Ensayo de foto elasticidad de tensiones de materiales

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del poder popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica
De la fuerza Armada Nacional
UNEFA
Núcleo Sucre - Sede Cumaná
Profesor:
ING. Cesar Castañeda
Cumaná, Mayo de 2015
Realizado por:
Noelka
Michael
Carlos
Virginia
Jesús
MaYluis
Aníbal
.
5Toº semestre
ING. Naval
ENSAYO DE UN GANCHO
DE
TRACCIÓN FOTOELASTICAS

2. INTRODUCCIÓN
La fotoelasticidad es un método para el análisis y el registro de tensiones
mecánicos en componentes constructivos, se utiliza tanto para la medición
cuantitativa como para la demostración de estados de tensión complejos. La
fotoelasticidad fue desarrollada a principios del siglo XX con las obras de EGCoker y
GNL Filón de la Universidad de Londres.
Existen dos métodos de realizar el ensayo de fotoelasticidad uno de ellos es
la transmisión la cual consiste en reproducir la pieza de estudio con un material
birrefringente, por otro lado esta el método de reflexión el cual más usado últimamente
consiste en adherir un plástico especial sensible al esfuerzo en la parte de estudio.
Cuando se aplican las cargas de prueba o servicio, se ilumina la pieza de ensayo con una
luz polarizada desde un polariscopio. Cuando se ve a través del polariscopio, los
esfuerzos se muestran en colores, se revela la distribución total de esfuerzos y se
determinan las áreas con altos esfuerzos, el método se basa en la propiedad de la
birrefringencia exhibida por ciertos materiales transparentes; la propiedad de la
birrefringencia se observa en muchos cristales ópticos.
La polarización se define como la orientación específica del campo eléctrico
de la onda luminosa. Con el uso de luz polarizada se estudia la distribución de las
tensiones en cuerpos planos transparentes (modelos de polímeros).

3. HISTORIA
El fenómeno fotoelástico fue descrita por primera vez por el físico escocés
David Brewster. Fotoelasticidad desarrollada a principios del siglo XX con las
obras de EGCoker y GNL Filón de la Universidad de Londres. Su libro sobre el
Tratado Fotoelasticidad publicado en 1930 por la Cambridge Press se convirtió en
un texto estándar sobre el tema. Entre 1930 y 1940 muchos otros libros en ruso,
alemán y francés apareció en el tema.
Al mismo tiempo se produjo un gran desarrollo en el campo. Grandes mejoras
se lograron en la técnica y el equipo se simplificó. Con la mejora en la tecnología
del alcance de la fotoelasticidad se extendió a tres dimensiones estado de estrés.
Muchos de los problemas prácticos se resuelven usando fotoelasticidad, y pronto
se hizo popular. Se establecieron una serie de laboratorios fotoelásticos en las
instituciones educativas y las industrias.
Con la llegada de polariscopio digital con diodos emisores de luz, la vigilancia
continua de las estructuras bajo carga se hizo posible. Esto condujo al desarrollo
de la fotoelasticidad dinámico. Fotoelasticidad dinámica ha contribuido en gran
medida al estudio de fenómenos complejos como la fractura de materiales.
LA FOTOELASTICIDAD
La fotoelasticidad es un método de probada eficacia para el análisis y el
registro de tensiones mecánicos en componentes constructivos. Se utiliza tanto
para la medición cuantitativa como para la demostración de estados de tensión
complejos. Como componentes se utilizan modelos de polímeros transparente y
birrefringente, que bajo carga mecánica tiene un efecto de doble refracción óptica.
El equipo de ensayo consta de los siguientes componentes: fuente de luz,
cuatro filtros (para generar luz polarizada circularmente) y un bastidor en el que se
fijan y someten a carga los modelos. La fuente de luz permite obtener
opcionalmente imágenes de tensión en color, si se trabaja con luz blanca, o bien
una representación en claro-oscuro si se trabaja con luz monocromática. La
combinación de un filtro de polarización y una placa de cuarto de onda genera luz
polarizada circularmente. Detrás del modelo se encuentra una segunda placa de
cuarto de onda (en posición cruzada respecto a la primera) combinada con un
segundo filtro de polarización.
Con un dispositivo de carga se aplica al modelo carga de flexión, las
tensiones que se producen en el modelo se ven como zonas más claras que
hacen visible la distribución de las tensiones. Para determinar la diferencia de las
tensiones principales se analiza el orden de las líneas isocromáticas oscuras.

4. EXISTEN DOS MÉTODOS DE REALIZAR EL ENSAYO DE
FOTOELASTICIDAD:
 Transmisión
 Reflexión
El primero consiste en reproducir la pieza o estructura de estudio con un
material birrefringente, el segundo y más usado últimamente consiste en adherir
un plástico especial sensible al esfuerzo en la parte de estudio.
Cuando se aplican las cargas de prueba o servicio, se ilumina la pieza de
ensayo con una luz polarizada desde un polariscopio. Cuando se ve a través del
polariscopio, los esfuerzos se muestran en colores, se revela la distribución total
de esfuerzos y se determinan las áreas con altos esfuerzos. Con un transductor
óptico (compensador) unido al polariscopio, el análisis de esfuerzo cuantitativo
puede ser rápidamente y fácilmente realizado. Los registros permanentes de la
distribución de esfuerzos global pueden ser hechos por fotografía o por grabación
de video.
El método se basa en la propiedad de la birrefringencia exhibida por ciertos
materiales transparentes. Birrefringencia es una propiedad que un rayo de luz que
pasa a través de un material birrefringente experimenta dos índices de refracción.
La propiedad de la birrefringencia se observa en muchos cristales ópticos. Tras
la aplicación de tensiones, materiales fotoelásticos exhiben la propiedad de
birrefringencia, y la magnitud de los índices de refracción en cada punto en el
material y está directamente relacionada con el estado de tensiones en ese punto.
La información tal como esfuerzo cortante máximo y su orientación están
disponibles mediante el análisis de la birrefringencia con un instrumento llamado
polariscopio, el cual es un aparato que permite ver las tensiones internas de un
material.
BIRREFRINGENCIA
El método foto-elástico está basado en una importante propiedad, que poseen
ciertos materiales, la cual consiste en descomponer un haz de luz en dos
componentes ortogonales y transmitirlas a diferentes velocidades. Esto es
conocido como birrefringencia o doble refracción.
La propiedad de la birrefringencia se observa en muchos cristales ópticos. Tras
la aplicación de tensiones, materiales fotoelásticos exhiben la propiedad de
birrefringencia, y la magnitud de los índices de refracción en cada punto en el
material y está directamente relacionada con el estado de tensiones en ese punto.
La información tal como esfuerzo cortante máximo y su orientación están

5. disponibles mediante el análisis de la birrefringencia con un instrumento llamado
polariscopio, el cual es un aparato que permite ver las tensiones internas de un
material.
LUZ POLARIZADA.
La luz o rayos luminosos son vibraciones electromagnéticas similares a ondas
de radio. Una fuente incandescente emite energía radiante la cual se propaga en
todas direcciones y contiene un espectro completo de vibraciones de diferentes
frecuencias o longitud de ondas. Una porción de este espectro, longitudes de onda
entre 400 y 800 mm (15 y 30 x 10-6 pulgadas), es útil dentro de los límites de
perfección humana.
La vibración asociada con luz es perpendicular a la dirección de propagación.
Una fuente de luz emite un trende ondas conteniendo vibraciones en todos los
planos perpendiculares. Sin embargo, con la introducción de un filtro polarizado
(P), solamente una componente de estas vibraciones será transmitida (aquella que
es paralela al eje privilegio del filtro). Un haz organizado es llamado luz polarizada
o plano polarizado porque la vibración está contenida en un plano. Si otro filtro
polarizado (A) es localizado en su camino, una extinción completa del haz puede
ser obtenido cuando los ejes de los dos filtros son perpendiculares uno a otro.
Con el uso de luz polarizada se estudia la distribución de las tensiones en
cuerpos planos transparentes (modelos de polímeros). Los filtros de polarización
permiten representar en color la distribución de las tensiones. Se hacen
perfectamente visibles el efecto de las entalladuras, la carga puntual así como los
criterios para el diseño constructivo delos componentes.
FOTOELASTICIDAD BIDIMENSIONAL
Fotoelasticidad se puede aplicar tanto a tres dimensiones estado dimensional y
dos de estrés. Pero la aplicación de la fotoelasticidad a las tres dimensiones de
estado de esfuerzos es más complicada en comparación con el estado de sistema
bidimensional o esfuerzo plano. Aplicación de la fotoelasticidad en la investigación
de un sistema de tensión plana. Esta condición se consigue cuando el espesor del
prototipo es mucho más pequeño en comparación con las dimensiones en el
plano. Así, uno sólo se ocupa de tensiones que actúan en paralelo al plano del
modelo, como otros componentes de la tensión son cero. El montaje experimental
varía de un experimento a otro. Los dos tipos básicos de configuración utilizados
son polariscopio plano y polariscopio circular.
El principio de funcionamiento de la fotoelasticidad bidimensional permite la
medición de retraso, que puede ser convertido a la diferencia entre la primera y

6. segunda tensión principal y su orientación. Para obtener más valores de cada
componente de la tensión, se requiere una técnica llamada de estrés separación.
Se utilizan varios métodos teóricos y experimentales para proporcionar
información adicional para resolver componentes de esfuerzo individual.
DEMOSTRACIÓN FOTOELÁSTICA DE TENSIONES
Con ayuda de la elasticidad se pueden representar de forma ilustrativa
tensiones y concentraciones de tensiones en modelos de componentes. Con el
uso de luz polarizada se estudia la distribución de las tensiones en cuerpos planos
transparentes (modelos de polímeros).
Los filtros de polarización permiten representar en color la distribución de las
tensiones. Se hacen perfectamente visibles el efecto de las entalladuras, la carga
puntual así como los criterios para el diseño constructivo de los componentes.
Adicionalmente hay disponibles otros modelos con los que se pueden
representar distribuciones de tensiones en uniones roscadas, rodamientos, llaves
fijas y flancos de dientes. Todas las piezas componentes del ensayo se guardan
de forma racional y bien protegidas en un sistema de almacenamiento.
El material didáctico, bien estructurado, representa los fundamentos y guía
paso a paso por los distintos ensayos.
ESPECIFICACIÓN
[1] Ensayos fotoelásticos de tensiones con polariscopio de retroproyector.
[2] El polarizador y el analizador constan respectivamente de un filtro de
polarización y un filtro de cuarto de onda.
[3] Filtros encastrado, con acristalado exento de tensión.
[4] Todos los filtros se pueden girar discrecionalmente en el plano horizontal.
[5] Se puede trabajar con luz polarizada lineal o circularmente.
[6] Filtro verde para luz monocromática.
[7] Dispositivo de carga con dinamómetro para carga de compresión y tracción.
[8] 8 modelos de policarbonato (PC) distintos incluidos en el suministro.
[9] sistema para almacenar las piezas.

7. LAS PARTES DEL POLARISCOPIO CON F 210 CONSTAN COMO SE
MUESTRA EN LA SIGUIENTE FIGURA:
1. Filtro verde. 2. Analizador.
3. Polarizador.
4. Retroproyector (FL 210.01).
5. Bastidor.
6. Dispositivo de carga con dinamómetro.
7. Modelo de polímero.
REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA DEMOSTRACIÓN
FOTOELÁSTICA:
1 fuente de luz, 2 polarizador, 3 luz linealmente polarizada, 4 modelo bajo
Carga, 5 luz descompuesta en dos componentes de la dirección de la tensión
Principal, 6 analizador, 7 fracciones horizontales de la luz.
POLARISCOPIO DE TRASMISIÓN
Para medidas foto-elásticas en los campos de la enseñanza, ambientes de
la industria y de la investigación.
El MT 3100 sirve para medir el esfuerzo mecánico y para estudiar el
esfuerzo resultando de cambios geométricos en modelos plomados. Este aparato
ha sido construido en colaboración con el Instituto Nacional de Investigaciones
Aeronáuticas de Suecia. Para medidas foto-elásticas, la luz pasa por un modelo
de plástico del objeto del ensayo, mientras se aplica una carga al modelo. En
general, la fotoelasticidad sirve para estudiar los objetos, sometidos a un esfuerzo
en dos direcciones planas (biaxial) pero también sirve para esfuerzos en tres
direcciones espaciales (triaxial).

8. ESPECIFICACIONES
[1] Representación de curvas de tensiones mecánicas en ensayos de
fotoelasticidad.
[2] 2 filtros de polarización lineales como polarizador y analizador.
[3] 2 filtros de cuarto de onda para generar luz circularmente polarizada.
[4] Todos los filtros con escala de ángulos de 360° e identificación del eje óptico
principal.
[5] Luz blanca generada con un tubo fluorescente y dos bombillas.
[6] Luz monocromática (color amarillo) generada con lámpara de vapor de sodio.
[7] Filtros alojados en rodillos y girables.
[8] La posición de los travesaños del bastidor se puede variar en dirección vertical.
[9] Generación de fuerzas de compresión o tracción con ayuda de un husillo
roscado.
[10] Modelos prefabricados de policarbonato (PC) para demostraciones,
disponibles como accesorios.

9. 1._Fuente de luz
2._Filtro de polarización como
polarizador,
3._Filtro de cuarto de onda
4._Bastidor para fijar y someter a carga
los modelos.
5._Filtro de polarización como
Analizador.
6._Filtro de cuarto de onda.
7._Modelo sometido a carga (FL 200.03)
Accesorio
MT 3101, juego modelo A, comprende: viga
perforada, barra, elemento de flexión solapamiento
MT 3101, Juego de modelo A
MT 3103, juego modelo B, comprende: eje, gancho
de grúa, probeta y llave para tuercas
MT 3103, Juego de modelo B
POLARISCOPIO PLANO
La instalación consta de dos polarizadores lineales y una fuente de luz. La
fuente de luz o bien puede emitir luz monocromática o luz blanca dependiendo del
experimento. En primer lugar la luz pasa a través del primer polarizador que
convierte la luz en luz polarizada plana. El aparato está configurado de tal manera
que este plano de la luz polarizada a continuación, pasa a través de la muestra

10. esforzada. Esta luz se sigue, en cada punto de la muestra y la dirección del
esfuerzo principal en ese momento. La luz luego de pasar por el analizador se
obtiene el patrón de franjas.
El patrón de interferencia en una instalación polariscopio plano formado por
ambos isocromática y las isóclinas. Las isóclinas cambian con la orientación del
polariscopio, mientras que no haya ningún cambio en las isocromáticas.
POLARISCOPIO CIRCULAR
En una configuración de polariscopio circular de dos placas de cuarto de onda
se añaden a la configuración experimental del polariscopio plano. La primera placa
de cuarto de onda se sitúa entre el polarizador y el espécimen y la segunda placa
de cuarto de onda se coloca entre la muestra y el analizador. El efecto de la
adición de la placa de cuarto de onda después del polarizador lado de la fuente es
que tenemos la luz circularmente polarizada que pasa a través de la muestra. La
placa de cuarto de onda analizador-side convierte el estado de polarización
circular de nuevo a lineal antes de la luz pasa a través del analizador.
La principal ventaja de un polariscopio circular sobre un polariscopio plano es
que en una configuración circular polariscopio sólo tenemos las isocromáticas y no
las isóclinas. Esto elimina el problema de diferenciar entre las isóclinas y los
isocromáticas.

11. CONCLUSIÓN
Fotoelasticidad se ha usado para una variedad de análisis de esfuerzo e
incluso para el uso rutinario en el diseño, en particular antes del advenimiento de
los métodos numéricos, tales como, elementos finitos o elementos de contorno.
Fotoelasticidad con éxito se puede utilizar para investigar el estado de tensión
muy localizada dentro de la albañilería o en la proximidad de una línea de
inclusión rígida incrustada en un medio elástico.