Las líneas de fuerza son un método utilizado en mecánica de sólidos para visualizar las fuerzas internas en un cuerpo deformado . Una línea de fuerza es una curva que representa gráficamente la fuerza interna que actúa dentro de un cuerpo a través de superficies internas imaginarias. Las líneas de fuerza muestran las fuerzas internas máximas y sus direcciones.
El procedimiento para determinar las líneas de fuerza consta de dos etapas:
1) Definición de la superficie interna. La superficie es perpendicular a la tensión principal máxima en cada punto del sólido.
2) Integración de las tensiones internas en la superficie. La tensión es una medida de la cantidad promedio de fuerza ejercida por unidad de área. La distribución de la tensión se puede obtener a partir de análisis teóricos conocidos [1] o numéricos ( método de elementos finitos ).
El investigador que construye las líneas de fuerza puede elegir una magnitud de la fuerza interna y el borde inicial donde comienza el procedimiento de dibujo.
La figura 1 muestra un ejemplo de líneas de fuerza en un cuerpo con un agujero bajo tensión. Las líneas de fuerza son más densas cerca del agujero. La visualización ayuda a explicar la concentración de tensión .
La figura 2 muestra las líneas de fuerza en un cuerpo con una grieta. Las grietas son el concentrador de tensiones más peligroso: la intensidad de las líneas de fuerza es alta en la punta de la grieta (ver Mecánica de fracturas ).
La figura 3 muestra el caso de flexión pura de una viga con sección transversal rectangular. No existen fuerzas internas en el eje neutro de la viga. Las líneas de fuerza de tracción y compresión son simétricas y más densas en el borde de la viga.
Las imágenes de líneas de fuerza se utilizan para
1) Análisis de la concentración de tensiones (Figura 1 y Figura 2): el número de líneas de fuerza aumenta en las zonas con concentración de tensiones. [2]
2) Optimización de estructuras: reforzando la estructura en las zonas con concentración de líneas de fuerza y eliminando los componentes donde no hay líneas de fuerza.