Mecánica de materiales - Ensayo de tensión y propiedades básicas

Cada material tiene propiedades específicas, y cuando nos referimos a la mecánica de materiales, encontramos distintos diagramas de esfuerzo-deformación que son muy importantes en el estudio de la mecánica y resistencia de materiales. Estos diagramas se pueden realizar de manera experimental a través de distintos ensayos.

ENSAYO DE TENSION   

Un material se dice resitente cuando soporta cargas sin romperse, o deformarse de manera excesiva. A través del ensayo de tendión podemos conocer el comportamiento de este material al esfuerzo y la deformación que sufre el material en condiciones específicas.
Para el ensayo de tensión, se utiliza una probeta con forma estandarizada, y se colocan marcas entre la brecha que se va a deformar. Esta longitud se dice calibrada y es la que nos va a mostrar la deformación que sufre por unidad de longitud.
Se aplica una carga axial para estirar la pieza muy lentamente, hasta que se rompe.
la carga y la elongación se miden con este método por medio de un extensómetro.

Luego se traza el diagrama de esfuerzo-deformación, que puede describirse de 2 maneras:
El esfuerzo nominal o de ingeniería, esta dado por la fuerza sobre el area transversal inicial de la figura


También encontramos la deformación nominal o de ingeniería, que es la longitud del calibrador dividida entre la longitud original

Si se grafican ambos, podemos encontrar el diagrama de deformación unitaria. Este diagrama no se afecta por la longitud o forma del material, y por lo tanto es una propiedad intensiva del material.
El comportamiento elástico de un material es cuando la deformación y el esfuerzo ocurren de forma lineal, de manera linealmente elástica, y cuando se detiene la carga, el material vuelve a su longitud original.
La fluencia, es cuando el material sobrepasa el límite de comportamiento elástico y se empieza a deformar de manera permanente, creando dislocaciones en su estructura interna.
La deformación plástica es, entonces, cuando el material sufre elongaciones permanentes tras pasar el esfuerzo de fluencia.
Al terminar la fluencia, el material sufre un endurecimiento por deformación, donde las dislocaciones disminuyen y el material se hace mas resistente y frágil, hasta llegar al esfuerzo ultimo de tensión (o fractura) donde el material se rompe.
La formación del cuello o estricción se da cuando hay un concentrador de esfuerzos en la probeta (puede ser incluso una dislocación) que hace que la reducción del area no sea constante en toda la probeta sino que se genere un encuellamiento.
También podemos crear un diagrama de esfuerzo/deformación unitaria real, donde consideramos que la probeta conserva un volumen constante, y que cuando se estira, se reduce proporcionalmente el area. Este diagrama coincide con el otro cuando la deformación es pequeña, pero cuando llegamos a fluencia puede cambiar significativamente el uno del otro.


MATERIALES DUCTILES Y FRAGILES

Dependiendo de las curvas de esfuerzo/deformación, podemos hacer una distinción entre los diferentes comportamientos. Si un elemento se deforma bastante antes de la rotura, decimos que es ductil.

Si por el contrario su deformación plástica es casi inexistente, decimos que es frágil.
Los materiales dúctiles son útiles en ingeniería ya que en caso de impacto o un esfuerzo muy grande, se  pueden absorber impactos o deformaciones en lugar de romperse o crear una falla catastrófica.
El porcentaje de elongación es
 

Y se da en porcentaje. Para la reducción de area es

También en porcentaje.
Af en este caso es el area de fractura, para el acero dulce, por ejemplo, se encuentra cerca del 60%
Los materiales frágiles exhiben poca fluencia antes de la fractura. En general, estos materiales se agrietan por una imperfección y fallan. Cuando se someten a comrpesión axial, estos elementos soportan mas carga y son mucho mas resistentes. Algunos materiales frágiles son el hierro colado y el acero.

LEY DE HOOKE:

establece la proporción entre elongación y esfuerzo durante la fase elástica de un material.
La relación se conoce como modulo de Young y es específico para cada material. Cabe resaltar que esto solo aplica durante la fase elástica y cuando se llega a la fluencia deja de existir esta proporcionalidad.


ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION:

Cuando un material se deforma permanentemente, y luego se libera la carga, también aumenta a su vez la resistencia y fragilidad, además de aumentar el punto de fluencia. Esto puede ser aprovechado cuando se trabaja en frío un material.

Que se entiende por valor eficaz y que aplicación tiene este valor?

El valor eficaz en una corriente alterna es aquel que si reemplazamos dicha correinte variable por una corriente continua, produce los mismos efectos calóricos y de potencia en los diferentes elementos del circuito.
Se calcula de la siguiente manera:



donde T es el periodo de la señal.
en el caso de una sinusoide, tenemos

Procedimientos para ensayo de transformadores

Ensayo de vacío.
La potencia absorbida por el transformador trabajando en vacío es aproximadamente igual a las pérdidas en el hierro y se desprecian las pequeñas pérdidas que puede haber en el cobre o en los implementos de medición.

La potencia P  que absorbe el transformador en vacío la indica el vatímetro W. La lectura del amperímetro A proporciona la corriente I  absorbida desde el primario y los voltímetros V  y V  indican, respectivamente, la tensión V  a la que hemos conectado el transformador y la tensión V  de circuito abierto en el secundario.
El voltaje primario se varía de 10 en 10 hasta 110 voltios (cercano al valor nominal) y se toman medidas del voltaje secundario y la potencia en el vatímetro (que son aproximadamente las perdidas en el hierro del transformador)


Ensayo de cortocircuito.

Se realiza poniendo el transformador en cortocircuito por uno de las dos acometidas. Después aplicamos al otro lado una tensión  reducida hasta que pase por este lado del transformador la corriente nominal, pueden hallarse fácilmente las constantes más importantes de los devanados, como son sus tensiones, resistencias, reactancias de dispersión, la reactancia de cortocircuito y las pérdidas en las bobinas.

Se aplica una tensión en el primario para la cual hay una corriente de 20 amperios.
El voltaje es medido, y se conecta el vatímetro a través de un transformador de corriente con relación de 25 a 5 o similar. La constante del vatímetro se coloca en 5 para este ejemplo.

Características Principales de los Transformadores

-          el voltaje de salida varía proporcionalmente al de entrada, de acuerdo a la constante r definida como el numero de espiras del secundario sobre el numero de espiras del primario

-          El factor de potencia en un transformador se hace inductivo, siendo bajo el factor de potencia cuando se mide abierto, y alto cuando se mide en cortocircuito

-          Las pérdidas calculadas en la medición de circuito abierto, son aproximadamente iguales a las pérdidas en el hierro, ya que las pérdidas en los aparatos y en el cobre son muy pequeñas.

-          En un transformador en cortocircuito, la segunda bobina no tiene carga, y se autoinduce, asumiendo que tendrá una caída de voltaje mínima por las perdidas en el cobre,  y podemos hallar las inductancias y el desfase producido en el transformador

-          La calidad de un transformador a la hora de suministrar potencia se puede medir por su eficiencia, siendo este la potencia suministrada dividida entre la potencia suministrada junto a las perdidas. Este rendimiento sería ideal cuando fuera del 100%, pero en el caso real siempre habrá pérdidas.

-          El factor de potencia de circuito abierto es relativamente bajo, mientras en cortocircuito es más elevado.

-          Al ser un elemento inductivo, la corriente presentará un atraso que puede ser medido de forma fasorial como la reactancia aparente menos la resistencia del hierro.

Motores Eléctricos Trifásicos y sus Características

Con la introducción del generador trifásico como opción más estable para la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias, era apenas obvia la invención de aparatos trifásicos capaces de convertir corriente trifásica en energía mecánica.

Sin embargo, al ser sistemas trifásicos, se hace necesaria la carga equivalente en las 3 fases para que el campo y potencia suministrados a lo largo de una revolución mecánica sean, en lo posible, iguales.

Motor asíncrono:

El primero fue inventado por Nicola tesla, presentado en 1888. El núcleo puede ser de jaula de ardilla o bobinado.  Las bobinas se desfasan 120° para acomodarse a la corriente trifásica. Se produce entonces un campo magnético inducido dentro del campo magnético del motor, que a su vez despliega un voltaje en el mismo. Es entonces cuando se genera la fuerza electrodinámica en el motor haciéndolo girar.

El estator del circuito es un anillo de chapa magnética ajustado a la carcasa, al cual se le juntan las bobinas.

Motor de jaula de ardilla:

Es un cilindro, montado en un eje, con barras conductoras longitudinales que forman la jaula.

El campo magnético, hace girar la jaula, y dependiendo de la carga se presenta un deslizamiento, que es una disminución de la velocidad para ganar par torsor.  En el núcleo se pueden utilizar láminas de hierro que disminuyen las corrientes de Foucault.

Sin embargo, es inevitable la pérdida por histéresis en las corrientes parásitas del motor.

 

Cuestionario:

1.       ¿Qué características (desfavorables y favorables) tienen los motores y trifásicos asincrónicos en relación con los monofásicos para igual potencia?

los motores monofásicos son más económicos y de más rápida fabricación e implementación, mientras que los motores trifásicos son mas costosos, y necesitan mayor cuidado al balancear las cargas. Sin embargo, el arranque del motor monofásico puede ser un problema, y el torque de un motor trifásico está mucho más regulado y limpio, lo que puede resultar útil para aplicaciones industriales.

2.       ¿en qué consiste el deslizamiento del motor asincrónico?

cuando comparamos la velocidad del motor con la variación del campo magnético, encontraremos que en el motor asíncrono, la velocidad del motor es menor. Esto a veces es necesario para aprovechar el mayor torque cuando aumentamos el deslizamiento

3.       ¿Cuáles son los tres tipos más usados de arrancador para motores asincrónicos?
devanado secundario, condensador, y de polos sombreados

4.       Qué es un arrancador de motor eléctrico y qué utilidad tiene?
un arrancador es un elemento que hace que el motor no se quede varado cuando se le aplica corriente estando en reposo, sin embargo, estos arrancadores consumen potencia, y es necesario de un circuito que abra y cierre el arrancador al conectar potencia para un funcionamiento optimo

5.       ¿Qué son los elementos numerados en el esquema de "conexiones internas"?

se refiere al arrancador inductivo del primer motor

6.       ¿qué es un guarda motor? ¿de qué elementos consta?¿qué utilidad tiene?
Un guardamotor es un disyuntor magneto-térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobreintensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Su curva característica se denomina D o K. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase.

CONCLUSIONES:

-           Es importante al verificar el estado de un motor trifásico, verificar que esté equilibrado comprobando las tensiones en las fases con la ayuda de una pinza. Si las corrientes medidas con la pinza son diferentes, el motor está desbalanceado y se puede fundir al someterlo a una carga
-          Los motores trifásicos son de suma importancia en las aplicaciones industriales por su facilidad de arranque y su uniforme distribución del torque incluso a menores velocidades que un motor monofásico
-          Una falla en el motor de jaula de ardilla puede provocar la ruptura de las barras de la jaula por esfuerzos térmicos, quedando inservible. De ahí la importancia de mantener un control de la temperatura del motor.
-          La pinza amperimétrica comprobó ser de gran utilidad, ya que podemos medir las corrientes en el motor sin arriesgarnos a tocar o desbaratar el circuito, o ser capaces de medir sin desconectar el aparato las 3 intensidades con mucha facilidad.