Fotoelasticidad
La fotoelasticidad describe los cambios en las propiedades ópticas de un material bajo deformación mecánica. Es una propiedad de todos los medios dieléctricos y se usa a menudo para determinar experimentalmente la distribución de tensiones en un material, donde da una idea de las distribuciones de tensiones alrededor de las discontinuidades en los materiales. Los experimentos fotoelásticos (también conocidos informalmente como fotoelasticidad ) son una herramienta importante para determinar los puntos críticos de tensión en un material y se utilizan para determinar la concentración de tensión en geometrías irregulares.
El fenómeno fotoelástico fue descubierto por primera vez por el físico escocés David Brewster , quien inmediatamente lo reconoció como birrefringencia inducida por estrés . [1] [2] Ese diagnóstico fue confirmado en un experimento de refracción directa por Augustin-Jean Fresnel . [3] Los marcos experimentales se desarrollaron a principios del siglo XX con los trabajos de EG Coker y LNG Filon de la Universidad de Londres . Su libro Tratado sobre fotoelasticidad , publicado en 1930 por Cambridge Press, se convirtió en un texto estándar sobre el tema. Entre 1930 y 1940, aparecieron muchos otros libros sobre el tema, incluidos libros en ruso , alemán y francés . Max M. Frocht publicó el trabajo clásico de dos volúmenes, Photoelasticity, en el campo. [4] Al mismo tiempo, se produjo un gran desarrollo en el campo: se lograron grandes mejoras en la técnica y se simplificó el equipo. Con refinamientos en la tecnología, los experimentos fotoelásticos se ampliaron para determinar estados tridimensionales de estrés. Paralelamente a los avances en la técnica experimental, la primera descripción fenomenológica de la fotoelasticidad fue dada en 1890 por Friedrich Pockels , [5]sin embargo, Nelson & Lax [6] demostraron que esto era inadecuado casi un siglo después, ya que la descripción de Pockels solo consideraba el efecto de la tensión mecánica en las propiedades ópticas del material.
Con la llegada del polariscopio digital , posible gracias a los diodos emisores de luz, se hizo posible el monitoreo continuo de estructuras bajo carga. Esto condujo al desarrollo de la fotoelasticidad dinámica, que ha contribuido en gran medida al estudio de fenómenos complejos como la fractura de materiales.
La fotoelasticidad se ha utilizado para una variedad de análisis de tensión e incluso para el uso rutinario en el diseño, particularmente antes de la llegada de los métodos numéricos, como los elementos finitos o los elementos de contorno . [7] La digitalización de la polariscopia permite la adquisición rápida de imágenes y el procesamiento de datos, lo que permite que sus aplicaciones industriales controlen la calidad del proceso de fabricación de materiales como el vidrio [8] y el polímero. [9] La odontología utiliza la fotoelasticidad para analizar la tensión en los materiales de las prótesis. [10]
La fotoelasticidad se puede utilizar con éxito para investigar el estado de tensión altamente localizado dentro de la mampostería [11] [12] [13] o en la proximidad de una inclusión de línea rígida (refuerzo) incrustada en un medio elástico. [14] En el primer caso, el problema es no lineal debido a los contactos entre ladrillos, mientras que en el segundo caso la solución elástica es singular, por lo que los métodos numéricos pueden no proporcionar resultados correctos. Estos se pueden obtener mediante técnicas fotoelásticas. La fotoelasticidad dinámica integrada con fotografía de alta velocidad se utiliza para investigar el comportamiento de fractura en los materiales. [15] Otra aplicación importante de los experimentos de fotoelasticidad es estudiar el campo de tensión alrededor de las muescas bimateriales.[16] Las muescas de dos materiales existen en muchas aplicaciones de ingeniería, como estructuras soldadas o unidas con adhesivo.
El mismo dispositivo funciona como un polariscopio plano cuando las placas de un cuarto de onda se apartan o giran para que sus ejes sean paralelos a los ejes de polarización.