Esfuerzos en Materiales - Stress
Siempre que una máquina está en funcionamiento, ya sea una máquina simple como una palanca o un tornillo, o una máquina más compleja como el motor de pistón de un avión o un tren de aterrizaje de accionamiento hidráulico, las partes y piezas de esa máquina experimentarán algo llamado tensión.
Cuando se aplica una fuerza externa a un objeto, como un peso que empuja el extremo de una palanca, se produce una reacción en el interior del objeto que se conoce como tensión. La tensión se suele medir en libras por pie cuadrado o libras por pulgada cuadrada (psi).
La fuerza externa que actúa sobre un objeto hace que la tensión se manifieste en una de las cinco formas, o en una combinación de esas cinco. Las cinco formas son tensión, compresión, torsión, flexión y cizallamiento.
Los elementos estructurales de los aviones están diseñados para soportar una carga o para resistir una tensión. En el diseño de un avión, cada centímetro cuadrado del ala y del fuselaje, cada costilla, cada larguero e incluso cada accesorio metálico debe considerarse en relación con las características físicas del material del que está hecho. Cada parte de la aeronave debe ser planificada para soportar la carga que se le imponga.
La determinación de dichas cargas se denomina análisis de esfuerzos. Aunque la planificación del diseño no es la función del técnico de aeronaves, es, sin embargo, importante que el técnico entienda y aprecie las tensiones implicadas para evitar cambios en el diseño original a través de reparaciones inadecuadas.
El término "estrés" se utiliza a menudo de forma intercambiable con la palabra "tensión". Aunque están relacionados, no son lo mismo. Las cargas o fuerzas externas provocan tensiones. La tensión es la resistencia interna de un material, o la fuerza contraria, que se opone a la deformación.
El grado de deformación de un material es la deformación. Cuando un material está sometido a una carga o fuerza, ese material se deforma, independientemente de la resistencia del material o de lo ligera que sea la carga.
Tensión
La tensión es una fuerza que intenta separar un objeto. En el sistema de poleas y aparejos analizado anteriormente en este capítulo, el bloque superior que albergaba las dos poleas fijas estaba fijado a una viga superior. El bloque inferior móvil y sus dos poleas colgaban de cuerdas, y el peso colgaba por debajo de todo el conjunto.
El peso que se levanta hace que las cuerdas y los bloques estén bajo tensión. El peso está literalmente tratando de separar la cuerda, y en última instancia causaría la ruptura de la cuerda si el peso fuera demasiado grande.
Compresión - Compression
La compresión es una fuerza que intenta aplastar un objeto. Un excelente ejemplo de compresión es cuando se ensambla un avión de chapa metálica utilizando el cierre conocido como remache. El remache pasa a través de un orificio perforado en las piezas de aluminio, y entonces una pistola remachadora en un lado y una barra de refuerzo en el otro aplican una fuerza.
Esta fuerza aplicada intenta aplastar el remache y hace que se expanda para rellenar el agujero y sujetar firmemente las piezas de aluminio.
Torsión
La torsión es el esfuerzo que experimenta un objeto cuando se tuerce, que es lo que ocurre cuando se aplica un torque de torsión a un eje. La torsión se compone de otros dos esfuerzos: la tensión y la compresión. Cuando un eje se tuerce, la tensión se experimenta en diagonal al eje y la compresión actúa a 90 grados de la tensión.
El eje de la turbina de un motor turbofán, que se conecta al compresor para impulsarlo, está sometido a un esfuerzo de torsión. Los álabes de la turbina extraen energía del aire a alta velocidad como una fuerza en libras.
Esta fuerza en libras actúa a lo largo de la longitud desde los álabes hasta el centro del eje, y crea el torque que provoca la rotación.
Flexión - Bending
Un avión en vuelo experimenta una fuerza de flexión en el ala cuando la sustentación aerodinámica intenta elevar el ala. Esta fuerza de sustentación hace que la piel de la parte superior del ala se comprima y que la piel de la parte inferior del ala esté bajo tensión. Cuando el avión está en el suelo sentado en su tren de aterrizaje, la fuerza de la gravedad trata de doblar el ala hacia abajo, sometiendo la parte inferior del ala a compresión y la parte superior a tensión.
Durante las pruebas que se realizan antes de la certificación de la FAA, el fabricante del avión dobla intencionadamente el ala hacia arriba y hacia abajo para asegurarse de que puede soportar la tensión sin fallar.
Cizalladura - Shear
Cuando se aplica una tensión de cizallamiento a un objeto, la fuerza trata de cortar o rebanar, como un cuchillo que corta la mantequilla. Un tornillo de horquilla, que a menudo se utiliza para fijar un cable a una parte del fuselaje, tiene un esfuerzo de cizallamiento que actúa sobre él, un accesorio de horquilla se fija al extremo del cable, y la horquilla se une a un ojo en el fuselaje con el tornillo de horquilla.
Cuando el cable se pone bajo tensión, la horquilla trata de deslizarse fuera del ojo cortando el perno de horquilla. Este perno estaría diseñado para soportar cargas de cizallamiento muy elevadas.
Deformación - Strain
Si la tensión que actúa sobre un objeto es lo suficientemente grande, puede hacer que el objeto cambie de forma o se deforme. Una de las características de la materia es que tiende a ser elástica, lo que significa que puede deformarse cuando se aplica una fuerza y volver a su forma original cuando se elimina la fuerza. Cuando un objeto se deforma por una fuerza aplicada, se dice que el objeto está tenso.
En las celdas de prueba de los motores de turbina, el empuje del motor suele medirse con lo que se denomina galgas extensométricas. Cuando la fuerza, o el empuje, del motor tira de las bandas extensométricas, se mide la cantidad de distorsión y se traduce en la lectura de empuje correspondiente.
Una llave dinamométrica de tipo viga deflectora utiliza la tensión en el extremo de accionamiento de la llave y la distorsión resultante de la viga para indicar la cantidad de torque de apriete de un tornillo o tuerca.
Tensión de flexión - Bending stress
Es una combinación de compresión y tensión. La varilla de la figura se ha acortado (comprimido) en el interior de la curva y se ha estirado en el exterior de la misma. Un solo miembro de la estructura puede estar sometido a una combinación de esfuerzos. En la mayoría de los casos, los miembros de la estructura están diseñados para soportar cargas en los extremos en lugar de cargas laterales. Están diseñados para ser sometidos a tensión o compresión en lugar de a flexión.
La fuerza o la resistencia a las cargas externas impuestas durante el funcionamiento puede ser el requisito principal en determinadas estructuras. Sin embargo, hay muchas otras características, además del diseño para controlar las cinco tensiones principales, que los ingenieros deben tener en cuenta.
Por ejemplo, el capó, los carenados y otras partes similares pueden no estar sujetos a cargas significativas que requieran un alto grado de resistencia. Sin embargo, estas piezas deben tener formas aerodinámicas para cumplir los requisitos de la aerodinámica, como reducir la resistencia o dirigir el flujo de aire.
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