Elastic i Dad

Física 1

Semana 4 Sesión 2

Elasticidad. Esfuerzo y deformación. Módulos de

elasticidadEsfuerzo de tensión. Deformación por

tensión y Módulo de elasticidad.

17/04/23 2Yuri Milachay

Alargamiento (l)

Fuerza (N)

La elasticidad• En física e ingeniería, el término

elasticidad designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

• En muchos materiales, entre ellos los metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. Esta relación se conoce como ley de Hooke. No obstante, si la fuerza externa supera un determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de Hooke ya no es válida.

• El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad.

Límite de elasticidad


Esfuerzo

Módulo de elasticidadDeformacion

Esfuerzo, tensión y módulos de elasticidad

• Esfuerzo: es la magnitud de la fuerza por unidad de área que causa la deformación de los cuerpos

• Deformación: Es el cambio que sufre el cuerpo por acción del esfuerzo

• Si el esfuerzo y la deformación son pequeños, entonces serán directamente proporcionales y la constante de proporcionalidad recibe el nombre de Módulo de elasticidad

http://www.youtube.com/watch?v=U3BFLXHQtXs


• La fuerza neta que actúa sobre el sólido es cero, pero el objeto se deforma.

• Se define el esfuerzo como el cociente de la fuerza perpendicular al área y el área

• Unidades en el SI:– 1 pascal = 1Pa = 1 N/m2

• Unidades en el Sistema Británico:– Lb/pulg2 = 1 psi

• Conversiones– 1 psi = 6 895 Pa

FEsfuerzo de tensión

A

T

FE

A

Esfuerzo de tensión


• Debido a la acción de la fuerza el sólido sufre una deformación l-l0

• Definimos la deformación por tensión

• La deformación por tensión es el estiramiento por unidad de longitud y es una cantidad adimensional.

• Experimentalmente se comprueba que si el esfuerzo de tensión es pequeño, entonces el esfuerzo y la deformación son proporcionales, y la constante de proporcionalidad se denomina Módulo de Young

0

0

l - lDeformacion por tensión

l

0T

0 0

l - l lD

l l

Esfuerzo de tensión

T 0

T 0

E F / A F lY

D l / l A l


Valores del módulo Young

Material Módulo de YoungY (Pa)

Módulo de deformaci

ónB (Pa)

Módulo de corteS (Pa)

Aluminio 7,0 x 1010 7,5 x 1010 2,5 x 1010

Latón 9,0 x 1010 6,0 x 1010 3,5 x 1010

Cobre 11 x 1010 14 x 1010 4,4 x 1010

Vidrio crown

6,0 x 1010 5,0 x 1010 2,5 x 1010

Fierro 21 x 1010 16 x 1010 7,7 x 1010

Plomo 1,6 x 1010 4,1 x 1010 0,6 x 1010

Níquel 21 x 1010 17 x 1010 7,8 x 1010

Acero 20 x 1010 16 x 1010 7,5 x 1010


Esfuerzo de compresión

• Si las fuerzas empujan en lugar de tirar en los extremos del sólido, el cuerpo se contraerá y el esfuerzo es un esfuerzo de compresión, y la deformación producida será por compresión.

• El módulo de Young para muchos materiales tienen el mismo valor para esfuerzos de tensión y compresión; los materiales compuestos como el hormigón y concreto son una excepción

C 0

C 0

E F / A F lY

D l / l A l


Esfuerzo = 1,8 x 108 PaDeformación = 9,0 x 10 – 4

Alargamiento = 1,8 x 10 – 3 = 1, 8 mm

• Un cable de acero de 2,0 m de longitud tiene un área transversal de 0,30 cm2. El cable se cuelga por un extremo de una estructura de soporte y después un torno de 550 kg se cuelga del extremo inferior del cable, determine el esfuerzo, la deformación, y alargamiento del cable

Esfuerzo y deformación de tensión y compresión


Fp

A

Presión en el fluido

Esfuerzo y tensión por volumen

• Si un objeto se sumerge en un fluido (liquido o gas) en reposo, el fluido ejerce una fuerza sobre todas las partes de la superficie del objeto. Esta fuerza es perpendicular a la superficie. La fuerza por unidad de área que el fluido ejerce sobre la superficie de un objeto sumergido es la presión p en el fluido.

• La presión dentro de un fluido aumenta con la profundidad, pero si el objeto sumergido es suficientemente pequeño, podremos asumir que la presión tiene el mismo valor para todos los puntos en la superficie del objeto.

• La presión desempeña el papel del esfuerzo en un cambio de volumen. La deformación correspondiente es el cambio fraccionario del volumen.


Esfuerzo y deformación por volumen

• Experimentalmente se comprueba que si el esfuerzo de volumen es pequeño entonces el esfuerzo y la deformación son proporcionales, y la constante de proporcionalidad se denomina Módulo de volumen B.

• En el caso de cambios de presión pequeños en un sólido o un liquido, consideramos B constante. El módulo de volumen de un gas, sin embargo depende de la presión inicial p0

0

Deformación de volumen V

VD

V

Esfuerzo de volumen = p

V

VD

V

EV = p

0/

pB

V V


• La compresibilidad del agua es 46,4 x 10-6 atm-1, lo cual nos indica que si a un m3 de agua se le incrementa su presión en 1 atm, su volumen se reducirá en 46,4 partes por millón.0

1 / 1V V V

B p V p

Compresibilidad

• El valor recíproco del módulo de volumen se denomina compresibilidad y se denota por k

Líquido k (Pa-1) k (atm-

1)

Disulfuro de carbono

93 x 10-

11

94 x 10-6

Alcohol etílico

110 x 10-11

111 x 10-6

Glicerina 21 x 10-

11

21 x 10-6

Mercurio 3,7 x 10-

11

3,8 x 10-

6

Agua 45,8 x 10-11

46,4 x 10-6

Compresibilidad


Compresibilidad

• Una prensa hidráulica contiene 0,25 m3 (250 L) de aceite. Calcule la disminución del volumen del aceite cuando se somete a un aumento de presión p = 1,6 x 107 Pa. considere B = 5,0 x 109 Pa.

• Respuesta: -0,80 L


• La fuerzas de igual magnitud pero dirección opuesta actúan de forma tangente a las superficies de extremos opuestos del objeto. Produciéndole una deformación.

• Se define el esfuerzo de corte como la fuerza paralela que actúa tangente a la superficie , dividida entre el área sobre la que actúa:

• EC también es una fuerza por unidad de área

Esfuerzo y tensión de corte

/ /C

FE

A

/ /FEsfuerzo de corte

A


Esfuerzo de corte

• Una cara del objeto sometido a esfuerzo de corte se desplaza una distancia x relativa a la cara opuesta. Se define la deformación de corte como el cociente del desplazamiento x entre la dimensión transversal h:

• Si el esfuerzo de corte es pequeño entonces el esfuerzo y la deformación son proporciónales y la constante de proporcionalidad se denomina Módulo de corte S

/ / / /F / A F hS

x / h A x

C

xD

h


• Suponga que el objeto es la placa base de latón de una escultura exterior que experimenta fuerzas de corte causadas por un terremoto. La placa cuadrada mide 0,80 m por lado y tiene un espesor de 0,50 cm. ¿Qué fuerza debe ejercerse en cada borde si el desplazamiento x es 0,16 mm?Respuesta: 7,2 x 108 N

Esfuerzo de corte

• Prob. 11.37 • En un laboratorio de prueba de

materiales, se determina que un alambre metálico hecho con una nueva aleación se rompe cuando se aplica una fuerza de tensión de 90,8 N perpendicular a cada extremo. Si el diámetro del alambre es de 1,84 mm, ¿cuál es el esfuerzo de rotura de la aleación?

• Solución

•

3 2

(90,8N)

(0,92 10 m)

FA

73,4 10 PaF

A

Material S (Pa)

Aluminio 2,5 x 1010

Latón 3,5 x 1010

Cobre 4,4 x 1010

Hierro 7,7 x 1010

Plomo 0,6 x 1010

Níquel 7,8 x 1010

Acero 7,5 x 1010


Ejercicios• Un alambre recto de acero de 4,00

m de longitud tiene una sección transversal de 0,00050 m2 , y un límite proporcional igual a 0,0016 veces su módulo de Young. El esfuerzo de rotura tiene un valor igual a 0,0065 veces su módulo de Young. El alambre está sujeto por arriba y cuelga verticalmente: a) ¿Qué peso puede colgarse del alambre sin exceder el límite proporcional? b) ¿Cuánto se estira el alambre con esta carga? c) ¿Qué peso máximo puede soportar?

• Solución• L = 4,00 m• A = 0,050 m2

• Límite proporcional 0,0016 x 20 x 1010 Pa

» 3,2 x 108 Pa• Esfuerzo de rotura 0,0065 x 20 x

1010 Pa» 1,3 x 109 Pa

• Solución (a)• El peso que se debe colocar es:

• Se estira aproximadamente

• (c) el peso máximo que puede soportar es:

10 2 7(3,2 10 Pa)(0,00050m ) 1,6 10 N

oFLl

A

73

10

1,6 10 4,00l m 6,4 10 m

0,050 20 10

10 2 5(0,0065)(20 10 Pa)(0,00050m ) 6,5 10 N


Ejercicios Prob. 11.39

• El límite elástico de un cable de acero es de 2,40 x 108 Pa y su área transversal es de 3,00 cm2 . Calcule la aceleración máxima hacia arriba que puede darse a un elevador de 1 200 kg sostenido por el cable sin que el esfuerzo exceda el tercio del límite elástico.

• Solución8

4 2

2 2tot

2,40 10 Pa( )(3,00 10 m )F 3a 9,80ms 10,2 ms

m (1200kg)

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