAS CAUSAS
Sobrecarga a flexión en servicio.
Carga lateral elevada.
Grado del tornillo inferior al necesario.
Flexiones en vigas o arcos:
Son elementos estructurales pensados para trabajar normalmente en flexión. su rigidez depende del momento de inercia de la sección transversal de las vigas. Existen dos hipótesis cinemáticas comunes para representar la flexión de vigas y arcos:
La hipótesis de Navier-Euler-Bernouilli: En ella las
secciones transversales al centro de gravedad se consideran indeformables y se
mantienen perpendiculares al mismo, que se curva, tras la deformación.
La hipótesis de Timoshenko: En esta hipótesis se
admite que las secciones transversales perpendiculares al centro de gravedad
pasen a formar un ángulo con este centro por efecto del esfuerzo cortante.
Materiales característicos:
Vigas: tanto en ingeniería como en arquitectura
se denomina viga a un elemento estructural lineal que trabaja principalmente a
flexión. En las vigas, la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y
suele ser horizontal, este esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y
compresión, también pueden producirse tensiones por torsión, sobre todo en las
vigas que forman el perímetro exterior de un forjado.
CORTADURA
el corte o cizalladura, se trata del sometimiento de un
cuerpo a un corte o cizallamiento, donde se aplican dos fuerzas en sentido
opuesto, que tienen tendencia a sesgar el material. En el aula comentamos que en el caso de unas
tijeras, sus hojas no deben de estar completamente paralelas, sino que deben de
disponer de una leve inclinación; es por esta inclinación que en ocasiones
cortan ,estando más bien desafiladas.
Los ejemplos de este esfuerzo los encontramos en
multitud de objetos cortantes tales como las ya citadas tijeras, la guillotina,
cizallas para metal, etc
ENSAYO A CORTADURA
Un ensayo de cizallamiento estático se lleva a cabo por lo
general en los materiales que están hechos de metal o materiales compuestos.
Los materiales compuestos se componen de más de dos materiales y se pueden
hacer de metal, plástico, madera o fibra de vidrio, para nombrar sólo algunos
ejemplos. Esta prueba mide la fuerza interna de un material para ver cuánta
puede soportar antes que la fuerza rompa el material.
Método
Un ensayo de cizallamiento estático se lleva a cabo mediante
la colocación de un material en un dispositivo como una pinza. A continuación,
se le aplica peso al material. Esta prueba se llama "ensayo de
cizallamiento estático" porque la cantidad de peso aplicado al material
sigue siendo el mismo durante todo el ensayo. La prueba también considera el
tiempo como un factor, y en última instancia, mide cómo el material resiste la
fuerza del peso a través de una cantidad de tiempo arreglada.
La aplicación práctica de una prueba de resistencia de
cizalladura es en última instancia, para ver si un material es adecuado para su
uso en ciertos proyectos. Los materiales deben realizar de acuerdo a las
especificaciones de su durabilidad. El gobierno controla la fiabilidad del
material para asegurarse de que no hay ningún resultado de daños en las
prácticas de fabricación defectuosos o pruebas de materiales inadecuados antes
de que un producto se comercialice. Las pruebas de cizallamiento estático se
utilizan para evaluar la fuerza de los remaches de acero utilizados en la
construcción de puentes. Estos remaches deben soportar una carga significativa
de peso del concreto y el acero que rodea la infraestructura de un puente.
Material característico
Remaches: es un elemento de fijación que se emplea
para unir de forma permanente dos o más piezas. Consiste en un tubo cilíndrico
que en su fin dispone de una cabeza. Las cabezas tienen un diámetro mayor que
el resto del remache, para que así al introducir éste en un agujero pueda ser
encajado, de esta manera soporta los esfuerzos cortantes de la misma forma que
los tornillos.
Finalmente, explicaremos TORSIÓN. Comprendemos fácilmente
su principio al imaginarnos apretando un tornillo con un destornillador. Para
que un cuerpo esté en torsión, necesita de dos fuerzas en sentido opuesto, que
tengan tendencia a retorcerlo.
La torsión se caracteriza geométrica mente 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.
En el caso general se puede demostrar que el giro relativo
de una sección no es constante y no coincide tampoco con la función de alabeo
unitario. A partir del caso general.
La mayoría de los ejes de las máquinas están sometidos
a torsión. Un ejemplo de la vida diaria, sería cada vez que abrimos la puerta
de casa con la llave
ENSAYO A TORSIÓN
El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.
El ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.
Los resultados del ensayo de torsión resultan útiles para el
cálculo de elementos de máquina sometidos a torsión tales como ejes de
transmisión, tornillos, resortes de torsión y cigüeñales.
tipo de fallo El tornillo presenta entorchamiento por torque, con una
superficie transversal y una textura mixta granular - fibrosa. Predominando la
textura granular en grados altos y la fibrosa en grados bajos.
ALGUNAS CAUSAS
Consecuencia directa de aplicar un sobre torque durante el
apriete del tornillo o tuerca lo cual genera a la par altas cargas de torsión y tracción
vídeo demostrativo
A continuación pondré unas fotos del mismo material y como se comportan ante diversas solicitaciones mecánicas
A continuación pondré unas fotos del mismo material y como se comportan ante diversas solicitaciones mecánicas
como hemos podido ver un mismo material se comporta de distinta manera según a que solicitación mecánica este sometido
Bueno chicos espero que os sirva de ayuda esta "mini" entrada para poder encontrar lo que buscabais y en breves empezaremos con la siguiente..... no hay respiro chavales............goooooooooooooooooooo
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