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EJERCICIOS DE TORSIÓN

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UNIVERSIDAD
NACIONAL
DE JAÉN
CARRERA PROFESIONAL DE
INGEN IERIA CIVIL
RESOLUCIÓN DE EJERCICIOS “TORSIÓN”
Curso: Mecánica De Los Materiales.
Jaén-Perú
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SOLUCIÓN DE EJERCICIOS
1. El tubo mostrado en la figura tiene un diámetro interior de 80mm y un diámetro
exterior de 100mm. Si su extremo se aprieta contra el soporte en A mediante
una llave de torsión en B, determine el esfuerzo cortante desarrollado en el
material sobre las paredes interior y exterior, a lo largo de la posición central del
tubo, al momento de aplicar las fuerzas de 80 N sobre la llave.
SOLUCION:
Realizamos el diagrama de cuerpo libre
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Aplicamos el par de torsión interno
∑𝑀𝑦 =0
80𝑁(0.3𝑚) + 80𝑁(0.2𝑚) − 𝑇 = 0
𝑇 = 40𝑁. 𝑚
a) Propiedad de la sección
 El momento polar de inercia para la sección transversal del tubo es:
𝜋
𝐽 = (𝐶𝑜4 − 𝐶𝑖4 )
2
𝜋
𝐽 = [(0.05𝑚)4𝑜 − (0.04)4𝑖 )]
2
𝐽 = 5.796(10−6 )𝑚4
b) esfuerzo cortante
 Para cualquier punto que se encuentre sobre la superficie exterior del
tubo,
𝜌 = 𝑐𝑜 = 0.05𝑚
→ 𝒯𝑂 =
𝑇𝑐𝑜 40𝑁. 𝑚(0.05𝑚)
=
= 0.345𝑀𝑃𝑎
5.796(10−6 )𝑚4
𝐽
 Para cualquier punto situado a la superficie interior, 𝜌 = 𝑐𝑖 = 0.04𝑚.
entonces para el diámetro interior del tubo es
𝒯𝑖 =
𝑇𝑐𝑖 40𝑁. 𝑚(0.04𝑚)
=
= 0.276𝑀𝑃𝑎
5.796(10−6 )𝑚4
𝐽
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2. Un eje está hecho de una aleación de acero que tiene un esfuerzo cortante
permisible de 𝒯𝑝𝑒𝑟𝑚 = 12 𝑘𝑠𝑖. Si el diámetro del eje es de 1.5 pulg, determine
el par de torsión máximo T que se puede transmitir. ¿Cuál sería el par máximo
𝑇 ′ si se perforara un orificio de 1 pulg de diámetro a través del eje?
SOLUCION:
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝑇𝑐
𝑇(0.75)
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
⟶ 12 = 𝜋
4
𝑗
2 (0.75)
∴ 𝑇 = 7.95 𝑘𝑖𝑝. 𝑖𝑛
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝑇𝑐
𝑇 ′ (0.75)
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
⟶ 12 = 𝜋
𝑗
(0.754 − 0.54 )
2
∴ 𝑇 ′ = 6.38 𝑘𝑖𝑝 . 𝑖𝑛.
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3. El eje sólido de radio r está sometido a un par de torsión T. Determine el radio
r ′ del núcleo interno del eje que resiste la mitad del par de torsión aplicado
(T/2). Resuelva el problema de dos maneras: (a) utilizando la fórmula de la
torsión, (b) buscando la resultante de la distribución del esfuerzo cortante.
a) SOLUCION:
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
𝑇(𝑟)
2𝑇
𝑇𝑐
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 𝜋
⟶ ∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 =
𝑗
𝜋(𝑟)3
(𝑟)4
2
𝑇 ′
(𝑟 )
𝑇
𝑇𝑝
⟶ 𝒯 = 𝜋2
⟶∴ 𝒯 =
𝒯=
𝜋(𝑟 ′ )3
𝑗
(𝑟 ′ )4
2
 Por relación de triángulos:
𝒯 𝒯𝑚𝑎𝑥
𝑝
𝑟′
=
⟶ ∴ 𝒯 = 𝒯𝑚𝑎𝑥 ⟶ ∴ 𝒯 = 𝒯𝑚𝑎𝑥
𝑝
𝑟
𝑐
𝑐
⟶
𝑇
𝑟 ′ 2𝑇
=
⟶ ∴ 𝑟 ′ = 0.841 r
𝜋(𝑟 ′ )3 𝑟 𝜋(𝑟)3
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b) SOLUCION:
𝜌
El par de torsión interno 𝑑𝑇 = 𝜌(𝒯𝑑𝐴) , 𝑑𝐴 = 2𝜋𝜌𝑑𝜌 y 𝒯 = ( ) 𝒯𝑚𝑎𝑥
𝑐
𝑇
2
𝑇
2
𝑟′
∫ 𝑇 = 2𝜋 ∫ 𝒯𝜌2 𝑑𝑝
0
∫ 𝑇 = 2𝜋 ∫
0
𝑟′
0
𝑇
2
∫ 𝑇 = 2𝜋 ∫
0
𝑟′
0
4
0
𝜌
𝒯𝑚𝑎𝑥𝜌2 𝑑𝜌
𝑐
𝜌 2𝑇 2
𝜌 𝑑𝜌
𝑟 𝜋(𝑟)3
′
𝑇
4𝑇 𝑟 3
= 4 ∫ 𝜌 𝑑𝜌
2
𝑟 0
𝑟4 𝑟′
=
⟶ ∴ 𝑟 ′ = 0.841 r
4
8
4. El tubo se somete a un par de torsión de 750 N m. Determine qué porción de este
par es resistido por la sección con sombreado más claro. Resuelva el problema
de dos maneras: (a) mediante la fórmula de la torsión, (b) buscando la
resultante de la distribución del esfuerzo cortante.
SOLUCION:
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝑇𝑐
750(0.1)
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 𝜋
𝑗
((0.1)4 − (0.025)4 )
2
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 0.4793 𝑀𝑝𝑎
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𝑇 ′ (0.1)
𝒯𝑚𝑎𝑥 = 0.4793 𝑀𝑝𝑎 = 0.4793(106 ) 𝑝𝑎 = 𝜋
((0.1)4 − (0.075)4 )
2
∴ 𝑇 ′ = 514,6 𝑁𝑚
𝜌
 El par de torsión: 𝑑𝑇 = 𝜌(𝒯𝑑𝐴) , 𝑑𝐴 = 2𝜋𝜌𝑑𝜌 y 𝒯 = ( ) 𝒯𝑚𝑎𝑥
𝑇′
∫ 𝑇 = 2𝜋 ∫
0
𝑇 ′ = 2𝜋 ∫
0.1
0.1
0.1
𝑐
𝒯𝜌2 𝑑𝑝
0.075
𝒯𝜌2 𝑑𝑝
0.075
𝜌
𝒯𝑚𝑎𝑥𝜌2 𝑑𝜌
𝑐
0.075
0.1
2𝜋𝒯𝑚𝑎𝑥
∫ 𝜌3 𝑑𝜌
𝑇′ =
𝑐
0.075
4
((0.1)
2𝜋𝒯𝑚𝑎𝑥
− (0.075)4 )
𝑇′ =
𝑐
4
𝑇 ′ = 2𝜋 ∫
2𝜋(0.4793(106 )) ((0.1)4 − (0.075)4 )
𝑇 =
4
0.1
∴ 𝑇 ′ = 514,6 𝑁𝑚
′
5. El tubo de cobre tiene un diámetro exterior de 40 mm y un diámetro interior de
37 mm. Si se asegura fuertemente a la pared en A y se le aplican tres pares de
torsión como se muestra en la figura, determine el esfuerzo cortante máximo
absoluto desarrollado en el tubo.
 De la figura sumatoria de momentos igual a 0:
80𝑁𝑚 − 20𝑁𝑚 + 30𝑁𝑚 − 𝑇 = 0
∴ 𝑇 = 90𝑁𝑚
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 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
90(0.020)
𝑇. 𝑐
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 𝜋
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
𝑗
((0.020)4 − (0.0185)4 )
2
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 26,733 𝑀𝑝𝑎
6. El eje sólido tiene un diámetro de 0.75 pulg. Si se somete a los pares de torsión
mostrados en la figura, determine el esfuerzo cortante máximo desarrollado en
las regiones BC y DE del eje. Los cojinetes en A y F permiten que el eje gire
libremente.
1𝑝𝑖𝑒 = 12 𝑝𝑢𝑙
 De la figura corte en BC, encontramos el par de torsión BC:
∴ 𝑇𝐵𝐶 = 35 𝑙𝑏. 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 35(12)𝑙𝑏. 𝑝𝑢𝑙
𝒯𝑚𝑎𝑥𝐵𝐶 =
𝑇𝐵𝐶𝑐
35(12)(0.375)
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥𝐵𝐶 = 𝜋
𝑗
(0.375)4
2
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥𝐵𝐶 = 5070𝑃𝑆𝐼
 De la figura corte en DE, encontramos el par de torsión DE:
∴ 𝑇DE = 25 𝑙𝑏. 𝑝𝑖𝑒𝑠 = 25(12)𝑙𝑏. 𝑝𝑢𝑙
𝒯𝑚𝑎𝑥DE =
𝑇DE𝑐
25(12)(0.375)
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥DE = 𝜋
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥DE = 3621𝑃𝑆𝐼
𝑗
(0.375)4
2
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7. El eje sólido de 30 mm de diámetro se utiliza para transmitir los pares de torsión
aplicados a los engranes. Determine el esfuerzo cortante máximo absoluto en el
eje.
 A partir del diagrama de par se deduce que:
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 400 𝑁𝑚
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝑇𝑐
400(0.015)
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 𝜋
𝑗
(0.015)4
2
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 75451232 𝑃𝑎 ≅ 75,45 𝑀𝑃𝑎
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8. El eje consiste en tres tubos concéntricos, cada uno hecho del mismo material y
con los radios interior y exterior mostrados en la figura. Si se aplica un par de
torsión T = 800 Nm sobre el disco rígido fijo en su extremo, determine el
esfuerzo cortante máximo en el eje.
 Formula del momento polar de inercia del área de la sección
transversal:
∴ 𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =
∴𝐽=
𝜋 4
𝐶
2
𝜋
𝜋
𝜋
((0.025)4 −(0.020)4 ) + ((0.030)4 −(0.026)4 ) + ((0.038)4 −(0.032)4 )
2
2
2
∴ 𝐽𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2,545(10−6 ) 𝑚4
 Aplicando la fórmula del esfuerzo cortante máximo en el eje:
𝑇𝑐
800(0.038)
𝒯𝑚𝑎𝑥 =
⟶ 𝒯𝑚𝑎𝑥 =
2,545(10−6 )
𝑗
∴ 𝒯𝑚𝑎𝑥 = 11,9 𝑀𝑃𝑎
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