Mecánica de sólidos deformables para niños

La mecánica de sólidos deformables es una rama de la física y la ingeniería que estudia cómo se comportan los objetos sólidos cuando se les aplican fuerzas o cuando cambian de temperatura. A diferencia de los sólidos rígidos (que se consideran que no cambian de forma), los sólidos deformables sí se estiran, se doblan o se comprimen.

Esta área de estudio nos ayuda a entender cómo los materiales se deforman y qué tan fuertes son. Por ejemplo, si queremos construir un puente o un edificio, necesitamos saber si los materiales que usaremos soportarán el peso y las fuerzas sin romperse o deformarse demasiado. Para esto, se usan conceptos como la deformación (el cambio de forma) y la tensión (las fuerzas internas dentro del material).

Para saber si un objeto es lo suficientemente fuerte y rígido, los ingenieros calculan cómo se distribuyen las tensiones y las deformaciones en su interior. Para hacer estos cálculos, se usan tres tipos de ecuaciones principales:

• Las ecuaciones de equilibrio: Relacionan las fuerzas que actúan sobre el objeto con las fuerzas internas que se generan dentro de él.
• Las ecuaciones constitutivas: Describen cómo el material se deforma cuando se le aplica una tensión. Aquí pueden influir la temperatura, la velocidad con la que se deforma, o si ya ha sufrido deformaciones antes.
• Las ecuaciones de compatibilidad: Ayudan a calcular cuánto se mueven los puntos del objeto basándose en cómo se deforma y cómo está conectado con su entorno.

La espuma viscoelástica es un sólido deformable que recupera su forma lentamente después de ser presionada.

¿Qué tipos de sólidos deformables existen?

Los sólidos deformables se clasifican según cómo reaccionan a las fuerzas, es decir, según su "ecuación constitutiva". Aquí te explicamos los tipos más comunes:

Comportamiento elástico: ¿Cómo se estira un material y vuelve a su forma?

Un material tiene un comportamiento elástico cuando se deforma al aplicarle una fuerza, pero vuelve a su forma original una vez que la fuerza desaparece. Piensa en una goma elástica: la estiras y, al soltarla, regresa a su tamaño inicial. Esto ocurre sin que el material sufra cambios permanentes.

Dentro de los materiales elásticos, hay subtipos:

• Elástico lineal isótropo: Son materiales que se deforman de la misma manera en todas las direcciones y su deformación es proporcional a la fuerza aplicada. Muchos metales, cuando se deforman un poco, se comportan así.
• Elástico lineal no isótropo: Estos materiales no se deforman igual en todas las direcciones. La madera es un ejemplo, ya que es más fácil de doblar en una dirección que en otra.
• Elástico no lineal: Son materiales que no siguen una relación simple entre la fuerza y la deformación. La goma, el caucho o el hormigón (concreto) son ejemplos.

Comportamiento plástico: ¿Cuándo un material cambia para siempre?

Cuando un material tiene un comportamiento plástico, si lo deformas y luego quitas la fuerza, no vuelve a su forma original. Se queda con una deformación permanente. Imagina que doblas un clip de papel: se queda doblado.

• Plástico puro: El material empieza a deformarse permanentemente a partir de cierta fuerza.
• Plástico con endurecimiento: Para seguir deformando el material, necesitas aplicar cada vez más fuerza.
• Plástico con ablandamiento: A medida que el material se deforma, se vuelve más fácil seguir deformándolo.

Comportamiento viscoso: ¿Cómo el tiempo afecta la deformación?

El comportamiento viscoso ocurre cuando la velocidad con la que aplicas la fuerza afecta la deformación. Si aplicas una fuerza lentamente, la deformación puede ser diferente que si la aplicas rápidamente.

• Viscoelástico: Estos materiales combinan propiedades elásticas y viscosas. Se deforman con el tiempo y pueden recuperar su forma, pero lentamente. La espuma viscoelástica es un buen ejemplo.
• Viscoplástico: Incluye tanto la viscosidad como la posibilidad de deformaciones permanentes.

Comportamiento con daño: ¿Cuándo un material pierde su rigidez?

En este caso, el material no se deforma permanentemente, pero pierde su capacidad de resistir fuerzas, es decir, se vuelve menos rígido. Es como si se "cansara" o se "dañara" internamente.

Es importante saber que un mismo material puede mostrar varios de estos comportamientos dependiendo de la cantidad de fuerza que se le aplique, la velocidad y la temperatura.

Ecuaciones constitutivas: La "receta" de cada material

Las ecuaciones constitutivas son como la "receta" que describe cómo se comporta un material. Para los materiales elásticos, la tensión en un punto depende solo de la deformación en ese mismo momento. Son materiales "sin memoria".

Sin embargo, muchos materiales tienen "memoria". Esto significa que su comportamiento actual depende de cómo se han deformado en el pasado. Por ejemplo, los materiales viscoelásticos o los que sufren deformaciones plásticas tienen memoria.

Materiales elásticos: Los más estudiados

Los materiales elásticos son los más sencillos de estudiar porque no "disipan" energía, es decir, no la pierden en forma de calor u otros procesos irreversibles. Dentro de estos, los materiales elásticos lineales son los más comunes en la ingeniería. En ellos, la relación entre la fuerza y la deformación es directa y simple, especialmente para deformaciones pequeñas.

Teoría de la elasticidad lineal: Calculando fuerzas y formas

Para materiales que se comportan de forma elástica lineal, se usa la teoría lineal de la elasticidad. Esta teoría resuelve problemas de sólidos mediante un sistema de ecuaciones matemáticas complejas. En términos sencillos, estas ecuaciones nos ayudan a:

• Saber cómo las fuerzas dentro del material se relacionan con las fuerzas externas.
• Calcular cómo las fuerzas aplicadas en la superficie del objeto afectan las tensiones internas.
• Relacionar las tensiones con las deformaciones (las famosas ecuaciones de Lamé-Hooke).
• Conectar las deformaciones con los movimientos de los puntos del objeto.
• Establecer cómo el objeto está sujeto o apoyado en su entorno.

Resistencia de materiales: Una forma más sencilla de calcular

Para problemas más simples, como el cálculo de vigas o estructuras con formas sencillas, se puede usar la resistencia de materiales clásica. Esta rama simplifica los cálculos y permite encontrar soluciones más fácilmente.

La mecánica de sólidos deformables es fundamental en la ingeniería estructural y la arquitectura para diseñar edificios, puentes y otras estructuras que sean seguras y duraderas. Es parte de un campo más amplio llamado mecánica de medios continuos. Aunque la resistencia de materiales se usa mucho para materiales elásticos, también puede aplicarse a materiales con cierta plasticidad o viscosidad, aunque en esos casos, a menudo se usan métodos computacionales más avanzados.

Materiales viscoelásticos: La importancia del tiempo

En los materiales viscoelásticos, la tensión no solo depende de la deformación actual, sino también de cómo ha cambiado la deformación a lo largo del tiempo. Es como si el material tuviera una "memoria" de sus deformaciones pasadas. Esto significa que la respuesta del material a una fuerza puede variar si la fuerza se aplica de forma rápida o lenta.

Véase también

En inglés: Solid mechanics Facts for Kids

• Deformación
• Elasticidad
• Mecánica de medios continuos
• Mecánica del daño
• Mecánica del sólido rígido
• Plasticidad
• Resistencia de materiales
• Tensión