Temas:
- 1. Estados
de agregación de la materia
- 2. Ley
de Hooke
- 3. Módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal
1-Estados de agregación de la materia
La materia es la sustancia física del Universo, es
cualquier cosa que tiene masa y ocupa un espacio.
Las propiedades que presentan los cuerpos sin
distinción reciben el nombre de propiedades Generales, algunas de estas
propiedades reciben el nombre de propiedades Extensivas, ya que su valor
depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, peso, el volumen,
la inercia, etc.
• Extensión: Se refiere al espacio que ocupa un
cuerpo.
• Masa: La cantidad de materia contenida en un cuerpo.
• Peso: Representa la fuerza gravitacional con la que
es atraída la masa de dicho cuerpo.
• Inercia: Es la oposición que presentan los cuerpos a
variar del estado de reposo o movimiento.
• Energía: Es una propiedad que caracteriza la
interacción de los componentes de un sistema físico que tiene la capacidad de
realizar un trabajo.
Las propiedades que permiten distinguir una sustancia
de otra se le conoce como Intensivas, su valor es independiente de la cantidad
de materia, éstas pueden ser:
Físicas. Son las
características visibles propias de la materia.
• Densidad: Se define como el cociente que resulta de
dividir la masa de una sustancia dada entre el volumen que ocupa.
• Punto de fusión: Es la temperatura a la cual una
sustancia sólida comienza a licuarse estando en contacto íntimo con el estado
líquido resultante que se encontrará a la misma temperatura.
• Solubilidad: Es la capacidad de una sustancia o un
cuerpo al combinarse con un líquido.
• Módulo de Young: Parámetro que caracteriza el
comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica
la fuerza.
• Organolépticas: Se refiere a que se perciben
mediante los sentidos.
Químicas: Se refiere al comportamiento de las sustancias al combinarse con otras y a los cambios en su estructura interna como consecuencia de los efectos de diferentes tipos de energía.
¿Cómo se producen estos diferentes estados
de la materia?
La Teoría Cinético Molecular, uno de los conceptos
básicos de la teoría se refiere a que los átomos y moléculas están en
movimiento constante, mientras más energía hay mayor es el movimiento molecular
y la temperatura percibida. Un punto importante es que la cantidad de energía
que tienen los átomos (y por consiguiente la cantidad de movimiento) influye en
su interacción.
Sólidos
Estos átomos se mantienen en movimiento, pero es sólo
vibracional y las moléculas se mantienen fijas vibrando unas al lado de otras.
Por consiguiente, colectivamente estos átomos forman una sustancia dura, lo que
llamamos sólido.
Líquidos
En los líquidos las fuerzas intermoleculares (tales
como los lazos de hidrógeno) unen las moléculas que en seguida se rompen. A
medida que la temperatura de un líquido aumenta, la cantidad de movimiento de
las moléculas individualmente también aumenta. Como resultado éstos pueden
circular para tomar la forma del contenedor, pero no pueden ser fácilmente
comprimidos. Tienen forma indefinida, pero volumen definido.
Gases
Los gases se forman cuando la energía de un sistema
excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas, así interactúan poco,
chocando casi ocasionalmente. En este estado las moléculas se mueven
rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en
grandes espacios. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente
separadas los gases pueden ser comprimidos y tienen forma indefinida.
Los sólidos, líquidos y gases son los estados que
existen de manera más común en nuestro planeta.
Plasma
La materia en estado plasmático se caracteriza por que
sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen un equilibrio
electromagnético. Se forman bajo condiciones de alta temperatura al ionizarse
con sus átomos y moléculas. Tienen tanta energía que los electrones exteriores
se colisionan y son violentamente separados en átomos individuales, formando
así un gas de iones altamente cargados y energizados; por lo que se comportan
de manera diferente a los gases y son el cuarto estado de la materia.
Condensado de Bose-Einstein
Esta nueva forma de materia fue obtenida el 5 de julio
de 1995, por los físicos Eric A. Cornell, Wolfganag Ketterle y Carl E. Wieman.
Los científicos lograron enfriar los átomos a temperatura 300 veces más baja de
lo que se había logrado. Se le ha llamado “BEC, Bose-Einstein Condesado” y es
tan frío y denso que aseguran que los átomos quedan inmóviles.
Condensado de Fermi
Creado en la Universidad de Colorado por primera vez en 1999, el primer condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003. Es considerado el sexto estado de la materia, adquiere superfluidez, se crea a muy bajas temperaturas, extremadamente cerca del cero absoluto.
Cambios de estados de agregación de la
materia.
Cuando se habla de cambios de estado de agregación de
la materia, hay que tener presente que cada sustancia cambia de estado a
valores específicos de temperatura y de presión. De hecho, la temperatura a la
que ocurre un cambio de estado es una característica específica de cada
sustancia.
Estos cambios son:
• Sublimación
• Vaporización
• Condensación
• Solidificación
• Fusión
• Sublimación inversa (sublimación regresiva o deposición)
2- Ley de Hooke
Elasticidad es la propiedad que tienen los cuerpos de
recuperar su tamaño y forma original después de ser comprimidos o estirados,
una vez que desaparece la fuerza que ocasiona la deformación. Cuando una fuerza
actúa sobre un cuerpo provoca un esfuerzo o tensión en el interior del cuerpo
ocasionando su deformación.
En algunos materiales como los metales, la deformación
es directamente proporcional al esfuerzo. Sin embargo, si la fuerza es mayor a
un determinado valor, el cuerpo queda deformado permanentemente. El máximo
esfuerzo que un material puede resistir antes de quedar permanentemente
deformado se designa con el nombre de límite de elasticidad.
El límite de elasticidad de un cuerpo está determinado
por su estructura molecular. La distancia que existe entre las moléculas del
cuerpo cuando está sometido a un esfuerzo, está en función del equilibrio entre
las fuerzas moleculares de atracción y repulsión. Pero si se le aplica una
fuerza suficiente para provocar una tensión en el interior del cuerpo, las
distancias entre las moléculas varían y el cuerpo se deforma. Cuando las
moléculas se encuentran firmemente unidas entre si, la deformación es pequeña
no obstante que el cuerpo este sometido a un esfuerzo considerable, sin
embargo, si las moléculas se encuentran poco unidas, al recibir un esfuerzo
pequeño le puede causar una deformación considerable.
La deformación de un cuerpo elástico es directamente
proporcional a la magnitud de la fuerza que recibe. En otras palabras, si la
magnitud de la fuerza aumenta al doble, la deformación también aumenta al
doble; si la magnitud de la fuerza aumenta al triple, la deformación se
triplica, y si la magnitud de la fuerza disminuye a la mitad, la deformación se
reduce a la mitad; por ello se dice que entre estas dos variables existe una
relación directamente proporcional.
Los sólidos tienen elasticidad de alargamiento, de
esfuerzo cortante y de volumen; mientras los líquidos y gases sólo la tienen de
volumen.
Las deformaciones elásticas, como alargamientos,
compresiones, torsiones y flexiones, fueron estudiadas por el físico ingles
Robert Hooke (1635-1703), quien enunció la siguiente ley:
“Mientras no se exceda el límite de elasticidad de un cuerpo, la deformación elástica que sufre es directamente proporcional al esfuerzo recibido”.
¿Qué sucede cuando un material se deforma?
En mecánica, lo importante es la fuerza aplicada por
unidad de área; llamamos esfuerzo (σ) a ésta cantidad. El grado de
estiramiento/ compresión que se produce mientras el material responde al
esfuerzo lo llamamos deformación (ϵ). Medimos el esfuerzo con el cociente de la
diferencia en la longitud ΔL, entre la longitud inicial L0 a lo largo de la
dirección del esfuerzo, es decir,𝝐=𝜟𝑳/𝑳𝒐
Cada material responde de forma distinta al esfuerzo. En
la mayoría de los materiales, la deformación que experimentan cuando se les
aplica un pequeño esfuerzo depende de la tensión de los enlaces químicos dentro
de ellos. La rigidez del material está directamente relacionada con la
estructura química de éste y de los tipos de enlaces químicos presentes. Lo que
sucede cuando se quita el esfuerzo depende de hasta qué punto los átomos se han
movido. En general hay dos tipos de deformación:
1. Deformación elástica: Cuando
se quita el esfuerzo, el material regresa a la forma que tenía originalmente.
La deformación es reversible y por lo tanto no es permanente.
2. Deformación plástica: Esta
ocurre cuando se aplica un esfuerzo tan grande a un material que al retirarlo
el material no regresa a su forma anterior. Hay una deformación permanente e
irreversible. Llamamos límite elástico del material al valor mínimo de esfuerzo
necesario para producir una deformación plástica.
Módulo de elasticidad.
Módulo de elasticidad es el cociente entre la magnitud
del esfuerzo (fuerza) aplicada a un cuerpo y la deformación producida en dicho
cuerpo; su valor es constante siempre que no exceda el límite elástico del
cuerpo. También recibe el nombre de constante del resorte o coeficiente de rigidez
del cuerpo solido del que se trate.
Robert Hooke fue el primero en establecer esta
relación por medio de la invención de un volante de resorte para reloj. En
términos generales, Hooke descubrió que cuando una fuerza F actúa sobre un
resorte produce en él un alargamiento x que es directamente proporcional a la
magnitud de la fuerza. La Ley de Hooke se representa como:
𝑭
= −𝒌𝒙
Donde F es la fuerza
x la longitud de la extensión o compresión, según el
caso
k es una constante de proporcionalidad, conocida como
constante de resorte, que generalmente está en N/m .
La constante de proporcionalidad k varía mucho de
acuerdo con el tipo de material y recibe el nombre de constante elástica.
Aunque aquí no hemos establecido explícitamente la
dirección de la fuerza, habitualmente se le pone un signo negativo. Esto es
para indicar que la fuerza de restauración debida al resorte está en dirección
opuesta a la fuerza que causó el desplazamiento. Jalar un resorte hacia abajo
hará que se estire hacia abajo, lo que a su vez resultará en una fuerza hacia
arriba debida al resorte.
Al abordar problemas de mecánica que implican
elasticidad, siempre es importante asegurarnos de que la dirección de la fuerza
de restauración sea consistente. En problemas simples a menudo podemos
interpretar la extensión x como un vector unidimensional. En este caso, la
fuerza resultante también será un vector de una dimensión, y el signo negativo
en la ley de Hooke le dará la dirección correcta.
La ley de Hooke no se limita al caso de los resortes
en espiral; de hecho, se aplica a la deformación de todos los cuerpos
elásticos. Para que la ley se pueda aplicar de un modo más general, es
conveniente definir los términos esfuerzo y deformación. El esfuerzo se refiere
a la causa de una deformación elástica, mientras que la deformación se refiere
a su efecto, en otras palabras, a la alteración de la forma en sí misma.
Un esfuerzo de tensión se presenta cuando fuerzas
iguales y opuestas se apartan entre sí. En un esfuerzo de compresión las
fuerzas son iguales y opuestas y se acercan entre si. Un esfuerzo cortante
ocurre cuando fuerzas iguales y opuestas no tienen la misma línea de acción.
La eficacia de cualquier fuerza que produce un
esfuerzo depende en gran medida del área sobre la que se distribuye la fuerza.
Por esta razón, una definición más completa de esfuerzo se puede enunciar en la
siguiente forma:
Esfuerzo es la razón de una fuerza aplicada entre el
área sobre la que actúa, por ejemplo, newtons por metro cuadrado o libras por
pie cuadrado.
El termino deformación representa el efecto de un
esfuerzo dado. La definición general de deformación es la siguiente:
Deformación es el cambio relativo en las dimensiones o
en la forma de un cuerpo como resultado de la aplicación de un esfuerzo.
En el caso de un esfuerzo de tensión o de compresión,
la deformación puede considerarse como un cambio en la longitud por unidad de
longitud. Un esfuerzo cortante, por otra parte, puede alterar únicamente la
forma de un cuerpo sin cambiar sus dimensiones. Generalmente el esfuerzo
cortante se mide en función de un desplazamiento angular.
El límite elástico es el esfuerzo máximo que puede
sufrir un cuerpo sin que la deformación sea permanente. Por ejemplo, una
varilla de aluminio cuya área en sección transversal es de 1 in² se deforma
permanentemente si se le aplica un esfuerzo de tensión mayor de 19000 Lb. Esto
no significa que la varilla de aluminio se romperá en ese punto, sino
únicamente que el cable no recuperará su tamaño original. En realidad, se puede
incrementar la tensión hasta casi 21 000 Lb antes de que la varilla se rompa.
Esta propiedad de los metales les permite ser convertidos en alambres de
secciones transversales más pequeñas. El mayor esfuerzo al que se puede someter
un alambre sin que se rompa recibe el nombre de resistencia limite.
Si no se excede el límite elástico de un material, podemos aplicar la ley de Hooke a cualquier deformación elástica. Dentro de los límites para un material dado, se ha comprobado experimentalmente que la relación de un esfuerzo determinado entre la deformación que produce es una constante. En otras palabras, el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación.
La ley de Hooke establece:
Siempre que no se exceda el límite elástico, una deformación elástica es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada por unidad de área (esfuerzo).
Si
llamamos a la constante de proporcionalidad el módulo de elasticidad, podemos
escribir la ley de Hooke en su forma más general:
3-Módulo de Young o módulo de elasticidad
El Módulo de Young, es un parámetro que caracteriza el
comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica
una fuerza. Es uno de los métodos más extendidos para conocer la elasticidad de
un material.
El Módulo de Young o módulo de elasticidad es la
constante que relaciona el esfuerzo de tracción o compresión con el respectivo
aumento o disminución de longitud que tiene el objeto sometido a estas fuerzas.
Tanto el Módulo de Young como el límite elástico son
distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una
constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse
empíricamente mediante ensayo de tracción del material. Además de este módulo
de elasticidad longitudinal, puede definirse el módulo de elasticidad
transversal de un material (Modulo de cizalla).
El Módulo de Young, también llamado de elasticidad
longitudinal, es un parámetro que consigue revelar el comportamiento de un
material elástico en función de la tipología de fuerza que se le aplique y el
consiguiente aumento o disminución de la longitud de ese material. Por lo
tanto, lo que busca es obtener la relación que se da entre la tensión que se le
aplica al objeto en su eje longitudinal y la deformación medida en ese mismo
eje. Así, mide su comportamiento elástico y pronostica también el estiramiento
de un material determinado.
Por ejemplo, si aplicamos la misma tensión sobre una
esponja de ducha y un bate de béisbol, podremos ver que la deformación elástica
es mucho menor en el bate que en la esponja. Esto quiere decir que el módulo de
Young será más alto en el bate que en la goma y que será necesario aplicar una
mayor tensión sobré el para que llegue a sufrir la misma deformación.
Aplicaciones
El Módulo de Young es aplicable para diversas
funciones, como puede ser en una obra cuando una roca es el soporte para otras
estructuras (los cimientos), para comparar el resultado entre distintos
materiales o para medir la rigidez de un material .
El módulo de Young sirve para estudiar los cambios
producidos en un material cuando se le aplica una fuerza de tracción o de
compresión a nivel externo. Es muy útil en materias como la ingeniería o la
arquitectura.
Por ejemplo, se pueden comparar dos barras hechas de
aluminio con distintas dimensiones. Cada una tiene diferente área de sección
transversal y longitud, y ambas son sometidas a una misma fuerza de tracción.
El comportamiento esperado será el siguiente:
• A mayor grosor (sección transversal) de la barra,
menos estiramiento.
• A mayor longitud inicial, mayor estiramiento final.
Esto tiene sentido, porque, al fin y al cabo, la
experiencia señala que no es igual intentar deformar una liga de goma que
intentar hacerlo con una varilla de acero.
Un parámetro llamado módulo de elasticidad del
material es un indicativo de su respuesta elástica.
En la ciencia de los materiales, la respuesta elástica
de estos ante diversos esfuerzos es importante para seleccionar los más
adecuados en cada aplicación, ya sea fabricar el ala de un avión o un
rodamiento automotriz. Las características del material a emplear son decisivas
en la respuesta que se espera de él.
Para escoger el mejor material, es necesario conocer
los esfuerzos a los que va a estar sometida determinada pieza; y en consecuencia
seleccionar el material que tenga las propiedades más acordes con el diseño.
Ejemplos:
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