Energía de deformación: Definición y cálculo

Energía de deformación

Lauren se lo está pasando genial saltando en su trampolín. Cada vez que baja y golpea el trampolín, los resortes unidos a los lados se estiran, lo que hace que disminuya la velocidad y se detenga por un momento. Entonces, los resortes comienzan a contraerse de nuevo, ¡lanzando a Lauren de nuevo al aire!

¿Qué está pasando realmente aquí? Para entenderlo, primero necesita saber algo sobre la energía. Cuando Lauren cae hacia el trampolín, tiene mucha energía cinética , que es la energía que tiene un objeto debido a su movimiento. Luego, cuando golpea el trampolín, los resortes comienzan a estirarse y, a medida que se estiran más y más, la energía cinética de Lauren se transfiere a los resortes hasta que ella se detiene.

Cuando una estructura deformable, como un resorte, se estira, almacena un tipo de energía conocida como energía de deformación . En muchos casos, esta energía se puede convertir de nuevo en energía cinética con relativa facilidad. Eso es ciertamente cierto para el trampolín. A medida que los resortes vuelven a su longitud original, su energía de tensión se transfiere de nuevo a Lauren en forma de energía cinética, y ella vuela por el aire.

Estrés y tensión

Siempre que se aplique una fuerza a un objeto de un material deformable, cambiará su forma. A veces, este es un gran cambio, como cuando estira una banda elástica. Otras veces, es difícil de ver, como cuando se aplica una carga a una viga de soporte de acero. Podemos cuantificar exactamente cuánto cambia de forma un objeto midiendo algo llamado deformación , que es el cambio en la longitud del objeto dividido por su longitud original.

A medida que se aplica más y más fuerza, el objeto seguirá estirándose. El estrés es la cantidad de fuerza aplicada dividida por el área de la sección transversal del objeto.

El estrés mide la cantidad de fuerza aplicada a un objeto, mientras que la tensión mide cuánto se estira.

La relación de tensión a deformación se conoce como módulo de Young, o E , donde:

El módulo de Young es una propiedad importante del material que le indica qué tan rígido es un material. Algo que sea muy elástico, como una goma, tendrá un módulo de Young pequeño, mientras que algo que sea muy rígido, como el acero, tendrá un módulo de Young realmente grande.

Cálculo de la energía de deformación

Entonces, ¿cómo se relaciona esto con la energía de deformación? Recuerde que la energía de deformación se almacena cuando un objeto se estira cuando se le aplica una carga. Esto significa que si se aplica una fuerza a un material elástico, se puede medir el estrés y la tensión en el material y el uso de éstos para calcular la energía de deformación, que se da el símbolo T .

También es posible calcular la energía de deformación en términos de la fuerza aplicada al material y cuánto se estira.

Incluso puede medir la energía de deformación sin siquiera saber cuánto se estira el material siempre que pueda medir la tensión y conozca el módulo de Young.

Independientemente del método que utilice para calcular la energía de deformación, siempre que utilice unidades SI para longitud y fuerza, la energía de deformación siempre se medirá en julios (J). De hecho, todos los tipos de energía, no solo la energía de deformación, se miden en unidades de julios.

Ejemplo de cálculo

Entonces, pensemos en ese trampolín nuevamente. Si se aplica una fuerza de 200 N a cada resorte y cada uno se alarga 0.05 metros como resultado, ¿cuánta energía de deformación se almacena en cada resorte?

En este caso, conoce la fuerza aplicada y el cambio de longitud, por lo que puede calcular la energía de deformación de la siguiente manera:

Resumen de la lección

La energía de deformación (U) es la energía almacenada cuando se aplica una fuerza a un objeto deformable, lo que hace que cambie de forma. La energía de deformación se puede calcular en términos de la fuerza aplicada y el cambio de longitud:

También se puede calcular en términos de tensión y deformación del material. La tensión es la cantidad de fuerza aplicada dividida por el área de la sección transversal del objeto, mientras que la tensión es el cambio de longitud dividido por la longitud original.

Finalmente, la energía de deformación se puede calcular en términos de la tensión aplicada al material y su módulo de Young (E) , que cuantifica qué tan rígido o elástico es un material en particular.