Propiedades físicas de los materiales sólidos
Formulando interrogantes
¿Como es que el techo de una casa resiste el peso de un tinaco lleno de agua? ¿Por que un puente soporta el peso de varios automóviles cuando transitan sobre el ? ¿Tendrán la misma resistencia una casa fabricada con varillas de acero y concreto, que una fabricada con madera u otra con lamina metálica?.
En contexto
Para estirar una liga de hule aplicas una pequeña fuerza sobre ella. si dejas de aplicar, la liga regresa a su forma y posición original. si es tiras una mas la liga, queda de un tamaño mayor ala longitud original. finalmente, si aplicas una fuerza aun mas grande, la liga se rompe.
¿Cuantas fuerza resiste una liga de hule antes deformarse? ¿y antes de romperse? ¿Cuantas ligas juntas podrían con la fuerza de tus brazos?
Se realizarán problemas relacionados con la
• Problema: Se tiene una barra de metal de 1.4m
• Ahora procedemos a hallar el área, la cual nos
Formulando interrogantes
¿Como es que el techo de una casa resiste el peso de un tinaco lleno de agua? ¿Por que un puente soporta el peso de varios automóviles cuando transitan sobre el ? ¿Tendrán la misma resistencia una casa fabricada con varillas de acero y concreto, que una fabricada con madera u otra con lamina metálica?.
En contexto
Para estirar una liga de hule aplicas una pequeña fuerza sobre ella. si dejas de aplicar, la liga regresa a su forma y posición original. si es tiras una mas la liga, queda de un tamaño mayor ala longitud original. finalmente, si aplicas una fuerza aun mas grande, la liga se rompe.
¿Cuantas fuerza resiste una liga de hule antes deformarse? ¿y antes de romperse? ¿Cuantas ligas juntas podrían con la fuerza de tus brazos?
Estados de agregación de la materia
Las partículas que forman las diferentes sustancias están agrupadas de manera tal que macroscopicamente se presentan en la naturaleza en estado tangibles y familiares sólidos, liquidos y gaseoso. Existen, sin embargo, otros estados. Un solido mantiene una formación y un volumen fijos; solo cuando se aplica una fuerza, cambia de forma . Un liquido no mantiene una forma fija, sino que adopta la del recipiente que lo contiene. Por otra parte, un gas no tiene forma ni volumen fijos; se exponen hasta ocupar la totalidad del contenedor en el que este confinado.
Al igual que los sólidos, los liquidos no pueden comprimirse sin perder su estructura o modificar su estado. los gases , en cambio, son fácilmente compresibles. El cuatro estado de la materia es el plasma. se produce al aumentar la temperatura de una sustancia muy por arriba de su punto de ebullición . En estas condiciones, las moléculas se rompen y los electrones escapan de la atracciones nuclear; estado da origen a un gas ionizado, mezcla de iones y electrones. El plasma solo se presenta de forma natural en las estrellas , como el sol.
Por medio de cambios en la energía de sus partículas, las materias puede cambiar de estado. El siguiente diagrama resumen los principales cambios de estado de la materia.
Comportamiento elástico
La elasticidad es la capacidad de un cuerpo solido para recuperar su forma cuando cesa la fuerza que lo deforma. esta característica es de gran utilidad en el estudio de los materiales empleados para fabricar elementos de construcción para edificios , puentes soportar temblores y otros fenómenos naturales. Observa la figura , donde en la longitud de la viga, b el ancho de la viga, h el espesor de la viga, f es la fuerza de deformación y & es la deformación.
Comportamiento inelàstico
Cuando un objeto se deforma al aplicar una fuerza, y al retirar la fuerza no vuelve a su forma inicial, se dice que presenta un comportamiento inelàstico, por lo que la deformación sera permanente. En la actualidad, los materiales que presentan este comportamiento resulta excelentes para fabricar la carrocero de los automóviles. En un percance vial, al momento del impacto , la carrocero se deforma y absorbe la mayor parte de la energía ; así, proteger la vida de las personas que se encuentran dentro del automóvil
Comportamiento plástico
El comportamiento plástico se define en términos del desplazamiento de las partículas de un objetivo sometido a una fuerza pequeña, lo cual provoca que el material sufra una de formación permanente e irreversible sin romperse. La diferencia con el comportamiento inelàstico es que requiere una fuerza pequeña para que el material se deforme
Dureza, ductilidad y maleabilidad
La dureza es una propiedad de los materiales que indica su resistencia a ser rayados, al corte, a ser penetrados y ala abrasión. En la industria existen formas y estándares para medir la dureza en los materiales. De acuerdo con las escala relativa de dureza de materiales, denominados escala de mohs, la cual se presenta el material con menos dureza es el diamante al que se le con valor designa de 10 y el material con menor dureza es el talco con valor 1.
La ductilidad es la capacidad de un material para formar hilos alambres tubos o ductos cuando se le estira. por ejemplo el cobre es un metal que ademas de ser dúctil es un buen conductor de electricidad por lo que se emplea en artículos electicos y circuitos electrónicos.
La maleabilidad es la capacidad de un material para formar laminas cuando se aplasta. el oro por ejemplo es un metal que puede malearse en laminas tan delgadas hasta un espesor de 5 x 10 ala potencia de -4 m.
Esfuerzo de tensión
La fuerza es una acción que puede modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo; por lo tanto, puede acelerar o modificar la velocidad, la dirección o el sentido del movimiento de un cuerpo dado. La tensión, por su parte, es el estado de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas opuestas que lo atraen. Se conoce como fuerza de tensión a la fuerza que, aplicada a un cuerpo elástico, tiende a producirla una tensión; este último concepto posee diversas definiciones, que dependen de la rama del conocimiento desde la cual se analice.
Las cuerdas, por ejemplo, permiten transmitir fuerzas de un cuerpo a otro. Cuando en los extremos de una cuerda se aplican dos fuerzas iguales y contrarias, la cuerda se pone tensa.
Esfuerzo de compresión
El esfuerzo de compresión es el que empuja las partículas de un material unas contra otras. Las fuerzas que lo generan son opuestas perpendiculares al área transversal y en dirección al interior del material. Los elementos estructurales sometidos a compresión son muy comunes por ejemplo en las construcciones . ya que todas las cargas deberán a final de cuentas trasferirse al suelo , los edificios transfieren su carga a lo cimientos. 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 o un acortamiento en determinada dirección. En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto flexión, como cizallamiento o torsión, todos estos esfuerzos conllevan la aparición de tensiones tanto de tracción como de compresión. Aunque en ingeniería se distingue entre el esfuerzo de compresión (axial) y las tensiones de compresión.
Esfuerzo de corte
El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Se designa variada mente como T, V o Q.
Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante. Para una pieza prismática se relaciona con la tensión cortante mediante la relación:
Para una viga recta para la que sea válida la teoría de Euler-Bernoulli se tiene la siguiente relación entre las componentes del esfuerzo co rtante y el momento flector:
Ley de Hooke y milite elástico
Cuando un objeto es sometido a fuerzas externas, sufre deformaciones. Aplicando un peso y estirando, al quitar ese peso y el cuerpo volver al tamaño original, se dice que éste es un cuerpo elástico.
La Ley de Elasticidad de Hooke o Ley de Hooke, formulada en un principio para casos de estiramiento longitudinal, y establece que el alargamiento unitario ε de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F.
Donde
δ: alargamiento longitudinal,
L: Longitud original,
E: módulo de Young o módulo de elasticidad,
A: sección transversal de la pieza estirada.
La Ley de Hooke se aplica a materiales elásticos hasta el límite denominado límite de elasticidad.
Los aceros usados para la obtención de piezas laminadas presentan, ante tensiones de extensión (o compresión) inferiores a un cierto valor σP, una proporcionalidad entre las tensiones (σ) y los alargamientos unitarios (ε).
a constante de proporcionalidad entre ambos parámetros es el Módulo de Elasticidad o también Módulo de Young, y suele representarse por la letra E. De manera algebraica, esta proporcionalidad se expresará como:
-
-
- σ = E•ε.
-
Esta expresión es la denominada Ley de Hooke, y sólo es aplicable a ciertos materiales (elásticos de Hooke) y dentro de los límites ya referidos.
Esta ley supone que si la tensión desaparece, la forma del objeto retorna exactamente a la original, o bien, si esta tensión se reduce a la mitad, la deformación (alargamiento o retracción) se reduce igualmente exactamente a la mitad. Es decir, en ella no se contempla ningún fenómeno de histéresis.
Modulo de young
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 Rungo 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.
Se realizarán problemas relacionados con la
presión como el que se presenta a continuación:
• Problema: Se tiene una barra de metal de 1.4m
de longitud, 5cms de diámetro y 500kg de masa.
Si la barra se reduce en 0.00003 metros,
encontrar el módulo de Young.
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