Definición y ecuación del Estrés en Ingeniería

¿Qué es el estrés en ingeniería?

Al diseñar una estructura como un puente, los ingenieros deben tomar muchas decisiones sobre qué materiales utilizar. Un factor importante es la tensión en las diferentes partes de la estructura, pero ¿qué es la tensión en ingeniería? Siempre que se aplican fuerzas a un objeto, se crea tensión en su interior. Esta tensión es el resultado de fuerzas internas que resisten la deformación. Para visualizar estas fuerzas internas, imagine que hace un corte hipotético que cortaría el objeto por la mitad. Al hacerlo, se revelarán las fuerzas internas que mantienen unido el objeto.

Dado que las fuerzas se pueden aplicar de distintas maneras, pueden existir varios tipos de tensión dentro de un material. Algunos de los tipos de tensión más comunes son la tensión de tracción, la tensión de compresión, la tensión de corte y la tensión de torsión.

Tipos de estrés mecánico

La fuerza se aplica normalmente a un objeto en una de dos direcciones. Las fuerzas axiales se aplican en paralelo al eje mayor del objeto y perpendiculares al área de la sección transversal. Este tipo de carga puede crear tensión de compresión o tracción. Las fuerzas longitudinales se aplican en perpendicular al eje mayor del objeto y paralelas al área de la sección transversal. Las fuerzas longitudinales pueden crear tensión de flexión o de corte según cómo se apliquen las fuerzas.

Las fuerzas axiales y longitudinales pueden crear seis tipos principales de tensión mecánica, que se describen con más detalle a continuación:

• La tensión de compresión se produce cuando fuerzas aplicadas axialmente empujan hacia el centro de un objeto. Esto empuja las moléculas que lo componen, lo que crea tensión interna. La tensión de compresión generalmente hace que los objetos se acorten, aunque este cambio de longitud es mínimo para algunos materiales. La tensión de compresión también puede causar pandeo, que ocurre cuando un objeto sometido a una carga de compresión se dobla y, por lo tanto, ya no puede soportar la carga aplicada.

• La tensión de tracción se produce cuando fuerzas aplicadas axialmente tiran hacia afuera de ambos extremos de un objeto. La tensión de tracción puede hacer que los objetos se alarguen, como cuando se estira una banda elástica. Sin embargo, algunos materiales, como el hormigón y la cerámica, no se estiran mucho, sino que se agrietan cuando se someten a tensión de tracción, aunque puedan soportar una gran cantidad de tensión de compresión.
• La tensión cortante se produce cuando se aplican fuerzas longitudinalmente. Las fuerzas en cada extremo deben estar en direcciones opuestas para crear tensión cortante. La tensión cortante puede hacer que los objetos cambien de forma o se rompan. Muchas cosas que pueden soportar una gran cantidad de tensión de tracción o compresión sin romperse no pueden soportar el mismo nivel de tensión cortante. Por ejemplo, los huesos son muy fuertes en tensión y compresión, pero mucho más fáciles de romper cuando se someten a fuerzas cortantes.

• La tensión de flexión también puede ser causada por fuerzas aplicadas longitudinalmente. En este caso, las fuerzas se aplican en la misma dirección, lo que hace que el objeto se doble hacia arriba o hacia abajo. La tensión de flexión se calcula de forma un poco diferente a la tensión de tracción y compresión. Depende de la fuerza aplicada ( F ), la longitud del objeto ( l ), ​​el momento de inercia del objeto ( I ) y la distancia perpendicular entre el borde del objeto y el eje neutro ( c ).

$$\sigma =\frac{Flc}{I} $$

El momento de inercia es una cantidad que depende de la forma del objeto y determina qué tan bien resiste la flexión, y el eje neutro de un objeto es el lugar dentro del objeto donde no hay tensión de flexión. Para un objeto con un área de sección transversal uniforme y simétrica, el eje neutro estará en el centro, pero no tiene que estar en el centro si el área de sección transversal tiene una forma no simétrica.

• La tensión de torsión se produce cuando las fuerzas de torsión crean torsión y hacen que el objeto se tuerza. La torsión es máxima a lo largo del borde exterior del material. Al igual que la tensión de flexión, la tensión de torsión se calcula utilizando una ecuación de tensión única.

$$\tau _{max}=\frac{Tr_{o}}{J} $$

En esta ecuación, T es el torque aplicado, {eq}\tau _{max} {/eq} es la tensión de torsión máxima, {eq}r_{o} {/eq} es el radio del objeto y J es una constante de torsión que depende de la forma.

• La fatiga puede ser causada por cualquier otro tipo de estrés. La fatiga se produce cuando el estrés aplicado repetidamente a un objeto provoca la aparición de microfisuras, lo que provoca una falla con un estrés menor del que el objeto podría soportar normalmente.

Resumen de la lección

La tensión de ingeniería se produce cuando se aplican fuerzas a los objetos, lo que provoca fuerzas internas y deformación. Si se hiciera un corte hipotético a través del objeto, se revelarían estas fuerzas internas que lo mantienen unido. Según la ecuación de tensión, la tensión ({eq}\sigma {/eq}) se calcula dividiendo la fuerza aplicada ( F ) por el área de la sección transversal ( A ) del objeto:

$$\sigma = \frac{F}{A} $$

Existen seis tipos principales de tensión: de tracción, de compresión, de corte, de flexión, de torsión y de fatiga. La tensión de tracción es causada por fuerzas que se alejan del centro de un objeto y hacen que se estire y se alargue. La tensión de compresión es causada por fuerzas que empujan hacia el centro de un objeto, haciendo que se acorte y, a veces, dando lugar a pandeo. La tensión de corte se produce cuando se aplican fuerzas paralelas a la sección transversal de un objeto, lo que se conoce como carga longitudinal. La tensión de flexión es causada por fuerzas longitudinales que intentan doblar un objeto, mientras que la tensión de torsión es causada por el par que da lugar a la torsión. Por último, la tensión de fatiga se produce cuando la carga repetida provoca microfisuras que conducen a una falla a niveles de tensión relativamente bajos. Puede ser el resultado de cualquiera de los otros tipos de tensión.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador