SOLICITACIONES MECÁNICAS
En la entrada de hoy nos meteremos dentro de la ciencia de materiales.¿Álguna vez te has preguntado como resisten los pilares de una gran iglesia? o ¿ porque los ejes de una rueda aguantan sin partir?, ¿cuanto aguanta?. La repuesta a estas preguntas viene dado por el estudio de los materiales.
A continuación veremos las 5 solicitaciones mecánicas (tracción, compresión, flexión, cizalladura y torsión) a las que se puede someter un material, así como sus ensayos que nos permitirán conocer sus diferentes parámetros y resistencias ante las diferentes solicitaciones.
A continuación veremos las 5 solicitaciones mecánicas (tracción, compresión, flexión, cizalladura y torsión) a las que se puede someter un material, así como sus ensayos que nos permitirán conocer sus diferentes parámetros y resistencias ante las diferentes solicitaciones.
TRACCIÓN
Los esfuerzos de tracción son aquellos que tienden a alargar un material longitudinalmente.
El ensayo de tracción consiste en aplicar progresivamente cargas de tracción a una probeta (muestra del material con geometría normalizada) colocada de forma longitudinal hasta que el material quiebre. Para ello se fija la probeta con unas mordazas y se le acopla un extensómetreo para medir los alargamientos, después se le aplican las cargas controladas hasta que la probeta fracture.
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| Máquina de ensayo a tracción |
Según los resultados obtenidos en el ensayo de tracción podemos clasificar los materiales en dúctiles o frágiles. Los materiales dúctiles son aquellos que resisten a altas tensiones de tracción (elevado módulo de Young), mientras que los frágiles (bajo módulo de Young), no.
Con un análisis fractográfico podemos analizar la superficie de ruptura para determinar el tipo de material que estamos tratando.
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| Fractura Dúctil Fractura Frágil |
En éstas imágenes podemos observar el cuello de estricción (la reducción de área en la zona de ruptura que se produce instantes antes de la misma) y las diferentes superficies que generan, en cuanto a su rugosidad, cada una tras el ensayo.
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| Curva tensión-deformación |
Ésta es la curva característica en un ensayo de tracción. La pendiente de la región elástica nos determinará el módulo de Young. Decimos que un material está en la región elástica cuando al ceder los esfuerzos recupera de forma instantánea su forma inicial, en cambio, un material se encuentra en región plástica cuando al ceder el esfuerzo no recupera la totalidad de su longitud inicial.
COMPRESIÓN
Los esfuerzos de compresión, al contrario que los de tracción, tienden a acortar longitudinalmente el material.
La máxima tensión de compresión que soporta un material sin romperse se denomina resistencia a la compresión. Dicho parámetro viene dado por el ensayo de compresión.
El ensayo de compresión sigue un proceso similar al de tracción. La fuerza viene ejercida por una prensa hidráulica. En estos ensayos es importante utilizar probetas normalizadas, generalmente cilíndricas, ya que juegan un papel fundamental.
Debido a la fuerte presión que ejerce la prensa al comprimir la probeta es normal que al acortar la longitud de la misma se expanda en sus laterales, abombándose. Dicho fenómeno se conoce como el efecto de abarrilamiento.
Los esfuerzos de compresión son muy estudiados por los ingenieros y arquitectos que diseñan edificios y estructuras ya que son muy importantes para determinar el peso que pueden aguantar las columnas.
FLEXIÓN
La flexión es la solicitación mecánica que se aplican esfuerzos perpendiculares al eje longitudinal de un cuerpo.
Para determinar la resistencia a flexión de un material recurriremos al ensayo de flexión o flexotracción. Este ensayo suele ser más común en materiales frágiles, como son los cerámicos y vidrios, aunque también se emplea en materiales metálicos.
Existen dos procedimientos: flexión en 3 puntos o flexión en 4 puntos.
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| Ensayo de flexión en 3 puntos |
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| Ensayo de flexión en 4 puntos |
Podemos apreciar en las imágenes como las cargas actúan en las probetas, produciéndose un esfuerzo de compresión en las caras superiores, y de tracción en las inferiores.
Al igual que en los esfuerzos de compresión, los de flexión son motivo de estudio a la hora determinar el peso que puedes sujetar una viga.
CIZALLADURA
Los esfuerzos de cizalladura, también conocidos como cortantes o tangenciales, son aquellos que se dan cuando las fuerzas son opuestas y en planos contiguos. Es el esfuerzo que por ejemplo realiza las tijeras sobre un papel cuando éstas lo cortan.
Mediremos la resistencia a cizalladura de un material a través del ensayo cortante. Para realizar
dicho ensayo colocaremos la probeta transversalmente y aplicaremos las cargas tal y como se observa en la siguiente figura.
En el siguiente vídeo se muestra el ensayo de cizalladura.
TORSIÓN
Se entiende como esfuerzo de torsión al par de fuerzas que se aplican sobre el eje longitudinal de un cuerpo.Los esfuerzos de torsión son muy fuertes en los cigüeñales del coche por ejemplo.
Su resistencia lo determina el ensayo de torsión. La probeta se coloca de forma transversal y gracias a un motor se le aplica el par de fuerzas en sus extremos.
Con el ensayo de torsión obtendremos el módulo de rigidez o de corte. Para determinar dicho valor debemos conocer el diámetro y el ángulo de torsión de la probeta.
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| Máquina de ensayo a torsión |
Al finalizar el ensayo veremos que el diámetro se ha reducido. Ésto explica por ejemplo cuando escurrimos una esponja aplicamos esfuerzos de tensión, reduciendo su sección y haciendo caer el agua sobrante.
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| Ejemplo de rotura por torsión |
Como conclusión, las solicitaciones mecánicas nos indican el tipo de esfuerzo a los que se ven sometidos los materiales. Los ensayos nos determinan el valor de la resistencia del material según la solicitación que le apliquemos a la probeta. Si bien he mencionado aplicaciones del ensayo de compresión y flexión, sin lugar a duda el más importante es el ensayo de tracción. En él se muestran más parámetros que en los demás y nos indician pistas sobre otros ensayos.
Un saludo, ¡nos vemos!
