4) SOLICITACIONES MECANICAS

Muy buenas!
Esta semana traigo una nueva entrada, la cual tratara sobre las solicitaciones mecánicas, se que después de leer "solicitaciones mecánicas" sonara un poco a chino, pero a medida que se va avanzando en la entrada se puede observar que son cosas que vemos en cierto modo a diario y nunca nos habíamos parado a pensar.
Comencemos pues con lo mas importante de todo, ¿que es una solicitación mecánica?:

¿Que es una solicitación mecánica?

Una solicitación mecánica es una fuerza externa que actúa sobre una estructura, y dependiendo de donde actué y como sea la fuerza externa que se produzca sobre la estructura habrá diferentes tipos; de tracción, torsión, compresión, cortadura, flexión.

Al construir una estructura se necesita tanto un diseño adecuado como unos elementos que sean capaces de soportar las fuerzas, cargas y acciones a las que va a estar sometida. Los tipos de esfuerzos que deben soportar los diferentes elementos de las estructuras son:




1) Tracción: 
La tracción es el esfuerzo al que está sometido un cuerpo cuando le aplicamos dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

Cuando sometemos a un cuerpo a un esfuerzo de tracción, este sufre deformaciones positivas (o lo que es lo mismo, estiramientos) en ciertas direcciones por culpa de la tracción. Normalmente el estiramiento en ciertas direcciones va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales, al estirar el material este se va reduciendo en un cierto punto en el que disminuye la sección del objeto creándose un cuello de estriccion .

En esta foto se puede observarla progresión de ir estirando el objeto
por los extremos y observamos como poco a poco
se produce un cuello de estriccion en el centro (color rojo)

Cuando sometemos a tracción cuerpos sólidos, las deformaciones (cuello de estriccion) pueden ser permanentes: cuando eso ocurre quiere decir que el cuerpo ha superado su punto de fluencia (su capacidad máxima de estirarse y poder volver a su forma original) y se comporta de forma plástica, de modo que tras acabar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, el objeto recupera su longitud primitiva (normal). 
Ejemplo: cuando estiras una goma elástica,  después regresa a su forma original, ya que no hemos alcanzado su punto de fluencia, pero sin embargo cuando estiramos un trozo de plastilina (asta antes de que se rompa), esta al dejar de aplicarla el esfuerzo de tracción no regresa a su posición original, sino que conserva la forma estirada, por lo que decimos que se comporta de una forma plástica

Cada material posee cualidades propias que definen su comportamiento ante la tracción. Algunas de ellas son:

- Elasticidad (módulo de elasticidad): como ya hemos dicho es la capacidad que tiene un cuerpo de recuperar su forma al aplicarle una solicitación de tensión.
- Plasticidad:es la capacidad que tiene un material de deformarse permanentemente cuando le sometemos a esfuerzos de tracción por encima de su modulo elástico.

- Ductilidad:es la capacidad de un material de estirarse si romperse, gracias a esto se pueden conseguir alambres o hilos de ese material
- Fragilidad:es la capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación, es la opuesta a la ductilidad

Curva de un esfuerzo de tracción:

Esta curva representa la deformación (alargamiento) de un material a medida que se le aumenta la fuerza de tracción, y se representa gráficamente en función de la tensión (fuerza aplicada dividida por la sección del material). En general, la curva tensión-alargamiento tiene cuatro zonas diferenciadas:

1. Deformación elástica: Las deformaciones se reparten a lo largo del material, como se le aplica poca fuerza de tracción, si dejáramos de aplicarle tracción el material volvería a su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y el alargamiento se llama módulo de elasticidad (ya nombrado anteriormente) y es característico del material. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno.Se admite en esta parte de la gráfica que si al dejar de aplicar fuerza a la pieza, esta al volver a su estado original de reposo sea un 0,2% mas larga como máximo, antes de decir que ha sufrido una deformación plástica, para que nos entendamos, que si antes de someterla a el esfuerzo de tracción media 100mm, al dejar de aplicarla fuerza esta admitido que mida 100,2mm, si midiera 100,3mm se habría pasado de su limite elástico (o lo que es lo mismo, habría sufrido una deformación plástica, ya que no recupero su forma inicial)
2. Punto de fluencia: Es la deformación brusca del material sin que aumentemos la carga que hacemos sobre ella; es entonces cuando el material se deforma plástica mente (cuando al dejar de aplicarle fuerza mide en reposo mas de un 0,2% de su longitud inicial...). 
3. Deformaciones plásticas: Una vez que continuamos estirando el material sigue aumentando su longitud y variando su forma de modo que si se retira la fuerza quedara deformada permanentemente. 
4. Estriccion (cuello de estriccion): Cuando llegas a este punto, las deformaciones del material se concentran en la parte central  y se puede ver una fuerte reducción de la sección del material que sometemos a tracción, a partir de ese momento la deformación seguirán hasta la rotura del objeto por esa zona. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca (es el caso de los materiales pétreos como el cemento). 

ejemplo de un objeto sometido a tracción

En la foto podemos ver como al estirar el material se crea un alargamiento del objeto y después una estriccion , en este caso se puede ver que la barra a aumentado bastante su longitud y se ha creado en ella una estriccion y una falla por rotura en el centro de la misma.

ejemplo de fallo por tracción

Cuando se sigue aplicando fuerza de tracción al material después de que ha rebasado su limite de plasticidad este se rompe, creando un fallo por en el material por tracción, es fácil de reconoces, porque como ya e remarcado antes se crea un cuello de estriccion y se puede ver como la pieza disminuye su sección en el extremo de la rotura como es el caso de la imagen superior.

Un material muy resistente a los esfuerzos de tracción es el acero, este es muy utilizado en situaciones en las que actué esta fuerza,en los puentes por ejemplo se usa hormigón reforzado con acero, dentro de este se colocan cables de acero tensados y cuando se seca el hormigón se destensan para que aguante mas la tracción el hormigón (se le llama hormigón de acero pretensado) en los coches podemos ver que se utiliza en muchos casos, como son: el cable del embrague (muchos hilos de acero enrollados), el cable del freno de mano, el de las manetas de apertura por el interior del coche, pero no solo en cables, sino que en la estructura del vehículo también se utiliza el acero al que cada vez mas se le esta sometiendo a estudios para crear lo que ahora se llama "acero elástico" el cual tiene mejores propiedades a la tracción para absorber mejor los movimientos en la conducción y también permitir aligerar el peso total del vehículo (aunque el peso de los coches actuales que rebajan en la estructura le ponen por otro lado ya que cada vez son mas pesados... pero bueno ese es otro tema que ahora no nos atañe...) ademas la carrocería tiene que absorber esos esfuerzos de tracción en un accidente por ejemplo.

Imagen de los tipos de aceros empleados en la carrocería distinguidos por colores

Como se puede ver en la imagen superior, distinguimos los siguientes colores principales, que son el verde (el larguero frontal) el cual se usan aceros normales, con poca resistencia a la tracción, es decir aceros poco elásticos, a continuación vemos los de color azul, estos son aceros de alto limite elástico o HSS los cuales soportan mejor los esfuerzos de tracción y son mas resistentes, y por ultimo vemos la estructura de color rojo, esta esta hecha de acero de muy alta resistencia (muy alto limite elástico) son llamados también "ultra hight strenght steel". como ya he dicho estos aceros tiene la misión de aligerar el peso de la estructura, ser mas resistentes y absorber mejor los golpes en los que haya deformación de chasis.

2) Compresión:
 La compresión es la fuerza que pueden hacer que un objeto se aplaste o comprima. Al comprimir el material lo que hacemos es juntar sus partículas y con ello acortamos la longitud del material. Un ejemplo visual de compresión seria la suela de un zapato, ya que suporta el peso de nuestro cuerpo contra el suelo.
Cuando ejercemos compresión sobre un material, como por ejemplo la goma de las suela de una bota (para seguir con el ejemplo) esta se apasta contra el suelo, y si nos ponemos un calzado de deporte que tenga una suela blanda podemos ver que al pisar esta disminuye su altura, pero la sale un "michelín" (por decirlo de algún modo...) que la hace engordar, es decir aumenta su anchura. Se que suena raro este ejemplo, pero no os anticipéis aquí pongo una foto donde se puede ver mejor:

Resultado después de ejercer
un esfuerzo de compresión

El ensayo de la compresión de los materiales se realiza en una prensa (parecida a la que se utiliza para extraer los rodamientos de las manguetas de los coches), en el ensayo se le mide la fuerza que se aplica sobre el material y la deformación que este adquiere, es decir a la anchura que aumenta el material.

A menudo la resistencia a compresión es mayor o igual a la resistencia de ese material a la tracción.

Los materiales que resisten muy bien la compresión son los pétreos, y uno de los mas empleados el hormigón, este resiste fatal la tracción, sin embargo soporta la compresión muy bien, el acero también es considerado un material que soporta bien la compresión, como ya he dicho antes con la tracción, es común recargar el hormigón con acero para mejorar sus características y así tener la resistencia a la compresión propia del hormigón y la resistencia a la tracción propia del acero.

La compresión tiene un ensayo parecido a la tracción, se aplican dos fuerzas en la misma dirección pero en sentido contrario (si no has entendido eso repasa el libro de física de 4º de la ESO) sobre los extremos de un material obligando le a aplastarle, las fuerzas aumentan cada vez mas hasta que se produce un fallo en el material y rompe, como podemos ver en la imagen a continuación en el que ya han aparecido grietas:

Esto seria una columna de hormigón
sometida a compresión

Como se puede observar en la fotografía, se crea una brecha en el material que le recorre diagonalmente, y al seguir aplicándole fuerza acabaría así:

Material completamente roto por compresión

Como vemos la brecha a ido a mas rasgando todo el material a la mitad, todo objeto que viéramos con una rotura de ese tipo es muy probable que hubiese sucedido por un esfuerzo de compresión.

Cada vez se esta innovando mas en el tipo de los aceros que conforman el chasis de los coches, y como dije antes y cito textualmente: "A menudo la resistencia a compresión es mayor o igual a la resistencia de ese material a la tracción." quiere decir que si han mejorado los aceros al esfuerzo de tracción habrán mejorado en la misma proporción en compresión ya que siempre los soportan igual o mejor, con esto a lo que voy es que al introducir los aceros de alta resistencia en partes claves del vehículo, consigo que ciertas partes del vehículo absorban un golpe estructural comprimiéndose (ya que el acero normal absorberá la energía del impacto y la que sobre pasara al acero de alta resistencia, pero como este no se comprime tan fácil se encargara de transportar esa energía deformándose lo menos posible (no se si me explico), y las zonas del habitáculo que están echas de acero de muy alta resistencia permanezcan intactas para que a las personas del interior no las ocurra nada. (Creo que me e liado un poco, pero lo importante es que se esta empleando en la actualidad y es muy resistente...)

En esta imagen se ve que tipo de acero y en que partes del chasis se emplea

3) Flexión:
 Las fuerzas que actúan sobre un objeto y tienden a hacer que se doble, se llaman fuerzas de flexión. Es una combinación de fuerzas de compresión y tracción. Mientras que las fibras superiores de la pieza sometida a flexión se acortan, las inferiores se alargan. 

Ejemplo de un esfuerzo de flexión

El esfuerzo que hace la flexión se le llama "momento flector" o "momento de flexión" (yo hablare sobre el nombrándole de la segunda forma), ejemplo, un puente que cruza un pequeño rio; este puente esta fijado sobre dos pilares, uno a cada extremo del el; mientras que no pase ningún coche el puente no recibe fuerza (aparte de la normal y la del peso, pero para nosotros ninguna), pero en el momento que un coche pasa por encima de el aparece el momento de flexión, ya que el peso del coche le provoca un empuje sobre su superficie hacia abajo haciéndole una fuerza de flexión, aunque sea inapreciable.

Cuando sometemos un objeto a flexión, este recibirá una deformación, la cual podrá ser  permanente o momentánea, me explico, dependiendo de la elasticidad del material al aplicarle la fuerza de flexión este se doblara y al retirar la fuerza volverá a si estado original, pero si el material se le aplica la fuerza y no regresa a su forma habremos entrado en su deformación plástica, es entonces cuando el objeto permanecerá con la forma flexionada aunque le retiremos la fuerza.
Si le seguimos aplicando fuerza este tendrá una falla de material, es decir, se romperá.

Esta barra a sido flexionada y se ha deformado plasticamenta a
esa flexión.

Los materiales mas característicos por aguante a este esfuerzo son el acero y la madera, es por ello por lo que es muy común verlos en estructuras de edificios, en el caso de la madera, como todos sabemos es muy común que se use a modo de vigas en las casas ya que soporta muy bien la flexion por el peso del tejado, actualmente se fabrican unas vigas para el tejado que son laminadas, es decir, sin laminas de madera pegadas entre si, estas vigas aguantan aun mas la flexión que las normales necesitando menos pilares que las sujeten.

En el caso del acero, no vale con una barra de acero para que soporte la flexión, sino que necesita tener una forma (para quien no lo sepa se le llama perfil) para que soporte mejor la flexión, podemos encontrar perfiles en U, en T, en X en H...

Tipos de perfiles para soportar mejor la flexión.

Los chasis de los coches también tiene perfiles de distintas formas para soportar los esfuerzos de flexión mejor que si fuesen barras solidas.

EL tipo de fallo por flexión va a ser una mezcla de compresión en la parte superior y tracción en la inferior

Con lo cual veremos el material estirado por una cara y comprimido por la otra.

Una cosa curiosa de la flexión es que el hombre se dio cuenta de lo buena que era la madera ya que tenia una flexión elástica y la uso a modo de arco para cazar, también es bueno resaltar que antes los chasis de los coches se hacían de madera, y aun hoy en la actualidad, Morgan, una marca inglesa de coches que se construyen artesanal mente, sigue fabricando gran parte del chasis de sus coches ne madera, porque tiene un mejor comportamiento y flexibilidad que el acero.

4) Cortadura: 
Las fuerzas de cizalla o cortadura actúan de forma que una parte de la estructura tiende a deslizarse sobre la otra. Se produce cuando se aplican fuerzas perpendiculares a una pieza, haciendo que las partículas del material tiendan a resbalar o desplazarse las unas sobre las otras. Al cortar con unas tijeras una lámina de cartón estamos provocando que unas partículas tiendan a deslizarse sobre otras. 

Un material que soporta muy bien los esfuerzos de cizalla o cortadura es el acero, los cortes sobre el suelen ser cortes limpios, puesto que normalmente se hacen con cizallas, en algunos casos este corte no es completamente limpio dependiendo del material y deja algún resquicio del material en el corte en ambos cachos.
Un claro ejemplo de corte es cuando cortamos con una cizalla una cadena por ejemplo o mas fácil aun cuando cortamos papel con unas tijeras

cizalla cortando una varilla

No puedo explicar mucho aquí ya que todo el mundo a visto de sobra este esfuerzo, todos hemos cortado aunque sea con tijeras u papel, o le hemos rasgado con las manos, es en esos momentos cuando estaríamos sometiendo a un papel a un esfuerzo cortante o de cizalladura

5) 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 las barras de torsión (el nombre lo dice todo...), los palieres, los cigüeñales, etc..

Un material que soporta muy bien los esfuerzos de torsión es el acero (como no), este material es muy utilizado en los coches con este esfuerzo, como puede ser en el cigueñal, los palieres, las barras de torsión, loas arboles de trasmisión...

El chasis del coches en mayor o menor medida también soporta esfuerzos de torsión, las barras de torsión tienen como principal utilidad eso mismo, torsionarse para así absorber la energía como si fuese un muelle.

torsión de las estrías de un macho a un cardan

Cuando sometemos a torsión a un material, pasa como con los demás esfuerzos, puede sufrir deformaciones elásticas o plásticas, y cuando sobrepasamos esos valores y se produce una rotura es fácil de ver, ya que se formaran dos partes de material, que tendrán en sus extremos un cierto enroscamiento, una mitad tendrá punta y a la otra le faltara, haciendo una especie de conexión macho-hembra ente ambas .

tipo de fallo por torsión

Como podemos ver en la imagen superior, este es el típico fallo por torsión, es muy común que un tornillo se quede agarrotado y al intentar desenroscare este no suelte y de produzca en el una rotura por torsión, como podemos ver el material esta retorcido (se ve le han creado estrías) (también hay que decir que depende mucho de la calidad de los tornillos,que e sacado cada uno que parecía de plastilina...).

En los coches existe un parámetro en el chasis llamado rigidez torsional, que no es otra cosa que la fuerza que opone el chasis a ser retorcido, la rigidez del chasis afecta a su conducción (paso por curva por ejemplo), la comodidad o su seguridad, esta va ligada a la calidad de estructura y el material, no es lo mismo el chasis ( y por tanto la rigidez torsional) de un coche de gama baja que el de un coche de gama alta (no quiero meterme en discusiones de marcas de coches, sino en calidad de piezas, no se si me explico, no lleva la misma calidad de chasis un león que un serie 7).

Es por eso por lo que se suele decir que los descapotables no "sirven para correr" porque al faltarles el techo tienen menor rigidez torsional que su mismo modelo con techo fijo (aparte de que los descapotables pesan mas...).

Para mejorar en un cierto modo la rigidez torsional de un vehículo existe la llamada barra de torretas, la cual es una barra que va sujeta a ambas torretas de amortiguador y mejora la rigidez del chasis dándote mejores apoyos en las ruedas.

  

                                               --------------------------------------

Para concluir la entrada solo puedo decir que el acero es el material mas empleado en la fabricación de coches (y de muchísimas cosas mas) porque sus características lo hacen el idóneo, ya que es un material muy polivalente que resiste bien a la tracción, compresión, flexión, torsión y cizalladura.
Todos las solicitaciones nombradas las tiene que soportar en mayor o menor medida la carrocería y el chasis del vehículo, por lo que cada vez se esta innovando mas en ello para conseguir mayores rendimientos estructurales en los coches (no obstante también se están investigando nuevos materiales sintéticos que le puedan remplazar en el automóvil, pero para llegar a ver esos materiales aun falta mucho tiempo...).

Un saludo! ☺️