Unidad 8 Objetivos Elasticidad Al finalizar la unidad, el alumno: • Interpretará la curva esfuerzo-deformación de diferentes materiales sólidos, mediante gráficas. • Aplicará fórmulas de esfuerzo para obtener deformación laterales y axiales. • Aplicará el modulo de elasticidad para la solución de diversos problemas. • Interpretará la constante de recuperación en la aplicación a diferentes materiales. Introducción La ingeniería, además de basarse en cálculos para la construcción o diseño de edificios, carreteras, maquinaria, herramientas, utensilios domésticos y otros más, debe seleccionar materiales adecuados a utilizar, los cuales deben tener características especiales para cada uso, como en el caso de los edificios estructurales (la resistencia para soportar toneladas de compresión y tensión sin llegar a fracturarse) y las maquinarias (que deben resistir movimientos constantes de oscilación y vibración), es decir, se deben seleccionar materiales que cumplan con las condiciones químicas y físicas de resistencia. En el capítulo anterior se considera el estudio del movimiento de rotación de cuerpos rígidos, sin embargo es importante señalar que en realidad todos los cuerpos son deformables, esto es, se puede cambiar la forma al aplicar fuerzas externas, pero bajo ciertas condiciones, los cuerpos, al descargarlos de esfuerzos, toman nuevamente su forma original. A esta propiedad se le conoce como Elasticidad. 8.1 Esfuerzo En la armadura de la figura 8.1 los elementos AB, AC y BC de área transversal constante a lo largo de cada elemento, están sujetos a modificación de su estructura interna debido a la fuerza P. P C A B Figura 8.1 197 CinemátiCa y dinámiCa La fuerza P provoca en los elementos AC y BC un estado de compresión permanente. Para el elemento AB se producen tensiones en sus extremos y en consecuencia estiramiento imperceptible. Si aislamos el elemento AB de la armadura como se indica en la figura 8.2 se nota que existe una fuerza de tensión en los dos extremos, y además fuerzas uniformemente distribuidas en toda su longitud y donde la sección recta también es uniforme. Note que la fuerza está aplicada perpendicularmente al área transversal de cada extremo de la barra. A B F F Figura 8.2. Para el elemento AB se producen tensiones en sus extremos y en consecuencia estiramiento imperceptible en este elemento. A la fuerza aplicada por unidad de área transversal se le llama esfuerzo y su magnitud está dada por la siguiente fórmula: σ= F A (8.1) Donde: σ = es el esfuerzo, que está dado en pascales P = 1 N/m2 en el SI y en lb/in2 en el sistema inglés. F = es la fuerza axial dada en newtons (N) en el SI y en libras (lb) en el sistema inglés. A = es el área de la sección transversal en m2 en el SI y en in2 en el sistema inglés. Para algunos cálculos técnicos en el área de ingeniería, las unidades que se manejan para el esfuerzo están dadas en kgf /cm2. 8.2 Deformación Cuando la barra indicada en la figura 8.2 es sometida a una carga (fuerza) de tensión uniforme, esta barra experimenta un alargamiento. La Deformación es el cambio relativo en las dimensiones o en la forma de un cuerpo como resultado de la aplicación de un esfuerzo, y se define por la ecuación: ε= 198 ∆l l (8.2) Unidad 8 ε = deformación, este valor es adimensional. ∆l = cambio en la longitud de la barra, en m (SI) o en in (sistema inglés). l = longitud inicial de la barra, en m (SI) o en in (sistema inglés). A esta deformación también se le denomina deformación unitaria ε = ∆l , donde se maneja ∆l = l f – l i . l En la figura 8.3 se observa el cambio en la longitud de la barra debido a las fuerzas aplicadas en sus extremos. F F li F F lf Figura 8.3 Cuando la barra es sometida a una fuerza axial de tracción aumentará su longitud inicial. Este fenómeno no siempre es perceptible ya que tiene valores muy pequeños detectados exclusivamente por instrumentos de precisión. 8.3 Elasticidad y plasticidad En la figura 8.3 cuando se alarga la barra, ésta no siempre regresa a la posición original; dependiendo de los esfuerzos aplicados, la barra experimentará el regreso parcial o total a su posición inicial, análogo a los choques elásticos. La Elasticidad es la propiedad que tienen los cuerpos de recuperar su forma primitiva u original tan pronto como cesa la acción que los alteraba, como por ejemplo, un resorte. La Plasticidad es la capacidad de un material para deformarse bajo la acción de un esfuerzo y retener dicha acción de deformación al retirarlo. Para los ingenieros es importante distinguir en qué zona se está trabajando, si es en la zona elástica o en la zona plástica, ya que las fórmulas difieren en cada zona. Las fórmulas a que se hace referencia en el presente capítulo se enfocan a la teoría de la elasticidad. 199 CinemátiCa y dinámiCa En ingeniería se utiliza la máquina universal, una máquina semejante a una prensa con la que es posible someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades. La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico. Figura 8.4 En ingeniería, las propiedades mecánicas de los materiales son las características inherentes que permiten diferenciar un material de otros, desde el punto de vista del comportamiento mecánico de los materiales. También hay que tener en cuenta el comportamiento que puede tener un material en los diferentes procesos mecanizados que pueda tener. Entre estas características mecánicas y tecnológicas destacan: • Resistencia a esfuerzos de tracción, compresión, flexión y torsión, así como desgaste y fatiga, dureza, resiliencia, elasticidad, tenacidad, fragilidad, cohesión, plasticidad, ductilidad, maleabilidad, entre otros. Debido a que cada material se comporta diferente, es necesario analizar su comportamiento mediante pruebas experimentales. Entre las propiedades mecánicas más comunes que se miden en los materiales están la resistencia a la tracción, la compresión, la deformación, el coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad o módulo de Young. 8.4 Módulo de elasticidad Para los materiales elásticos, existe una relación entre el esfuerzo y la deformación (módulo de elasticidad), enunciada por primera vez por el investigador inglés Robert Hooke en 1678 por lo cual lleva su nombre. La ley de Hooke establece que, dentro de ciertos límites, el esfuerzo en un material es directamente proporcional a la deformación que lo produce. σ = Eε Donde: σ = es el esfuerzo, en N2 en el Sistema Internacional y en lb2 en el Sistema Inglés. m in N E = es el módulo de elasticidad del material en 2 (SI) y en lb (sistema inglés). m in2 ε = es la deformación, es adimensional. 200 (8.3) Unidad 8 Al valor de E se le llama también módulo de Young, que asimismo es la constante de la relación entre tensión y deformación específica. Si despejamos a E de la ecuación 8.3 y sustituimos las ecuaciones 8.1 y 8.2, nos queda: F σ A Fl E = = E= l ∆ ε A ∆l l Por lo tanto, el módulo de elasticidad o módulo de Young está dado por: E = La deformación de la barra se calcula por medio de: ∆l = Fl AE (8.4) Fl A ∆l (8.5) En el cuadro anterior, en la ecuación se observa que el producto Fl es directamente proporcional a la deformación total ∆l . Cuando un cuerpo se somete a una tensión (F, fuerza axial) no sólo se producirá una deformación axial (L, alargamiento), sino también una deformación lateral (A, estrechamiento) que es inversamente proporcional a ∆l . Se puede observar en la ecuación 8.5 que bajo la misma carga pero con una longitud mayor de la barra (l) aumenta la deformación total de la barra. Cada material experimenta y tiene una constante de proporcionalidad E, como se muestra en la tabla 8.1. Tabla 8.1 Módulos de elasticidad Material Módulo de elasticidad, E (N/m2) Hierro colado 100 x 109 Acero 200 x 109 Latón 100 x 109 Aluminio 70 x 109 Concreto 20 x 109 Tabique 14 x 109 Mármol 50 x 109 Granito 45 x 109 Madera, pino (paralela al hilo) 10 x 109 Madera, pino (perpendicular al hilo) 10 x 109 Nylon 1 x 109 Hueso de extremidades 100 x 109 Tomada de Física, principios y aplicaciones, Douglas C. Giancoli, Editorial Prentice Hall, México, 1997, cuarta edición, p. 243. Para un mayor entendimiento de los límites de elasticidad y plasticidad es necesario conocer el diagrama esfuerzo-deformación, además de la correcta interpretación de los puntos esenciales de éste. Para el diseño de una maquinaria única, generalmente se utilizan materiales de resistencia mayores a las que se calculan, pero si se realiza una producción en serie de cientos de construcciones de maquinaria, es de suma importancia seleccionar el material adecuado, ya que reducirán enormemente los costos y aumentará la seguridad. 201 CinemátiCa y dinámiCa Otro ejemplo: cuando se va a utilizar un material para la construcción de edificios y miles de toneladas de estructura, se deben hacer las pruebas no destructivas y destructivas para verificar que cumplan con las condiciones de diseño. Para esto se hacen una serie de pruebas, entre ellas mencionaremos la prueba a la tensión, que consiste en probetas maquinadas y tomadas del mismo material para construcción: la probeta tiene una forma semejante a la mostrada en la figura 8.5. φ probeta de longitud “l” y diámetro φ l Figura 8.5 Esta probeta de longitud l y diámetro φ se somete a tensión en los extremos hasta fracturarse, generando la gráfica esfuerzo-deformación que se muestra y se describe en la figura 8.6, a continuación: r φ l U Su Sf Sy F A F Y E P Esfuerzo unitario σ= ∆l O A εY Deformación unitaria ε = εU ∆l l0 Figura 8.6 Curva esfuerzo-deformación. Diseño de ingeniería mecánica, Joseph E. Shigley. 202 εF Unidad 8 El análisis de la curva esfuerzo-deformación se muestra en la tabla 8.2 con relación a los puntos de esta curva. Punto Nombre y descripción P Límite de proporcionalidad (límite de elasticidad proporcional). La probeta experimenta elasticidad y su comportamiento es rectilíneo. E Límite de elasticidad (límite elástico verdadero). Si la carga se suprime en este punto no se presenta ninguna deformación permanente en la probeta. PyE Entre estos dos puntos la gráfica tiene la forma de recta imperfecta, aunque el material todavía es elástico y es hasta el límite elástico de proporcionalidad E que se cumple la ley de Hooke. Y Límite elástico aparente o punto de cedencia. En este punto la deformación comienza a crecer rápidamente sin que haya un incremento correspondiente a este esfuerzo (diámetro de la probeta r), y sin que se invada la zona de deformación plástica (longitud de la probeta). U Última resistencia (a la tensión). Es el valor máximo de esfuerzo que se alcanza en el diagrama esfuerzo deformación. F Fractura. Después de la última resistencia U algunos materiales muestran tendencia decreciente en el esfuerzo, después que han llegado al punto máximo y posteriormente se rompen o fracturan. A este comportamiento también se le llama fatiga y usualmente es la causa de un gran porcentaje de fallas en bielas y cigüeñales de máquinas, aspas de turbinas de gas o de vapor, así como de otras partes sometidas a cargas cíclicas. En todos estos casos, ocurrirá una fractura bajo un esfuerzo menor que el esfuerzo de cedencia del material. O-E Zona elástica. La región de la curva que va desde el origen hasta el límite de elasticidad. E-F Zona plástica. La región de la curva que va desde el límite de elasticidad hasta el punto de ruptura. Tabla 8.2 Límites de elasticidad y plasticidad. Como se mencionó anteriormente, es de gran importancia conocer el diagrama esfuerzo-deformación de materiales e identificar en qué parte de la curva se trabajará, ya sea en la zona elástica o en la zona plástica; cabe recalcar que no todos los materiales tienden a comportarse de la misma forma. Algunos tipos de hierros colados sufren fractura en el límite de elasticidad y no experimentan deformación plástica, es decir, a medida que aumenta la resistencia de los materiales disminuye la deformación específica y, por lo tanto, su ductilidad. Se dice entonces que el material va ganando en fragilidad. 203 CinemátiCa y dinámiCa Problemas resueltos 1. Una varilla de longitud igual a 120 in con un diámetro de 1/10 in soporta una carga de 200 lb como se observa en la figura 8.7. Encuentre la deformación longitudinal en la varilla y el cambio en su longitud si E =30x106 lb/in2. Área ∆l l F = 200lb Figura 8.7 Solución. El esfuerzo en cualquier lugar de la varilla es de 200 lb por unidad de área. El esfuerzo es, por lo tanto: σ= F F = 2 A πd 4 σ= 200lb lb = 25464.79 2 π (0.1)2 in 4 El esfuerzo y la deformación se relacionan por el módulo de elasticidad, en la ecuación 8.3. σ = Eε Despejando ε : Si l =120 in sustituyendo en ε = ε= σ 25464.79 = = 8.49 x 10–4 E 30 x 106 ∆l y despejando ∆l se tiene: l ∆l = εl = 8.49 x10–4 (120 in ) = 0.102in o ∆l = 2.59rr 204 Unidad 8 2. El poste está soportado por un pasador en C y por un alambre de acero AB como se observa en la figura 8.8. Si el alambre tiene un diámetro de 0.2 in, determinar cuánto se estira cuando una fuerza horizontal de 2.5 klb actúa en el poste E=29x103 klb/ft2. B 3ft 2.5 klb 30° 4 ft A C Figura 8.8 Realizando el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas sobre el poste, se tiene lo indicado en la figura 8.9: 3ft 2.5 klb 30° 4ft F C Cx Cy Figura 8.9 Se determina la magnitud de la fuerza F y la longitud inicial del cable, para después encontrar ∆l a ∆l . partir de la fórmula 8.2, dada por: ε = l Para encontrar la fuerza sobre el cable F se aplica sumatoria de momentos en C igual a cero, ya que el sistema se encuentra en equilibrio. ∑ Mc = –25 klb(4 ft ) + Fsen30°(2 ft ) = 0 →F = 25 klb(4 ft ) = 2.857klb sen30°(2 ft ) 20 CinemátiCa y dinámiCa Para el esfuerzo σ AB : σ AB = FAB 2.854 klb = = 90.94 2 A AB π (0.22 ) in 4 De la fórmula 8.4 σ = Eε despejamos a ε : ε ΑΒ klb 90.94 2 σ AB in = = = 0.003136 E 29 x10 3 klb in2 ∆l y despejando a ∆l queda: l in 7 fl 12 ft = ε ABl AB = (0.003136) = 0.304 in cos30° El estiramiento total se obtiene de la formula 8.3 ε = ∆l ΑΒ 3. En una probeta de ensayo de material cerámico se realiza la prueba de tensión y se arrojan los resultados en una tabla esfuerzo deformación, presentando que la curva es lineal entre el origen y el primer punto. Trazar la curva, determinar el módulo de elasticidad, e interpretar los principales puntos significativos. σ = ( MPa) e mm mm ( ) 0 0 400 229 0.0008 350 314 0.0012 300 341 0.0016 250 355 0.0020 200 368 0.0024 150 100 50 0.0008 0.0012 0.0016 0.0020 0.0024 Figura 8.10 206 Unidad 8 La zona sombreada pertenece al límite de proporcionalidad y es hasta este punto es donde se aplica la σ ley de Hooke E = . ε E= 229 x106 = 286 GPa 0.0008 De 229 MPa a 314 MPa entra en la etapa del límite elástico aparente o punto de cedencia. En esta zona el material presenta una recuperación no de 100%, ya que su estructura interna ha sufrido daños. A partir de 314 MPa el material se comporta plásticamente y se fractura en 368 MPa, ya no presenta r última resistencia a la tensión. Incrementando su deformación a 0.0008 en la zona elástica y siendo r r su máxima deformación de 0.0024 . r 8.5 Constante de recuperación En el tema anterior se analizó que un cuerpo se denomina elástico si al actuar una fuerza sobre él sufre una deformación, de tal manera que al cesar de actuar la fuerza recupera su forma original; y si la deformación supera un cierto punto de la curva esfuerzo-deformación (límite de elasticidad) el cuerpo queda permanentemente deformada, invadiendo la zona plástica. Estas características las presentan los resortes cumpliendo la ley de Hooke. Los resortes son cuerpos elásticos que como se mencionó en el tema anterior se deforman cuando se les aplica una fuerza su comportamiento puede estudiarse mediante la ley de Hooke que establece lo siguiente: La deformación que sufre un resorte al ser sometido a la acción de una fuerza es directamente proporcional a dicha fuerza, si no se ha superado el límite elástico el resorte vuelve a su estado original al cesar la acción de la fuerza. La expresión matemática de la ley de Hooke se puede expresar como: F = – K ∆l (8.6) Donde: F = fuerza elástica del resorte, en N (SI); en lbf (sistema inglés). K = Constante de recuperación, en N/m (SI); en lbf/in (sistema inglés). ∆l = Deformación del resorte, en m (SI); en in (sistema inglés). La anterior expresión matemática se puede explicar con las figuras 8.11 a 8.13. 207 CinemátiCa y dinámiCa l1 Figura 8.11. Posición inicial longitud l1 del resorte sin la acción fuerzas que lo deformen. El signo negativo en la ley de Hooke significa que la fuerza ejercida en el resorte siempre está en sentido opuesto al desplazamiento; cuando el desplazamiento ∆l es positivo (Figura 8.12), la fuerza del resorte es hacia la izquierda o negativa. Cuando ∆l es negativo (Figura 8.13), la fuerza del resorte es hacia la derecha o positiva. Desde luego que cuando ∆l es cero (figura 8.11), el resorte no se encuentra deformado. Puesto que la fuerza del resorte siempre actúa hacia la posición de equilibrio, algunas veces recibe el nombre de fuerza restauradora. l2 ∆l l1 F Figura 8.12 Incremento de longitud, ∆l positivo. 208 l2 ∆l l1 F Figura 8.13 Decremento de longitud, ∆l negativo. Unidad 8 Problemas propuestos 1. Una cinta métrica de acero de 30 m de longitud tiene una sección de 6mm por 0.8mm. Determinar el alargamiento cuando se estira toda la cinta y se mantiene tirante bajo una fuerza de 8 kg. Para el acero E = 2.1x106kg/cm2 . Respuesta: 0.28 cm. 2. Un cable recto de aluminio de 30 m de largo está sometido a una tensión de tracción de 900 kg/cm 2. Determinar el alargamiento total del cable. Respuesta: 3.86cm 3. Dos barras prismáticas están unidas rígidamente y soportan una carga de 8000 kg como se muestra en la figura 8.14. La barra superior es de acero con una densidad de 0.0078 kg/cm3, una longitud de 10 m y una sección de 60cm2. La inferior es de bronce con densidad de 0.008 kg/cm3, una longitud de 6 m y una sección de 50 cm2. Para el acero E = 2.1x106 kg/cm2 y para el bronce E = 9x105 kg/cm3. Determinar las tensiones máximas en cada material. Respuesta: σ B–B =164.8 kg/cm2 y σ A–A=145.13 kg/cm2 A A 10 m B B 6m C C 8000 kg Figura 8.14 4. Una barra de sección uniforme está sometida a atracción axial. La sección es de 6 cm2 y la longitud de 4 m si el alargamiento total es de 0.40 cm bajo una carga de 12,600kg. Hallar el módulo de elasticidad del material. Respuesta: 2.x106 kg/cm2 209 CinemátiCa y dinámiCa Glosario Cohesión: es una fuerza que representa la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. Compresión: es la fuerza que actúa sobre un material, suponiendo que esté compuesto de planos paralelos, lo que hace la fuerza es intentar aproximar estos planos, manteniendo su paralelismo. Ductilidad: es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. Dureza: es una propiedad que se define como la resistencia de un material a ser rayado. Elasticidad: es la habilidad de un material para recuperar sus dimensiones originales al retirar el esfuerzo aplicado. Esfuerzo: es la magnitud de la fuerza por unidad de área. Flexión: es el esfuerzo debido a un momento actuante sobre el eje transversal de una estructura. Fatiga: es la disminución de la resistencia mecánica de los materiales al someterlos a esfuerzos repetidos. Fragilidad: es lo opuesto de ductilidad. Cuando un material es frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en carga estática sin previo aviso. Fuerza interna: es la resistencia interior de un cuerpo a una fuerza externa. Límite de proporcionalidad: es el punto de la curva en la gráfica de esfuerzo-deformación, hasta donde la deformación unitaria es proporcional al esfuerzo aplicado. Maleabilidad: es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos al ser labrados por deformación; la maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que el material se rompa. Módulo de elasticidad: es la pendiente de la parte recta del diagrama de esfuerzo deformación, y por consiguiente, la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación unitaria. Plasticidad: es la capacidad de un material para deformarse bajo la acción de un esfuerzo y retener dicha acción de deformación al retirarlo. Punto de cedencia: es el punto en donde la deformación del material se produce sin incremento sensible en el esfuerzo. Resiliencia: es la cantidad de energía que puede absorber un material, antes de que comience la deformación irreversible, esto es, la deformación plástica. 210 Unidad 8 Resistencia a la ruptura: es el esfuerzo basado en la sección original que produce la fractura del material. Resistencia: la resistencia de un material es la propiedad que tienen para resistir la acción de las fuerzas. Resistencia última: es el esfuerzo máximo basado en la sección transversal original que puede resistir un material. Rigidez: la propiedad que tiene un material para resistir deformaciones. Tenacidad: es la resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado o desgarrado, siendo una medida de su cohesión. Tracción: es el esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo. 211