ing industrial

1. (Esfuerzo, Deformación, Fundamentos de la estática y torsión)

2. El esfuerzo en ingeniería es una de las temáticas fundamentales en
el desarrollo de un ingeniero ya sea mecánico, industrial, metalúrgico,
mecatrónica. Debido a que nos ayudará analizar nuestro entorno mucho más
afondo y con una visión mucho más científica, permitiendo percibir al mundo
como un entorno lleno de materiales y de fuerzas. Existe la tendencia a
pensar que los elementos estructurales sometidos a torsión son de
incumbencia de los ingenieros mecánicos( ejes de motores, piñones, entre
otras). Sin embargo en las estructuras es bastante común que por la forma de
aplicación de las cargas o por la forma misma de la estructura (asimetrías) se
presenten este tipo de efectos en los elementos.
La mejor manera de entender el comportamiento mecánico de un
material es someterlo a una determinada acción (una fuerza) y medir su
respuesta (la deformación que se produzca). De este procedimiento se
deducen las características acción – respuesta del material. Debido a que la
fuerza y la deformación absoluta no definen adecuadamente para efectos
comparativos las características de un material, es necesario establecer la
relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria. En ingeniería, torsión es
la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje
longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden
ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las
otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.

3. Esfuerzo
Es la intensidad de las
fuerzas componentes internas
distribuidas que resisten un
cambio en la forma de un cuerpo.
El esfuerzo se define en términos
de fuerza por unidad de área.
Existen tres clases básicas de
esfuerzos: tensivo, compresivo y
corte. El esfuerzo se computa
sobre la base de las dimensiones
del corte transversal de una pieza
antes de la aplicación de la carga,
que usualmente se llaman
dimensiones originales.
Fuerza axial
Área de la sección
transversal

4. oEsfuerzo de tensión: Es aquel que tiende a estirar el miembro y romper el
material. Donde las fuerzas que actúan sobre el mismo tienen la mimas
dirección, magnitud y sentidos opuestos hacia fuera del material.
oEsfuerzo de comprensión: Es aquel que tiende aplastar el material del
miembro de carga y acortar el miembro en sí. Donde las fuerzas que actúan
sobre el mismo tienen la misma dirección, magnitud y sentidos opuestos
hacia dentro del material.

5. oEsfuerzo cortante: Este tipo de esfuerzo busca cortar el elemento, esta
fuera actúa de forma tangencial al área de corte.

6. tracción
•Hace que se separen entre sí
las distintas partículas que
componen una pieza, tendiendo
a alargarla. Por ejemplo,
cuando se cuelga de una
cadena una lámpara, la cadena
queda sometida a un esfuerzo
de tracción, tendiendo a
aumentar su longitud.
Cizallamiento o cortadura
Se produce cuando se aplican fuerzas
perpendiculares a la pieza, haciendo
que las partículas del material tiendan
a resbalar o desplazarse las unas sobre
las otras. Al cortar con unas tijeras un
papel estamos provocando que unas
partículas tiendan a deslizarse sobre
otras. Los puntos sobre los que apoyan
las vigas están sometidos a
cizallamiento.
Compresión.
Hace que se aproximen las
diferentes partículas de un
material, tendiendo a
producir acortamientos o
aplastamientos. Cuando nos
sentamos en una silla,
sometemos a las patas a un
esfuerzo de compresión, con
lo que tiende a disminuir su
altura.

7. Flexión
Es una combinación de
compresión y de tracción.
Mientras que las fibras superiores
de la pieza sometida a un
esfuerzo de flexión se alargan, las
inferiores se acortan, o viceversa.
Al saltar en la tabla del trampolín
de una piscina, la tabla se
flexiona. También se flexiona un
panel de una estantería cuando se
carga de libros o la barra donde se
cuelgan las perchas en los
armarios.
Torsión.
Las fuerzas de torsión son las
que hacen que una pieza tienda
a retorcerse sobre su eje
central. Están sometidos a
esfuerzos de torsión los ejes,
las manivelas y los cigüeñales.

8. El diseño de máquinas considera, entre muchas
otras cosas, el dimensionamiento apropiado de
un elemento de máquina para que éste soporte
con seguridad la flexión, carga axial y
transversal.
Los materiales dúctiles (aceros blandos) son
débiles al esfuerzo cortante y se diseñan en
base al esfuerzo cortante máximo.
Los materiales frágiles (aceros tratados, hierro
fundido) se diseñan en base al esfuerzo normal
máximo de tracción o comprensión.

9. Es 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.
δ = cociente de alargamiento
L = Longitud inicial
*
Como se produce la
deformación, las fuerzas inter-moleculares
internas surgen que se
oponen a la fuerza aplicada. Si la
fuerza aplicada no es demasiado
grande estas fuerzas pueden ser
suficientes para resistir
completamente la fuerza aplicada,
permitiendo que el objeto de asumir
un nuevo estado de equilibrio y para
volver a su estado original cuando se
retira la carga. Una fuerza aplicada
más grande puede conducir a una
deformación permanente del objeto o
incluso a su fallo estructural.

10. • Deformación Plástica
(irreversible o permanente). Modo de
deformación en que el material no
regresa a su forma original después de
retirar la carga aplicada.
• Deformación Elástica,
(reversible o no permanente), el
cuerpo recupera su forma original al
retirar la fuerza que le provoca la
deformación.
• 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.

11. 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 presentan un
alargamiento bajo cuando llegan al punto de
rotura.

12. La ley de elasticidad de Hooke o ley de
Hooke, originalmente formulada para casos del
estiramiento longitudinal, establece que el
alargamiento unitario que experimenta un
material elástico es directamente proporcional
a la fuerza aplicada : F
Siendo el alargamiento, la longitud
original, : módulo de Young, la sección transversal de
la pieza estirada. La ley se aplica a materiales
elásticos hasta un límite denominado límite elástico.
Esta ley recibe su nombre de Robert Hooke,
físico británico contemporáneo de Isaac Newton, y
contribuyente prolífico de la arquitectura. Esta ley
comprende numerosas disciplinas, siendo utilizada
en ingeniería y construcción, así como en la ciencia de
los materiales.

13. 1. Un alambre de acero de 10 m se estira 3.08 mm
debido a la carga de 200 N. ¿Cuál es la
deformación longitudinal?

14. 2.

15. División e historia fundamentos de la
estática
En física, la fuera es una magnitud
que mide la intensidad del intercambio de
momento lineal entre dos partículas o
sistemas de partículas. Según una definición
clásica, fuerza es todo agente capaz de
modificar la cantidad de movimiento o la
forma de los materiales. En el Sistema
Internacional de Unidades, la unidad de
medida de fuerza es el newton que se
representa con el símbolo: N.
La estática
Es la rama de la mecánica
clásica, que analiza las cargas
(fuerza, par / momento) y estudia el
equilibrio de fuerzas en los sistemas
físicos en equilibrio estático, es decir,
en un estado en el que las posiciones
relativas de los subsistemas no varían
con el tiempo. La primera ley
de Newton implica que la red de la
fuerza y el par neto (también
conocido como momento de fuerza)
de cada organismo en el sistema es
igual a cero. La red de fuerzas de
igual a cero se conoce como la
primera condición de equilibrio, y el
par neto igual a cero se conoce
como la segunda condición de
equilibrio.

16. Es el efecto generado en el material debido a la aplicación de cargas
dinámicas cíclicas. Los esfuerzos son variables, alternantes o fluctuantes.
Señales de fatiga Características de fatiga
Grietas: se originan en áreas
descontinuas como: orificios,
transiciones de sección, chaveteros,
cuellos, mangos, curvas, secciones
delgadas, etc…
La falla por fatiga es repentina y total,
las señales son microscópicas.
Para evitar la falla por fatiga se pueden
aumentar considerablemente los
factores de seguridad, pero esto
implicaría aumentar ostensiblemente los
costos de fabricación de las mismas.
El material es sometido a
esfuerzos repetidos, probeta de
viga giratoria.
Ciclos: cantidad de giros que se
realiza a la probeta con
aplicación de carga.
Medio ciclo: N=1/2 implica
aplicar la carga, suprimir la
carga y girar la probeta a 180º.
Un ciclo: N=1 implica
aplicar y suprimir la carga
alternativamente en
ambas. sentidos

17. Gráfico de esfuerzo (S) frente al número de ciclos (N) necesarios
para causar la rotura de probetas similares en un ensayo de fatiga. Los
datos para cada curva de un diagrama S-N se obtiene determinando la
vida a la fatiga de una serie de probetas sujetas a diversas cantidades de
esfuerzo fluctuante. El eje de esfuerzo puede representar la amplitud de
esfuerzo, el esfuerzo máximo o el esfuerzo mínimo. Casi siempre se usa
una escala de registro para la escala N y a veces para la escala S. Módulo
relativo.

19. Torsión
Es la solicitación que
se presenta cuando se aplica un
momento sobre el eje
longitudinal de un elemento
constructivo o prisma
mecánico, como pueden ser
ejes o, en general, elementos
donde una dimensión
predomina sobre las otras dos,
aunque es posible encontrarla
en situaciones diversas.
Característica
• La torsión se caracteriza
geométricamente porque
cualquier curva paralela
al eje de la pieza deja de
estar contenida en el
plano formado
inicialmente por las dos
curvas.
• En lugar de eso una
curva paralela al eje se
retuerce alrededor de él
mismo.

20. El estudio general de la torsión es complicado porque
bajo ese tipo de solicitación la sección transversal de una
pieza en general se caracteriza por dos fenómenos:
Aparecen tensiones tangenciales paralelas a la sección transversal.
Si estas se representan por un campo vectorial sus líneas de flujo
"circulan" alrededor de la sección.
Cuando las tensiones anteriores no están distribuidas
adecuadamente, cosa que sucede siempre a menos que la sección
tenga simetría circular, aparecen alabeos seccionales que hacen que
las secciones transversales deformadas no sean planas.

21. Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a
una barra son:
• Producir un desplazamiento angular de la sección de
un extremo respecto al otro.
• Originar tensiones cortantes en cualquier sección de la
barra perpendicular a su eje

22. Es un elemento de acero que conecta
los ejes de la suspensión con el fin de reducir el
movimiento del chasis causado por una fuerte
demanda en los giros. El objetivo es mantener
sin cambios la geometría del coche,
aumentando así la estabilidad. La barra de
torsión puede montarse delante o detrás,
además puede conectarse a un tercer punto,
estableciendo un triangulo que aumenta su
efecto estabilizador. La barra de torsión actúa
también como un resorte de torsión, donde los
impactos son absorbidos al torcerse la barra de
acero sobre su eje longitudinal. Las barras de
torsión pueden ir montadas longitudinalmente
o transversalmente al eje del coche. En un
montaje típico la barra de torsión esta sujeta al
chasis y conectada a la tapa de la rueda.

23. • Torsión general: Dominios de torsión
En el caso general se puede demostrar que el giro
relativo de una sección no es constante y no coincide tampoco
con la función de alabeo unitario. A partir del caso general, y
definiendo la esbeltez torsional como:
Donde G, E son respectivamente el módulo de
elasticidad transversal y el módulo elasticidad longitudinal, J,
Iω son el módulo torsional y el momento de alabeo y L es la
longitud de la barra recta. Podemos clasificar los diversos casos
de torsión general dentro de límites donde resulten adecuadas
las teorías aproximadas expuestas a continuación. De acuerdo
con Kollbruner y Basler:1

24. Torsión de Saint-Venant:
Es aplicable a piezas
prismáticas de gran inercia
torsional con cualquier forma de
sección, en esta simplificación
se asume que el llamado
momento de alabeo es nulo, lo
cual no significa que el alabeo
seccional también lo sea.
Torsión recta: Teoría de
Coulomb:
Es aplicable a ejes de
transmisión de potencia macizos
o huecos, debido a la simetría
circular de la sección no pueden
existir alabeos diferenciales
sobre la sección.
Torsión no recta: Teoría de
Saint-Venant:
Para una barra recta de
sección no circular además del
giro relativo aparecerá un
pequeño alabeo que requiere
una hipótesis cinemática más
complicada. Para representar la
deformación se puede tomar un
sistema de ejes en el que X
coincida con el eje de la viga y
entonces el vector de
desplazamientos de un punto de
coordenadas (x, y, z).

25. Fórmula de Torsión no recta: Teoría de Saint-Venant

26. • Torsión mixta:
En el dominio de torsión de Saint-Venant
dominante y de torsión alabeada dominante, pueden
emplearse con cierto grado de aproximación la teoría de
Sant-Venant y la teoría de torsión alabeada. Sin embargo en
el dominio central de torsión extrema, se cometen errores
importantes y es necesario usar la teoría general más
complicada.

27. Al aplicar las ecuaciones de la estática, en el
empotramiento se producirá un momento de torsor igual y
de sentido contrario a T.
Si cortamos el eje por 1-1 y nos quedamos con la
parte de abajo para que este trozo de eje este en
equilibrio, en la sección 1-1 debe existir un momento torsor
igual y de sentido contrario por lo tanto en cualquier
sección de este eje existe un momento torsor T.
El diagrama de momentos torsores sera:

30. Los materiales sufren de deformación cuando son sometidos a un
esfuerzo, entonces el esfuerzo es la razón de una fuerza aplicada entre el
área sobre el cual actúa, por ejemplo Newton/m2, o libras/ft2, 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 y la deformación es el
cambio relativo en las dimensiones o en la forma de un cuerpo como
resultado de la aplicación de un esfuerzo. La resistencia del material no
es el único parámetro que debe utilizarse al diseñar o analizar una
estructura; controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con
el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor importancia,
así como tener en cuenta los conceptos como torsión, torque y par de
torsión