Republica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior

I.U.P “ Santiago Mariño”

Extensión- Porlamar. Edo. Nueva Esparta

Reinaldo Bermúdez

CI: 20140631

Elemento de Maquina

PORLAMAR, OCTUBRE 2014

ESFUERZO

Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por

lo que se distribuyen en toda el área; justamente se denomina esfuerzo a la

fuerza por unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y

es un parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales, ya

que establece una base común de referencia.

σ= P

A

Donde: P≡ Fuerza axial;

A≡ Área de la sección transversal.

Cabe destacar que la fuerza empleada debe ser perpendicular al área

analizada y aplicada en el centroide del área para así tener un valor de σ

constante que se distribuye uniformemente en el área aplicada. No es válida

para los otros tipos de fuerzas internas, existe otro tipo de ecuación que

determine el esfuerzo para las otras fuerzas, ya que los esfuerzos se

distribuyen de otra forma.

UNIDADES DE 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).

TIPOS DE ESFUERZO

Las estructuras deben soportar diferentes tipos de fuerzas que actúan

sobre los elementos que la componen. Estas fuerzas tienen distintos

orígenes:

Debidas a su propio peso, ya que, en principio, toda estructura debe

soportarse a sí misma.

Debidas al peso, movimiento o vibraciones de los elementos que

componen el conjunto del sistema técnico. Por ejemplo, el cuadro de

una bicicleta no debe deformarse cuando una persona suba a ella o

cuando coja baches mientras circula.

Debidas a agentes externos al propio sistema técnico. Por ejemplo, el

tejado de una casa no debería venirse abajo cuando se acumule nieve

sobre él, o un puente no debe caerse por el efecto del viento, etc.

Normalmente, cuando construimos una estructura lo hacemos para que ésta no

se deforme cuando está trabajando. Hay, sin embargo, algunas estructuras que

su trabajo lo ejercen deformándose y recuperando más tarde su forma original,

pero esto es menos normal. Así, cuando construimos una grúa, esta no debe

deformarse visiblemente al levantar las cargas, o cuando construimos una casa,

ésta no debe caerse por la acción del viento.

Cuando las estructuras resisten a la deformación se dice que tienen rigidez. Las

fuerzas que actúan sobre los diferentes elementos de las mismas se denominan

cargas. La fuerza que hace un elemento de la estructura para no ser deformado

por las cargas se denomina esfuerzo. Dichos esfuerzos pueden ser:

De tracción o tensión, cuando las cargas que actúan sobre la pieza tienden a

estirarla, tal y como sucede, por ejemplo, con los cables de un puente

colgante.

De compresión, cuando las cargas que soporta la pieza tienden a aplastarla,

como es el caso, por ejemplo, de las columnas. Este esfuerzo no puede ser

soportado por los tirantes.

De flexión, cuando las cargas que actúan sobre la pieza tienden a doblarla,

como sucede con las vigas.

De corte o cizalladura, cuando las cargas que soporta la pieza tienden a

cortarla. Éste es el tipo de esfuerzo al que están sometidos los puntos de

apoyo de las vigas.

De torsión, cuando las cargas que soporta la pieza tienden a retorcerla. Este

es el caso de los ejes, cigüeñales y manivelas.

Los elementos de una estructura, como vimos, pueden estar sometidos a

diferentes tipos de esfuerzos (tracción, compresión, flexión, etc.). Y, en

general, podemos decir que en el conjunto de toda estructura habrá

elementos encargados de resistir un tipo de esfuerzo, otros que aguantarán

otro tipo de carga e incluso habrá elementos que estarán sometidos a más

de una. Para elegir la forma y el tamaño de cada uno de los elementos que

forman la estructura habrá que saber el tipo de fuerza que actúa sobre ellos

y su magnitud. Nosotros, en nuestro trabajo escolar, sólo vamos a aprender

a distinguir entre los tres esfuerzos más comunes: tracción, compresión y

flexión.

Observa la figura, se trata de una estructura sujeta a la pared y que debe

sostener una garrucha o polea para elevar cajas. Se compone de dos

piezas de madera sujetas entre ellas y cada una a la pared.

Para hacer el estudio del tipo de esfuerzo es muy útil imaginar qué ocurriría con

el elemento estudiado si lo sustituyésemos por un cable o una cuerda: en caso

de que al actuar la fuerza el cable permanece tenso, este elemento está

sometido a tensión o tracción; en caso de que quedara flojo, el esfuerzo es de

compresión.

Caso 1: sustituimos la barra horizontal por un cuerda y el peso de la caja va a

hacer que aquella se mantenga siempre tensa. Podemos decir que el elemento

horizontal está sometido a un esfuerzo de tensión o tracción.

Caso 2: Si sustituimos la barra oblicua por una cuerda, queda claro en el dibujo

que la barra horizontal se caería ya que la cuerda quedaría floja en ese lugar,

no realizando ningún trabajo. El elemento oblicuo está sometido en este caso

a compresión.

DEFORMACION

Se define como el cambio de forma de un cuerpo, el cual se debe al esfuerzo,

al cambio térmico, al cambio de humedad o a otras causas. En conjunción con

el esfuerzo directo, la deformación se supone como un cambio lineal y se

mide en unidades de longitud. En los ensayos de torsión se acostumbra medir

la deformación cómo un ángulo de torsión (en ocasiones llamados detorsión)

entre dos secciones especificadas.

TIPOS DE DEFORMACION

Dependiendo del tipo de material, el tamaño y la geometría del objeto, y las

fuerzas aplicadas, varios tipos de deformación pueden resultar. Entre ellos:

Deformación elástica: Este tipo de deformación es reversible. Una vez que

ya no se aplican las fuerzas, el objeto vuelve a su forma original.

Elastómeros y metales con memoria de forma tales como Nitinol exhiben

grandes rangos de deformación elástica, como el caucho. Sin embargo

elasticidad es no lineal en estos materiales. Metales normales, cerámica y

la mayoría de los cristales muestran elasticidad lineal y una zona elástica

pequeña.

La Deformación plástica: La plasticidad es aquella propiedad que permite al material

sobrellevar deformación permanente sin que sobrevenga la ruptura. Las evidencias de la

acción plástica en los materiales estructurales se llaman deformación, flujo plástico y

creep.

Las deformaciones plásticas son causadas por deslizamientos inducidos por esfuerzos

cortantes. Tales deformaciones pueden ocurrir en todos los materiales sometidos a grandes

esfuerzos, aun a temperaturas normales. Muchos metales muestran un efecto de

endurecimiento por deformación al sobrellevar deformaciones plásticas, ya que después de

que han ocurrido deslizamientos menores por corte no acusan deformaciones plásticas

adicionales hasta que se aplican esfuerzos mayores. No se presentan cambios apreciables

de volumen como resultado de las deformaciones plásticas.

La plasticidad es importante en las operaciones de formación, conformación y extrusión.

Algunos metales se conforman en frío, por ejemplo, la laminación profunda de láminas

delgadas. Muchos metales son conformados en caliente, por ejemplo, la laminación de

perfiles de acero estructural y el forjado de ciertas partes para máquinas; los metales como el

hierro fundido se moldean en estado de fusión; la madera se flexiona mejor mientras está

seca y caliente. Los materiales maleables son aquellos que pueden martillarse para formar

láminas delgadas sin fractura; la maleabilidad depende tanto de la suavidad como de la

plasticidad del material.

Fractura: Este tipo de deformación también es irreversible. Una ruptura se

produce después de que el material ha alcanzado el extremo de la goma, de

plástico y, a continuación, los rangos de deformación. En este punto, las fuerzas

se acumulan hasta que son suficientes para causar una fractura. Todos los

materiales eventualmente fractura, si se aplican fuerzas suficientes.

Rigidez: Capacidad de una pieza estructural o de un material sólido

para soportar esfuerzos sin sufrir deformaciones ni desplazarse. La

cuantificación de la rigidez frente a diversas configuraciones de carga

puede expresarse a través de los coeficientes de rigidez, que son

magnitudes físicas.

Fragilidad: Es la cualidad de los objetos y materiales de perder su

estado original con facilidad. Aunque técnicamente la fragilidad se

define más propiamente como la capacidad de un material de

fracturarse con escasa deformación. Por el contrario, los materiales

dúctiles o tenaces se rompen tras sufrir acusadas deformaciones,

generalmente de tipo deformaciones plásticas. La fragilidad es lo

contrario de la tenacidad y tiene la peculiaridad de absorber

relativamente poca energía, a diferencia de la rotura dúctil.

DIAGRAMA ESFUERZO- DEFORMACION

El diseño de elementos estructurales implica determinar la resistencia y

rigidez del material estructural, estas propiedades se pueden relacionar si

se evalúa una barra sometida a una fuerza axial para la cual se registra

simultáneamente la fuerza aplicada y el alargamiento producido. Estos

valores permiten determinar el esfuerzo y la deformación que al graficar

originan el denominado diagrama de esfuerzo y deformación. Los

diagramas son similares si se trata del mismo material y de manera general

permite agrupar los materiales dentro de dos categorías con propiedades

afines que se denominan materiales dúctiles y materiales frágiles. Los

diagramas de materiales dúctiles se caracterizan por ser capaces de resistir

grandes deformaciones antes de la rotura, mientras que los frágiles

presenta un alargamiento bajo cuando llegan al punto de rotura.