Instituto tecnológico de Campeche

Arquitectura

Propiedades y comportamientos de los materiales

Asesor:Castro Lezama Jorge enrique

Alumno:Garduza Delgado Felipe Ángel

Unidad 1 Propiedades físicas de los materiales

VQ3

Propiedades físicas de los materiales

Las propiedades físicas son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su composición. Por ejemplo, cuando moldeas un trozo de plastilina, sus átomos no se ven alterados de ninguna manera, pero exteriormente cambia su forma. Estas propiedades pueden variar en tres estados distintos como: Estado Sólido, Líquido y Gaseoso.

Estado SólidoSe producen cuando los materiales se encuentran a una baja temperatura provocando que sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras cristalinas definidas, lo que les permite soportar fuerzas sin deformación. Los sólidos son calificados como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión.

Las sustancias en estado sólido tienen las siguientes características:Forma definida.Incompresibilidad (no pueden comprimirse)Resistencia a la fragmentación.Volumen tenso.

Estado LíquidoSe produce cuando dicho material adquiere el punto de fusión y su principal característica es la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.

El estado líquido presenta las siguientes características:Fuerza de cohesión menor.Toma la forma del envase que lo contiene.En frío se comprime.Posee fluidez.Estado Gaseoso

Se alcanza esto punto aumentando la temperatura de dicho material para llegar hasta su ebullición. Los átomos o moléculas del gas se encuentran libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible.

El estado gaseoso presenta las siguientes características:Fuerza de cohesión casi nula.Sin forma definida.Toma el volumen del envase que lo contiene.Se puede comprimir fácilmente.Ejerce presión sobre las paredes del recipiente que los contienen.Los gases se mueven con libertad.Propiedades Mecanicas

Propiedades Mecánicas de los materiales

En ingeniería, las propiedades mecánicas de los materiales son las características inherentes, que permiten diferenciar un material de otro. También hay que tener en cuenta el comportamiento que puede tener un material en los diferentes procesos de mecanización que pueda tener.

ElasticidadEl 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.

PlasticidadLa plasticidad es la propiedad mecánica que tiene un material para deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su limite elástico.

Resistencia a la fluenciaEs la fuerza que se le aplica a un material para deformarlo sin que recupere su antigua forma al parar de ejercerla.

Resistencia a la tracción o resistencia últimaIndica la fuerza de máxima que se le puede aplicar a un material antes de que se rompa.

Resistencia a la torsiónFuerza torosa máxima que soporta un material antes de romperse.

Resistencia a la fatigaDeformación de un material que puede llegar a la ruptura al aplicarle una determinada fuerza repetidas veces.

DurezaLa dureza es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa, que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio cuando lo rayas no queda marca, por lo tanto tiene gran dureza. 

FragilidadLa fragilidad intuitivamente se relaciona con la cualidad de los objetos y materiales de romperse con facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se define más propiamente como la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación, a diferencia de los materiales dúctiles que se rompen tras sufrir acusadas deformaciones plásticas.

TenacidadLa tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse. Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto sin fracturarse.

Resiliencia o resistencia al choqueEs la energía que absorbe un cuerpo antes de fracturarse.

DuctilidadLa ductilidad es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Los materiales no dúctiles se clasifican de frágiles. Aunque los materiales dúctiles también pueden llegar a romperse bajo el esfuerzo adecuado, esta rotura sólo se produce tras producirse grandes deformaciones.

MaleabilidadLa maleabilidad es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos al ser elaborados por deformación. Se diferencia de aquella en que mientras la ductilidad se refiere a la obtención de hilos, la maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa. Es una cualidad que se encuentra opuesta a la ductilidad puesto que en la mayoría de los casos no se encuentran ambas cualidades en un mismo material.

MaquinabilidadLa maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de virutas.

ColabilidadEs la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas a partir de un molde.

Propiedades ópticas

Analizada la luz y el ojo humano para poder iluminar espacios y objetos. Analizaremos ahora la relación con los objetos y los espacios, es decir, necesitaremos definir las propiedades ópticas de la materia.

La aplicación de la luz a los objetos y espacios de la forma más conveniente necesita un control y una distribución que se obtiene modificando sus características con respecto de los fenómenos físicos de reflexión, absorción y transmisión de la luz. Esto es así sin olvidarnos de otro cuarto factor como la refracción.Pongamos un ejemplo:Si un rayo de luz se propaga por el aire y llega al agua, puede suceder que retorne al aire por el efecto reflexión o que lo atraviese y pase a formar parte de ella, donde, una parte, se convertirá en otro tipo de energía, por el efecto absorción y otra parte no cambiará, por el efecto transmisión. Estos efectos sucederán simultáneamente, y como la energía no se puede destruir, la suma de la energía transmitida, absorbida y reflejada debe ser igual a la energía original.

Reflexión.Si unas ondas, de cualquier tipo, inciden sobre una barrera plana como un espejo, se generan nuevas ondas que se mueven alejándose de la barrera. Esta es la reflexión.Si la luz es reflejada por una superficie, un porcentaje de dicha luz se pierde debido al fenómeno de absorción. La relación entre la luz reflejada y la luz incidente se denomina reflectancia de la superficie. Cualquier superficie que no sea completamente negra puede reflejar luz. La cantidad de luz que refleja y la forma en que dicha luz se refleja quedará determinada por las propiedades de reflexión de la superficie.Los sistemas reflectores se fundamentan en los diferentes tipos de reflexión:

Reflexión especular, cuando la superficie reflectora es lisa. Obedece a dos leyes fundamentales: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie en un punto de incidencia se trazan en un mismo plano. La segunda ley es que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Reflexión compuesta, no hay imagen de espejo de la fuente de luz, pero el ángulo de intensidad máxima reflejada es igual al ángulo de incidencia. Esta reflexión ocurre cuando la superficie es irregular o rugosa.

Reflexión difusa, cuando la luz que incide sobre una superficie es reflejada en todas las direcciones, siendo el rayo normal a la superficie el de mayor intensidad. Este tipo de reflexión se produce en superficies como el papel blanco mate, las paredes y cielos rasos de yeso, la nieve etc. Reflexión mixta o reflexión intermedia entre la especular y la difusa, en la que parte del haz incidente se refleja y parte se difunde. Este tipo de reflexión la presentan los metales no pulidos, el papel brillante y las superficies barnizadas.

Transmisión.El paso de una radiación a través de un medio sin cambio de frecuencia de las radiaciones monocromáticas que la componen es lo que denominamos transmisión. Es característico de ciertos tipos de vidrio, cristales, plásticos, agua y otros líquidos y del aire.Al atravesar dicho material, parte de la luz se pierde debido a la reflexión en la superficie del medio y parte se absorbe. La relación entre la luz transmitida y la luz incidente se denomina transmitancia del material.Tipos de transmisión:

Transmisión regular, el haz que incide sobre un medio, la atraviesa y sale de él como tal haz. Los medios que cumplen esta propiedad, se les denomina cuerpos transparentes y permiten ver con nitidez los objetos colocados detrás de ellos.

Transmisión difusa, el haz incidente se difunde por el medio, saliendo del mismo en múltiples direcciones. A estos medios se les denomina traslúcidos y los más conocidos son los cristales esmerilados y los vidrios opacos opalizados. Los objetos colocados tras de ellos no son distinguidos con precisión.

Transmisión mixta, la transición de la transmisión, intermedia entre la regular y la difusa. Se presenta en vidrios orgánicos, vidrios orgánicos depulidos y cristales de superficie labrada. Aunque la difusión del haz de luz no es completa, los objetos no se pueden observar claramente detrás del mismo aunque sí su posición.

Absorción.Es la transformación de la energía radiante en otra forma de energía, generalmente en forma de calor. Es característico de todas las superficies que no son completamente reflectoras, y de los materiales que no son totalmente transparentes. La relación entre la luz absorbida y la luz incidente se denomina absorbancia. La absorción de ciertas longitudes de onda de luz se denomina absorción selectiva de la que los objetos de color le deben su color.

Refracción.La luz puede cambiar de dirección al cambiar de medio. Esto es debido a una alteración en la velocidad de la luz. Esta disminuye si la densidad del nuevo medio es mayor, y aumentará si es menor. Este cambio de la velocidad y de dirección se denomina refracción.

Leyes de refracción:1. Cuando la onda pasa de un medio a otro, el rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia, están en el mismo plano.2. Cuando la razón del seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante para los medios comprendidos. Dicha constante se denomina índice de refracción, n, para ambos medios.La distancia que la dirección del haz refractado se desplaza con respecto a la del haz incidente se denomina desplazamiento y depende del ángulo de incidencia y del índice de refracción. Cuando el rayo incidente es perpendicular a la superficie, la refracción y el desplazamiento equivalen a cero.La refracción varía según la longitud de onda. Las ondas cortas como el azul y la violeta, se transmiten más que las ondas largas como la roja. Este fenómeno se utiliza para separar la luz blanca en sus colores componentes atravesando un prisma de refracción. El grado de la separación de color, que depende del ángulo de incidencia y de las propiedades refractivas del material del prisma, se denomina dispersión.

Con las propiedades ópticas de la materia podremos continuar con las aplicaciones de la iluminación y las técnicas de luminotecnia en futuras entradas.

Propiedades acústicas de los materiales

Los arquitectos y los contratistas deben tener en cuenta las propiedades acústicas de sus materiales para crear un entorno sonoro deseado en el diseño de edificios, estructuras de contención de ruido, salas de espectáculos o estudios de grabación. Desde los arquitectos griegos antiguos hasta los ingenieros estructurales de hoy en día, la construcción de diseñosincorpora cuatro propiedades acústicas principales de los materiales con que se construyen: difusión, absorción, reflexión y difracción.

ReflexiónLa reflexión se refiere a la capacidad del material para hacer rebotar una onda de sonido desde su superficie, causando un eco. Estas reflexiones pueden ser medidas por sus ángulos de incidencia y reflexión. Cada tipo de material de construcción presenta propiedades únicas de reflexión, que se pueden modelar y predecir a la hora de diseñar un espacio sonoro.AbsorciónCada material de construcción también exhibe propiedades de absorción o la capacidad para convertir las ondas de sonido en calor, cesando su viaje. La potencia de una onda de sonido se mide típicamente en niveles de presión del sonido llamados decibelios; cada material se califica por su capacidad para absorber los sonidos en una escala de decibelios.DifusiónLa difusión se refiere a la capacidad del material de esparcir o redirigir las ondas de sonido en un espacio. Los espacios de presentación en general cuentan con paneles acústicos de difusión colgados encima de un escenario para ayudar a los sonidos emitidos durante una presentación a viajar limpiamente en toda la zona. Los materiales de construcción varían en su capacidad para difundir ciertos sonidos, esto se conoce como coeficiente de difusión.Sombreado de frecuencia

Los materiales también muestran propiedades de sombreado de frecuencia o la capacidad del material de absorber y reflejar sonidos con frecuencias variables. Los sonidos son una suma compleja de diferentes ondas sinusoidales a frecuencias diferentes y la velocidad a la que los materiales pueden absorber o reflejar esas frecuencias definirá el sonido de un edificio o espacio. Estas frecuencias se miden en ciclos hertz; los decibelios de nivel de presión acústica de muchos materiales se clasifican en una variedad de hertz para modelar sus propiedades de sombreado de frecuencia.

Propiedades eléctricas de los materiales

Conductores: Son aquellos con gran nú- mero de electrones en la banda de conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Semiconductores: Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la banda de valencia a la de conducción, si se les comunica energía exterior. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente cerámicos. Aislantes o dielectricos: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros. Comportamiento eléctrico y conductividad Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico -que en muchas ocasiones es más crí- tico que su comportamiento mecánicoy describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su microestructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes.

Propiedades térmicas de los materiales

Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayoría de los casos las propiedades mecánicas y físicas dependen de la T° a la cual el material se usa o de la T° a la cual se somete el material durante su

procedimiento.

Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m3).Calor específico (C): cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg·K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ · C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía.Conductividad térmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa como kcal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC).Difusividad térmica (α): caracteriza la rapidez con la que varía la temperatura del material ante una solicitud térmica, por ejemplo, ante una variación brusca de temperatura en la superficie. Se puede calcular mediante la siguiente expresión:

* α = k / (ρ · C) (m2/s)

Propiedades magnéticas de los materiales

 Materiales Magnéticos: estos materiales son aquellos que poseen una forma especializada de energía que esta relacionada con la radiación electromagnética, y sus propiedades y estructura se distinguen de los demás por las características magnéticas que poseen.Propiedades Magnéticas Macroscópicas: son producto de los momentos magnéticos asociados con los electrones individuales. Cuando el electrón gira alrededor del núcleo, se convierte en una carga eléctrica en movimiento, por lo que se genera un momento magnético. Cada electrón gira alrededor de si mismo creando un momento magnético.El momento magnético neto de un átomo es la suma de los momentos magnéticos generados por los electrones. Si incluyen los momentos orbítales, de rotación, y el hecho de que los momentos pueden cancelarse.En los átomos donde el nivel de energía de los electrones están completamente llenos, todos los momentos se cancelan. Estos materiales no puedes ser magnetizado permanentemente (Gases inertes y algunos materiales iónicos).De acuerdo a sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten a un campo magnético, estos se pueden clasificar en:Diamagnéticos: los materiales diamagnéticos son `débilmente repelidos' por las zonas de campo magnético elevado. Cuando se someten a un campo, los dipolos

se orientan produciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado. Los valores de susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa y su permeabilidad próxima a la unidad. También estos materiales son una forma muy débil de magnetismo, la cual es no permanente y persiste no solamente cuando se aplica un campo externo.Paramagnéticos: los materiales paramagnéticos son débilmente atraído por las zonas de campo magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases. Los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético.Es decir que el paramagnetismo se produce cuando las moléculas de una sustancia tienen un momento magnético permanente. El campo magnético externo produce un momento que tiende a alinear los dipolos magnéticos en la dirección del campo. La agitación térmica aumenta con la temperatura y tiende a compensar el alineamiento del campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad magnética es muy pequeña comparada con la unidad.Ferromagnéticos: se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos elementos. Como se ha indicado, los materiales ferromagnéticos afectan drásticamente las características de los sistemas en los que se los usa. Los materiales ferromagnéticos no son `lineales'. Esto significa que, cuando se somete al material a un ciclo de operación, la magnetización (relación B-H) sigue una curva complicada. En general, se considera que el campo excitante es H (pues está directamente relacionado a la corriente). Puede entonces ocurrir que H=0, y tanto B como M sean distintos de cero: esto es lo que se conoce corrientemente como un imán.

Tipos de Materiales Magnéticos:

- Materiales magnéticos metálicos: los materiales magnéticos metálicos comerciales más importantes son ferromagnéticos. En general, esos materiales se clasifican como blandos o duros. Los factores estructurales constitutivos que llevan a la dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza mecánica.Materiales magnéticos blandos: se denomina materiales magnéticos blandos a los materiales ferromagnéticos con paredes de dominios magnéticos que se mueven fácilmente cuando se aplica un campo; es decir, que se pueden desmagnetizar.Materiales magnéticos duros: son aquellos con menor movilidad de las paredes de los dominios, lo que los hace ideales como imanes permanentes y usados raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna.

- Materiales magnéticos cerámicos: los materiales magnéticos cerámicos pueden dividirse en dos categorías:

Materiales magnéticos de baja conductividad: los materiales magnéticos cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferromagnéticos, tienen la baja conductividad características de los cerámicos. Los principales ejemplos son las ferritas, basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa.Materiales magnéticos superconductores: los magnéticos superconductores más potentes pertenecen a una familia de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de aislante, presentaban superconductividad con valores de temperatura crítica sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores superconductores metálicos.Aplicaciones del Magnetismo:Numerosas aplicaciones de magnetismo y de materiales magnéticos se ha levantado en los últimos 100 años. Por ejemplo, el electroimán es la base del motor eléctrico y el transformador. En los más recientes tiempos, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha sido también importante en la revolución de la computadora. Pueden fabricarse los recuerdos de la computadora usando los dominios de la burbuja. Estos dominios son regiones realmente más pequeñas de magnetización que o es paralelo o antiparalelo a la magnetización global del material. Dependiendo de esta dirección, la burbuja indica uno o un ceros, mientras sirviendo así como las unidades del sistema del número binario usaron en las computadoras. Los materiales magnéticos también son electores importantes de cintas y discos en que se guardan los datos. Además del atómico - clasificó según tamaño unidades magnéticas usadas en las computadoras-, los imanes grandes, poderosos son cruciales a una variedad de tecnologías modernas.La levitación magnética entrena que usa los imanes fuertes para permitir al tren flotar sobre la huella para que no haya fricción entre el vehículo y las huellas y reducir la velocidad el tren. Se usan los campos magnético poderosos en el imaging de resonancia magnético nuclear, una herramienta de diagnóstico importante usada por doctores. Los imanes de Superconducción se usan en más aceleradores de la partícula poderosos para guardar las partículas aceleradas enfocadas y entrando un camino encorvado. 

Propiedades ópticas de la materiaPublicado por teknicailuminacion el diciembre 10, 2013Publicado en: Teknica Iluminación. Etiquetado: óptica, iluminación, luz, material, ondas