Propiedades mecanicas

CAPÍTULO 4

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las propiedades mecánicas engloban la respuesta de los materiales en estado sólido a las cargas externas.

Si consideramos dos átomos unidos, entre ellos se establecen unas fuerzas de atracción y de repulsión que se compensan siempre que se mantenga entre ellos la distancia interatómica. Si sobre ellos se ejerce una presión o carga que tienda a aproximarlos la distancia interatómica se acortará y se incrementara las fuerzas de repulsión. De la misma manera si intentamos separarlos aumentarán las fuerzas de atracción, para mantener la distancia interatómica. Si extrapolamos lo que sucede con dos átomos con lo que sucedería con el conjunto de átomos que forman un cuerpo, es fácil comprender que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo, denominada carga, se crea en su interior una reacción que se le opone, denominada tensión, y un cambio de forma, denominado deformación.

TENSIÓN

Es la reacción que se produce en el interior de un sólido cuando sobre el se aplica una carga, La tensión es siempre de la misma magnitud y de sentido contrario a la carga aplicada. Según la dirección, el sentido y el punto de aplicación de la carga tenemos tres tipos de tensión (Fig. 1):

• Tensión de compresión: Es la que se opone a una fuerza que tiende a comprimir el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección y sentido contrario y convergente.

• Tensión de tracción: Es la que se opone a una fuerza que tiende a estirar el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección y sentido contrario y divergentes

• Tensión tangencial: Es la que se opone a un movimiento de torsión o de desplazamiento de una parte del cuerpo hacia otra. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de direcciones paralelas y sentido contrario, convergente o divergente. También se denomina Tensión de corte, cizalla o flexión.

Estos tres tipos de tensiones no se suelen presentar de forma aisladas sino simultáneamente, aunque predominen unas u otras según como se produzca la carga. De manera general, los materiales se comportan mejor ante las tensiones compresivas, después ante las traccionales y por último ante las tangenciales o de flexión.

La tensión creada sobre la superficie de un cuerpo se trasmite a lo largo de todo él a través de las uniones atómicas. Esta tensión va a estar en función de la magnitud de la carga aplicada y de la extensión de la superficie donde se aplique, siguiendo la fórmula

T= C/S

Esto implica que para una misma carga, mientras mayor sea la superficie donde se aplique menor tensión generará, y a la inversa (Fig. 2). En la boca no se producen cargas muy elevadas, las que sean capaces de producir la musculatura masticatoria fundamentalmente, pero al aplicarse sobre superficies muy pequeñas, un vértice cuspídeo por ejemplo, la tensión resultante sí puede llegar a ser muy elevada. Para que esto no suceda interesa repartir la zona de aplicación de la carga por una amplia superficie.

La Tensión se mide en Pascales, que es la tensión que genera una carga de un Newton de fuerza aplicada sobre una superficie de un metro cuadrado. Esta unidad es muy pequeña para medir las tensiones que vamos a manejar, por lo que utilizaremos el megapascal (Mp), un millón de veces mayor. En ocasiones se utiliza el Kg/cm2 y el psi o libras/pulgadas2 (Fig. 3).

DEFORMACIÓN

Como ya hemos dicho, cuando sometemos un material a una carga, este material experimenta tensión y deformación. La deformación es el cambio en las dimensiones del cuerpo. Se puede medir en unidades de longitud, área o volumen, pero estas medidas van a depender del tamaño de la muestra. No es lo mismo una deformación de 2mm en una muestra de 1 cm que en una carretera de 1 Km. Para dar cifras generales la deformación se expresa en tanto por ciento. Para ello se divide el cambio en la dimensión entre la dimensión original y se multiplica por 100.

Cuando se libera la carga a la que sometemos al material, la tensión desaparece pero la deformación puede desaparecer o no. En función de esto tenemos dos tipos de deformación:

• Deformación elástica: Es la que desaparece por completo cuando el material se descarga. Esta recuperación de la forma primitiva se produce por la tendencia de los átomos a recuperar su distancia interatómica, alterada por la carga ejercida. Durante la deformación elástica se produce un cambio volumétrico que se recupera al cesar la carga.

• Deformación plástica: Es la que es la que no se recupera al cesar la carga aplicada. Esta deformación se produce porque se ha forzado la distancia interatómica y las uniones atómicas se han roto, por lo que no hay ninguna fuerza que tienda a recuperar la situación anterior. Los átomos se desplazan en su posición, sin que haya cambio volumétrico pero sí de forma.

CURVA TENSIÓN/DEFORMACIÓN

La tensión y la deformación que experimentan un material ante una carga están relacionadas y definen el comportamiento mecánico del material. Colocando en el eje de ordenadas la tensión que se genera y en el de abcisas la deformación correspondiente podemos representar la curva tensión/deformación (T/D) (Fig. 4). En ella se representa la tensión y la deformación que sufre un material cuando está siendo sometido a una carga progresivamente mayor hasta su fractura.

Ya en 1678, Robert Hooke postuló que la Tensión y la Deformación de un cuerpo sometido a carga están relacionadas y son directamente proporcionales. Enunció la ley de la proporcionalidad o ley de Hooke. Con el tiempo se demostró que esta ley solo es cierta en tensiones iniciales pero que llegado un punto, denominado punto P ó Límite Proporcional, la proporcionalidad se pierde. Aumentos adicionales de tensión, superiores al punto P, producen incrementos proporcionalmente mayores de la deformación, hasta que el material se rompe en el punto T. El punto T indica la fractura de la muestra y la tensión a la que se produce se denomina resistencia del material que se define como la máxima tensión que puede soportar un material sin romperse. La pendiente o inclinación de la porción lineal de la curva T/D nos determina el Módulo Elástico o Modulo de Young, que nos mide la rigidez, como explicaremos más adelante.

El punto P divide a la curva T/D en dos partes diferentes, una recta y otra curva. El comportamiento del material en estas dos partes es claramente distinto.

Como ya hemos descrito, un cuerpo deformado, al anularse la carga, puede recuperar por completo su forma primitiva

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