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Tensão vs. deformação: Definições, diferenças e aplicações no mundo real
Já alguma vez admirado por que é que as pontes se mantêm de pé ou por que é que os elásticos voltam a encaixar? A resposta está em compreender stress e estirpe. Estes dois conceitos são fundamentais para materiais se comportam quando as forças actuam sobre eles. Este artigo irá explicar estas ideias em simples termos e mostrar como funcionam no mundo real.
Índice
O que é o stress?
Stress é o força aplicada a um objeto dividida pela área sobre a qual actua. Pense nisso como a força com que algo está a ser empurrado ou puxado em relação ao seu tamanho.
O fórmula para o stress é:
Tensão (σ) = Força (F) ÷ Área (A)
O stress é medido em Pascais (Pa), que é o mesmo que newtons por metro quadrado (N/m²).
Tipos de stress
Existem três tipos principais de stress:
- Tensão de tração: Forças de tração que tentam esticar um material
- Tensão de compressão: Forças de empurrão que tentam esmagar um material
- Tensão de cisalhamento: Forças que tentam fazer deslizar uma parte de um material sobre outra parte
Os exemplos do mundo real incluem:
- Pontes sofrem tensões de tração nos seus cabos de suporte
- Suspensões de automóveis lidar com a tensão de compressão ao passar por cima de solavancos
- Os parafusos em Peças de maquinagem CNC sofrem tensão de cisalhamento quando carregados lateralmente
O que é a tensão?
Estirpe é a quantidade de um material muda de forma em resposta ao stress. É medida como a alteração do tamanho em comparação com o tamanho original.
O fórmula para a tensão é:
Deformação (ε) = Variação do comprimento (ΔL) ÷ Comprimento original (L₀)
A estirpe tem nenhuma unidade porque é um rácio de dois comprimentos. É frequentemente apresentado como um percentagem ou em microstrain unidades.
Tipos de tensão
Os principais tipos de tensão incluem:
- Deformação axial: Alteração do comprimento
- Deformação de corte: Mudança de ângulo
- Deformação volumétrica: Alteração do volume
Medidores de tensão e extensómetros são ferramentas utilizadas para medir a deformação em materiais como os utilizados em fresagem CNC de precisão operações.
Stress vs. Strain: Principais diferenças
Aqui está um simples quadro comparativo para compreender as diferenças:
| Aspeto | Stress | Estirpe |
|---|---|---|
| Definição | Força aplicada por área | Resposta à deformação |
| Unidades | Pascal (Pa) | Sem dimensão |
| Dependência | Carga externa | Propriedades dos materiais |
| Medição | Células de carga, sensores de pressão | Medidores de tensão, métodos ópticos |
A principal diferença é que stress é o que se aplica a um material, enquanto que estirpe é a forma como o material responde a essa tensão.
A curva tensão-deformação explicada
O curva tensão-deformação é um gráfico que mostra como um material reage quando é puxado ou empurrado. Esta curva é como uma impressão digital para materiais - cada um tem a sua forma única.
A curva tem vários pontos importantes:
- Região elástica: Em que o material volta a saltar quando se liberta a força
- Ponto de rendimento: Onde o material começa a mudar permanentemente de forma
- Região plástica: Onde as mudanças se tornam permanentes
- Resistência máxima: A tensão máxima que o material pode suportar
- Ponto de fratura: Onde o material se parte
Materiais como aço (utilizado em Maquinação de aço CNC) têm curvas diferentes de materiais como alumínio.
Aplicações no mundo real
Aplicações de engenharia
Os engenheiros utilizam os conceitos de tensão e deformação quando:
- Conceção edifícios para resistir a ventos fortes
- Criação de componentes aeroespaciais que podem suportar forças extremas
- Edifício pontes que não se desmorona com o tráfego intenso
Por exemplo, em maquinagem CNC de titânioA compreensão das tensões e deformações ajuda a criar peças que podem suportar as condições adversas das aplicações aeroespaciais.
Utilizações industriais
No fabrico, o conhecimento das tensões e deformações ajuda:
- Controlo de qualidade na conformação de metais
- Estabelecer corretamente parâmetros de corte para operações de maquinagem
- Conceção moldes para injeção de plástico
Exemplos do quotidiano
É possível ver o stress e a tensão no trabalho:
- Pneus para automóveis distribuir o stress da estrada
- Armações de óculos que se dobram sem partir
- Aparelho dentário que aplicam uma tensão constante para mover os dentes
Propriedades do material baseadas em dados de tensão-deformação
Vejamos alguns dados reais para materiais comuns:
| Material | Módulo de Young (GPa) | Resistência ao escoamento (MPa) | Deformação de rutura (%) |
|---|---|---|---|
| Aço macio | 200 | 250 | 15% |
| Liga de alumínio | 69 | 200 | 12% |
| Fibra de carbono | 1,200 | N/A (frágil) | 1.5% |
| Borracha | 0.01-0.1 | N/A | 500% |
Este quadro mostra porquê aço é utilizado para estruturas que necessitam de resistência, enquanto borracha é utilizado onde a flexibilidade é importante.
Estudos de casos famosos
Colapso da ponte Tacoma Narrows
O Ponte de Tacoma Narrows entrou em colapso em 1940 porque o vento criou tensão de torção ressonante. Esta famosa falha ensinou os engenheiros a considerar a forma como as tensões dinâmicas afectam as estruturas.
Fibra de carbono na Fórmula 1
Carros de Fórmula 1 utilizam compósitos de fibra de carbono porque podem suportar tensões elevadas (até 1.200 MPa), apesar de a sua tensão até à falha ser apenas de cerca de 1,5%. Isto confere aos automóveis força sem muito peso.
Como calcular a tensão e a deformação
Vejamos um exemplo simples:
Problema: Uma barra de aço com uma secção transversal de 10 cm² (0,001 m²) suporta uma carga de 5000 N. Calcular a tensão.
Solução: Tensão = Força ÷ Área Tensão = 5000 N ÷ 0,001 m² = 5.000.000 Pa ou 5 MPa
Exemplo de deformação: Se a vara se estica 0,2 mm (0,0002 m) do seu comprimento original de 1 m:
Deformação = Variação do comprimento ÷ Comprimento original Deformação = 0,0002 m ÷ 1 m = 0,0002 ou 0,02%
Causas comuns de falha de material
Compreender por que razão os materiais falham ajuda a evitar problemas:
| Causa | % de falhas | Exemplo |
|---|---|---|
| Fadiga | 60% | Fissuras nas asas dos aviões |
| Sobrecarga | 25% | Queda de ponte devido a peso excessivo |
| Corrosão + tensão | 10% | Rotura de condutas |
| Arrepio | 5% | Danos nas pás das turbinas dos motores a jato |
Cerca de 60% das avarias mecânicas ocorrem devido a cansaço - quando um material é sujeito a tensões repetidas.
Módulo de Young: A relação entre tensão e deformação
Módulo de Young (E) descreve como rígido um material é. É a relação entre a tensão e a deformação na região elástica.
E = Tensão ÷ Deformação
Eis a comparação entre os diferentes materiais:
| Material | Módulo de Young (GPa) |
|---|---|
| Diamante | 1,200 |
| Aço | 200 |
| Alumínio | 69 |
| Betão | 30 |
| Osso | 18 |
| Borracha | 0.01-0.1 |
Isto mostra porque é que diamante é tão difícil e borracha é tão flexível. Os materiais com valores elevados do módulo de Young necessitam de muita força para se esticarem ou comprimirem.
Lei de Hooke e Elasticidade
Lei de Hooke afirma que a deformação é diretamente proporcional à tensão na região elástica. Isto significa que se duplicarmos a força, duplicamos a deformação - desde que estejamos na região elástica.
Este princípio é utilizado em muitas aplicações, desde nascentes em suspensões de automóveis para peças de precisão criado através de Maquinação de protótipos CNC.
Projetar para a resistência utilizando os conhecimentos sobre tensão-deformação
Os engenheiros utilizam estes conceitos para conceber produtos seguros:
- Trabalhar abaixo do limite de elasticidade para evitar deformações permanentes
- Cálculo do fator de segurança para aplicações críticas
- Seleção de materiais com base na sua curvas tensão-deformação
- Testes com Normas ASTM para verificar as propriedades dos materiais
Por exemplo, em maquinagem CNC de alumínioConhecer as propriedades de tensão-deformação ajuda a determinar os melhores parâmetros de corte e forças de aperto.
Perguntas frequentes sobre o stress e a tensão
Estresse é o mesmo que pressão?
Não, são diferentes. Pressão é uma força externa aplicada a uma superfície, enquanto stress é a resistência interna de um material a essas forças.
Porque é que a curva tensão-deformação é importante?
A curva tensão-deformação ajuda a prever quando um material irá falhar e quanto pode esticar antes de se partir. Este facto é crucial para a conceção de estruturas e produtos seguros.
Pode haver tensão sem stress?
Não, a tensão é sempre uma resposta à tensão. Se não houver tensão aplicada a um material, não haverá deformação.
Qual é a diferença entre deformação elástica e plástica?
Deformação elástica significa que o material volta à sua forma original quando a tensão é removida. Deformação plástica significa que a mudança de forma é permanente.
Conclusão
Stress e estirpe ajudam-nos a compreender porque é que os materiais se comportam da forma que se comportam. A tensão é a força aplicada a um objeto, enquanto a deformação é a forma como esse objeto muda de forma em resposta.
Os engenheiros utilizam este conhecimento para conceber tudo, desde pequenas micro maquinado componentes para pontes maciças. Ao compreender as relações entre tensão, deformação e propriedades dos materiais, podemos criar projectos mais seguros e eficientes.
Da próxima vez que vir uma ponte a atravessar um rio ou observar um elástico a voltar a partir do momento em que é esticado, saberá que a ciência da tensão e do esforço está a tornar tudo isto possível.
