1 elasticidad ( tema )

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elasticidad

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  • Captulo 1 - Elasticidad

    2015

    FISICA II

  • El salto BUNGEE utiliza una larga cuerda elstica que se estira hasta que llega a una longitud mxima que es proporcional al peso del saltador. La elasticidad de la cuerda determina la amplitud de las vibraciones resultantes. Si se excede el lmite elstico de la cuerda, sta se romper.

    Captulo 13. Elasticidad

    Photo Vol. 10

    PhotoDisk/Getty

  • Objetivos: Despus de completar este mdulo, deber:

    Demostrar su comprensin de elasticidad, lmite elstico, esfuerzo, deformacin y resistencia a la rotura.

    Escribir y aplicar frmulas para calcular mdulo de Young, mdulo de corte y mdulo volumtrico.

    Resolver problemas que involucren cada uno de los parmetros en los objetivos anteriores.

  • Propiedades elsticas de la materia

    Un cuerpo elstico es aquel que regresa a su

    forma original despus de una deformacin.

    Bola de

    golf

    Baln de

    soccer

    Banda de

    goma

  • Propiedades elsticas de la materia

    Un cuerpo inelstico es aquel que no regresa a su

    forma original despus de una deformacin.

    Masa o pan Barro Bola inelstica

  • Elstico o inelstico?

    Una colisin elstica no pierde energa. La deformacin en la colisin se restaura por completo.

    En una colisin inelstica se pierde energa y la deformacin puede ser permanente. (Clic aqu.)

  • Un resorte elstico

    Un resorte es un ejemplo de un cuerpo elstico

    que se puede deformar al estirarse.

    Una fuerza restauradora,

    F, acta en la direccin

    opuesta al desplazamiento

    del cuerpo en oscilacin.

    F = -kx x

    F

  • Ley de Hooke Cuando un resorte se estira, hay una fuerza

    restauradora que es proporcional al desplazamiento.

    F = -kx

    La constante de resorte k es una propiedad del resorte dada por:

    F

    x

    m

    Fk

    x

    La constante de resorte k es una

    medida de la elasticidad del resorte.

  • Esfuerzo y deformacin

    Esfuerzo se refiere a la causa de una deformacin, y

    deformacin se refiere al efecto de la deformacin.

    x F

    La fuerza descendente F

    causa el desplazamiento x.

    Por tanto, el esfuerzo es la

    fuerza; la deformacin es la

    elongacin.

  • Tipos de esfuerzo Un esfuerzo de tensin ocurre

    cuando fuerzas iguales y

    opuestas se dirigen alejndose

    mutuamente.

    Un esfuerzo de compresin

    ocurre cuando fuerzas

    iguales y opuestas se dirigen

    una hacia la otra.

    F

    W

    Tensin

    F

    W

    Compresin

  • Resumen de definiciones

    Esfuerzo es la razn de una fuerza aplicada F

    al rea A sobre la que acta:

    Deformacin es el cambio relativo en las dimensiones o

    forma de un cuerpo como resultado de un esfuerzo aplicado:

    Ejemplos: Cambio en longitud por unidad de

    longitud; cambio en volumen por unidad de

    volumen.

    F Esfuerzo

    A

    22 o Pa :

    in

    lb

    m

    NUnidades

  • Esfuerzo y deformacin longitudinales

    L

    L

    A

    A F

    Para alambres, varillas y

    barras, existe un esfuerzo

    longitudinal F/A que

    produce un cambio en

    longitud por unidad de

    longitud. En tales casos:

    F Esfuerzo

    A

    L Deformacin

    L

  • Ejemplo 1. Un alambre de acero de 10 m de largo y 2 mm de dimetro se une al techo y a su extremo se une un peso de 200 N. Cul es el esfuerzo aplicado?

    L

    L

    A

    A F

    Primero encuentre el rea del

    alambre: 2 2(0.002 m)

    4 4

    DA

    A = 3.14 x 10-6 m2

    Esfuerzo

    6.37 x 107 Pa 26 m 10 x 3.14

    N 200

    A

    FEsfuerzo

  • Ejemplo 1 (Cont.) Un alambre de acero de 10 m se estira 3.08 mm debido a la carga de 200 N. Cul es la deformacin longitudinal?

    L

    L

    Dado: L = 10 m; L = 3.08 mm

    Deformacin longitudinal

    3.08 x 10-4

    m 10

    m 0.00308

    L

    LnDeformaci

  • El lmite elstico

    El lmite elstico es el esfuerzo mximo que un cuerpo puede

    experimentar sin quedar deformado permanentemente.

    W

    W

    2 m

    Si el esfuerzo supera el lmite elstico, la

    longitud final ser mayor que los 2 m originales.

    Bien

    Ms all del

    lmite

    F

    W

    2 m

    F Esfuerzo

    A

  • Resistencia a la rotura

    La resistencia a la rotura es el esfuerzo mximo que un

    cuerpo puede experimentar sin romperse.

    Si el esfuerzo supera la resistencia a la

    rotura, la cuerda se rompe!

    W

    W

    F

    W W

    W

    2 m

    F Esfuerzo

    A

  • Ejemplo 2. El lmite elstico para el acero es 2.48 x 108 Pa. Cul es el peso mximo que puede soportar sin superar el lmite elstico?

    L

    L

    A

    A F

    Recuerde: A = 3.14 x 10-6 m2

    F = (2.48 x 108 Pa) A

    F = (2.48 x 108 Pa)(3.14 x 10-6 m2) F = 779 N

    Pa 10 x 2.48 8A

    FEsfuerzo

  • Ejemplo 2 (Cont.) La resistencia a la rotura para el acero es 4089 x 108 Pa. Cul es el peso mximo que puede soportar sin romper el alambre?

    L

    L

    A

    A F

    Recuerde: A = 3.14 x 10-6 m2

    F = (4.89 x 108 Pa) A

    F = (4.89 x 108 Pa)(3.14 x 10-6 m2) F = 1536 N

    Pa 10 4.89 8A

    FEsfuerzo

  • El mdulo de elasticidad

    Siempre que el lmite elstico no se supere,

    una deformacin elstica (deformacin) es

    directamente proporcional a la magnitud de la

    fuerza aplicada por unidad de rea (esfuerzo).

    ndeformaci

    esfuerzodelasticida de Mdulo

  • Ejemplo 3. En el ejemplo anterior, el esfuerzo aplicado al alambre de acero fue 6.37 x 107 Pa y la deformacin fue 3.08 x 10-4. Encuentre el mdulo de elasticidad para el acero.

    L

    L Mdulo = 207 x 109 Pa

    Este mdulo de elasticidad longitudinal se llama

    mdulo de Young y se denota con el smbolo Y.

    4

    7

    1008.3

    Pa106.37

    ndeformaci

    esfuerzoMdulo

  • Mdulo de Young

    Para materiales cuya longitud es mucho mayor que el

    ancho o espesor, se tiene preocupacin por el mdulo

    longitudinal de elasticidad, o mdulo de Young (Y).

    /

    /

    F A FLY

    L L A L

    allongitudin ndeformaci

    allongitudin esfuerzoYoung de Mdulo

    2

    lb

    in. Unidades: Pa o

  • Ejemplo 4: El mdulo de Young para el latn es 8.96 x 1011 Pa. Un peso de 120 N se une a un alambre de latn de 8 m de largo; encuentre el aumento en longitud. El dimetro es 1.5 mm.

    8 m

    L

    120 N Primero encuentre el rea del alambre:

    2 2(0.0015 m)

    4 4

    DA

    A = 1.77 x 10-6 m2

    or FL FL

    Y LA L AY

  • Ejemplo 4: (continuacin)

    8 m

    L

    120 N

    Y = 8.96 x 1011 Pa; F = 120 N;

    L = 8 m; A = 1.77 x 10-6 m2

    F = 120 N; L = ?

    or FL FL

    Y LA L AY

    -6 2 11

    (120 N)(8.00 m)

    (1.77 x 10 m )(8.96 x 10 Pa)

    FLL

    AY

    L = 0.605 mm Aumento en longitud:

  • Mdulo de corte

    A

    F F f l

    d

    Un esfuerzo cortante altera slo la forma del cuerpo y deja el volumen invariable. Por ejemplo, considere las fuerzas cortantes iguales y opuestas F que actan sobre el cubo siguiente:

    La fuerza cortante F produce un ngulo

    cortante f. El ngulo f es la deformacin y el esfuerzo est dado por F/A como antes.

  • Clculo del mdulo de corte

    F F f l

    d A

    La deformacin es el ngulo expresado en radianes:

    El esfuerzo es fuerza por unidad de rea:

    El mdulo de corte S se define como la razn del

    esfuerzo cortante F/A a la deformacin de corte f:

    Mdulo de corte:

    unidades en pascales.

    F AS

    f

    F Esfuerzo

    A

    l

    dnDeformaci f

  • Ejemplo 5. Un perno de acero (S = 8.27 x 1010 Pa) de 1 cm de dimetro se proyecta 4 cm desde la pared. Al extremo se aplica una fuerza cortante de 36,000 N. Cul es la desviacin d del perno?

    d

    l

    F

    2 2(0.01 m)

    4 4

    DA

    rea: A = 7.85 x 10-5 m2

    ; F A F A Fl Fl

    S dd l Ad ASf

    -5 2 10

    (36,000 N)(0.04 m)

    (7.85 x 10 m )(8.27 x 10 Pa)d d = 0.222 mm

  • Elasticidad volumtrica No todas las deformaciones son lineales. A veces un

    esfuerzo aplicado F/A resulta en una disminucin del

    volumen. En tales casos, existe un mdulo

    volumtrico B de elasticidad.

    El mdulo volumtrico es negativo

    debido a la disminucin en V.

    VV

    AF

    avolumtric ndeformaci

    ovolumtric esfuerzoB

  • El mdulo volumtrico

    Dado que F/A por lo general es la presin P, se puede escribir:

    /

    P PVB

    V V V

    Las unidades siguen siendo pascales (Pa) pues la deformacin es adimensional.

    VV

    AF

    avolumtric ndeformaci

    ovolumtric esfuerzoB

  • Ejemplo 7. Una prensa hidrosttica contiene 5 litros de aceite. Encuentre la disminucin en volumen del aceite si se sujeta a una presin de 3000 kPa. (Suponga que B = 1700 MPa.)

    /

    P PVB

    V V V

    6

    9

    (3 x 10 Pa)(5 L)

    (1.70 x 10 Pa)

    PVV

    B

    V = -8.82 mL Disminucin en V;

    mililitros (mL):

  • Resumen: Elstico e inelstico

    Un cuerpo inelstico es aquel que no regresa a su

    forma original despus de una deformacin.

    En una colisin inelstica, se pierde energa y la deformacin puede ser permanente.

    Una colisin elstica no pierde energa. La deformacin en la colisin se restaura completamente.

    Un cuerpo elstico es aquel que regresa a su

    forma original despus de una deformacin.

  • Un esfuerzo de tensin ocurre

    cuando fuerzas iguales y

    opuestas se dirigen alejndose

    mutuamente.

    Un esfuerzo de compresin

    ocurre cuando fuerzas iguales

    y opuestas se dirigen una

    hacia la otra.

    F

    W Tensin

    F

    W

    Compresin

    Resumen

    Tipos de esfuerzo

  • Resumen de definiciones

    El esfuerzo es la razn de una fuerza aplicada

    F al rea A sobre la que acta:

    La deformacin es el cambio relativo en dimensiones o

    forma de un cuerpo como resultado de un esfuerzo aplicado:

    Ejemplos: Cambio en longitud por unidad de

    longitud; cambio en volumen por unidad de volumen.

    F Esfuerzo

    A

    22 o Pa

    in

    lb

    m

    NUnidades

  • Esfuerzo y deformacin longitudinales

    L

    L

    A

    A F

    Para alambres, varillas y

    barras, hay un esfuerzo

    longitudinal F/A que

    produce un cambio en

    longitud por unidad de

    longitud. En tales casos:

    F Esfuerzo

    A

    L Deformacin

    L

  • El lmite elstico

    El lmite elstico es el esfuerzo mximo que un

    cuerpo puede experimentar sin quedar

    permanentemente deformado.

    La resistencia a la rotura es el mayor estrs que

    un cuerpo puede experimentar sin romperse.

    La resistencia a la rotura

  • Mdulo de Young Para materiales cuya longitud es mucho mayor que el

    ancho o el espesor, se tiene preocupacin por el

    mdulo longitudinal de elasticidad, o mdulo de

    Young Y.

    /

    /

    F A FLY

    L L A L

    allongitudin ndeformaci

    allongitudin esfuerzoYoung de Mdulo

    22 o Pa

    in

    lb

    m

    NUnidades

  • El mdulo de corte

    F F f l

    d A

    La deformacin es el ngulo expresado en radianes:

    Esfuerzo es fuerza por unidad de rea:

    El mdulo de corte S se define como la razn del

    esfuerzo cortante F/A a la deformacin de corte f:

    El mdulo de corte: sus

    unidades son pascales.

    F AS

    f

    F Esfuerzo

    A

    d Deformacin l

    f

  • El mdulo volumtrico

    Puesto que F/A por lo general es presin P, se puede escribir:

    /

    P PVB

    V V V

    Las unidades siguen siendo pascales (Pa) pues la deformacin es adimensional.

    VV

    AF

    avolumtric ndeformaci

    ovolumtric esfuerzoB

  • CONCLUSIN: Captulo 1 - Elasticidad