ESFUERZO

Introducción

Todo cuerpo al soportar una fuerza aplicada trata de deformarse en el sentido de aplicación de la fuerza. En el caso del ensayo de tracción, la fuerza se aplica en dirección del eje de ella y por eso se denomina axial. Aunque el esfuerzo y la deformación ocurren simultáneamente en el ensayo, los dos conceptos son completamente distintos El diseño de cualquier elemento o de un sistema estructural implica responder dos preguntas:

¿El elemento es resistente a las cargas aplicadas? y ¿Tendrá la suficiente rigidez para que las deformaciones no sean excesivas e inadmisibles?, aspectos que forman parte de sus requisitos las deformaciones elásticas junto con la ley de Hooke, determinan la forma de la distribución de esfuerzos y mediante las condiciones de equilibrio y la relación entre los esfuerzos y las cargas. Los esfuerzos normales producidos por el elemento flexionante se llama esfuerzo por flexión y tiene relación entre los esfuerzos y el momento flexionante los cuales se expresa en base a la fórmula de flexión.

ESFUERZO

Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por lo que se distribuyen en toda el área por tal motivo se dice que Es la fuerza por unidad de superficie que soporta ó se aplica sobre un cuerpo, es decir es la relación entre la fuerza aplicada y la superficie en la cual se aplica. Una fuerza aplicada a un cuerpo no genera el mismo esfuerzo sobre cada una de las superficies del cuerpo, pues al variar la superficie varia la relación fuerza / superficie, lo que comprende el esfuerzo. Es la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas que resisten un cambio en la forma de un cuerpo.

Unidades del Esfuerzo

El esfuerzo utiliza unidades de fuerza sobre unidades de área, en el sistema internacional (SI) la fuerza es en Newton (N) y el área en metros cuadrados (m2), el esfuerzo se expresa por N/m2 o pascal (Pa). Esta unidad es pequeña por lo que se emplean múltiplos como el es el kilopascal (kPa), megapascal (MPa) o gigapascal (GPa). En el sistema americano, la fuerza es en libras y el área en pulgadas cuadradas, así el esfuerzo queda en libras sobre pulgadas cuadradas (psi). Particularmente en Venezuela la unidad más empleada es el kgf/cm2 para denotar los valores relacionados con el esfuerzo (Beer y Johnston, 1993; Popov, 1996; Singer y Pytel, 1982; Timoshenko y Young, 2000).

Ley de Elasticidad de Hooke o ley de Hooke

Formulada para el estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F: • donde: δ: es el alargamiento A: la sección transversal p.E

• L: la longitud original

• E: módulo de Young

• La ley se aplica a materiales elásticos hasta un límite denominado límite elástico.

ESFUERZOS EN ELEMENTOS DE MAQUINAS

• El diseño de máquinas considera, entre muchas otras cosas, el dimensionamiento apropiado de un elemento de máquina para que éste soporte con seguridad la flexión, torsión, carga axiales y transversales.

• Los materiales dúctiles (aceros blandos) son débiles al esfuerzo cortante y se diseñan en base al esfuerzo cortante máximo.

• Los materiales frágiles (aceros tratados, hierro fundido) se diseñan en base al esfuerzo normal máximo de tracción o compresión.

Los Esfuerzos Normales Máximo y Mínimo

Sn (máx.) Sn (mín.). son esfuerzos de tracción o compresión y pueden determinarse para el caso general de una carga bidimensional sobre una partícula por:

Dónde:

Sx: Esfuerzo de tracción o compresión en el punto crítico perpendicular a la sección transversal considerada. Puede tener su origen en cargas axiales o de flexión (o en combinación).Cuando es tracción va con signo (+) y Cuando es compresión con signo (–).

Sy: Esfuerzo crítico en el mismo punto y en una dirección perpendicular al esfuerzo Sx.

: Esfuerzo cortante en el mismo punto crítico actuando en el plano normal al eje Y y en el plano normal al eje x. Este esfuerzo cortante puede tener su origen en un momento de torsión, en una carga transversal (o una combinación)

Sn (máx) y Sn(mín) se les denomina ESFUERZOS PRINCIPALES y se representan sobre planos que forman 90º entre sí, llamados planos principales. Estos también son planos de esfuerzo cortante nulo.

Para carga bidimensional el tercer esfuerzo principal es cero.

Esfuerzo Cortante Máximo

(máx) en el punto crítico considerado es igual a la mitad de la mayor diferencia entre dos cualesquiera de los tres esfuerzos principales (no debe subestimarse ninguno de los esfuerzos principales nulos.

Esfuerzos Normales (s)

Aquellos esfuerzos o fuerzas que soporta cada unidad de área cuya dirección es Perpendicular a la sección transversal se conocen como esfuerzos normales. Para fuerzas de compresión el esfuerzo normal será negativo y para fuerzas de tracción el esfuerzo normal será positivo.

Clasificación de los esfuerzos

Fuerza. Son esfuerzos que se pueden clasificar debido a las fuerzas. Generan desplazamiento. Dependiendo si están contenidos (o son normales) en el plano que contiene al eje longitudinal tenemos:

Contiene al eje longitudinal

Normal al plano que contiene el eje longitudinal:

Cortadura. Tiende a cortar las piezas mediante desplazamiento de las secciones afectadas.

Momento. Son esfuerzos que se pueden clasificar debido a los momentos. Generan giros. Dependiendo si están contenidos (o son normales) en el plano que contiene al eje longitudinal tenemos:

Contiene al eje longitudinal:

Flexión. El cuerpo se flexa, alargándose unas fibras y acortándose otras.

Normal al plano que contiene el eje longitudinal:

Torsión. Las cargas tienden a retorcer las piezas.

Esfuerzos compuestos. Es cuando una pieza se encuentra sometida simultáneamente a varios esfuerzos simples, superponiéndose sus acciones.

Esfuerzos variables. Son los esfuerzos que varían de valor e incluso de signo. Cuando la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo es 0, el esfuerzo se denomina alternado. Pueden ocasionar rotura por fatiga.

 Esfuerzo de Tensión:

Es aquel que tiende a estirar el miembro y romper el material. Donde las fuerzas que actúan sobre el mismo tienen la misma dirección, magnitud y sentidos opuestos hacia fuera del material. Como se muestra en la siguiente figura. Y viene dado por

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