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Capýtulo 9:

 Carga variable

En el Capítulo anterior se estudio el diseño y análisis de elementos sometidos a cargas estáticas. En este Capítulo se estudiara cómo se comportan tales elementos ante cargas no estáticas y cómo diseñarlos para que resistan con seguridad tales efectos.

Muchas veces los elementos mecánicos son sometidos a cargas no estáticas. Por ejemplo, una fibra particular de la superficie de un eje rotatorio, sometido a la acción de cargas de flexión, pasa por los esfuerzos de tensión y de compresión entre cada revolución del eje. Si este es parte de un motor eléctrico que gira a 1725 rpm, la fibra es esforzada 1725 veces por minuto, lo que es un valor que evidentemente afecta al material y hace útil un somero estudio para el diseño de la fibra. Es de observar que en este ejemplo se hablan de varios tipos de esfuerzos y a la vez repetidos y fluctuantes actuando sobre la fibra.

El tipo de falla más común originado por este tipo de esfuerzos repetidos ó fluctuantes se denomina falla por fatiga. La cual empieza con una pequeña grieta en algún lugar específico del material, tal cómo un cuñero ó chavetero, ó un orificio, o partes menos evidentes.

La teoría más exacta propuesta hasta la fecha para explicar la naturaleza de la falla por fatiga se llama a veces teoría de la duración hasta la deformación, que se presenta aquí para entender la naturaleza de la falla.

Una falla por fatiga casi siempre da comienzo en una DISCONTINUIDAD LOCAL, como una ranura, muesca, grieta u otra área de concentración de esfuerzo. Cuando el valor de esfuerzo excede el límite elástico, se presenta deformación plástica. Para que ocurra una falla por fatiga deben existir deformaciones cíclicas de naturaleza plástica.

Hubo varios investigadores  que se dedicaron al estudio de este tipo de procesos, muy importantes por cierto, entre ellos cabe nombrar a Bauschinger ó Landgraf, ó Instituciones como la SAE Fatigue Design and Evaluation Steering Committee, que realizaron montones de experimentos dando lugar a resultados  y hojas de datos con información acerca de la relación esfuerzo-deformación, ciclos de Histéresis, etc. en todas sus variedades.

Para determinar la resistencia de materiales bajo la acción de cargas de fatiga, las probetas se someten a fuerzas repetidas ó variables de magnitudes especificadas, y así, se cuentan los ciclos ó alteraciones de esfuerzo que soporta el material hasta la falla ó ruptura.

Para determinar la resistencia a la fatiga de un material es necesario un gran número de pruebas debido a la naturaleza Estadística de la fatiga. Hay un tipo de ensayo llamado de viga rotatoria en el que se aplica una carga constante de flexión y se registra el número de revoluciones de la viga que se requieren para la falla. Luego se vuelcan los resultados en un diagrama llamado S-N. Esta gráfica puede trazarse en papel semilog ó log-log. En este tipo de ensayos se somete a la probeta a entre 1 y 1.000 ó más revoluciones para obtener resultados. También se distingue entre una región finita y una región infinita. El límite entre tales regiones no puede definirse con claridad, excepto en el caso de un material específico, pero se localiza entre 10E6 y 10E7 ciclos para los aceros.

Se han realizado estudios para comparar los resultados de los ensayos en probetas a tensión simple y de viga rotatoria y se sabe que hay una cierta correlación entre ambos. Es por eso que al ser el ensayo de tensión simple mucho más barato es este el que se usa para obtener resultados satisfactorios en lugar de el de viga rotatoria.

BIBLIOGRAFÍA:

-       Física, Halliday – Resnick.

-       Diseño en Ingeniería Mecánica, Shigley – Mischke.

-       Probabilidad y Estadística para Ingenieros, Walpole – Myers – Myers.

Imágenes varias obtenidas de Internet.

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