CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HUESO Y DE ALGUNOS MATERIALES PARA SU REEMPLAZO

MARCO TEORICO

ENSAYO DE MATERIALES

Con el ensayo de los materiales deben determinarse los valores de resistencia, verificarse las propiedades y establecerse el comportamiento de aquellos bajo la acción de las influencias externas. El factor económico juega un rol de importancia en el campo de la fabricación en general, imponiendo un perfecto conocimiento de los materiales a utilizar, de manera de seleccionarlos para cada fin y poder hacerlos trabajar en el límite de sus posibilidades, cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento. En los ensayos físicos se determinan generalmente la forma y dimensiones de los cuerpos, su peso específico y densidad, contenido de humedad, etc., y en los mecánicos la resistencia, elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad y fragilidad, etc.

Clasificación de los esfuerzos:

• Esfuerzos normales

Son producidos por cargas que tienden a trasladar a las secciones transversales en un determinado sentido

- Tracción y compresión

Se obtiene cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) el material según el eje en que actúan.

- Flexión

Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales con respecto a las inmediatas.

• Esfuerzos tangenciales

Son generados por pares de cargas, que actúan en el plano de las secciones transversales y tienden a producir sus giros o deslizamientos.

- Torsión

Se origina por efecto de pares que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos.

- Corte

Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones inmediatas.

Estudio de la tracción

Realización del los Ensayos de Tracción

Los ensayos de tracción, compresión, torsión y flexión pueden realizarse con una máquina Universal que es una máquina semejante a una prensa cuyo émbolo produce tracciones, compresiones y flexiones a voluntad, aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y sujetada en la máquina por medio de mordazas adecuadas, la maquina universal determina el punto de fluencia, el valor máximo de carga y la deformación para un esfuerzo aplicado.

Probeta:

- Son generalmente barras de sección regular (normalizadas), o tomarse un tramo del producto a ensayar. Sus extremidades son de mayor sección, para facilitar la fijación de la probeta a la máquina de tracción. En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud L (puntos calibrados).

Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la siguiente figura

Figura 1. Diagrama de rotura por tracción

Figura 2. Ensayo de tracción

En este gráfico, se diferencian varias zonas: una zona elástica, en la cual la probeta se deforma como resultado del esfuerzo, pero si se suspende la carga, el material recupera su forma original; una zona plástica, durante la cual el material sufre deformaciones permanentes; una región en la cual el material se sigue deformando aún si se suspende el esfuerzo; y finalmente la rotura del mismo.

Características del Ensayo de tracción uniaxial

• Durante el ensayo se miden elongación de la probeta y carga aplicada.

• Con esos datos se calculan tensiones y deformaciones (ingenieriles) y se traza la curva correspondiente.

• De la curva se obtienen el módulo elástico, la tensión de fluencia, la tensión máxima y la deformación ingenieril a fractura (como una medida de la ductilidad).

• Después de la fractura, la longitud final y la sección se usan para calcular elongación porcentual y reducción de área porcentual, que indican ductilidad del material.

De la carga y elongación se calculan tensiones verdaderas y deformaciones verdaderas, que sirven para caracterizar el comportamiento del material en la región elastoplástica.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TEJIDOS OSEOS

El sistema óseo humano está diseñado para proteger órganos internos y para proporcionar tanto apoyos rígidos al cuerpo como sitios de atadura de músculos facilitando su accionar y de esta forma contribuir a estabilizar y movilizar al cuerpo. Los huesos tienen propiedades mecánicas únicas que le permiten realizar estas funciones, constituye uno de los materiales más rígidos del cuerpo. Entre sus características relevantes se destaca su notable capacidad de auto reparación ante eventuales degradaciones o daños, así como su veloz adaptación a los cambios en el campo de tensiones reinantes.

Se reconocen dos tipos fundamentales de estructuras óseas. Por un lado el hueso cancellous (llamado también trabecular o esponjoso) y por otro el cortical (llamado también compacto). El hueso cortical posee 4 veces más masa que el hueso trabecular. El material básico de ambos huesos pareciera ser el mismo y la distinción entre ellos estaría dada por el grado de porosidad y su distribución. El rango de porosidad del hueso cortical es de 5% al 30%, mientras que en el hueso trabecular es del 30% al 90%. La porosidad del hueso no es fija y puede cambiar con el transcurso del tiempo en respuesta a una alteración de cargas, enfermedad y envejecimiento.

El hueso trabecular está siempre rodeado por el hueso cortical. Este tipo de hueso se encuentra típicamente en los huesos alargados formando una especie de cobertura de contención o delimitación del hueso trabecular, constituyendo una cáscara del mismo.

Figura 3. Se muestra el fémur y un corte transversal de la cabeza donde el tejido óseo es esponjoso, en el centro del fémur el tejido es compacto, así como en la superficie.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS HUESOS

Las propiedades mecánicas del hueso se determinan mediante ensayos de tracción, compresión, torsión, o de corte sobre especímenes. A partir de estos ensayos se pueden determinar la respuesta en términos de Fuerza – Desplazamiento, definiendo así las propiedades estructurales, o bien en términos de Tensión – Deformación, determinando las propiedades materiales.

En general los huesos están sometidos a una amplia variedad de estados de carga. Al estar de pié una persona solicita a su fémur a un estado de compresión. Eventualmente

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