ESFUERZO Y RESISTENCIA EN EL DISEÑO

La supervivencia de muchos productos depende de la forma en que el diseñador ajusta el esfuerzo inducido por la carga para que sea menor que la resistencia en un punto de interés. En resumen, debe permitir que la resistencia exceda al esfuerzo por un margen suficiente, de manera que a pesar de las incertidumbres, la falla no sea frecuente. 

Al enfocarse en la comparación esfuerzo-resistencia en un punto crítico (controlado), a menudo se busca “resistencia en la geometría y condición de uso”. Las resistencias son magnitudes de esfuerzos en los cuales ocurre algo de interés, como el límite de proporcionalidad, la fluencia desplazada 0.2 por ciento, o la fractura (vea la sección 2-1). En muchos casos, estos sucesos representan el nivel de esfuerzo en el que ocurre la pérdida de la función. La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecánico.

 La resistencia de un elemento depende de la selección, el tratamiento y el procesamiento del material. Considere, por ejemplo, un embarque de resortes. Puede asociarse una resistencia con un resorte específico. Cuando este resorte se incorpora a una máquina, se aplican fuerzas externas que provocan cargas inducidas en el resorte, las magnitudes de éstas dependen de su geometría y son independientes del material y su procesamiento. Si el resorte se retira de la máquina sin daño alguno, el esfuerzo debido a las fuerzas externas disminuirá a cero, su valor antes del ensamble, pero la resistencia permanece como una de las propiedades del resorte. Recuerde, entonces, que la resistencia es una propiedad inherente de una pieza, una propiedad construida en la pieza debido al empleo de un material y de un proceso particular. 

Varios procesos de trabajo en metales y tratamiento térmico, como el forjado, el laminado y el formado en frío, causan variaciones en la resistencia de punto a punto en toda la parte. Es muy probable que el resorte citado antes tenga una resistencia en el exterior de las espiras diferente a su resistencia en el interior, puesto que el resorte se ha formado mediante un proceso de enrollado en frío y los dos lados quizá no se hayan deformado en la misma medida. Por lo tanto, también recuerde que un valor de la resistencia dado para una parte se aplica sólo a un punto particular o a un conjunto de puntos en la parte. 

El esfuerzo es una propiedad de estado en un punto específico dentro de un cuerpo, la cual es una función de la carga, la geometría, la temperatura y el proceso de manufactura. En un curso elemental de mecánica de materiales, se hace hincapié en el esfuerzo relacionado con la carga y la geometría con algún análisis de los esfuerzos térmicos. Sin embargo, los esfuerzos debidos a los tratamientos térmicos, al moldeado, al ensamble, etc., también son importantes y en ocasiones no se toman en cuenta.

Cuando se analizan los esfuerzos siempre nos topamos con los tipos de esfuerzos llamados uniformemente distribuidos. Esto esfuerzos se dividen en tensión pura, compresión pura ó cortante pura. Un ejemplo típico de tensión pura es el de una barra en tensión, dada una fuerza F que es aplicada por los pasadores en los extremos de la barra se puede pensar que el esfuerzo está uniformemente distribuido a lo largo de la barra si cumple con las siguientes condiciones:

• La barra sea recta y de material homogéneo.
• La línea de acción de la fuerza pase por el centroide de la sección.
• La sección esté lo suficientemente alejada de los extremos y de cualquier discontinuidad o cambio brusco en la sección transversal.

Las mismas hipótesis se cumplen para el caso de compresión pura. Para el caso de esfuerzo cortante es muy difícil lograr un esfuerzo cortante puro, pero en la teoría se cumplen ciertas condiciones de validez.

Deformación: Cuando a una barra recta se le aplica un esfuerzo de tensión, la barra se alarga. El grado de alargamiento recibe el nombre de deformación, y se define como el alargamiento producido por unidad de longitud de la barra:

La deformación por cortante es la variación angular con respecto a la ortogonalidad, de una barra de material sometida a cortante puro.

Elasticidad: La elasticidad es la propiedad por la que un material puede recobrar su forma y dimensiones luego de ser sometida a un esfuerzo, cuando se pasa cierta carga de esfuerzo, el material denota deformación, quedando ej. Para el caso de la tensión, un poco más larga y un poco más estrecha.

Esfuerzo cortante en vigas: Son, para una viga en un punto dado, la sumatoria de los esfuerzos y de los momentos flexionantes a la izquierda de la misma.

Esfuerzos Normales por flexión: Es cuando a una viga homogénea se le aplica un momento flexionante puro, lo que se mide es el ángulo de flexión, y se define la siguiente ecuación: