馃敶✈️ 136. Aviaci贸n 馃殎: Tipos de Esfuerzos en Materiales - Stresses in Structural Members
Esfuerzos en Materiales - Stress
Siempre que una m谩quina est谩 en funcionamiento, ya sea una m谩quina simple como una palanca o un tornillo, o una m谩quina m谩s compleja como el motor de pist贸n de un avi贸n o un tren de aterrizaje de accionamiento hidr谩ulico, las partes y piezas de esa m谩quina experimentar谩n algo llamado tensi贸n.
Cuando se aplica una fuerza externa a un objeto, como un peso que empuja el extremo de una palanca, se produce una reacci贸n en el interior del objeto que se conoce como tensi贸n. La tensi贸n se suele medir en libras por pie cuadrado o libras por pulgada cuadrada (psi).
La fuerza externa que act煤a sobre un objeto hace que la tensi贸n se manifieste en una de las cinco formas, o en una combinaci贸n de esas cinco. Las cinco formas son tensi贸n, compresi贸n, torsi贸n, flexi贸n y cizallamiento.
Los elementos estructurales de los aviones est谩n dise帽ados para soportar una carga o para resistir una tensi贸n. En el dise帽o de un avi贸n, cada cent铆metro cuadrado del ala y del fuselaje, cada costilla, cada larguero e incluso cada accesorio met谩lico debe considerarse en relaci贸n con las caracter铆sticas f铆sicas del material del que est谩 hecho. Cada parte de la aeronave debe ser planificada para soportar la carga que se le imponga.
La determinaci贸n de dichas cargas se denomina an谩lisis de esfuerzos. Aunque la planificaci贸n del dise帽o no es la funci贸n del t茅cnico de aeronaves, es, sin embargo, importante que el t茅cnico entienda y aprecie las tensiones implicadas para evitar cambios en el dise帽o original a trav茅s de reparaciones inadecuadas.
El t茅rmino "estr茅s" se utiliza a menudo de forma intercambiable con la palabra "tensi贸n". Aunque est谩n relacionados, no son lo mismo. Las cargas o fuerzas externas provocan tensiones. La tensi贸n es la resistencia interna de un material, o la fuerza contraria, que se opone a la deformaci贸n.
El grado de deformaci贸n de un material es la deformaci贸n. Cuando un material est谩 sometido a una carga o fuerza, ese material se deforma, independientemente de la resistencia del material o de lo ligera que sea la carga.
Tensi贸n
La tensi贸n es una fuerza que intenta separar un objeto. En el sistema de poleas y aparejos analizado anteriormente en este cap铆tulo, el bloque superior que albergaba las dos poleas fijas estaba fijado a una viga superior. El bloque inferior m贸vil 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 est茅n bajo tensi贸n. El peso est谩 literalmente tratando de separar la cuerda, y en 煤ltima instancia causar铆a la ruptura de la cuerda si el peso fuera demasiado grande.
Compresi贸n - Compression
La compresi贸n es una fuerza que intenta aplastar un objeto. Un excelente ejemplo de compresi贸n es cuando se ensambla un avi贸n de chapa met谩lica utilizando el cierre conocido como remache. El remache pasa a trav茅s 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.
Torsi贸n
La torsi贸n es el esfuerzo que experimenta un objeto cuando se tuerce, que es lo que ocurre cuando se aplica un torque de torsi贸n a un eje. La torsi贸n se compone de otros dos esfuerzos: la tensi贸n y la compresi贸n. Cuando un eje se tuerce, la tensi贸n se experimenta en diagonal al eje y la compresi贸n act煤a a 90 grados de la tensi贸n.
El eje de la turbina de un motor turbof谩n, que se conecta al compresor para impulsarlo, est谩 sometido a un esfuerzo de torsi贸n. Los 谩labes de la turbina extraen energ铆a del aire a alta velocidad como una fuerza en libras.
Esta fuerza en libras act煤a a lo largo de la longitud desde los 谩labes hasta el centro del eje, y crea el torque que provoca la rotaci贸n.
Flexi贸n - Bending
Un avi贸n en vuelo experimenta una fuerza de flexi贸n en el ala cuando la sustentaci贸n aerodin谩mica intenta elevar el ala. Esta fuerza de sustentaci贸n hace que la piel de la parte superior del ala se comprima y que la piel de la parte inferior del ala est茅 bajo tensi贸n. Cuando el avi贸n est谩 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 compresi贸n y la parte superior a tensi贸n.
Durante las pruebas que se realizan antes de la certificaci贸n de la FAA, el fabricante del avi贸n dobla intencionadamente el ala hacia arriba y hacia abajo para asegurarse de que puede soportar la tensi贸n sin fallar.
Cizalladura - Shear
Cuando se aplica una tensi贸n 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 act煤a sobre 茅l, 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 tensi贸n, la horquilla trata de deslizarse fuera del ojo cortando el perno de horquilla. Este perno estar铆a dise帽ado para soportar cargas de cizallamiento muy elevadas.
Deformaci贸n - Strain
Si la tensi贸n que act煤a sobre un objeto es lo suficientemente grande, puede hacer que el objeto cambie de forma o se deforme. Una de las caracter铆sticas de la materia es que tiende a ser el谩stica, 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 est谩 tenso.
En las celdas de prueba de los motores de turbina, el empuje del motor suele medirse con lo que se denomina galgas extensom茅tricas. Cuando la fuerza, o el empuje, del motor tira de las bandas extensom茅tricas, se mide la cantidad de distorsi贸n y se traduce en la lectura de empuje correspondiente.
Una llave dinamom茅trica de tipo viga deflectora utiliza la tensi贸n en el extremo de accionamiento de la llave y la distorsi贸n resultante de la viga para indicar la cantidad de torque de apriete de un tornillo o tuerca.
Tensi贸n de flexi贸n - Bending stress
Es una combinaci贸n de compresi贸n y tensi贸n. 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 combinaci贸n de esfuerzos. En la mayor铆a de los casos, los miembros de la estructura est谩n dise帽ados para soportar cargas en los extremos en lugar de cargas laterales. Est谩n dise帽ados para ser sometidos a tensi贸n o compresi贸n en lugar de a flexi贸n.
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 caracter铆sticas, adem谩s del dise帽o para controlar las cinco tensiones principales, que los ingenieros deben tener en cuenta.
Por ejemplo, el cap贸, 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 aerodin谩micas para cumplir los requisitos de la aerodin谩mica, como reducir la resistencia o dirigir el flujo de aire.
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