Propiedades a Granel de los Sólidos

Propiedades aparentes de la materia en mecánica

Algunas propiedades a granel están específicamente relacionadas con el comportamiento mecánico de un material. La dureza y la elasticidad son dos ejemplos. Es importante tener en cuenta estas características, ya que necesitamos conocer las respuestas mecánicas de los materiales a las fuerzas y cargas. Por ejemplo, algunos materiales tienen que ser flexibles, para que no se rompan al deformarse, como la montura de tus gafas. Otras características importantes que nos ayudan a clasificar los materiales son su densidad, su resistencia a la tracción y su módulo aparente.

Elasticidad

La elasticidad es la capacidad de un material de alargarse cuando se le aplica una fuerza y recuperar su forma original cuando se le retira la fuerza. La elasticidad es una característica importante en la ciencia y la industria, donde se necesitan materiales elásticos para determinados tipos de trabajo y aplicaciones. Un ejemplo son los materiales utilizados en los airbags, que durante un choque deben resistir fuertes impactos y rápidas deformaciones manteniéndose unidos.

La elasticidad de un material se mide en pascales. Para realizar la medición, se necesita un ensayo mecánico, que suele realizarse alargando un material mediante una fuerza "F", como se muestra en la imagen siguiente.

Las propiedades de los materiales, como la elasticidad, pueden medirse realizando ensayos mecánicos, en los que los objetos se exponen a fuerzas que los elongan. El alargamiento provoca una deformación δl por una fuerza F

El material sufre una "tensión mecánica" y cambia su longitud. Después vuelve a su longitud original mientras no haya sobrepasado su "límite elástico". Cuanta más fuerza pueda resistir el material sin deformarse, más elástico será. Una propiedad importante de los materiales elásticos se conoce como módulo de Young, que se mide en pascales.

Módulo de Young

El módulo de Young puede describirse como la proporción entre la deformación de un material y la tensión mecánica a la que está sometido. Mira el gráfico de tensión vs deformación que aparece a continuación.

La línea roja de la figura indica que la tensión y la deformación son proporcionales entre sí. En la zona denominada "zona elástica", el material recuperará su forma original después de haber sido deformado. La pendiente de la línea roja se conoce como módulo elástico o módulo de Young. Es diferente para los distintos materiales, como se muestra en la tabla siguiente.

Para obtener el módulo de Young a partir de un diagrama de tensión y deformación, necesitamos calcular la pendiente de la curva en la zona elástica. Esto puede hacerse fácilmente mediante la fórmula siguiente, si conoces dos puntos de la curva tensión-deformación.

\Módulo = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} = \frac{\sigma_2-\sigma_1}{\varepsilon_2-\varepsilon_1} = \frac{\Delta \sigma}{\Delta \varepsilon}].

La tensión de tracción σ se define como la fuerza aplicada para deformar el material dividida por el área transversal del material, mientras que la deformación de tracción ε es el aumento de longitud dividido por la longitud original. Puedes ver esto en las fórmulas siguientes.

\[\sigma = \frac{F}{A}\]

\[\varepsilon = \frac{\delta I}{I}]

Ley de Hooke

La zona elástica de un material puede modelizarse mediante la ley de Hooke. En este caso, resulta útil una analogía. La fuerza aplicada al material es análoga a un peso arrastrado por la gravedad, y la elasticidad del material es un muelle deformado por el peso.

En este caso, la fuerza es proporcional al alargamiento y a la constante k del muelle.

Plasticidad

Cuando los materiales se alargan más allá de su zona elástica, entran en su zona plástica, que indica la zona en la que los materiales empiezan a deformarse irreversiblemente a medida que la fuerza sigue tirando de ellos. Véase la línea azul en la siguiente imagen.

Un material en un ensayo de tracción presenta una deformación (deformación) que depende de la fuerza aplicada (tensión mecánica). La zona en la que la relación entre el esfuerzo de tracción y la deformación por tracción deja de ser lineal se conoce como zona plástica

Dureza

La dureza, medida en pascales, es la propiedad de los materiales de resistir la penetración o los arañazos. Para muchos materiales, la elasticidad es inversamente proporcional a la dureza. Las moléculas y átomos que permiten que un material se alargue también permiten que una fuerza aplicada a una pequeña porción de la superficie penetre en el material. Los materiales con poca elasticidad, como los metales y los diamantes, no son elásticos, ya que la fuerza de sus enlaces y estructuras resiste la penetración de una fuerza que intente empujarlos.

Densidad

La densidad, que se define como la cantidad de masa existente en una unidad de volumen, es otra propiedad importante de los materiales. La densidad suele medirse en unidades SI como kilogramos por metro cúbico. La densidad de un material varía en función de dos factores:

1. La estructura atómica del material.
2. El elemento del que está compuesto.

Es bien sabido que los elementos más pesados pesan más. Sin embargo, la estructura atómica también desempeña un papel importante en la densidad. Los átomos de elementos más ligeros que están muy empaquetados son más densos que los átomos de elementos más pesados con una estructura atómica que incorpora más espacio.