Entender la elasticidad

La elasticidad en física y ciencia de materiales se refiere a la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza que causa distorsión y recuperar sus dimensiones originales una vez que la fuerza se ha retirado. Cuando se aplican cargas suficientes, los objetos sólidos se deformarán; si el material es elástico, el objeto volverá a su tamaño y forma originales después de que se hayan quitado los pesos. A diferencia de la plasticidad, que evita que esto suceda y hace que el artículo permanezca deformado.

En este artículo, se discutirán las respuestas a las siguientes preguntas:

• ¿Qué es la elasticidad?
• ¿Cómo funciona la elasticidad?
• ¿Quién descubrió la elasticidad?
• ¿Por qué es útil la elasticidad?

¿Qué es la elasticidad?

La elasticidad en física y ciencia de materiales se refiere a la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza que causa distorsión y recuperar sus dimensiones originales una vez que la fuerza se ha retirado. Cuando se aplican cargas suficientes, los objetos sólidos se deformarán; si el material es elástico, el objeto volverá a su tamaño y forma originales después de que se hayan quitado los pesos. A diferencia de la plasticidad, que evita que esto suceda y hace que el artículo permanezca deformado.

Para diferentes materiales, las causas físicas subyacentes del comportamiento elástico pueden variar mucho. Cuando se aplican fuerzas, la red atómica de los metales cambia de tamaño y forma (se agrega energía al sistema). La red vuelve a su estado inicial de menor energía cuando se eliminan las fuerzas. El estiramiento de las cadenas de polímeros cuando se aplican fuerzas es lo que les da elasticidad a los cauchos y otros polímeros.

De acuerdo con la ley de Hooke, no importa cuán grande sea la distancia, la fuerza utilizada para deformar elementos elásticos debe ser directamente proporcional a la distancia de deformación. Un objeto dado volverá a su forma original sin importar qué tan severamente haya sido deformado; esto se conoce como elasticidad perfecta.

Este es simplemente un concepto ideal; en realidad, la mayoría de los materiales elásticos solo conservan sus propiedades elásticas puras hasta deformaciones relativamente menores antes de sufrir una deformación plástica (permanente).

El módulo elástico, también conocido como módulo de Young, módulo de volumen o módulo de corte, es una medida de la cantidad de tensión necesaria para producir una unidad de deformación. Un módulo más alto indica que el material es más difícil de deformar.

El pascal sirve como unidad SI de este módulo (Pa). La tensión más alta que puede existir antes del comienzo de la deformación plástica se conoce como límite elástico o límite elástico del material. Pascal es también su equivalente SI (Pa). Los ejemplos de materiales elásticos incluyen bandas de goma, elásticos y otros materiales elásticos. La plastilina, por otro lado, es bastante inelástica y mantiene su forma alterada incluso después de que la fuerza aplicada haya cesado.

¿Cómo funciona la elasticidad?

Cuando se liberan las fuerzas que producen la deformación, un cuerpo de material elástico puede volver a su tamaño y forma anteriores. Esta capacidad se conoce como comportamiento elástico (o respuesta) en un cuerpo. La mayoría de los materiales sólidos muestran cierto grado de comportamiento elástico, pero para cada material existe un límite en la cantidad de fuerza y ​​la deformación que la acompaña dentro del cual se puede lograr la recuperación elástica.

El mayor esfuerzo o fuerza por unidad de área que puede existir dentro de un material sólido antes del comienzo de la deformación permanente se conoce como límite elástico. El material cede o fluye cuando se aplican esfuerzos por encima del límite elástico. El límite elástico para tales materiales denota la transición del comportamiento elástico al plástico. Las tensiones por encima del límite elástico provocan fracturas en la mayoría de los materiales frágiles con una deformación plástica casi mínima.

El límite elástico varía significativamente según el tipo de sólido que se considere; por ejemplo, una barra o alambre de acero solo puede extenderse elásticamente aproximadamente un 1 % de su longitud original, mientras que las tiras hechas de algunos materiales similares al caucho pueden extenderse elásticamente hasta un 1000 %.

Sin embargo, el acero es significativamente más fuerte que el caucho porque el caucho requiere menos fuerza de tracción para impactar la máxima extensión elástica (por un factor de aproximadamente 0,01) que el acero. Muchos sólidos en tensión tienen características elásticas que se encuentran entre estos dos extremos.

El acero y el caucho tienen estructuras microscópicas significativamente distintas, por lo que sus características elásticas macroscópicas son diferentes. Las fuerzas interatómicas de corto alcance que mantienen a los átomos en patrones regulares cuando el material no está bajo tensión son las que dan al acero y otros metales su flexibilidad.

El enlace atómico se puede romper bajo estrés con deformaciones relativamente pequeñas. Por otro lado, las sustancias similares al caucho y otros polímeros están compuestos por moléculas de cadena larga que se desenrollan cuando la sustancia se estira y retroceden durante la recuperación elástica. La reacción macroscópica del material, no su mecanismo subyacente, es el foco de la teoría matemática de la elasticidad y su aplicación a la ingeniería mecánica.

La relación lineal entre el esfuerzo de tracción (fuerza de tensión o estiramiento por unidad de área de la sección transversal del material), y la relación de extensión (diferencia entre las longitudes extendida e inicial dividida por la longitud inicial), e, en una tensión simple y directa prueba caracteriza la respuesta elástica de materiales como el acero y el hueso.

En otros términos, la expresión =Ee significa que es proporcional a e, y E, la constante de proporcionalidad, también se conoce como módulo de Young. La relación de los valores de E para el caucho y el acero es de aproximadamente 100 000, dependiendo del material. Una ley constitutiva es la ecuación =Ee, también conocida como ley de Hooke.

Mira el video a continuación para obtener más información sobre la elasticidad:

¿Quién descubrió la elasticidad?

Siempre hemos sabido que algunos materiales son más flexibles que otros y que responden a las fuerzas de diferentes maneras, pero Robert Hooke es el nombre crucial a tener en cuenta cuando se habla de elasticidad. Hooke, que vivió durante la vida de Isaac Newton, fue el primero en calcular y analizar con precisión cómo funciona la elasticidad.

A través de extensas pruebas con resortes, Hooke descubrió la Ley de la elasticidad, a veces conocida como Ley de Hooke, en 1660. El principio fundamental de la ley es que, para deformaciones relativamente menores de un elemento (como estirarlo o doblarlo), el desplazamiento o La cantidad de deformación es precisamente proporcional a la fuerza o carga de deformación. Cuando se retira la carga en estas circunstancias, el objeto recupera su tamaño y forma originales.

El comportamiento anterior se puede utilizar para explicar el comportamiento elástico de los sólidos según la ley de Hooke. Para que un material sea elástico, las partículas que lo componen deben poder moverse en su interior en respuesta a una fuerza externa y, de acuerdo con la Ley de Hooke, este movimiento debe ser directamente proporcional a la fuerza aplicada.

Aunque no es una ley perfecta (para fuerzas más grandes, el límite elástico se excede con frecuencia, lo que implica que la fuerza causa más deformación de la que es exactamente proporcional), la Ley de Hooke es la más crucial para entender cuando recién comienza a investigar el tema.

¿Por qué es útil la elasticidad?

Cada vez que necesite hacer algo, debe ser consciente de la importancia de la elasticidad. Después de todo, no sirve de nada crear una estructura que sea tan rígida que se derrumbe en una tormenta o una regla que sea tan flexible que no puedas usarla para medir nada.

Debido a esto, comprender el límite elástico de un material es crucial para casi cualquier tarea que requiera trabajar para crear o reparar un objeto, ya sea pequeño o grande como un rascacielos. Esto es especialmente cierto para cosas como vehículos y edificios.

Cuando se someten a una tensión extrema, que puede provenir de una variedad de fuentes diferentes, debemos poder confiar en que estas cosas se mantendrán sólidas y no fallarán. Para los ingenieros, en particular, el estudio de la elasticidad es esencial, ya que puede afectar significativamente la idoneidad de estos elementos para resistir daños.

En resumen

La ley de Hooke establece que no importa cuán grande sea la distancia, la fuerza utilizada para deformar elementos elásticos debe ser directamente proporcional a la distancia de deformación. La elasticidad en física y ciencia de materiales se refiere a la capacidad de un cuerpo para resistir una fuerza que causa distorsión y recuperar sus dimensiones originales una vez que la fuerza se ha retirado. Eso es todo por este artículo, donde se responde lo siguiente sobre la elasticidad:

• ¿Qué es la elasticidad?
• ¿Cómo funciona la elasticidad?
• ¿Quién descubrió la elasticidad?
• ¿Por qué es útil la elasticidad?

Espero que aprenda mucho de la lectura, si es así, tenga la amabilidad de compartir con los demás. Gracias por leer, ¡nos vemos!