Fuerza específica

Relación entre la resistencia y la masa de un material

La resistencia específica es la fuerza de un material (o músculo) (fuerza por unidad de área en el momento de la falla) dividida por su densidad . También se conoce como relación resistencia-peso o relación resistencia/peso o relación resistencia-masa . En aplicaciones de fibra o textiles, la tenacidad es la medida habitual de la resistencia específica. La unidad del SI para la resistencia específica es Pa ⋅ m ³ / kg , o N ⋅m/kg, que es dimensionalmente equivalente a m ² /s ² , aunque la última forma rara vez se usa. La resistencia específica tiene las mismas unidades que la energía específica , y está relacionada con la energía específica máxima de rotación que un objeto puede tener sin volar en pedazos debido a la fuerza centrífuga .

Otra forma de describir la resistencia específica es la longitud de rotura , también conocida como longitud de auto-soporte : la longitud máxima de una columna vertical del material (asumiendo una sección transversal fija) que podría suspender su propio peso cuando se apoya solo en la parte superior. Para esta medición, la definición de peso es la fuerza de gravedad en la superficie de la Tierra ( gravedad estándar , 9,80665 m/s2 ⁾ que se aplica a toda la longitud del material, sin disminuir con la altura. Este uso es más común con ciertas aplicaciones textiles o de fibras especiales.

Los materiales con las mayores resistencias específicas son típicamente fibras como la fibra de carbono , la fibra de vidrio y diversos polímeros, y estos se utilizan con frecuencia para fabricar materiales compuestos (por ejemplo, fibra de carbono-epoxi ). Estos materiales y otros como el titanio , el aluminio , el magnesio y las aleaciones de acero de alta resistencia se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial y otras aplicaciones donde el ahorro de peso compensa el mayor costo del material.

Tenga en cuenta que la resistencia y la rigidez son dos elementos distintos. Ambos son importantes para el diseño de estructuras eficientes y seguras.

Cálculos de longitud de rotura

${\displaystyle L={\frac {T_{s}/\rho }{\mathbf {g} }}}$

donde es la longitud, es la resistencia a la tracción, es la densidad y es la aceleración debida a la gravedad ( m/s ) ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle T_{s}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \mathbf {g} }$ ${\displaystyle \approx 9.8}$ ${\displaystyle ^{2}}$

Ejemplos

Los datos de esta tabla corresponden a los mejores casos y se han establecido para ofrecer una cifra aproximada.

Nota: Los nanotubos de carbono multipared tienen la resistencia a la tracción más alta de cualquier material medido hasta ahora, y los laboratorios los producen con una resistencia a la tracción de 63 GPa, ^[36] aún muy por debajo de su límite teórico de 300 GPa. Las primeras cuerdas de nanotubos (de 20 mm de largo) cuya resistencia a la tracción se publicó (en 2000) tenían una resistencia de 3,6 GPa, aún muy por debajo de su límite teórico. ^[41] La densidad es diferente según el método de fabricación, y el valor más bajo es 0,037 o 0,55 (sólido). ^[37]

Los 'Yuri' y las ataduras espaciales

El Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales utiliza el "Yuri" como nombre para las unidades del SI que describen la resistencia específica. La resistencia específica es de importancia fundamental en la descripción de los materiales de los cables de los ascensores espaciales . Un Yuri se concibe como la unidad del SI para la tensión de fluencia (o tensión de rotura) por unidad de densidad de un material bajo tensión. Un Yuri equivale a 1 Pa⋅m ³ /kg o 1  N ⋅ m / kg , que es la fuerza de rotura/fluencia por densidad lineal del cable bajo tensión. ^{[42] [43]} Un ascensor espacial terrestre funcional requeriría una atadura de 30 a 80 megaYuri (que corresponde a 3100 a 8200 km de longitud de rotura). ^[44]

Límite fundamental de la fuerza específica

La condición de energía nula impone un límite fundamental a la resistencia específica de cualquier material. ^[40] La resistencia específica está limitada a no ser mayor que c ² ≈9 × 10 ¹³  kN ⋅ m / kg , donde c es la velocidad de la luz . Este límite se logra mediante líneas de campo eléctrico y magnético, tubos de flujo de QCD y las cuerdas fundamentales hipotetizadas por la teoría de cuerdas . ^{[ cita requerida ]}

Tenacidad (resistencia textil)

La tenacidad es la medida habitual de la resistencia de una fibra o hilo . Por lo general, se define como la fuerza máxima (de rotura) de la fibra (en unidades de fuerza- gramo ) dividida por el denier . Debido a que el denier es una medida de la densidad lineal, la tenacidad resulta no ser una medida de fuerza por unidad de área, sino más bien una medida cuasi adimensional análoga a la resistencia específica. ^[45] Una tenacidad de corresponde a: ^{[ cita requerida ]} Mayormente tenacidad expresada en el informe como cN/tex. ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle {\frac {1{\rm {\,g}}\cdot 9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1{\rm {\,g}}/9000{\rm {\,m}}}}={\frac {9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}}{1/9000{\rm {\,m}}}}=9.80665{\rm {\,ms^{-2}}}\,9000{\rm {\,m}}=88259.85{\rm {\,m^{2}s^{-2}}}}$

Véase también

• Módulo específico
• Ascensor espacial
• Anclaje espacial

Referencias

1. "Homopolímero de polioximetileno acetal - POM". AZoM.com . 30 de agosto de 2001. Archivado desde el original el 22 de julio de 2020. Consultado el 22 de julio de 2020 .
2. "Polipropileno - catálogo en línea - proveedor de materiales de investigación en pequeñas cantidades - Goodfellow". www.goodfellow.com . Archivado desde el original el 2018-08-07 . Consultado el 2017-04-24 .
3. "Poliacrilonitrilo-butadieno-estireno - catálogo en línea - proveedor de materiales de investigación en pequeñas cantidades - Goodfellow". www.goodfellow.com . Archivado desde el original el 2018-12-20 . Consultado el 2018-07-29 .
4. "Tereftalato de polietileno - catálogo en línea - proveedor de materiales de investigación en pequeñas cantidades - Goodfellow". www.goodfellow.com . Archivado desde el original el 2019-04-17 . Consultado el 2018-07-29 .
5. "Acero ASTM A228 (UNS K08500)". www.matweb.com . Archivado desde el original el 19 de enero de 2019 . Consultado el 17 de enero de 2019 .
6. "Ácido poliláctico - Biopolímero - Catálogo online - Proveedor de materiales de investigación en pequeñas cantidades - Goodfellow". www.goodfellow.com . Archivado desde el original el 2018-07-29 . Consultado el 2018-07-29 .
7. "Acero AISI 1010, estirado en frío". matweb.com . Archivado desde el original el 2018-04-18 . Consultado el 2015-10-20 .
8. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 2018-10-01 . Consultado el 2015-10-20 .
9. "Hoja de datos de acero maraging de SSA Corp". matmatch.com/learn/material/maraging-steel .
10. "Propiedades de las aleaciones de cobre". roymech.co.uk . Archivado desde el original el 2019-03-30 . Consultado el 2006-04-17 .
11. "Poliamida - Nylon 6 - catálogo en línea - proveedor de materiales de investigación en pequeñas cantidades - Goodfellow". www.goodfellow.com . Archivado desde el original el 2019-04-17 . Consultado el 2017-04-24 .
12. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 22 de marzo de 2019 . Consultado el 14 de noviembre de 2016 .
13. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 2019-04-06 . Consultado el 2016-08-18 .
14. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 15 de marzo de 2012. Consultado el 18 de agosto de 2016 .
15. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 2018-10-22 . Consultado el 2016-08-18 .
16. "Datos ambientales: Bosque de robles". Archivado desde el original el 9 de octubre de 2007. Consultado el 17 de abril de 2006 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
17. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 4 de octubre de 2018 . Consultado el 20 de octubre de 2015 .
18. "eFunda: Propiedades típicas de las aleaciones de magnesio". www.efunda.com . Archivado desde el original el 2020-01-30 . Consultado el 2021-10-01 .
19. "Hoja de datos de materiales de ASM". asm.matweb.com . Archivado desde el original el 2018-10-16 . Consultado el 2015-10-20 .
20. "Pino blanco del este americano". www.matweb.com . Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2019. Consultado el 8 de diciembre de 2019 .
21. "Hoja de datos de materiales AZo". azom.com . 11 de febrero de 2003. Archivado desde el original el 23 de junio de 2017 . Consultado el 14 de noviembre de 2016 .
22. 52.ª conferencia conmemorativa de Hatfield: "Grandes trozos de acero muy resistente", a cargo de HKDH Bhadeshia, 2005. en archive.is
23. "Los bloques que parecen juguetes crean estructuras ligeras y resistentes". 2013-08-16 . Consultado el 2024-03-21 .
24. Schaedler, Tobias A.; Jacobsen, Alan J.; Carter, Wiliam B. (13 de septiembre de 2013). "Hacia materiales más ligeros y rígidos". Science . 341 (6151): 1181–1182. Bibcode :2013Sci...341.1181S. doi :10.1126/science.1243996. ISSN  0036-8075. PMID  24031005.
25. Krywko, Jacek (8 de febrero de 2024). «Construcción de robots para la exploración espacial de «masa cero»». Ars Technica . Consultado el 21 de marzo de 2024 .
26. "MatWeb – El recurso de información sobre materiales en línea". matweb.com . Archivado desde el original el 2015-04-02 . Consultado el 2009-06-29 .
27. ENCICLOPEDIA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA McGRAW-HILL, 8.ª edición, (c)1997, vol. 1, pág. 375
28. "Fibras de carburo de silicio SCS de Specialty Materials, Inc." Archivado desde el original el 4 de abril de 2018. Consultado el 17 de abril de 2006 .
29. NanoComp Technologies Inc. "Hilo Miralon" (PDF) . Archivado (PDF) del original el 20 de diciembre de 2018. Consultado el 19 de diciembre de 2018 .
30. "Vectran". Vectran Fiber, Inc. Archivado desde el original el 8 de julio de 2019. Consultado el 12 de junio de 2017 .
31. "RWcarbon.com – La fuente de piezas aerodinámicas de fibra de carbono para BMW y Mercedes". rwcarbon.com . Archivado desde el original el 2019-05-03 . Consultado el 2021-10-01 .
32. "Grupo de Red de Compuestos en Construcción: Introducción a los Compuestos de Polímeros Reforzados con Fibra". Archivado desde el original el 18 de enero de 2006 . Consultado el 17 de abril de 2006 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
33. "Hoja informativa sobre Dyneema". DSM. 1 de enero de 2008. Archivado desde el original el 8 de agosto de 2019. Consultado el 23 de mayo de 2016 .
34. Toyobo Co., Ltd. "ザイロン® (PBO 繊維)技術資料 (2005)" (PDF) . Archivado desde el original (descarga gratuita en PDF) el 26 de abril de 2012.
35. Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, FIBRA DE CARBONO DE MÓDULO INTERMEDIO" (descarga gratuita en PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 2021-07-13 . Consultado el 2021-06-29 .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
36. Yu, Min-Feng; Lourie, Oleg; Dyer, Mark J.; Moloni, Katerina; Kelly, Thomas F.; Ruoff, Rodney S. (28 de enero de 2000). "Resistencia y mecanismo de rotura de nanotubos de carbono de paredes múltiples bajo carga de tracción" (PDF) . Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID  10649994. S2CID  10758240. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2011.
37. K. Hata (2007). "De la síntesis de CNT sin impurezas de alta eficiencia a los bosques de DWNT, sólidos de CNT y supercondensadores" (PDF) . En Razeghi, Manijeh; Brown, Gail J (eds.). De la síntesis de CNT sin impurezas de alta eficiencia a los bosques de DWNT, sólidos de CNT y supercondensadores . Quantum Sensing and Nanophotonic Devices IV. Vol. 6479. págs. 64791L. doi :10.1117/12.716279. S2CID  136421231. Archivado desde el original el 2014-12-14 . Consultado el 2009-12-02 .{{cite book}}: CS1 maint: unfit URL (link)
38. Peng, H.; Chen, D.; et al., Huang JY; et al. (2008). "Tubos de carbono colosales, resistentes y dúctiles, con paredes de macroporos rectangulares". Phys. Rev. Lett . 101 (14): 145501. Bibcode :2008PhRvL.101n5501P. doi :10.1103/PhysRevLett.101.145501. PMID  18851539.
39. "Premios Nobel de Física 2010" (PDF) . nobelprize.org. Archivado (PDF) desde el original el 2018-07-01 . Consultado el 2019-03-28 .
40. Brown, Adam R. (2013). "Resistencia a la tracción y la minería de agujeros negros". Physical Review Letters . 111 (21): 211301. arXiv : 1207.3342 . Código Bibliográfico :2013PhRvL.111u1301B. doi :10.1103/PhysRevLett.111.211301. PMID  24313473. S2CID  16394667.
41. Li, F.; Cheng, HM; Bai, S.; Su, G.; Dresselhaus, MS (2000). "Resistencia a la tracción de nanotubos de carbono de pared simple medida directamente a partir de sus cuerdas macroscópicas". Applied Physics Letters . 77 (20): 3161–3163. Bibcode :2000ApPhL..77.3161L. doi : 10.1063/1.1324984 .
42. "Desafío de la atadura fuerte 2013" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 14 de enero de 2016.
43. "Terminología". isec.org . Archivado desde el original el 27 de mayo de 2012.
44. "Fuerza específica en Yuris". keithcu.com . Archivado desde el original el 2019-02-09 . Consultado el 2012-06-02 .
45. Rodríguez, Ferdinand (1989). Principios de sistemas poliméricos (3.ª ed.). Nueva York: Hemisphere Publishing. pág. 282. ISBN 9780891161769.OCLC 19122722  .

Enlaces externos

• Rigidez específica - Diagrama de resistencia específica, Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería