Materiales elásticos: tipos, características y ejemplos
Los materiales elásticos son aquellos materiales que tienen la habilidad de resistir a una influencia o fuerza distorsionadora o deformadora, para luego retornar a su forma y tamaño original cuando la misma fuerza es retirada.
La elasticidad lineal es utilizada ampliamente en el diseño y en el análisis de estructuras como las vigas, las placas y las láminas. Los materiales elásticos tienen una gran importancia para la sociedad, ya que muchos de ellos son utilizados para elaborar ropa, llantas, repuestos automotores, etc.
Características de los materiales elásticos
Cuando un material elástico es deformado con una fuerza externa, experimenta una resistencia interna a la deformación y la restaura a su estado original si la fuerza externa ya no es aplicada.
Hasta cierto punto, la mayoría de los materiales sólidos exhiben un comportamiento elástico, pero hay un límite de la magnitud de la fuerza y de la deformación acompañante dentro de esta recuperación elástica.
Se considera a un material como elástico si puede ser estirado hasta 300% de su largo original. Por ese motivo existe un límite elástico, que es la mayor fuerza o tensión por unidad de área de un material sólido que puede soportar ante una deformación permanente.
Para estos materiales, el límite de elasticidad marca el fin de su comportamiento elástico y el comienzo de su comportamiento de plástico. Para los materiales más débiles, el estrés o tensión sobre su límite de elasticidad resulta en su fractura.
El límite de elasticidad depende del tipo de sólido considerado. Por ejemplo, una barra de metal puede ser extendida elásticamente hasta 1% de su largo original.
Sin embargo, fragmentos de ciertos materiales gomosos pueden experimentar extensiones de hasta 1000%. Las propiedades elásticas de la mayoría de los sólidos intención tienden a caer entre estos dos extremos.
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Tipos de materiales elásticos
Modelos de materiales elásticos tipo Cauchy
En la física, un material elástico Cauchy es aquel en el que el estrés/tensión de cada punto es determinado solo por el estado actual de deformación con respecto a una configuración arbitraria de referencia. Este tipo de materiales también es llamado material elástico simple.
Partiendo de esta definición, la tensión en un material elástico simple no depende de la ruta de deformación, la historia de la deformación, o el tiempo que tarda en lograr esa deformación.
Esta definición también implica que las ecuaciones constitutivas son espacialmente locales. Esto significa que el estrés solo es afectado por el estado de las deformaciones en un vecindario cercano al punto en cuestión.
También implica que la fuerza de un cuerpo (como la gravedad) y las fuerzas de inercia no pueden afectar las propiedades del material.
Los materiales elásticos simples son abstracciones matemáticas, y ningún material real encaja en esta definición perfectamente.
Sin embargo, muchos materiales elásticos de interés práctico como el hierro, el plástico, la madera y el concreto, pueden ser asumidos como materiales elásticos simples para propósitos de análisis de estrés.
Aunque la tensión de los materiales elásticos simples depende solo del estado de deformación, el trabajo realizado por la tensión/estrés puede depender del camino de deformación.
Por lo tanto, un material elástico simple tiene una estructura no conservativa y la tensión no puede ser derivada de una función potencial elástica escalada. En este sentido, los materiales que son conservativos son llamados hiperelásticos.
Materiales hipoelásticos
Estos materiales elásticos son aquellos que tienen una ecuación constitutiva independiente de las medidas de tensión finita excepto en el caso lineal.
Los modelos de materiales hipoelásticos son distintos de los modelos de materiales hiperelásticos o de los materiales elásticos simples ya que, excepto en circunstancias particulares, no pueden ser derivados de una función de densidad de energía de deformación (FDED).
Un material hipoelástico puede ser rigurosamente definido como uno que es modelado utilizando una ecuación constitutiva que satisface estos dos criterios:
- El tensor tensión ō al tiempo t depende solo del orden en el que el cuerpo ha ocupado sus configuraciones pasadas, pero no en el lapso en el que estas configuraciones pasadas fueron atravesadas.
Como un caso especial, este criterio incluye a un material elástico simple, en el que la tensión actual depende solo de la configuración actual en vez de la historia de las configuraciones pasadas.
- Hay una función-tensor con valor G de manera que ō = G (ō, L) en el que ō es el lapso del tensor tensión del material y L sea el tensor gradiente de velocidad espacial.
Materiales hiperelásticos
Estos materiales también son llamados materiales elásticos de Green. Son un tipo de ecuación constitutiva para materiales idealmente elásticos para los cuales la relación entre la tensión es derivada de una función densidad de energía de deformación. Estos materiales son un caso especial de materiales elásticos simples.
Para muchos materiales, los modelos lineales elásticos no describen correctamente el comportamiento observado del material.
El ejemplo más común de esta clase de material es el caucho, cuya relación estrés-tensión puede ser definida como no lineal, elástica, isotrópica, incomprensible y generalmente independiente de su proporción de tensión.
La hiperelasticidad suministra una manera de modelar el comportamiento de estrés-tensión de dichos materiales.
El comportamiento de elastómeros vacíos y vulcanizados a menudo conforman el ideal hiperelástico. Los elastómeros llenos, las espumas poliméricas y los tejidos biológicos también son modelados con la idealización hiperelástica en mente.
Los modelos de materiales hiperelásticos regularmente son utilizados para representar un comportamiento de gran deformación en los materiales.
Usualmente son utilizados para modelar comportamientos mecánicos y de elastómeros vacíos y llenos.
Ejemplos de materiales elásticos
1- Goma natural
2- Spandex o lycra
3- Caucho butílico (PIB)
4- Fluoroelastómero
5- Elastómeros
6- Caucho etileno-propileno (EPR)
7- Resilina
8- Caucho estireno-butadieno (SBR)
9- Cloropreno
10- Elastina
11- Epiclorhidrina de caucho
12- Nylon
13- Terpeno
14- Caucho isopreno
15- Poilbutadieno
16- Caucho nitrílico
17- Vinilo stretch
18- Elastómero termoplástico
19- Goma de silicona
20- Caucho etileno-propileno-dieno (EPDM)
21- Etilvinilacetato (goma EVA o foamy)
22- Cauchos butilos halogenizados (CIIR, BIIR)
23- Neopreno
Referencias
- Types of elastic materials. Recuperado de leaf.tv.
- Cauchy elastic material. Recuperado de wikipedia.org.
- Elastic materials examples (2017) Recuperado de quora.com.
- How to choose an hyperelastic material (2017) Recuperado de simscale.com
- Hyperlestic material. Recuperado de wikipedia.org.