Mecánica de materiales: historia, campo de estudio, aplicaciones
La mecánica de materiales estudia las respuestas de los objetos ante las cargas externas aplicadas. Del conocimiento de tales respuestas depende que el diseño de máquinas, mecanismos y estructuras sea más eficiente.
Para que un diseño sea adecuado, es preciso considerar los esfuerzos y las deformaciones que actúan sobre el objeto. Cada material tiene una respuesta propia, según sus características.
La mecánica de materiales se fundamenta a su vez en la estática, ya que debe hacer uso de sus métodos y conceptos, tales como las distintas cargas o fuerzas y los momentos a los que pueden verse expuestos los cuerpos durante su funcionamiento. Asimismo es preciso considerar las condiciones de equilibrio de un cuerpo extendido.
De esta manera se estudian concienzudamente la resistencia, la rigidez, la elasticidad y la estabilidad de los cuerpos.
A la mecánica de materiales también se la conoce como resistencia de materiales o mecánica de los sólidos.
Índice del artículo
- 1 Historia de la mecánica de materiales
- 2 Campo de estudio
- 3 Aplicaciones de la mecánica de materiales
- 4 Referencias
Desde los comienzos de la humanidad, las personas comprobaban, por ensayo y error, las características de los materiales en su entorno. No es difícil imaginar a los esforzados artesanos de la edad de piedra escogiendo las rocas adecuadas para tallar sus puntas de flecha.
Con el sedentarismo, se comenzaron a construir estructuras que con el tiempo fueron evolucionando hasta las edificaciones monumentales de los pueblos del Antiguo Egipto y Mesopotamia.
Estos constructores conocían bien la respuesta de los materiales que empleaban, a tal punto que todavía hoy los templos, las pirámides y los palacios que dejaron siguen causando asombro.
Igual puede decirse de la ingeniería de los antiguos romanos, notable por su diseño en el que aplicaban arcos y bóvedas, así como el acertado uso de los materiales.
El formalismo de la mecánica de los materiales surgió siglos después, gracias a los experimentos del gran Galileo Galilei (1564 – 1642), quien estudió los efectos de las cargas sobre barras y vigas hechos de diferentes materiales.
Galileo dejó plasmado en su libro Dos cuevas ciencias sus conclusiones acerca de las fallas en estructuras como vigas en voladizo. Posteriormente, Robert Hooke (1635-1703) sentó las bases de la teoría de la elasticidad, con la famosa ley de Hooke, la cual establece que la deformación, siempre que sea pequeña, es proporcional al esfuerzo.
Isaac Newton (1642-1727) estableció las leyes de movimiento que definen la actuación de las fuerzas sobre los objetos, y de manera independiente con Gottfried Leibnitz, inventó el cálculo matemático, herramienta fundamental para modelar los efectos de las fuerzas.
Más adelante, a partir del siglo XVIII, varios notables científicos franceses llevaron a cabo experimentos con materiales: Saint-Venant, Coulomb, Poisson, Lame y Navier, los más notables. Este último es el autor del primer texto de la moderna mecánica de materiales.
Al mismo tiempo las matemáticas fueron evolucionando para aportar herramientas en la solución de problemas mecánicos más complejos. Son notables los experimentos de Thomas Young (1773-1829), quien determinó la rigidez de diferentes materiales.
Al día de hoy, muchos problemas se resuelven mediante métodos numéricos y simulaciones por computadora, ya que la investigación avanzada en la ciencia de los materiales prosigue.
La mecánica de los materiales estudia los sólidos reales, aquellos que pueden deformarse bajo la acción de las fuerzas, a diferencia de los sólidos ideales, que son indeformables. Por experiencia se sabe que los materiales reales sí se pueden fracturar, estirar, comprimir o flexionar, de acuerdo a la carga que experimenten.
Por ello la mecánica de materiales puede considerarse como el paso siguiente a la estática. En esta se consideraba que los sólidos eran indeformables, lo que sigue es averiguar cómo se deforman cuando actúan fuerzas externas sobre ellos, porque gracias a estas fuerzas, en el interior de los objetos se desarrollan esfuerzos internos como respuesta.
De la intensidad de estos esfuerzos depende la deformación del cuerpo y eventualmente la ruptura. Entonces la mecánica de materiales proporciona las bases para un diseño eficaz de partes y estructuras, sin importar el material de que estén hechos, pues la teoría desarrollada aplica para todos ellos.
La respuesta de los materiales depende de dos aspectos fundamentales:
-Resistencia
-Rigidez
Se entiende por resistencia de un objeto a su capacidad para soportar esfuerzos sin romperse o fracturarse. No obstante, en este proceso, el objeto puede deformarse y sus funciones dentro de la estructura quedan disminuidas, acorde a su rigidez.
Cuanto más rígido es el material, menos tiende a deformarse a causa de los esfuerzos. Desde luego, siempre que un objeto esté bajo esfuerzos, va a sufrir algún tipo de deformación, que puede ser o no permanente. La idea es que ese objeto no deje de funcionar adecuadamente a pesar de ello.
La mecánica de materiales contempla los efectos de esfuerzos varios, a los que clasifica por su forma o por su duración. Por su forma los esfuerzos pueden ser de:
- Tracción, es un esfuerzo normal (actúa perpendicular a la sección transversal del objeto) y produce su alargamiento.
- Compresión, también es un esfuerzo normal, pero favorece el acortamiento.
- Cizalla, consiste en fuerzas de sentido contrario aplicadas a la sección transversal del cuerpo, cuyo efecto es producir un corte, dividiéndolo en secciones.
- Flexión, fuerzas perpendiculares que tienden a doblar, curvar o pandear al elemento sobre el que actúan.
- -Torsión, son pares aplicados al objeto que lo retuercen.
Y por su rapidez, los esfuerzos son:
- Estáticos, que actúan muy lentamente sobre el cuerpo.
- De impacto, son de corta duración y efecto intenso.
- De fatiga, que consisten en ciclos repetitivos de esfuerzo-deformación que terminan por fracturar al elemento.
Siempre que se tenga una estructura, una maquinaria o cualquier objeto, siempre estará sometido a numerosos esfuerzos derivados de su uso. Como se mencionó con anterioridad, estos esfuerzos causan deformaciones y eventuales roturas: las vigas pueden pandearse, con riesgo de colapso, o los dientes de los engranes romperse.
Así que los materiales empleados en utensilios diversos, maquinarias y estructuras deben ser apropiados, no solamente para garantizar su correcto funcionamiento, sino para que sean seguros y estables.
En líneas generales, la mecánica de materiales funciona de esta manera:
En una primera instancia se analiza la estructura, cuya geometría se conoce, determinando los esfuerzos y la deformación, para hallar la carga máxima que se puede aplicar y que no supere un límite de deformación preestablecido.
Otra opción es determinar las dimensiones de la estructura, dadas ciertas cargas y valores de esfuerzo y deformación permitidos.
De esta manera, la mecánica de los materiales se aplica indistintamente a diversas áreas:
- Ingeniería civil: para el diseño de edificaciones según el tipo de cargas que deben soportar.
- Mecánica automotriz y aeronáutica: en el diseño de partes para autos, aviones y embarcaciones.
- Medicina: los biomateriales es un área muy interesante, en la cual los principios descritos se aplican en el diseño de prótesis diversas y como sustitutos de tejidos, por ejemplo.
De esta manera, la mecánica de materiales se posiciona como la base de la ciencia y la ingeniería de los materiales, una rama multidisciplinaria con espectaculares avances en los últimos tiempos.
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