Propiedades Mecánicas de los Materiales

• Elasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales de recuperar su forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. Si se rebasa el límite elástico, la deformación que se produce es permanente.
• Plasticidad: Es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad y, si se presenta en forma de filamentos, ductilidad.
• Dureza: Es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados, y depende de la cohesión atómica.
• Tenacidad: Es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.
• Fragilidad: Es la propiedad opuesta a la tenacidad; el intervalo plástico es muy corto y, por tanto, sus límites elástico y de rotura están muy próximos.
• Resistencia a la fatiga: Es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.
• Resiliencia: Es la energía absorbida en una rotura por impacto.

Esfuerzos en los Materiales

Los esfuerzos son las fuerzas internas que se generan dentro de un material cuando se le aplican cargas externas.

• Tracción: Las fuerzas estiran el cuerpo; actúan hacia el exterior.
• Compresión: Las fuerzas aplastan o acortan el cuerpo; actúan hacia el interior.
• Flexión: Las fuerzas doblan o deforman verticalmente el cuerpo; actúan perpendicularmente al eje.
• Torsión: Las fuerzas retuercen el cuerpo; forman un par perpendicular al eje.
• Cortadura o cizalladura: Las fuerzas cortan el objeto; actúan próximas y en sentido contrario.
• Pandeo: Esfuerzo combinado de compresión y flexión que afecta a elementos largos y delgados.

Vigas y Sistemas de Apoyo

Tipos de Apoyo en Vigas

• Apoyo fijo: Impide el movimiento horizontal y vertical, pero permite el giro. Posee 1 grado de libertad (rotación).
• Apoyo móvil o deslizante: Permite giro y desplazamiento en una dirección (horizontal o vertical). Posee 2 grados de libertad.
• Empotramiento: No permite giros ni desplazamientos. Posee 0 grados de libertad.

Tipos de Vigas

• Viga simplemente apoyada: Tiene un apoyo en cada extremo y puede girar libremente en ellos. Genera reacciones verticales en los apoyos.
• Viga empotrada: Está fija en ambos extremos, sin posibilidad de giro o desplazamiento. Genera reacciones verticales y momentos de reacción.
• Viga en voladizo: Está fija en un extremo y tiene una parte libre o saliente. Genera reacciones verticales y momentos en el punto fijo.
• Viga continua: Posee apoyos fijos en los extremos y uno o más apoyos intermedios. Genera reacciones verticales y momentos en todos los apoyos.

Condiciones Fundamentales de una Estructura

Las estructuras deben garantizar el cumplimiento de las siguientes condiciones:

Resistencia

La resistencia de una estructura está determinada por el material del que está hecha, la forma que tiene y los elementos estructurales utilizados. Es la capacidad de la estructura de soportar su propio peso y el de las cargas a las que se ve sometida, conservando su forma al aplicarle cargas externas sin romperse.

Rigidez

La rigidez de una estructura está íntimamente relacionada con la forma en que se disponen sus elementos. Es la capacidad de soportar las cargas a las que se ve sometida una estructura sin deformarse, es decir, de oponerse a las deformaciones o al desplazamiento de sus elementos.

Estabilidad

La estabilidad de una estructura depende de su forma, de los apoyos y de las cargas que actúen sobre dicha estructura. Es la capacidad de una estructura de mantenerse en un estado de equilibrio mecánico ante la acción de las fuerzas que actúan sobre ella.

Tipos de Inestabilidad

1. Deslizamiento: La base se mueve sobre la superficie de apoyo.
2. Vuelco: El centro de gravedad sale de la base y la estructura cae.
3. Inestabilidad elástica: Causada por pandeo o abolladuras en elementos delgados.

Tipos de Estructuras

• Estructuras masivas: Grandes bloques de roca, hormigón o castillos antiguos, sin huecos, muy pesadas y resistentes (basadas en resistencia y estabilidad).
• Estructuras entramadas: Combinación de elementos lineales horizontales y verticales que se combinan formando una trama.
• Estructuras trianguladas: Nudos entrecruzados dispuestos en forma de triángulo, debido a la estabilidad que aporta esta forma geométrica.
• Estructuras colgantes: Utilizan cables, tirantes o tensores que sujetan la estructura, anclados para soportar fuertes esfuerzos de tracción.
• Estructuras laminares: Superficies planas en forma de láminas que reparten el peso de los elementos, incluyendo los soportes.
• Estructuras neumáticas: Tipo de estructura laminar fabricada con una membrana de material compuesto que soporta la presión del aire de su interior.
• Estructuras abovedadas: Elemento principal: arco, que da lugar a la bóveda y la cúpula. Utilizadas en la construcción de edificios y estructuras altas con espacios huecos.
• Estructuras geodésicas: Esfera geodésica generada a partir de sólidos platónicos. Cubre grandes espacios sin necesidad de columnas o cubos.
• Estructuras tensegríticas: Conjunto mixto donde los elementos sometidos a compresión no se tocan y están unidos por cables o tensores sometidos a tracción.

Tratamientos Térmicos y Superficiales

Los tratamientos térmicos son procesos que modifican la microestructura de los metales y aleaciones mediante la temperatura, sin alterar su composición química. Su objetivo es mejorar las propiedades mecánicas, aumentando la dureza, resistencia, ductilidad y plasticidad para facilitar el conformado.

Temple

Es el tratamiento térmico más común, destinado a obtener aceros martensíticos. Consiste en calentar el acero hasta su temperatura de austenización y luego enfriarlo rápidamente en un medio como agua, aceite o aire. El objetivo es formar martensita, lo que otorga gran dureza. La templabilidad mide la capacidad del acero para endurecerse por formación de martensita.

Recocido

Proceso en el que el metal se calienta a una temperatura controlada, se mantiene un tiempo determinado y luego se enfría lentamente. Su finalidad es eliminar defectos del temple y mejorar la ductilidad y tenacidad.

Objetivos del Recocido

• Eliminar tensiones internas.
• Aumentar plasticidad, ductilidad y tenacidad.
• Obtener una microestructura específica.

Etapas del Recocido

1. Calentamiento hasta la temperatura fijada.
2. Mantenimiento del calor durante un tiempo.
3. Enfriamiento lento hasta temperatura ambiente.

Normalizado

Se aplica a aceros deformados plásticamente para refinar el tamaño de grano y lograr una microestructura más uniforme. El proceso consiste en calentar el acero entre 55 y 85 °C por encima de la temperatura crítica superior, según su composición, y luego dejarlo enfriar al aire.

Principios de Termodinámica y Motores Térmicos

Energía Térmica, Calor y Termodinámica

La energía térmica es la energía asociada con el movimiento aleatorio de las partículas que componen un sistema. El calor es una forma de energía que se transfiere a un cuerpo con menor temperatura para mantener el equilibrio térmico. La termodinámica es la parte de la física que analiza las transformaciones de energía.

Las transformaciones termodinámicas pueden ser: isobárica, isotérmica, isócora, adiabática y politrópica.

Ciclos Térmicos y Reversibilidad

Una transformación termodinámica es reversible cuando, en cada momento de la transformación, la temperatura y la presión se encuentran en equilibrio; una pequeña variación de estas variables determina el sentido de la transformación.

El motor térmico (o máquina frigorífica, si funciona en sentido inverso) opera bajo el Ciclo de Carnot: al motor se le suministra energía en forma de calor a temperatura elevada, el calor cedido por el foco caliente se emplea en producir trabajo, y el motor cede calor a temperatura inferior.

Clasificación de Motores Térmicos

Los motores térmicos transforman energía térmica en energía mecánica. Se clasifican en:

• Motor de combustión externa: El calor desprendido al quemarse el combustible es transmitido a un fluido intermedio que produce la energía mecánica (Ejemplo: Máquinas de vapor, cuyo ciclo térmico es el de Rankine).
• Motor de combustión interna: La combustión se realiza directamente en una cámara en el interior del motor, y los gases liberados se expanden accionando los mecanismos del motor.

Tipos según la obtención de energía mecánica

• Motores alternativos: El fluido de trabajo actúa sobre pistones con movimiento alternativo de subida y bajada.
• Motores rotativos: El fluido actúa sobre pistones rotatorios o turbinas.
• Motores de chorro: El fluido es el encargado de producir el empuje por el principio de acción y reacción.

Motor de Combustión Interna de Cuatro Tiempos

1. Admisión: La válvula de admisión se abre y entra la mezcla de aire y combustible; la mezcla empuja y el pistón baja.
2. Compresión: Las válvulas de admisión y escape están cerradas; el pistón sube y comprime la mezcla.
3. Combustión: La mezcla de combustible y aire explota y se incendia, liberando gases que se expanden y empujan el pistón hacia abajo.
4. Escape: Se abre la válvula de escape y se expulsan los gases de la combustión al exterior, comenzando entonces un nuevo ciclo.

Detalles de la Combustión Externa (Turbina de Vapor)

En las máquinas de vapor, la turbina está formada por un rodete que tiene insertado un conjunto de álabes, los cuales absorben la energía de la corriente produciendo la rotación del eje. El ciclo térmico correspondiente es el de Rankine.

Detalles de la Combustión Interna (Turbina de Gas)

En la turbina de gas, los componentes clave son:

• Compresor: Puede ser de tipo axial o radial, aprovechando el gran caudal de aire que pueden soportar.
• Cámara de combustión: Es el lugar donde llega el aire comprimido, al que se le inyecta el combustible pulverizado mediante los inyectores.
• Turbina: Recibe el gas que es lanzado contra los álabes del rotor.