Compresión (física)

Compresión uniaxial

En mecánica , la compresión es la aplicación de fuerzas equilibradas hacia adentro ("empuje") en diferentes puntos de un material o estructura , es decir, fuerzas sin suma neta ni torque dirigidas para reducir su tamaño en una o más direcciones. ^{[ 1 ]} Se contrapone a la tensión o tracción, la aplicación de fuerzas equilibradas hacia afuera ("tirón"), y a las fuerzas cortantes , dirigidas para desplazar capas del material paralelas entre sí. La resistencia a la compresión de materiales y estructuras es una consideración importante en ingeniería.

En la compresión uniaxial , las fuerzas se dirigen en una sola dirección, de modo que actúan para disminuir la longitud del objeto en esa dirección. ^{[ 2 ]} Las fuerzas de compresión también pueden aplicarse en múltiples direcciones; por ejemplo, hacia adentro a lo largo de los bordes de una placa o en toda la superficie lateral de un cilindro , para reducir su área ( compresión biaxial ), o hacia adentro en toda la superficie de un cuerpo, para reducir su volumen .

Técnicamente, un material está bajo un estado de compresión, en algún punto específico y a lo largo de una dirección específica. $x$ , si la componente normal del vector de tensión a través de una superficie con dirección normal $x$ está dirigido en dirección opuesta a $x$ . Si el vector de tensión en sí es opuesto a $x$ Se dice que el material está bajo compresión normal o tensión de compresión pura a lo largo de $x$ En un sólido , la cantidad de compresión generalmente depende de la dirección. $x$ y el material puede estar bajo compresión en algunas direcciones pero bajo tracción en otras. Si el vector de tensión es puramente compresivo y tiene la misma magnitud para todas las direcciones, se dice que el material está bajo compresión isotrópica , compresión hidrostática o compresión volumétrica . Este es el único tipo de compresión estática que pueden soportar los líquidos y los gases . ^{[ 3 ]} Afecta al volumen del material, como se cuantifica mediante el módulo de compresibilidad y la deformación volumétrica .

El proceso inverso a la compresión se denomina descompresión , dilatación o expansión , en el que el objeto se agranda o aumenta de volumen.

En una onda mecánica , que es longitudinal , el medio se desplaza en la dirección de la onda, lo que da lugar a zonas de compresión y rarefacción .

Efectos

Cuando se somete a compresión (o cualquier otro tipo de tensión), todo material sufre cierta deformación , aunque sea imperceptible, que provoca un cambio en las posiciones relativas promedio de sus átomos y moléculas. Esta deformación puede ser permanente o reversible al cesar las fuerzas de compresión. En este último caso, la deformación genera fuerzas de reacción que se oponen a las fuerzas de compresión y que, con el tiempo, pueden llegar a equilibrarlas. ^{[ 4 ]}

Los líquidos y los gases no pueden soportar una compresión uniaxial o biaxial constante; se deforman de forma rápida y permanente y no ofrecen ninguna fuerza de reacción permanente. Sin embargo, sí pueden soportar una compresión isotrópica y pueden comprimirse momentáneamente de otras maneras, por ejemplo, en una onda sonora .

Todo material ordinario se contraerá en volumen al someterse a compresión isotrópica, en área de sección transversal al someterse a compresión biaxial uniforme y en longitud al someterse a compresión uniaxial. La deformación puede no ser uniforme ni estar alineada con las fuerzas de compresión. Lo que sucede en las direcciones donde no hay compresión depende del material. ^{[ 4 ]} La mayoría de los materiales se expandirán en esas direcciones, pero algunos materiales especiales permanecerán inalterados o incluso se contraerán. En general, la relación entre la tensión aplicada a un material y la deformación resultante es un tema central de la mecánica de medios continuos .

Usos

La compresión de sólidos tiene muchas implicaciones en la ciencia de los materiales , la física y la ingeniería estructural , ya que la compresión produce cantidades notables de tensión y esfuerzo .

Al inducir compresión, se pueden medir propiedades mecánicas como la resistencia a la compresión o el módulo de elasticidad . ^{[ 5 ]}

Las máquinas de compresión abarcan desde sistemas de sobremesa muy pequeños hasta otros con una capacidad superior a 53 MN.

Los gases suelen almacenarse y transportarse en forma altamente comprimida para ahorrar espacio. El aire ligeramente comprimido u otros gases también se utilizan para inflar globos , botes de goma y otras estructuras inflables . Los líquidos comprimidos se utilizan en equipos hidráulicos y en la fracturación hidráulica .

En los motores

motores de combustión interna

En los motores de combustión interna, la mezcla explosiva se comprime antes de encenderse; esta compresión mejora la eficiencia del motor. En el ciclo Otto , por ejemplo, la segunda carrera del pistón comprime la carga que ha sido introducida en el cilindro durante la primera carrera. ^{[ 6 ]}

Máquinas de vapor

El término se aplica al mecanismo mediante el cual la válvula de escape de una máquina de vapor se cierra, bloqueando una parte del vapor de escape en el cilindro , antes de que el pistón complete su carrera. Al comprimirse este vapor durante la carrera, se forma una capa amortiguadora contra la cual el pistón realiza trabajo mientras su velocidad disminuye rápidamente, reduciendo así las tensiones en el mecanismo debidas a la inercia de las piezas recíprocas. ^{[ 7 ]} Además, esta compresión evita el impacto que, de otro modo, se produciría al ingresar vapor fresco para la carrera de retorno.

Véase también

Referencias

↑ Ferdinand Pierre Beer, Elwood Russell Johnston, John T. DeWolf (1992), "Mecánica de los materiales". (Libro) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1
↑ Erkens, Sandra y Poot, M. El ensayo de compresión uniaxial. Universidad Tecnológica de Delft. (1998). Número de informe: 7-98-117-4.
↑ Ronald L. Huston y Harold Josephs (2009), «Análisis práctico de esfuerzos en el diseño de ingeniería». 3.ª edición, CRC Press, 634 páginas. ISBN 9781574447132
1 2 Fung, YC (1977). Un primer curso de mecánica de medios continuos (2.ª ed.). Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.
^ Hartsuijker, C.; Welleman, JW (2001). Ingeniería Mecánica. Volumen 2. Saltador. ISBN 978-1-4020-412
↑ Heywood, John (1 de mayo de 2018). Fundamentos del motor de combustión interna, 2.ª edición . McGraw Hill Professional. ISBN 978-1-260-11611-3.
↑ Wiser, Wendell H. (2000). Recursos energéticos: ocurrencia, producción, conversión, uso . Birkhäuser. pág. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.

[Beer-1] Ferdinand Pierre Beer, Elwood Russell Johnston, John T. DeWolf (1992), "Mecánica de los materiales". (Libro) McGraw-Hill Professional, ISBN 0-07-112939-1

[2] Erkens, Sandra y Poot, M. El ensayo de compresión uniaxial. Universidad Tecnológica de Delft. (1998). Número de informe: 7-98-117-4.

[3] Ronald L. Huston y Harold Josephs (2009), «Análisis práctico de esfuerzos en el diseño de ingeniería». 3.ª edición, CRC Press, 634 páginas. ISBN 9781574447132

[ONE-4] 1 2 Fung, YC (1977). Un primer curso de mecánica de medios continuos (2.ª ed.). Prentice-Hall, Inc. ISBN 978-0-13-318311-5.

[5] Hartsuijker, C.; Welleman, JW (2001). Ingeniería Mecánica. Volumen 2. Saltador. ISBN 978-1-4020-412

[6] Heywood, John (1 de mayo de 2018). Fundamentos del motor de combustión interna, 2.ª edición . McGraw Hill Professional. ISBN 978-1-260-11611-3.

[Wiser-7] Wiser, Wendell H. (2000). Recursos energéticos: ocurrencia, producción, conversión, uso . Birkhäuser. pág. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.

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