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Un resumen sobre introducción al estrés y la tensión del musculo ...

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Introducción al estrés y la tensión El estrés y la tensión son conceptos fundamentales. que se usan para describir cómo responde un cuerpo a cargas externas. Estos conceptos se pueden estudiar usando el ejemplo simple de una barra cargada. Aquí tenemos una barra de metal sólido que se carga por dos fuerzas iguales pero opuestas.

Nos referimos a esto como carga uniaxial, porque todas las cargas aplicadas están actuando a lo largo del mismo eje. Las dos fuerzas están tirando de la barra, causando estiramiento. Se desarrollarán fuerzas internas dentro de la barra. para resistir estas fuerzas aplicadas. Podemos exponer estas fuerzas internas haciendo un corte imaginario a través de la barra. En realidad, las fuerzas internas se distribuyen. sobre toda la superficie de la sección transversal. El estrés es una cantidad que describe la distribución de fuerzas internas dentro de un cuerpo. Hace que sea más fácil hablar sobre el estado interno que se desarrolla dentro de un cuerpo a medida que responde a cargas aplica ternamente. El estrés es una medida de la fuerza interna. por uni área, y también tiene unidades de Newton por metro cuadrado e des SI y libras por pulgada cuadrada en unidades estadounidenses.

Los Newtons por metro cuadrado también se llaman Pascales. En el caso de nuestra barra cargada axialmente, las fuerzas internas actúan perpendicularmente a La dirección del corte que hicimos.

Este tipo de estrés se llama estrés normal. Podemos calcular el estrés normal en nuestra barra como la fuerza aplicada F dividida por el área transversal A de la barra. Se denota por la letra griega sigma. Una razón para poder calcular tensiones es importante porque nos permite predecir cuándo un objeto fallará.

Digamos que nuestra barra está hecha de acero dulce, que tiene una fuerza de 250 MPa. La barra fallará cuando el estrés dentro de ella excede la fuerza del material. Si nuestra barra tiene un diámetro de 20 mm, por ejemplo, podemos calcular que lo hará fallar si la fuerza aplicada es mayor que 79 kN. La tensión normal puede ser de tracción o compresión. Si las fuerzas intentaran acortar la barra, tendríamos un estrés de compresión. La convención de signos que se usa normalmente es que los esfuerzos de tensión son valores positivos y las tensiones de compresión son valores negativos. La distribución de tensiones en una viga que es doblar, por ejemplo, será más complejo. Las tensiones serán tensiles en un lado de la sección transversal, pero compresiva por el otro. La cepa es una cantidad que describe Las deformaciones que ocurren dentro de un cuerpo. Si arreglamos nuestra barra en un extremo y aplicamos una fuerza al otro extremo, la fuerza causará la barra para deformarse. La tensión normal dentro de nuestra barra asociada con esta deformación se puede calcular como el cambio en la longitud de la barra Delta-L dividido por la longitud original L. La cepa es una cantidad no dimensional, y a menudo se expresa como un porcentaje. Las deformaciones normales pueden ser de tracción o compresión. Mencioné anteriormente que los conceptos de estrés y la tensión están estrechamente vinculados. La relación entre los dos se

puede describir usando un diagrama de tensión-deformación. Los diagramas de tensión-deformación son diferentes para diferentes materiales. Esto implica aplicar una fuerza conocida a una pieza de prueba, y medir el estrés y la tensión en la pieza de prueba ya que la fuerza aplicada es aumentada. Las deformaciones que ocurren en esta región son totalmente invertidas cuando se quita la carga, y así se dice que son elásticos. Esta relación lineal entre estrés y la tensión se define por la ley de Hooke.

La relación entre el estrés y la tensión se llama El módulo de Young, que es una propiedad material Para cepas más grandes, la relación entre el estrés y la tensión ya no es lineal. Las deformaciones no se invierten cuando la carga es removida, Y tenemos deformación plástica permanente. El otro tipo de tensión es la tensión de corte. Si nuestra barra no está cargada a lo largo de su eje, pero en cambio perpendicular a su eje, así, las fuerzas internas que se desarrollan dentro de ella están orientados paralelos a la sección transversal de la barra. Estas fuerzas internas se llaman fuerzas de corte. La carga de corte es común en los pernos. Esto es en realidad un esfuerzo cortante promedio, ya que las fuerzas internas no serán distribuidas uniformemente a través de la sección transversal. Tenemos un esfuerzo cortante en una cara del elemento. Pero el elemento necesita estar en equilibrio, así que también debemos tener un esfuerzo cortante en el lado opuesto cara, en la dirección opuesta. Y para mantener el equilibrio rotacional también debe tener dos esfuerzos de corte adicionales. Los esfuerzos cortantes causan un objeto rectangular al deformarse así. La deformación por cizallamiento se define como el cambio en el ángulo. La ley de Hooke

también se aplica a los esfuerzos cortantes. y deformaciones por corte, pero la relación entre ellas es el módulo de corte G en lugar de Young módulo. Las magnitudes de los componentes normales y de corte. dependerá del ángulo en el que estemos utilizando para observar las tensiones. El elemento de estrés se usa comúnmente para representar las tensiones actúan en un solo punto dentro un cuerpo. Este es el elemento de estrés que muestra lo normal y tensiones de corte que actúan en un solo punto para un caso bidimensional.

Comprensión de la resistencia, ductilidad y tenacidad de los materiales

La resistencia es una medida de la tensión que puede soportar un material. Normalmente se utilizan dos valores diferentes para definir la resistencia de un material: la resistencia máxima y el límite elástico. La resistencia máxima a la tracción del material se define como la tensión máxima que se alcanza durante el ensayo de tracción, correspondiente a este punto de la curva tensión-deformación. Es la tensión máxima que puede soportar el material durante una prueba de tracción. El límite elástico se define como la tensión a la que un material comienza a deformarse plásticamente. Muchas estructuras y componentes están diseñados para garantizar que solo se deformen elásticamente. Esto hace que el límite elástico sea un criterio comúnmente utilizado para definir fallas en los códigos de diseño de ingeniería. Es posible que ocurra una falla a niveles de tensión muy por debajo del límite elástico si la carga aplicada varía con el tiempo. Este modo de falla se llama fatiga. Para algunos materiales, la transición de la deformación elástica a la plástica no está claramente definida. En estos casos, el límite elástico se puede definir utilizando el método de compensación del 0,2 Para materiales dúctiles como el acero dulce, las resistencias de fluencia y rotura son muy similares en las direcciones de tracción y compresión. Las pruebas de tracción suelen ser más fáciles de realizar que las pruebas de compresión, por lo que a menudo no se realizan pruebas de compresión para estos materiales. Las resistencias a la tracción se muestran para materiales dúctiles y las resistencias a la compresión máxima se muestran para materiales frágiles. Los materiales que sufren grandes deformaciones plásticas antes de romperse se denominan materiales dúctiles. Estos materiales se fracturan con deformaciones muy grandes. El acero dulce y el oro son ejemplos de materiales muy dúctiles. Se dice que los materiales que se fracturan con deformaciones muy bajas con poca o ninguna deformación plástica son frágiles. El vidrio y la cerámica como la porcelana son ejemplos de materiales frágiles.

Debido a que no se deforman plásticamente, el concepto de límite elástico es irrelevante para los materiales frágiles. Normalmente, un material que tiene una deformación a la fractura de menos del 5% se considera quebradizo. Hay dos factores en juego. El primer factor es que las cargas de tracción tienden a fomentar la formación y propagación de grietas, mientras que las cargas de compresión no lo hacen, como se ilustra aquí. El segundo factor es que en los materiales frágiles ocurre muy poca o ninguna deformación plástica para redistribuir las tensiones en los defectos existentes. Esto significa que se acumulan grandes concentraciones de tensión en la punta de la grieta, lo que da como resultado la fractura en los materiales dúctiles y se produce una deformación plástica que alivia estas tensiones localizadas. La ductilidad puede depender de la temperatura. Muchos tipos diferentes de acero, por ejemplo, son dúctiles a temperatura ambiente, pero se vuelven frágiles cuando la temperatura desciende por debajo de la temperatura de transición de dúctil a frágil. Si el área bajo la curva de tensión-deformación es grande, el material tendrá una alta tenacidad y, por lo tanto, podrá absorber una gran cantidad de energía antes de fracturarse. Para que un material tenga una alta tenacidad, debe tener un buen equilibrio entre ductilidad y resistencia. Los materiales de baja resistencia y los materiales quebradizos tienden a tener baja tenacidad. Una propiedad relacionada es la resiliencia, que es la capacidad de un material para absorber energía cuando se deforma elásticamente. En resumen, el límite elástico de un material define la tensión a la que comienza a deformarse plásticamente. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse plásticamente. La tenacidad es una medida de la capacidad de un material para absorber energía hasta la fractura, y la resiliencia es una medida de la capacidad de un material para absorber energía mientras se deforma elásticamente.

Alcanzando el punto de ruptura: materiales, tensiones y resistencia

Hace dos millones y medio de años, los primeros humanos utilizaban los materiales que los rodeaban, principalmente piedra y madera, para construir

herramientas como martillos y hachas. En estos días, hemos desarrollado materiales totalmente nuevos. Hoy en día, la mayoría de los materiales con los que trabajan los ingenieros se pueden clasificar en tres grupos. Metales y sus aleaciones; cerámica y vidrio; y polímeros. Más específicamente, sea lo que sea que estemos usando, es vital conocer las propiedades mecánicas del material. Las propiedades mecánicas se relacionan con cómo cambia la forma de un material cuando se le aplica una fuerza. Para entender mejor esto, es útil tener un ejemplo concreto en mente. Pero en realidad no vamos a utilizar hormigón. En su lugar, consideraremos una viga de acero, como las que se utilizan ampliamente en la ingeniería civil y la construcción. Por supuesto, podríamos fabricar vigas con todo tipo de materiales, y las vigas resultantes tendrían propiedades diferentes. Pero no importa de qué los esté haciendo, hay una cosa importante que debe saber: ningún material es perfectamente rígido. Siempre que aplique una fuerza lo suficientemente grande, una viga se deformará y cambiará de forma, aunque solo sea internamente. Algunas cosas con las que te encuentras en la vida cotidiana pueden parecer totalmente rígidas porque el cambio de forma es muy pequeño. Pero cuando eso deja de ser el caso, puede tener consecuencias dramáticas. Algo que todos los ingenieros pretenden evitar es el fracaso. Cuando se trata de materiales, la palabra "falla" describe el punto en el que un material se rompe. Si está utilizando una viga para construir un edificio, esas propiedades son cruciales para mantener la estructura erguida. Aquí es donde entra el estrés. Hablamos de lo que significa el estrés en un contexto de ingeniería cuando analizamos los fluidos: es la fuerza aplicada sobre un área particular del material. Podemos aplicar este tipo de tensión a nuestra viga de tres formas distintas: Hay tensión de compresión, que empuja los extremos de un material. Luego está la tensión de tracción, que la estira y potencialmente la alarga. Y finalmente, está el esfuerzo cortante, donde empuja un material hacia los lados en direcciones opuestas. Para medir los efectos de esta tensión en nuestra viga, observamos su tensión. La deformación es cuánto cambia la longitud de la viga en una dirección particular. Cuando hablábamos de las tensiones en los líquidos, el nivel de deformidad estaba relacionado con la viscosidad del líquido: la facilidad con la que fluía en respuesta a la presión. Mientras tanto, la deformación es una relación de dos longitudes, por lo que es una cantidad adimensional, no tiene unidades. Poniendo todo eso junto, el módulo de elasticidad tiene unidades de gigapascales. El caucho tiene un módulo de elasticidad de solo 0.01 gigapascales, mientras que el concreto tiene un módulo de 30. Eso significa que, para una determinada cantidad de tensión aplicada a cada material, el caucho tendrá un cambio proporcional en longitud 3000 veces mayor que el del concreto.

Si aplicamos suficiente tensión de tracción, el material se rompe por completo y sufre una falla. La curva tensión-deformación le informa sobre otra propiedad importante para evitar fallas y determinar la idoneidad de un material: su tenacidad. La dureza de un material es la cantidad de energía que puede absorber antes de que falle Un material puede ser muy resistente, con un módulo de elasticidad muy alto, pero romperse después de una pequeña tensión. Por otro lado, un material puede ser capaz de deformar una gran distancia sin romperse, pero tiene un módulo de elasticidad muy bajo, como Play-Doh. La dureza es un equilibrio entre los dos. Y si bien un material resistente puede ser útil para hacer los cimientos de un edificio, en otras aplicaciones podría ser algo que desee evitar. Por ejemplo, al agregar carbono a la viga de acero, puede darle un mayor límite elástico. Apenas se deforma con un solo impacto, pero eso también lo hace más frágil. Mientras tanto, el acero con bajo contenido de carbono tiene un módulo de elasticidad bajo, se deformará mucho más rápidamente porque tiene un límite de fluencia bajo, pero eso lo hace más dúctil, por lo que es más útil para dar forma y soldar. Si bien no todas las pruebas de materiales son tan divertidas de realizar, hay muchas propiedades mecánicas diferentes a considerar en los materiales que podrían hacerlos totalmente excelentes para el trabajo en cuestión o simplemente completamente inútiles. Por ejemplo, está la dureza, que es cuánto se deforma el material en una ubicación en particular, es decir, qué tan fácilmente puede abollarlo. Medir la dureza es bastante simple: utiliza un dispositivo llamado penetrador para aplicar una carga localizada a su material y ver cuánto se abolla. Otra propiedad mecánica que puede ser buena o mala, dependiendo de la situación, es la resistencia a la fluencia. Que afortunadamente no tiene nada que ver con el monstruo de Minecraft. La resistencia a la fluencia es cuánto resiste un material a deformarse o, para usar el término de ingeniería, resiste la fluencia bajo estrés a largo plazo o temperaturas extremas. En algunos casos, una fluencia baja es algo bueno. En las palas de una hélice, demasiada fluencia podría alargar las palas y hacer que golpeen la carcasa, dañándolas. Pero en una estructura de hormigón, una cierta cantidad de fluencia puede ser útil, ya que evita que el hormigón se agriete por completo. También existe la resistencia a la fatiga, que mide cuántas veces un material puede soportar una cierta cantidad de tensión antes de fallar. A veces, incluso la aplicación de pequeñas cargas de tensión muy por debajo del límite elástico todavía deja pequeños impactos, como grietas microscópicas en el material. Si esa pequeña cantidad de tensión se aplica repetidamente, las grietas pueden profundizarse y extenderse en el material hasta que eventualmente causen una fractura. Como era de esperar, un material puede ser capaz de soportar una gran cantidad de pequeñas tensiones que se le aplican a lo largo del tiempo antes de que se fracture. Pero es posible que solo sobreviva al fracaso bajo unas

pocas tensiones importantes. La resistencia a la fatiga es la tensión más alta posible que un material puede soportar un número determinado de veces antes de sufrir una falla. Por supuesto, la dureza, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la fatiga son solo algunas de las propiedades mecánicas de un material. También es posible que debamos considerar cómo reacciona la superficie de nuestro material elegido con su entorno, cuánto cuesta producir y obtener, e incluso cómo se ve. Y si bien todos estos son importantes, no sirve de mucho considerar esas otras propiedades hasta que esté seguro de que el material está mecánicamente a la altura de la tarea de manejar las tensiones y tensiones que el mundo va a generar. Y conocer las fortalezas de los materiales que utiliza aumentará sus fortalezas como ingeniero....