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RESISTENCIA DE MATERIALES






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RESISTENCIA DE MATERIALES. INGENIERÍA EN PREVENCIÓN DE RIESGOS. PROFESOR: JORGE BRAVO G. Introducción. En Ingeniería, se requiere el uso de materiales apropiados para la construcción de obras civiles, edificaciones y maquinarias.
RESISTENCIA DE MATERIALES

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RESISTENCIA DE MATERIALES

INGENIERÍA EN PREVENCIÓN DE RIESGOS

PROFESOR: JORGE BRAVO G.

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Introducción

  • En Ingeniería, se requiere el uso de materiales apropiados para la construcción de obras civiles, edificaciones y maquinarias.

  • Sin embargo, se requiere también definir un sistema de unidades de medida con el que se trabajará.

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Sistemas de Unidades

  • Existen dos sistemas de unidades principales:

  • Sistema Métrico:Aceptado internacionalmente, se conoce por el nombre Sistema Internacional de unidades, el cual se abrevia SI.

  • Sistema Anglosajón:de uso en los EEUU, cuyo nombre es English Gravitational Unit System (EGU). Lo que significa unidades gravitacionales inglesas.

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Unidades

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Fuerzas

  • De acuerdo a las Leyes de Newton, a toda acción corresponde una reacción.

  • Cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo sólido y este permanece estático, se produce una reacción interna que equilibra la fuerza externa.

  • La magnitud de la reacción interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformación.

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Efecto de una Fuerza sobre un Sólido

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Efecto de una Fuerza sobre un Sólido

  • La magnitud de la reacción en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partículas que resisten la acción de esa fuerza.

  • La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el área transversal a la dirección en que actúa la fuerza.

  • La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A

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Resistencia de Materiales

  • Se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de cargas externas que actúan sobre un sistema deformable.

  • Calcula las deformaciones correspondientes y las relaciones que existen entre la acción de las cargas externas y las fuerzas internas inducidas.

  • En base al análisis, concluye si una pieza es capaz de resistir un sistema de cargas propuesto.

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Materiales de Construcción y Montaje

  • Los principales materiales de construcción son:

    • Acero: Muy utilizado en instalaciones industriales.

    • Hormigón Armado: Hormigón con barras de refuerzo de acero. Muy utilizado en la construcción de edificios.

    • Madera: Se utiliza en instalaciones provisorias y como parte de la estructura de viviendas. No tiene un uso masivo en Chile.

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Acero

  • El acero es una aleación de hierro y carbono, donde este último no supera el 2,1% en peso.

  • Es un metal muy duro y tenaz, pero también es dúctil, es decir, se deforma antes de romperse, por lo que es un muy buen material de construcción.

  • Existen perfiles normalizados para vigas, columnas, y otros elementos estructurales.

  • Su densidad es de alrededor de 7.850 kg/m3.

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Acero

Ejemplo de estructura de acero

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Hormigón Armado

  • El hormigón corresponde a una mezcla de cemento, arena, agua y áridos (piedras) con una dosificación determinada.

  • El hormigón en masa es un material rígido y duro, que una vez fraguado resiste esfuerzos de compresión considerables.

  • No obstante, el hormigón no tiene buena resistencia a la tracción, por lo que se combina con barras de acero, las que resisten esos esfuerzos.

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Hormigón Armado

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Madera

  • La madera es un material estructural caracterizado por su ligereza, su resistencia y su calidad de recurso renovable.

  • La madera es un material anisotrópico, es decir, presenta distintas propiedades en cada dirección.

  • En la dirección longitudinal a las fibras, su resistencia es mucho mayor que en dirección transversal.

  • Sus desventajas son su poca durabilidad en ambientes agresivos y su baja resistencia al fuego.

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Madera

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Ensayos Mecánicos

a) Estáticos; que simulan el comportamiento del material con pequeñas velocidades de aplicación de las cargas:

                       . Tracción                        . Compresión                       . Dureza

b) Dinámicos; que modelizan el comportamiento frente a cargas variables con el tiempo:

                        . Fatiga                         . Resiliencia

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Algunos Conceptos

  • Ductilidad: Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse.

  • Es una característica muy importante en el diseño, puesto que un material dúctil es usualmente muy resistente a cargas por impacto.

  • Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse visible su gran deformación.

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Algunos Conceptos

  • Elasticidad: Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación.

  • Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico.

  • Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por un objeto duro.

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Algunos Conceptos

  • Fragilidad: Es lo opuesto de ductilidad.

  • Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso.

  • Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil.

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Algunos Conceptos

  • Maleabilidad: Es la propiedad que permite que un material se deforme mediante martilleo, rolado o prensado, sin romperse. La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el metal esta caliente.

  • Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma.

  • Carga: Las cargas son fuerzas externas que actúan sobre las estructuras. Los tipos de carga más habituales son:

    • 7.1 Los pesos situados sobre las estructuras.

    • 7.2 El peso de la propia estructura.

    • 7.3 La presión del agua.

    • 7.4 La fuerza del viento.

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Algunos Conceptos

Esfuerzo (σ): Fuerza aplicada a un área A conocida (kg/cm2).

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Tracción y Compresión

8.1 Esfuerzo de Tensión o Tracción: Los extremos del material son estirados hacia afuera para alargar al objeto.

8.2 Esfuerzo de Compresión: Los extremos del material son empujados para contraer al mismo.

TRACCIÓN

COMPRESIÓN

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Corte

8.3 Esfuerzo de Corte: Ocurre cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a cortarlo o desgarrarlo. En este caso, la superficie de corte es perpendicular a la fuerza aplicada.

CORTE

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Flexión

8.4 Esfuerzo de Flexión: Ocurre cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblarlo. En este caso, una parte del cuerpo se comprime y la otra se tracciona.

FLEXIÓN

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Torsión

8.5 Esfuerzo de Torsión: Ocurre cuando sobre el cuerpo actúan fuerzas que tienden a retorcerlo. Un caso es cuando se usa una llave para abrir una puerta.

TORSIÓN

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Esfuerzos en la Práctica

  • FLEXIÓN

  • TRACCIÓN

  • FLEXIÓN

  • COMPRESIÓN

  • CORTE

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Deformaciones

9. Deformación Unitaria (ε):

Consideremos a la barra de sección constante que soportan una carga axial P en su extremo.

Bajo la acción de la carga, la barra sufrirá una deformación que denominaremos con la letra griega  (delta)

  • (épsilon): deformación unitaria

  • : deformación total (LF – LI )

    L : longitud original

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Deformaciones

  • Deformación (Unitaria) Elástica

  • Deformación restaurable, debido a un esfuerzo aplicado. Se presenta tan pronto como se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza.

  • Deformación Plástica

  • Deformación permanente de un material, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original.

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Ensayo de Tensión en Metales

  • El Ensayo de Tensión mide la resistencia de un material (metales, aleaciones y plásticos) a una fuerza estática o aplicada lentamente,

  • Este ensayo es utilizado para determinar la resistencia, ductilidad y elasticidad del metal.

  • El ensayo de tensión se realiza bajo la norma ASTM E-8 o bien la norma chilena NCH 200, entre otras.

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Ensayo de Tensión

Probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

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Ensayo de Tensión

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

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Esfuerzo y Deformación

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Esfuerzo Real y Deformación Real

Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción está indicada en el punto M.

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Resistencia a la Tracción (σmáx)

  • Esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada.

  • Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material.

  • Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles.

Estricción: Reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación

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Esfuerzo de Ruptura (σr)

  • Es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la fractura del material.

  • La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta por estricción, la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción

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Diagrama Tensión-Deformación

Ensayamos a tracción una probeta de un determinado material. Para distintos valores de la carga medimos la tensión () y la deformación unitaria (ε) producidas. Representando gráficamente, se obtiene el siguiente diagrama.

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Conceptos Tensión-Deformación

Zona Elástica: Es la parte donde al retirar la carga el material regresa a su forma y tamaño inicial.

Zona de Fluencia: Región en donde el material se comporta plásticamente; es decir, en la que continúa deformándose bajo una tensión “constante”.

Zona de Endurecimiento: Zona en donde el material retoma tensión para seguir deformándose; va hasta el punto de tensión máxima.

Zona de Estricción: En éste último tramo el material se va poniendo menos tenso hasta el momento de la fractura.

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Conceptos Tensión-Deformación

Límite proporcional: Tensión máxima para la cual la deformación es proporcional a la tensión.

Módulo de Elasticidad (E): Relación entre la tensión y la deformación del acero. Válida hasta el límite proporcional.

Tensión de Fluencia: Tensión para la cual el material se comporta plásticamente, el cual fluye a un valor constante de tensión.

Límite Elástico: Tensión máxima para la cual la deformación es completamente recuperable. Pasado ese valor, queda una deformación permanente.

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Ejemplo Diagrama Tensión-Deformación

Diagrama Tensión-Deformación para una aleación de aluminio

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Ley de Hooke

  • Para materiales sometidos a esfuerzos tensionantes, a relativamente bajos niveles, el esfuerzo y la deformación son proporcionales

  • La constante E es conocida como el Módulo de Elasticidad, o Módulo de Young. Es una medida de la rigidez de un material.

  • Es medida en MPa y puede valer de ~4.5 x 104 a 4 x 107 MPa

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Esfuerzo Cortante (τ)

  • El Esfuerzo Cortante es usado en aquellos casos donde se aplican fuerzas puramente torsionantes a un objeto y se denota por el símbolo τ.

  • La fórmula de cálculo y las unidades permanecen iguales como en el caso de esfuerzo de tensión.

  • Se diferencia del esfuerzo de tensión sólo en la dirección de la fuerza aplicada (paralela para cortante y perpendicular para tensión).

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Esfuerzo Cortante y Deformación

  • Deformación de Corte o Cizalle (γ) es definida como la tangente del ángulo θ y, en esencia, determina qué extensión del plano fue desplazado.

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Esfuerzo Cortante y Deformación

  • El Esfuerzo Cortante y la Deformación se relacionan de manera similar, pero con una constante de proporcionalidad diferente.

  • La constante G es conocida como el Módulo de Corte y relaciona el Esfuerzo Cortante con la deformación en la región elástica.

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Coeficiente de Poisson (ν)

  • Cuando un cuerpo es colocado bajo un esfuerzo tensionante, se crea una deformación acompañante en la misma dirección.

  • Como resultado de esta elongación, habrá constricciones en las otras dos direcciones.

  • El Coeficiente de Poisson (ν) es la relación entre las deformaciones lateral y axial.

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Coeficiente de Poisson (ν)

  • Teóricamente, los materiales isotrópicos tienen un valor de Coeficiente de Poisson de 0.25.

  • El máximo valor de ν es 0.5

  • No hay cambio de volumen durante el proceso.

  • La mayoría de los metales presentan valores entre 0.25 y 0.35.

  • Se usa además para relacionar los Módulos Elástico y de Corte.

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Resiliencia

  • Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga (área bajo la curva elástica).

  • Módulo de resiliencia: corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen, requerida para llevar el material desde una tensión cero hasta el límite elástico.

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Tenacidad

  • Capacidad de absorber energía en el campo plástico, antes de fracturarse (trabajo de fractura).

  • Se determina como el área bajo la curva esfuerzo-deformación ingenieril. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura

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Convención de Signos

Esfuerzo Axial Simple:

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Tensión Admisible

  • Es un valor que indica el nivel máximo de solicitación al cual puede trabajar un material.

  • La tensión de trabajo no debe sobrepasar la tensión admisible.

  • Este valor se determina arbitrariamente, aunque procurando no sobrepasar el rango elástico del material, pues de otro modo, podría sufrir deformaciones permanentes

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Factor de Seguridad

  • Es un valor que permite reducir los niveles de incertidumbre en los cálculos de Ingeniería. Este coeficiente debe ser mayor a 1.

  • Este valor relaciona la resistencia que posee el material con las cargas a las que va a estar sometido.

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Elasticidad Volumétrica

  • Al igual que en el caso lineal, existen módulos de elasticidad de área y volumen.

  • Para el caso del módulo de elasticidad de volumen, se tiene lo siguiente.

B = - (F/A)/ (V/V)

B = - P/ (V/V)

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Expansión Térmica

  • Corresponde a las variaciones de dimensión en un material producto de los cambios de temperatura en el mismo. Y la ecuación es la siguiente:

En donde:

Expansión Térmica

Coeficiente de Expansión Térmica

Longitud inicial del miembro

Cambio de temperatura

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Expansión Térmica

  • Coeficiente de expansión térmica (α): es la propiedad de un material que indica la cantidad de cambio unitario dimensional con un cambio unitario de temperatura.

  • Las unidades en que se exprese el coeficiente de expansión térmica son:

E.U.G

SI

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Deformación que Causa la Expansión Térmica

Esfuerzo Térmico: Estos esfuerzos se generan cuando a un elemento sometido a cambios de temperaturas se le sujeta de tal modo que impida la deformación del mismo, esto genera esfuerzos en la pieza.

Recordando que:

Por la Ley de Hooke:

En donde:

Expansión Térmica

Coeficiente de Expansión Térmica

Módulo de elasticidad

Cambio de temperatura

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CENTRO DE MASA

  • El Centro de Masa es el punto en donde se considera que se encuentra concentrada la masa de un cuerpo.

  • Es un punto único, independiente de la posición y orientación del sólido.

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y

m4

m3

r4

m2

m5

x

r1

r6

m6

m1

CENTRO DE MASA

  • Para un conjunto de masas puntuales, el Centro de Masa se calcula:

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y

rCM

x

z

CENTRO DE MASA

  • Para una distribución continua de masa, el Centro de Masa se calcula:

r

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MOMENTO DE INERCIA

Es la forma en que se distribuye la masa en torno al eje de giro.

Por ejemplo, para una misma varilla que gira en torno a dos ejes distintos, los momentos de inercia también son distintos.

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MOMENTO DE INERCIA

Se ha definido el momento de inercia de un objeto con respecto al ejez como:

Caso Sistema Discreto (masas puntuales)

Caso Sistema Continuo (masa distribuida)

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MOMENTO DE INERCIA: EJEMPLOS

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TEOREMA DE STEINER

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MOMENTO DE INERCIA DE SECCIONES PLANAS

  • En general, el momento de inercia es aplicable a cuerpos con una masa definida que rotan alrededor de un eje.

  • Sin embargo, el concepto también es aplicable a áreas de secciones de cuerpos.

  • En otras palabras, se pueden reemplazar los términos de masa por términos de superficie cuando lo que rota es una sección completa (flexión de una viga, por ejemplo).

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MOMENTO DE INERCIA DE SECCIONES PLANAS

  • Recordando, en el caso de un sistema distribuido y continuo, el momento de inercia respecto al eje Z es:

  • Para el caso de secciones, sólo se reemplaza dm por dA

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MOMENTO DE INERCIA DE SECCIONES PLANAS

  • Esto significa que si tenemos una superficie o sección completa que rota alrededor de un eje, los momentos de inercia en X, en Y y en Z serán los siguientes:

  • Se debe notar que el momento de inercia en Z corresponde a la suma de los momentos de inercia en Y y en X.

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MOMENTO POLAR DE INERCIA

  • A Iz se le denomina “Momento Polar de Inercia”, pues la sección gira en torno al eje Z, es decir, gira dentro del plano XY.

  • El momento polar de inercia (M.P.I.) se aplica en caso de Torsión de un cuerpo (torsión en la sección de un cuerpo).

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TORSIÓN

  • En el caso en que se aplique torsión sobre un cuerpo, éste no gira uniformemente alrededor de un eje, sino que el giro varía linealmente según la longitud del cuerpo.

    Ej: Sea un cilindro macizo de sección circular de radio R y longitud L, sometida a un momento torsor:

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TORSIÓN

  • Considerando la igualdad de arcos entre los puntos a y b, según el radio R y la generatriz L, se deduce lo siguiente:

    Rθ ≈ γL(1)

  • Donde θ es el ángulo de torsión, y γ es la deformación angular por cortante.

  • Para determinar el esfuerzo cortante máximo τmáx del material, se puede utilizar la ley elástica de Hooke para la torsión, que establece:

  • τmáx = G.γ(2)

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TORSIÓN

  • Si los esfuerzos cortantes no sobrepasan el límite de proporcionalidad, dicho esfuerzo se distribuye linealmente, siendo cero en el eje central de la probeta y logrando un valor máximo en la periferia.

  • Así, es posible utilizar otra fórmula para calcular el esfuerzo cortante máximo, la cual considera el momento torsor T aplicado y el momento polar de inercia J de la sección de la pieza que resiste la torsión:

    (3)

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TORSIÓN

  • En el caso de secciones circulares macizas de radio R, el momento polar de inercia J es:

    (4)

  • Por lo tanto, el esfuerzo cortante en la periferia del cilindro es igual a:

    (5)

  • Igualando las ecuaciones (2) y (3), finalmente permite obtener:

    (6)

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TORSIÓN

  • De la ecuación (1) se puede obtener una expresión para el ángulo γ en función del ángulo de torsión θ, el que se sustituye en la ecuación (4) para llegar a :

  • Este valor se sustituye en la ecuación (4) para llegar a :

  • El valor del ángulo θ es:

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ALGUNOS EJEMPLOS DE M.P.I.


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