Estrés y tensión

Uno puede haber descubierto que algunas cosas pueden estirarse rápidamente, pero estirar una barra de hierro parece difícil, ¿no es así? Este artículo ayuda a comprender por qué ciertas cosas son más maleables que otras. Aquí se tratan temas como las curvas de tensión-deformación porque son útiles para determinar la resistencia a la tracción de un material determinado. Cuando se aplica una fuerza deformante a un cuerpo, su longitud disminuye, como resultado de esto, las moléculas del cuerpo se separan. Como resultado de esto, el resorte se comprime ligeramente y las fuerzas intermoleculares cambian. Las fuerzas restauradoras desarrolladas en la primavera llevan estas moléculas desplazadas a sus respectivas pociones de equilibrio. En otras palabras, el cuerpo recupera su forma o longitud original en el al de la fuerza deformante. Esta propiedad del cuerpo se conoce como elasticidad . 

¿Qué es la elasticidad?

Los átomos y las moléculas en un sólido están estructurados de tal manera que las moléculas vecinas ejercen una fuerza entre sí, lo que se conoce como fuerzas intermoleculares . Una vez eliminadas las fuerzas deformantes, el cuerpo vuelve a su estructura original (longitud, forma o volumen). Este es un ejemplo de elasticidad.

La elasticidad se define como la propiedad de un cuerpo sólido en virtud de la cual recupera su configuración original (forma y tamaño) cuando se elimina la fuerza deformante externa y sobre él se denomina elasticidad. 

Cuando se elimina una fuerza deformante de un cuerpo perfectamente elástico, automáticamente y totalmente vuelve a su estado original. El cuarzo y el bronce fosforoso son ejemplos de materiales casi perfectamente elásticos . Se dice que un cuerpo es perfectamente elástico si recupera completamente su forma original cuando se elimina la fuerza deformante que actúa sobre él. No existe tal material que pueda recuperar completamente su forma original. En otras palabras, el concepto de un cuerpo perfectamente elástico es solo un concepto ideal. El acercamiento más cercano al cuerpo perfectamente elástico es la fibra de cuarzo.

Y después de que se elimina la fuerza de deformación, un cuerpo de plástico no puede volver a su tamaño y forma originales. Los cuerpos perfectamente plásticos son aquellos cuerpos que no recuperan su forma original, ni siquiera levemente, cuando se elimina la fuerza deformante. Cuando se elimina la fuerza deformante, cada material recupera parcialmente su forma original. Entonces, el concepto de un cuerpo perfectamente plástico es también un concepto ideal. La cera de parafina, la arcilla húmeda es el enfoque más cercano a los cuerpos plásticos perfectos. Así, la plasticidad es la propiedad del cuerpo material en virtud de la cual no recupera su configuración original cuando se elimina la fuerza externa que actúa sobre él.

Estrés

Se sabe que cuando se aplica una fuerza deformante a un cuerpo, las fuerzas restauradoras se desarrollan dentro del cuerpo. Por lo tanto, la fuerza restauradora por unidad de área de un cuerpo se llama tensión. 

La fuerza restauradora es igual y opuesta a la fuerza deformante aplicada al cuerpo. También se puede definir como la fuerza deformante por unidad de superficie del cuerpo.

Estrés = Fuerza deformante (F) / Área del cuerpo (A)

o 

σ = F / A  

donde, σ es la tensión aplicada, F es la fuerza aplicada y A es el área de aplicación de la fuerza

En el SI, la unidad de tensión es N/m² o Nm ^-2 , otra unidad es Pascal (Pa) .

La fórmula dimensional de la tensión es [ML ^-1 T ^-2 ].

El estrés es una cantidad escalar, es decir, sólo tiene magnitud. 

Diferentes tipos de estrés

El estrés aplicado a un material puede ser de cinco tipos. Están:

(1) Tensión normal: La tensión normal se define como la fuerza restauradora por unidad de área perpendicular a la superficie del cuerpo. Es además de dos tipos: tensión de tracción y tensión de compresión. 

La longitud de un sólido se puede cambiar de dos maneras:

• Cuando se aplican dos fuerzas iguales y opuestas en el extremo de una varilla como se muestra en la figura.
• Cuando se aplican dos fuerzas iguales y opuestas en dos extremos de la barra como se muestra en la figura.

1. Esfuerzo de tracción: cuando se aplican dos fuerzas iguales y opuestas sobre una barra circular para aumentar su longitud, se conoce como esfuerzo de tracción una fuerza restauradora igual a la fuerza aplicada F normal al área de la sección transversal de la barra . Por lo tanto, el esfuerzo de tracción se define como la fuerza restauradora o la fuerza deformante que actúa por unidad de área perpendicular a la sección transversal del cuerpo.
2. Esfuerzo de compresión Cuando se aplican dos fuerzas iguales y opuestas en los extremos de una barra como se muestra en la figura (h) para disminuir su longitud o la longitud de la barra se conoce como esfuerzo de compresión . Este esfuerzo de compresión se define como la fuerza restauradora o la fuerza deformante que actúa por unidad de área perpendicular al arconte del cuerpo. Eso es Tensión de compresión A en Bajo tensión de tracción o tensión de compresión, la fuerza neta que actúa sobre un objeto es cero, pero el objeto se deforma. Esfuerzo de tracción o esfuerzo de compresión y también denominado esfuerzo longitudinal . 

(2) Esfuerzo tangencial o esfuerzo cortante : cuando dos fuerzas iguales y opuestas actúan a lo largo de las tangentes a las superficies de las caras opuestas de un objeto, entonces una cara del objeto se desplaza con respecto a la otra cara como se muestra en la figura. En este caso, el objeto se encuentra bajo un esfuerzo conocido como esfuerzo tangencial o esfuerzo cortante . Así, el esfuerzo tangencial o esfuerzo cortante se define como la relación entre la fuerza tangente a la superficie y el área de la superficie. 

(3) Estrés a granel o estrés de volumen o estrés hidráulico: cuando un objeto se sumerge en un fluido (líquido o gas), el fluido ejerce una fuerza sobre las superficies del objeto como se muestra en la figura. Como resultado de esto, el volumen del objeto disminuye y el objeto está bajo un estrés conocido como estrés a granel o estrés hidráulico. 

Presion

La relación entre el cambio en la configuración (es decir, forma, longitud o volumen) con respecto a la configuración original del cuerpo se denomina deformación .

La tensión lo dice claramente como la cantidad de deformación experimentada por el cuerpo en la dirección de la fuerza aplicada, separada por las proporciones originales del cuerpo. La relación para la deformación en términos de la longitud de un sólido se da a continuación:

Deformación (ϵ) = Cambio en la configuración (δl) / Configuración original (L)

o

ϵ = δl / L

donde ϵ es la deformación debida al esfuerzo aplicado, δl es el cambio de longitud y L es la longitud original del material.

La deformación es una cantidad adimensional , ya que solo define el cambio relativo de forma.

Diferentes tipos de tensión

Hay tres tipos de tensión: 

(1) Deformación longitudinal: este tipo de deformación se produce cuando el cuerpo está bajo tensión de tracción o tensión de compresión. Se define como la relación entre el cambio de longitud y la longitud original del cuerpo. Considere una barra de longitud L. Cuando la barra está bajo esfuerzo de tracción o de compresión, el cambio en su longitud es △L. 

Deformación longitudinal = Cambio de longitud (△L) / Longitud original (L)

(2) Deformación volumétrica: Este tipo de deformación se produce cuando el cuerpo está bajo tensión volumétrica o tensión hidráulica. Deformación longitudinal longitud original o deformación longitudinal definida como la tasa de cambio de volumen respecto al volumen original del cuerpo. 

Si △V es el cambio de volumen o V ₀ – V, donde V ₀ es el volumen original y V es el volumen del cuerpo bajo tensión aparente.

Deformación volumétrica = – △V / V

Un signo negativo muestra que el volumen disminuye cuando el cuerpo está bajo estrés volumétrico.

( 3) Deformación por cizallamiento: Este tipo de deformación se produce cuando el cuerpo está bajo tensión tangencial o tensión de cizallamiento. se define como el ángulo (θ) que gira la cara de un cuerpo originalmente perpendicular a la cara fija cuando está bajo el esfuerzo cortante.

tanθ = x / L

Problemas de muestra

Problema 1: Un cuerpo está bajo esfuerzo de tracción, su longitud original era L m, después de aplicar el esfuerzo de tracción su longitud se convierte en L/4 m. Calcule la tensión de tracción aplicada al cuerpo.

Solución:

Dado que, 

La longitud original es L m. 

El cambio en la longitud = L – L/4 = 3L/4

Dado que la deformación longitudinal = cambio de longitud/longitud original =△L/L

                                               = (3L/4)/L

                                               = 0,75

                   

Problema 2: Un alambre de cobre de 2,5 m de longitud tiene un porcentaje de deformación de 0,012 % bajo una fuerza de tracción. Calcular la extensión en el alambre.

Solución:

Dado que, La longitud original es de 2,5 m.

La tensión = △L/L = 0,012 %

                             =0.012/100

                      △L = (0,012/100) x 2,5

                            = 0,3 metros

Problema 3: Dada la fuerza deformante de 150 N aplicada sobre un cuerpo de área de sección transversal de 10 m ² . Calcular el estrés en el cuerpo.

Solución:

Dado que,

Estrés = Fuerza deformante / Área del cuerpo

         = F/A

        = 150/10

       = ¹⁵ N/m2

Problema 4: ¿Por qué los puentes se declaran inseguros después de mucho tiempo de uso?

Solución:

Debido a la tensión y la tensión repetidas, el material utilizado en los puentes pierde fuerza elástica y, en última instancia, puede colapsar. Por eso los puentes se declaran inseguros después de mucho tiempo de uso.

Ejemplo 5: Escriba la causa de la restauración de la tensión en un alambre comprimido estirado.

Solución:

La tensión restauradora es causada por la atracción interatómica en un alambre estirado y por la repulsión interatómica en un alambre comprimido.