DEFORMACION ELASTICA


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 Cuando un material es sometido a una fuerza (carga, esfuerzo o tensión) se produce en él una deformación. Si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas (iniciales), diremos que ha experimentado una deformación elástica. El material solo ha sufrido un cambio de dimensiones temporales. La deformación es reversible y no permanente.

 La deformación elástica se produce cuando los átomos del material son desplazados de sus posiciones originales mientras dura la deformación (cuando se somete a la fuerza), pero no hasta el extremo de tomar nuevas posiciones de forma permanente, de tal manera, que cuando dejamos de aplicar la fuerza de deformación, vuelven a sus posiciones originales. Este tipo de deformación implica el estiramiento o flexión de los enlace.

deformacion elastica

 Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar sus dimensiones originales, diremos que ha sufrido una deformación plástica. Los cambios son irreversibles.

 Desde un punto de vista molecular, la distancia entre las moléculas de un material no sometido a ninguna fuerza depende de un equilibrio entre las fuerzas moleculares de atracción y repulsión. Cuando se aplica una fuerza externa que crea una tensión en el interior del material, las distancias moleculares cambian y el material se deforma.

 Un ejemplo, cuando te sientas en una silla, todos los átomos de la pata de la silla se acercan en proporción al peso de tu cuerpo. Si ahora te levantas y vuelven a donde estaban sus ubicaciones iniciales (equilibrio), esa deformación sufrida sería elástica.

 Los materiales, en función de su deformación cuando se les aplica una fuerza, pueden ser:

 - Rígidos: No se deforman por la acción de una fuerza. Por ejemplo un bolígrafo.

 - Elásticos: Se deforma por la acción de una fuerza pero recupera su forma inicial. Por ejemplo una goma del pelo.

 - Plásticos: Se deforma por la acción de una fuerza pero no recupera su forma inicial. Por ejemplo la plastilina.

 La deformación elástica, ya sea a la compresión o tracción, o cizallamiento es simplemente el estiramiento o acortamiento de los enlaces de los átomos que componen un material.

 Casi todos los materiales pueden sufrir una pequeña deformación elástica, pero hay un punto a partir del cual ya no hay retorno a sus dimensiones iniciales, ese punto se llama su límite elástico o de elasticidad. Lógicamente los materiales diferentes tienen diferentes límites elásticos. Ha mayor límite elástico más elástico se dice que es el material. Se llama límite de plasticidad cuando el material u objeto acaba rompiendo debido a la fuerza que se le aplica.

 La deformación plástica se produce cuando la carga o peso es mayor que el límite elástico y algunos átomos se mueven a una nueva ubicación y nunca vuelven a su posición inicial. El objeto ha cambiado ahora de forma y dimensiones.

 Para mejorar la deformación elástica se puede añadir a ciertos materiales otros componentes que provocan un aumento de su limite elástico.

  La energía potencial elástica es la energía potencial almacenada como resultado de la deformación de un objeto elástico, por ejemplo el estiramiento de un resorte. En la deformación elástica el sólido aumenta su energía interna en forma de energía potencial elástica, que se libera posteriormente para recuperar su estado original.

 La Elasticidad estudia la relación entre las fuerzas y las deformaciones, sobre todo en los cuerpos elásticos. Hay una ley muy importante y estudiada en elasticidad, la llamada ley de Hooke.

 Ley de Hooke

 De forma general esta ley dice: “Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las
fuerzas que lo producen”.

 Fuerza / Deformación = Constante = K.

 Cuando estiramos (o comprimimos) un muelle, la fuerza recuperadora es directamente proporcional a la deformación x (al cambio de longitud x respecto de la posición de equilibrio) y de signo contraria a ésta. F = - k x, Siendo k una constante de proporcionalidad, denominada constante elástica del muelle. El signo menos en la ecuación anterior se debe a que la fuerza recuperadora es opuesta a la deformación.

ley de hooke

 Determinación del Límite Elástico

 Cuando un ingeniero o arquitecto se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debe tener presente el diagrama de fuerzas que actúan sobre esa pieza o elemento, para que no se sobredimensiones demasiado o la haga trabajar en zonas de deformaciones plásticas. Para esto suele utilizan curvas sacadas de ensayos sobre el material, por ejemplo como la que ves a continuación en un ensayo de tracción y se llama gráfica de esfuerzo-deformación.

diagrama de traccion

 Con esta gráfica podemos obtener, por ejemplo el límite elástico del material. Debido a que en los gráficos por ensayo la recta del límite elástico es difícil de determinar, a veces es una franja y no un punto concreto, es muy usual en el estudio de las propiedades de los materiales considerar el límite elástico como la tensión a la cual el material tiene una deformación plástica del 0.2%. De hecho no hay una fórmula para el límite elástico.

 Un punto muy importante es el llamado Tensión máxima de trabajo, que es el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de una estructura. Se representa por (σt). Hasta que la tensión no alcanza (σt) podemos asegurar:

 a) Que el elemento no padecerá deformaciones plásticas.
 b) Que cumplirá la ley de Hooke (luego la veremos).
 c) Que ofrecerá un margen de seguridad ante la posibilidad de que aparezcan fuerzas imprevistas.

 Para saber más sobre este ensayo te recomendamos que veas: Ensayo de Tracción.

 Para calcular la elasticidad y deformación elástica de un material en ingeniería se realizan ensayos sobre los materiales como el anterior.

 Otra propiedad importante relacionada con la elasticidad de los materiales es la resiliencia. La resiliencia es la propiedad de un material que permite que recupere su forma o posición original después de ser sometido a una fuerza de doblado, estiramiento o compresión. Para calcularla se hacen ensayos y curvas. Si quieres saber más sobre esta propiedad visita el siguiente enlace: Resiliencia Materiales.

 Para determinar la resistencia a la tracción, compresión y otros esfuerzos mecánicos en los materiales, también se utiliza el llamado modulo de Young o módulo de elasticidad.

 ¿Qué es un módulo?  Un módulo es un valor numérico, que representa una propiedad física de un material.

 ¿Qué es el módulo de Young?  Es el módulo de elasticidad. Esto significa que es un número que representa lo fácil que es o no, deformar un material (estirar un material). Matemáticamente es la relación entre la tensión y la deformación en la zona de comportamiento proporcional (zona de la recta de la curva anterior). Es una constante porque solo se calcula en la pendiente de la recta de la curva del ensayo del material.

 Aquí puedes ver su cálculo:

modulo de elasticidad

 Materiales Elásticos

 Hay materiales que se notan que son elásticos fácilmente, como una cuerda de una guitarra o la hoja de un cuchillo, en otros sin embargo, su elasticidad se manifiesta poco, como en el vidrio o en la porcelana.

 Los materiales con un alto limite elástico se consideran materiales elásticos, mientras que los que lo poseen un valor menor se les conoce como materiales plásticos o frágiles.

 Se consideran por ejemplo materiales elásticos los siguientes: el Poliestireno, la Fibra de Vidrio, el PVC, el grafeno, el nylon, el Aluminio, el Cobre, el Acero y el Estaño entre otros muchos.

 Lógicamente estos últimos materiales llega un momento que dejan de comportarse como elástico y se vuelven plástico.

 Los polímeros sintéticos (plásticos), madera, y el tejido humano, así como los metales a alta temperatura, muestran efectos viscoelásticos significativos.

 Materiales Viscoelásticos

 Cuando un material elástico que contiene fluido se deforma el retorno del material a su forma original se retrasa en el tiempo y es más lento para restaurar a su posición original.

 Materiales viscoelásticos exhiben tanto amortiguamiento viscoso y una respuesta elástica durante la deformación.

 Un ejemplo sencillo de amortiguamiento viscoso puede ser visto cuando dejando caer una pelota de baloncesto y la observación de las alturas de rebotes sucesivos de la pelota. Cada vez que la pelota impacta con el suelo absorbe parte de la energía que se traduce en una disminución progresiva de la altura de rebote.

 Otro ejemplo es el de los famoso colchones viscoelásticos, deja la huella de nuestro cuerpo pero la recupera, no deforma instantánea, sino con el paso del tiempo. Es como si tuvieran memoria.

materiales viscoelasticos

 Por último os dejamos un video que explica muy bien, con ejercicios resueltos, el cálculo del límite elástico y el módulo de Young o también llamado el módulo de elasticidad.





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