Tipos de esfuerzos de materiales

Resistencia de materiales

1. Jesica Floridalma Hernández 201711020


Ingeniería Industrial y Sistemas.


Ing. Coralia Zavala.


Resistencia de Materiales.


Investigacion de Esfuerzos de Materiales.


Fecha 6 de octubre 2019.

2. Diferentes tipos de Esfuerzos
La Resistencia de Materiales es una rama de la Mecánica que estudia el comportamiento
de los sólidos sometidos a cargas exteriores. Dentro de la mecánica se consideran tres
campos fundamentales.

CINEMÁTICA: Estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar su masa.

ESTÁTICA: Estudia los sólidos rígidos que se encuentran en equilibrio estático.

DINÁMICA: Estudia los cuerpos en movimiento, relacionando su masa con la fuerza que
produce dicho movimiento.
Podemos observar que los tres campos de la Mecánica citados anteriormente
consideran los sólidos como cuerpos rígidos, es decir, indeformables, aunque en
realidad esto no es cierto. Los cuerpos al estar sometidos a fuerzas exteriores se
deforman.
En algunas ocasiones estas deformaciones son elásticas, es decir, una vez que dejan de
actuar las fuerzas sobre el cuerpo, éste, recupera su forma y dimensiones iniciales. En
otras ocasiones las deformaciones son permanentes y los cuerpos no vuelven a su
estado inicial.
La Resistencia de Materiales, sin embargo, estudia y relaciona las cargas exteriores y los
efectos que éstos producen sobre los cuerpos.
Veamos algunos conceptos básicos sobre resistencia de los materiales.


Resistencia y Rigidez
Se dice que un cuerpo puede resistir unas determinadas cargas cuando dicho cuerpo no se
rompe por la acción de éstas. Sin embargo, estas cargas pueden producir deformaciones en el
cuerpo que hacen que su trabajo dentro de una estructura no sea el adecuado. Es aquí donde
entra el concepto de rigidez. Un cuerpo será más rígido frente a determinadas fuerzas cuanto
menos se deforma.

Para aclarar algunas ideas consideremos un ejemplo. En la figura se representa un sistema, en
el cual se desea determinar el esfuerzo que debe soportar el cable de acero para que el
sistema permanezca en equilibrio.

3. Tipos de Esfuerzos

Dependiendo de la dirección y sentido relativos entre las
fuerzas actuantes y la posición del cuerpo sobre el cual actúan,
se consideran las siguientes formas de trabajo:

TRACCIÓN: El esfuerzo es perpendicular a la sección
transversal del cuerpo. Este tipo de esfuerzos tienden a alargar
el cuerpo.

COMPRESIÓN: El esfuerzo, al igual que en el caso anterior es
perpendicular a la sección transversal del cuerpo, pero este
esfuerzo tiende a acortar dicho cuerpo.

CIZALLADURA O CORTADURA: Cuando sobre el cuerpo actúan
fuerzas contrarias, situadas en dos planos contiguos, que tienden a
deslizar entre sí, las secciones en que actúan.

FLEXIÓN: Cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a
doblar el cuerpo. Esto produce un alargamiento de unas fibras y un
acortamiento de otras. Este tipo de esfuerzos se presentan en
puentes, vigas de estructuras, perfiles que se curvan en máquinas,
etc.
El peso que sostienen las estructuras ocasiona el surgimiento de fuerzas internas dentro
de la misma estructura, lo que hace que ésta se desproporcione o se rompa. A esta
presión deformante generada por las cargas, es a lo que se le llama esfuerzo. Existen
cinco tipos de esfuerzos: Tracción, Compresión, Flexión, Torsión y Cortante
Esfuerzo de tracción
Es la resistencia de un objeto a una fuerza que tiende a romperlo. Se calcula como la
tensión más alta que puede soportar el objeto sin romperse, y se mide en Newtons /
mm2, pero inicialmente se denotaba como toneladas / sq.

El esfuerzo se define como la fuerza por unidad de área de un material y es una medida
de la fuerza de un material. Por lo tanto, el esfuerzo de tracción se refiere a una fuerza
que intenta separar o estirar un material. Muchas de las propiedades mecánicas de un
material se pueden determinar a partir de una prueba de tracción. En una prueba de
tracción, una muestra se somete a un esfuerzo constante y se mide la tensión necesaria
para mantener esta tasa de deformación.

4. Esfuerzo = Fuerza / área de la sección transversal
tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos
fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera
que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son
normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el
cuerpo.
Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas
(estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el
estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en
las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un
alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y"
y "Z".
Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este
caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de
modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las
deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que,
cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquel recupera su longitud primitiva.
La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce
se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra
el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.
Son muchos los materiales que se ven sometidos a tracción en los diversos procesos
mecánicos. Especial interés tienen los que se utilizan en obras de arquitectura o de
ingeniería, tales como las rocas, la madera, el hormigón, el acero, varios metales, etc.
Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la
tracción. Algunas de ellas son:
• elasticidad
• plasticidad
• ductilidad
• fragilidad
Catalogados los materiales conforme a tales cualidades, puede decirse que los de
características pétreas, bien sean naturales, o artificiales como el hormigón, se
comportan mal frente a esfuerzos de tracción, hasta el punto que la resistencia que
poseen no se suele considerar en el cálculo de estructuras.
Por el contrario, las barras de acero soportan bien grandes esfuerzos a tracción y se
considera uno de los materiales idóneos para ello. El acero en barras corrugadas se
emplean en conjunción con el hormigón para evitar su fisuración, aportando resistencia
a tracción, dando lugar al hormigón armado.
Ejemplos
Cualquier elemento sometido a fuerzas externas, que tiendan a flexionarlo, está bajo
tracción y compresión. Los elementos pueden no estar sometidos a flexión y estar bajo
condiciones de tracción o compresión si se encuentran bajo fuerzas axiales.

5. Ejemplos de Tracción
• Tendido eléctrico urbano
• Cables de acero
• Puentes colgantes
• Cuerdas de instrumentos musicales como guitarra
• Carretas arrastradas por caballos o bueyes
• Tirar de una liga sujetando sus dos extremos


Esfuerzo de comprensión
Es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable,
caracterizada porque tiende a un acortamiento en determinada dirección o una
reducción de volumen. En general, cuando se somete un material a un conjunto de
fuerzas se produce tanto flexión, como cizallamiento o torsión, todos estos esfuerzos
conducen a la aparición de tensiones tanto de tracción y de compresión.

El esfuerzo de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que existen
dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una
reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada
dirección (coeficiente de Poisson). En piezas estructurales suficientemente esbeltas los
esfuerzos de compresión puede producir además abolladura o pandeo
En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto
flexión, como cizallamiento o torsión, todos estos esfuerzos conllevan la aparición de
tensiones tanto de tracción como de compresión. Aunque en ingeniería se distingue
entre el esfuerzo de compresión (axial) y las tensiones de compresión.
En un prisma mecánico el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza
resultante que actúa sobre una determinada sección transversal al eje Bari céntrico de
dicho prisma, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección de eje Bari
céntrico. Las piezas prismáticas sometidas a un esfuerzo de compresión considerable
son susceptibles de experimentar pandeo flexional, por lo que su correcto dimensionado
requiere examinar dicho tipo de no linealidad geométrica.

6. Esfuerzo de flexión

El esfuerzo de flexión se configura en una pieza, cuando ésta sufre acción de cargas
cortantes, que vengan a originar un momento flector significativo. Un elemento lineal
de estructura (viga) desarrolla sus secciones transversales con Movimiento Flector (Mf)
y Esfuerzo Cortante, siendo el movimiento flector el responsable de la flexión y el
esfuerzo cortante originado por el cizallamiento de dicha viga.

Esfuerzo de Torsión

Es la fuerza que actúa sobre un objeto hace
que el mismo gire. En la física, el torque es
una fuerza que tiende a rotar objetos, por
ejemplo, cada vez que utiliza una palanca y
aplica fuerza sobre ella cuando aprieta o
suelta los tornillos de la rueda. Al utilizar la
llave inglesa a través de un movimiento de
palanca, se crea torsión en el tornillo, que es lo que hace que sea girado. Es decir, es
esta fuerza rotacional que conceptualiza el término.
Esfuerzo Cortante
Es la cantidad de fuerza por
unidad de área perpendicular al
eje del miembro. El esfuerzo
cortante no debe confundirse
con la fuerza cortante. La
fuerza de corte es una fuerza
interna causada por una fuerza
aplicada, y está representada por diagramas de corte para todas las secciones a lo largo
de un miembro. Sin embargo, el esfuerzo cortante está en la unidad de fuerza sobre la
unidad de área.

7. Es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de momento line entre
dos partículas o sistemas de partículas (en lenguaje de la física de partículas se habla de
interacción).Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la
cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.
Para su mejor comprensión:
Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo,
le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado.
[Arquímedes] fue quien describe el concepto de fuerza originalmente, si bien
únicamente en términos estáticos. En unión de otros creyeron que el "estado natural"
de los objetos materiales en la esfera terrestre era el reposo y que los cuerpos tendían,
por sí mismos, hacia ese estado si no se actuaba sobre ellos en modo alguno. De acuerdo
con Aristóteles la perseverancia del movimiento requería siempre una causa eficiente
(algo que parece concordar con la experiencia cotidiana, donde las fuerzas de fricción
pueden pasar desapercibidas).
Galileo Galilei (1564 - 1642) sería el primero en dar una definición dinámica de fuerza,
opuesta a la de Arquímedes, estableciendo claramente la ley de la inercia, afirmando
que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza permanece en movimiento
inalterado. Esta ley, que refuta la tesis de Arquímedes, aún hoy día no resulta obvia para
la mayoría de las personas sin formación científica
Pero se considera a Isaac Newton como el primero que formuló matemáticamente la
moderna definición de fuerza, aunque también usó el término latino vis ('fuerza') para
otros conceptos diferentes. Además, postuló que las fuerzas gravitatorias variaban
según la ley de la inversa del cuadrado de la distancia
Fuerza Normal: Es la fuerza que actúa en sentido
contrario, igual al peso



Equilibrada: Es un sistema de fuerzas en el cual las
fuerzas que actúan son iguales y no hay movimiento.

8. Desequilibrada: Es un sistema de fuerzas en el cual,
cuando se suman dan más de cero.



Unidades más Usadas
kilogramo fuerza
Para evitar la confusión entre esta unidad de medida y de masa, el kilogramo, algunos
países como Austria, denomina al kilogramo fuerza con símbolo (kp) .
Dina
Unidad de medida de fuerza del Sistema CGS. En los libros alemanes también la llamada
"dina grande" que es igual a 105 dyn o sea un newton.
sthene
Unidad de medida de fuerza en el sistema MTS (metro, tonelada seg 56, poundal. Unidad
de medida de fuerza en el sistema pie-libra-segundo.
Es la fuerza que imprime una aceleración de un pie por segundo al cuadrado una masa
de una libra (UK, US) (lb(UK, US)).

Conversiones
Fuerza SÍMBOLO EQUIVALENCIA
kilogramo fuerza kgf 9,806 65 N
gramo fuerza gf 9,806 65.10
-3 N
tonelada fuerza tf 9 506,65 N
dina dyn 1.10
-5 N
libra fuerza 1bf 4,448 22 N
sthene sn 1 000 N
poundal pdl 0,135 255 N
onza fuerza ozf 0,278 014 N

9. Sistema Internacional de Unidades o SI
Este sistema es uno de los más utilizados en el mundo entero, siendo tal su apoyo que
incluso Birmania, Liberia y Estados Unidos han optado por declararlo como el sistema
prioritario o único en su legislación.
El Sistema Internacional de Unidades o SI (abreviado así del lenguaje francés Le Système
International d’Unités), también llamado en algunas partes como Sistema Internacional
de Medidas, este sistema es la forma actual del sistema métrico decimal.
Unidades básicas
El Sistema internacional de unidades posee 7 unidades básicas, estas son utilizadas para
expresar las magnitudes físicas y a partir de estas surgen otras unidades. Las 7 unidades
básicas son: Longitud, Tiempo, Masa, Intensidad de corriente eléctrica,
Temperatura, Cantidad de sustancia e intensidad luminosa.
A continuación, te presentamos una tabla en donde puedes observar las 7
Magnitudes físicas básicas, además puedes conocer su simbología y su unidad básica.

10. Sistema de unidades Ingles
Por lo general este sistema de unidades inglés o también llamado sistema imperial es
utilizado en los Estados unidos, sin embargo en los últimos 10 años Estados unidos se ha
adaptado al sistema internacional de unidades debido a que la tecnología que se
importa y exporta debe ser compatible entre sí, tanto en especificaciones como en
diseño, por lo cual este sistema está quedando obsoleto aun que en la actualidad aún
se pueden encontrar diversos equipos o materiales que basan su diseño o características
en este sistema de unidades, algunos ejemplos son: la tornillería, los cables eléctricos,
algunos productos electrónicos, etc. Debido a lo anterior mencionado es importante
aprender el sistema ingles en caso de toparse con un material que este expresado en
este sistema.
Conversión de unidades
En ocasiones para resolver un problema o diseñar algún proyecto necesitaremos
convertir unidades entre el sistema ingles y el sistema internacional, por ejemplo si
construyéramos un Drone y necesitáramos saber cuál es la altura máxima que puede
alcanzar tendríamos que calcular en base a la radio frecuencia de nuestro proyecto y la
altura seria media en pies, posteriormente podríamos convertirla a metros, quizá no sea
el mejor ejemplo de todos pero si da una idea clara de por qué es importante saber
pasar de un sistema a otro.

Prefijos y Sufijos de las Unidades de Medida
Los prefijos permiten que las cifras puedan presentarse de manera manejable.
Por ejemplo, decir o escribir que una sustancia pesa 0,000000000001g es mucho más
complicado y engorroso que decir o escribir que pesa 1pg (picogramo) o 1000ng
(nanogramos).
En general, las cifras se expresan en su manera más sencilla, de manera que cuando se
quieren comparar dos cifras es crucial que el lector conozca los prefijos y entienda las
diferencias entre ellos.
Estos son los prefijos más habituales:

p pico = 1 000 000 000 000
th
= 10
-12

n nano = 1 000 000 000
th
= 10
-9

µ micro = 1 000 000
th
= 10
-6

m mili = 1 000
th
= 10
-3

sin prefijo = 1
k kilo = 1 000 = 10
3

M Mega = 1 000 000 = 10
6

G Giga = 1 000 000 000 = 10
9

T Tera = 1 000 000 000 000 = 10
12

11. GreenFacts.org intenta en la medida de lo posible que las cifras que aparecen en sus
estudios sean comparables.

para hacer más fácil la comprensión cuando hablamos de medidas muy grandes o muy
pequeñas, se definieron unos símbolos que representan a algunas potencias de 10.
Un prefijo es una palabra o símbolo que representa una cierta potencia de 10 y que se
antepone a una unidad de medida para asignarle un valor preestablecido. Usemos
como ejemplo, una palabra o unidad de medida muy común que todos usamos, leemos
o escuchamos casi a diario: “kilómetro”. La palabra kilómetro está compuesta por la
unidad de medida de longitudes “metro” que tiene antepuesto el prefijo “kilo”.
Pues bien, el prefijo “kilo” significa o vale “1,000”, o sea 10³, con lo que “kilómetro”
significa “mil metros”. Usamos el símbolo “k” para denotar el prefijo kilo. Es más
práctico para hablar de distancias de una ciudad a otra en un viaje; para indicar el
rendimiento de combustible de un automóvil decimos: x kilómetros por hora, que
escribimos: km/h.
Como el anterior, se han definido otros prefijos que tienen un valor numérico. Siempre
potencias de 10. Los usamos cuando nos encontramos en esa situación de tener que
expresar cantidades muy grandes, incluso gigantescas, o, cantidades muy pequeñas,
diminutas.
Imagínate si tuvieras que decir en
palabras, 0.00000000000008
cuando hablas de alguna cosa…
¡Nadie entendería! Ni siquiera
sabríamos si nos hemos comido
alguna cifra. “la masa del electrón
tiene cero puntos, cero cero cero
cero cero cero cero cero cero
cero…nueve” (30 ceros). En cambio,
decimos: “la masa del electrón es
de 9.1 × 10
–31
kg (nueve x diez a la
menos treinta y uno, kilogramos).
Te dejo una tabla donde podrás
aprender estos prefijos de potencias
de 10 que se usan en los cálculos de
ciencia con las unidades de medida.

12. Prefijos y Sufijos de las Unidades de Medición.
Potencia de 10 Prefijo simbolo Ejemplo
10^24 Yotta Y Ym
10^21 Zetta Z Zm
10^18 Exa E Em
10^15 Peta P Pm
10^12 Tera T Tm
10^9 Giga G Gm
10^6 Mega M Mm
10^3 Kilo K Km
10^2 Hecta H Hm
10^1 Deca D dm


Potencia de 10 Prefijo simbolo Ejemplo
10^-24 Docto y ym
10^-21 Zepto z zm
10^-18 Atto a am
10^-15 Femto f fm
10^-12 Pico p pm
10^-9 Nano n nm
10^-6 Micro u um
10^-3 Mili m dm
10^-2 Centi c cm
10^-1 Deci d dm