Resistência dos materiais

 A resistência dos materiais é a capacidade do material de resistir a uma força a ele aplicada. A resistência de um material é dada em função de seu processo de fabricação, porém há processos que influenciam na sua resistência, como, por exemplo: encruamento (deformação a frio),adição de elementos químicos, tratamento térmico e alteração do tamanho de grãos.

Estes métodos podem ser perfeitamente quantificados e qualificados. Entretanto, tornar materiais mais fortes pode estar associado a uma deterioração de outras propriedades mecânicas. Por exemplo, na alteração do tamanho dos grãos, embora o limite de escoamento seja maximizado com a diminuição do tamanho dos grãos, grãos muito grandes tornam o material quebradiço.

O dimensionamento de peças, que é o maior objetivo do estudo da resistência dos materiais, se resume em analisar as forças atuantes na peça, para que a inércia da mesma continue existindo e para que ela suporte os esforços empregados. Para isso é preciso conhecer o limite do material. Isso pode ser obtido através de ensaios que, basicamente, submetem a peça ao esforço que ela deverá sofrer onde será empregada, a condições padrão, para que se possa analisar o seu comportamento.

A ciência de resistência dos materiais é também muito importante para que não se tenha prejuízos gastando mais material do que o necessário, acarretando também em outro problema que é o excesso de peso. Pois a forma da peça também influencia na sua resistência, assim pode-se diminuir a quantidade de material sem interferir na mesma.

Os esforços mecânicos são o principal foco da resistência dos materiais, pois todo o estudo gira em torno de como dimensionar uma peça ou elemento de máquina para que suporte os efeitos que os esforços mecânicos gerados por uma estrutura geral ou específica estarão atuando sobre a mesma. Cada tipo de esforço possui uma forma específica de ser analisado, estudado e calculado. Para isso, é necessário utilizar-se dos conhecimentos de um dos ramos da Física: a estática, para que o equilíbrio de forças demonstre o que acontecerá com dada peça de determinado material quando submetida a certo tipo de esforço

São os esforços mecânicos:

·         Tração

·         Compressão

·         Cisalhamento

·         Flexão

·         Torção

·         Flexo-Torção

·         Flambagem

Tração é a força aplicada sobre um corpo numa direção perpendicular à sua superfície de corte e num sentido tal que, possivelmente, provoque a sua ruptura. Uma peça estará sendo tracionada quando a força axial (relativa ao eixo) aplicada estiver atuando com o sentido dirigido para o seu exterior. A tração faz com que a peça se alongue no sentido da força e fique mais fina, com menor seção transversal, pois teoricamente, seu volume deve manter-se constante.

 Um exemplo simples disso são os cabos dos elevadores.

 O esforço de tração causa uma reorganização na estrutura molecular da peça movimentando os átomos a fim de se agruparem o máximo possível até um certo limite. Isso ocorre devido ao deslocamento de moléculas que se alojam nas “imperfeições” causadas no momento da solidificação, tais imperfeições são chamadas de contorno de grão.

Na resistência dos materiais, o objetivo é não permitir que isso aconteça, trabalhando sempre no regime elástico do material. Neste regime, a peça trabalha sem deformar-se permanentemente, pois ao ser encerrada a ação da força, retorna à sua conformação original. Basicamente, a tração trata-se de utilizar um corpo e exercer sobre ele esforços com sentidos opostos, tracionando-o.

De forma a determinar o comportamento dos corpos face à força de tração realiza-se o chamado ensaio de tração em que o objeto a ser estudado é colocado num equipamento apropriado que o submete a forças sucessivamente mais significativas até obter o desmembramento do mesmo, sendo elaborados gráficos que refletem o comportamento do material ao longo deste processo.

Compressão física é o resultado da aplicação de uma força de compressão a um material, resultando em uma redução em seu volume, ou, como tratado em resistência dos materiais e engenharia, uma redução de uma de suas dimensões, axial com a atuação da força, e um aumento da seção transversal a este mesmo eixo, quando a deformação da peça nesta direção é permitida, pois deve-se considerar que teoricamente, neste caso, seu volume mantenha-se constante. Um exemplo característico de objeto submetido a esforços de compressão são as colunas dos prédios, que recebem, com a mesma direção de seu eixo, as cargas acima delas.

A compressão ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando com o sentido dirigido para o interior da peça.

A compressão tem muitas implicações na resistência dos materiais, na física e na engenharia estrutural, pelo fato da compressão produzir quantidades consideráveis de stresse tensão.

Induzindo a compressão, propriedades mecânicas, tais como a força de compressão ou o módulo de elasticidade, podem ser medidos. Os cientistas podem utilizar máquinas para induzir a compressão. Este tipo de experimento é chamado de ensaio de compressão, que é utilizado para comprovar as características mecânicas de uma peça, descobrindo assim a que tensão ela sofrerá ruptura. Caracterizam-se como ensaios destrutivos, uma vez que a peça fica normalmente inutilizada após o ensaio.

Tensão de cisalhamento, tensão tangencial, ou ainda tensão de corte ou tensão cortante é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos iguais ou opostos, em direções semelhantes, mas com intensidades diferentes no material analisado. Um exemplo disso é a aplicação de forças paralelas mas em sentidos opostos, ou a típica tensão que gera o corte em tesouras.

Um fluido é uma substância que se deforma continuamente quando submetida a uma tensão de corte, não importando o quão pequena possa ser essa tensão.

Uma força de corte é a componente tangencial da força que age sobre a superfície e, dividida pela área da superfície, dá origem à tensão de corte média sobre a área quando a área tende a um ponto.

Obtém-se deformação na actuação de uma força tangencial a uma superfície.

Exemplo: Duas placas tectônicas, uma para cima ou para baixo e a outra imóvel, ambas paralelas. Mas este exemplo não é utilizado em Tensão de corte; é apenas um exemplo para melhor entendimento, e isso também não ocorre na natureza (As placas movimentam-se sempre em outra direcção, adicionalmente e raramente estão paralelas).

Este tipo de tensão é chamada também de tensão cisalhante, conforme costume do corpo técnico brasileiro atual. Em diversos livros de ensino superior de engenharia este tipo de tensão tem destaque especial na determinação e dimensionamento de estruturas isostáticas e isóbaras, às vezes isócronas. O círculo de Mohr, assim designado em honra de Christian Otto Mohr, um engenheiro civil que dedicou sua vida ao estudo de tensões cisalhantes em rochas sãs e mais tarde em solos, facilita imensamente a determinação deste tipo de tensões a partir da tensões normais ortogonais ao plano normal.

Flexão é um esforço físico onde ocorre perpendicularmente ao eixo do corpo, paralelamente à força atuante.

A linha que une o centro de gravidade de todas as seções transversais constitui-se no eixo longitudinal da peça, e o mesmo está submetido a cargas perpendiculares ao seu eixo. Este elemento desenvolve em suas seções transversais o qual gera momento fletor.

Momento fletor: O momento fletor representa a soma algébrica dos momentos relativas a seção YX, contidos no eixo da peça, gerados por cargas aplicadas transversalmente ao eixo longitudinal. Produzindo esforço que tende a curvar o eixo longitudinal, provocando tensões normais de tração e compressão na estrutura.

Em engenharia se denomina flexão ao tipo de deformação que apresenta um elemento estrutural alongado em uma direção perpendicular a seu eixo longitudinal. O termo "alongado" se aplica quando uma dimensão é dominante frente às outras. Um caso típico são as vigas, as que estão projetadas para trabalhar, principalmente, por flexão. Igualmente, o conceito de flexão se estende a elementos estruturais superficiais como placas ou lâminas.

A característica mais proeminente é que um objeto submetido a flexão apresenta uma superfície de pontos chamada linha ou eixo neutro tal que a distância ao longo de qualquer curva contida nela não varia em relação ao valor antes da deformação. O esforço que provoca a flexão se denomina momento fletor.

Flexo-torção é o termo utilizado quando uma peça está submetida a dois tipos de esforços: flexão e torção.

Um membro estrutural submetido a carregamentos combinados pode com freqüência ser analisado superpondo-se as tensões e deformações causadas por cada carregamento agindo separadamente.

A figura mostra um desenho esquemático de um tubo sob flexo-torção e apresenta em detalhe o estado de tensões teórico para o ponto de maior solicitação.

Há vários elementos os quais sofrem esforços combinados de tração e torção, podemos destacar eixos de transmissão.

A flambagem ou encurvadura é um fenômeno que ocorre em peças esbeltas (peças onde a área de secção transversal é pequena em relação ao seu comprimento), quando submetidas a um esforço de compressão axial. A flambagem acontece quando a peça sofre flexão tranversalmente devido à compressão axial. A flambagem é considerada uma instabilidade elástica, assim, a peça pode perder sua estabilidade sem que o material já tenha atingido a sua tensão de escoamento. Este colapso ocorrerá sempre em torno do eixo de menor momento de inércia de sua seção transversal. A tensão crítica para ocorrer a flambagem não depende da tensão de escoamento do material, mas sim de seu módulo de Young

 - carga crítica de flambagem: faz com que a peça comece a flambar.

Para determinar se uma peça irá sofrer flambagem ou compressão, temos que calcular o seu índice de esbeltez e compara-lo ao índice de esbeltez crítico. Esse índice de esbeltez é padronizado para todos os materiais.

Se o índice de esbeltez crítico for maior que o índice de esbeltez padronizado do material, a peça sofre flambagem, se for menor, a peça sofre compressão.

torção é a tensão que ocorre quando é aplicado momento sobre o eixo longitudinal de um elemento construtivos ou prisma mecânico, como podem ser eixos ou, em geral, elementos onde uma dimensão predomina sobre as outras duas, ainda que é possível encontrá-la em situações diversas.

A torção se caracteriza geometricamente por qualquer curva paralela ao eixo da peça e deixa de estar contida no plano formado inicialmente pelas duas curvas. Em lugar disso uma curva paralela ao eixo se retorce ao redor dele (ver torção geométrica).