La resistencia específica es la resistencia de un material (fuerza por unidad de área en el momento de la falla) dividida por su densidad . También se conoce como relación fuerza-peso o relación fuerza / peso o relación fuerza-masa . En aplicaciones de fibras o textiles, la tenacidad es la medida habitual de resistencia específica. La unidad SI para 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 fuerza específica tiene las mismas unidades que la energía específica y está relacionada con la máxima energía específica de rotación que puede tener un objeto sin separarse debido a la fuerza centrífuga .
Otra forma de describir la resistencia específica es la longitud de rotura , también conocida como longitud autoportante : 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 / s 2 ) que se aplica a toda la longitud del material, sin disminuir con la altura. Este uso es más común con ciertas aplicaciones especiales de fibras o textiles.
Los materiales con las resistencias específicas más altas son típicamente fibras como fibra de carbono , fibra de vidrio y varios 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 en otras aplicaciones en las que el ahorro de peso compensa el mayor coste del material.
Tenga en cuenta que la fuerza y la rigidez son distintas. Ambos son importantes en el diseño de estructuras eficientes y seguras.
Cálculos de longitud de ruptura
dónde es la longitud, es la resistencia a la tracción, es la densidad y es la aceleración debida a la gravedad ( Sra)
Ejemplos de
Material | Resistencia a la tracción ( MPa ) | Densidad ( g / cm 3 ) | Resistencia específica ( kN · m / kg ) | Longitud de ruptura ( km ) | Fuente |
---|---|---|---|---|---|
Hormigón | 2-5 | 2.30 | 5.22 | 0,44 | |
Polioximetileno (POM) | 69 | 1,42 | 4,95 | [1] | |
Goma | 15 | 0,92 | 16,3 | 1,66 | |
Cobre | 220 | 8,92 | 24,7 | 2.51 | |
Polipropileno / PP | 25–40 | 0,90 | 28–44 | 2,8–4,5 | [2] |
(Poli) acrilonitrilo-butadieno-estireno / ABS | 41–45 | 1.05 | 39–43 | [3] | |
Tereftalato de polietileno / Poliéster / PET | 80 | 1.3–1.4 | 57–62 | [4] | |
Cuerda de piano / acero ASTM 228 | 1590–3340 | 7.8 | 204–428 | [5] | |
Ácido poliláctico / polilactida / PLA | 53 | 1,24 | 43 | [6] | |
Acero con poco carbono (AISI 1010) | 365 | 7,87 | 46,4 | 4,73 | [7] |
Acero inoxidable (304) | 505 | 8.00 | 63,1 | 6.4 | [8] |
Latón | 580 | 8.55 | 67,8 | 6,91 | [9] |
Nylon | 78 | 1,13 | 69,0 | 7.04 | [10] |
Titanio | 344 | 4.51 | 76 | 7.75 | [11] |
Acero CrMo (4130) | 560–670 | 7,85 | 71–85 | 7.27–8.70 | [12] [13] |
Aleación de aluminio (6061-T6) | 310 | 2,70 | 115 | 11,70 | [14] |
roble | 90 | 0,78-0,69 | 115-130 | 12-13 | [15] |
Inconel (X-750) | 1250 | 8.28 | 151 | 15,4 | [dieciséis] |
Aleación de magnesio | 275 | 1,74 | 158 | 16,1 | [17] |
Aleación de aluminio (7075-T6) | 572 | 2,81 | 204 | 20,8 | [18] |
Madera de pino (blanco del este americano) | 78 | .35 | 223 | 22,7 | [19] |
Aleación de titanio ( Beta C ) | 1250 | 4.81 | 260 | 26,5 | [20] |
Bainita | 2500 | 7,87 | 321 | 32,4 | [21] |
Balsa | 73 | 0,14 | 521 | 53,2 | [22] |
Compuesto de carbono-epoxi | 1240 | 1,58 | 785 | 80,0 | [23] |
seda de araña | 1400 | 1,31 | 1069 | 109 | |
Fibra de carburo de silicio | 3440 | 3,16 | 1088 | 110 | [24] |
Hilo de nanotubos de carbono Miralon serie C | 1375 | 0,7-0,9 | 1100 | 112 | [25] |
Fibra de vidrio | 3400 | 2,60 | 1307 | 133 | [26] |
Fibra de basalto | 4840 | 2,70 | 1790 | 183 | [27] |
1? M de hierro bigotes | 14000 | 7,87 | 1800 | 183 | [21] |
Vectran | 2900 | 1,40 | 2071 | 211 | [26] |
Fibra de carbono (AS4) | 4300 | 1,75 | 2457 | 250 | [26] |
Kevlar | 3620 | 1,44 | 2514 | 256 | [28] |
Dyneema ( UHMWPE ) | 3600 | 0,97 | 3711 | 378 | [29] |
Zylon | 5800 | 1,54 | 3766 | 384 | [30] |
Fibra de carbono (Toray T1100G) | 7000 | 1,79 | 3911 | 399 | [31] |
Nanotubos de carbono (ver nota a continuación) | 62000 | 0.037–1.34 | 46268 – N / A | 4716 – N / A | [32] [33] |
Tubo de carbono colosal | 6900 | 0,116 | 59483 | 6066 | [34] |
Grafeno | 130500 | 2.090 | 62453 | 6366 | [35] |
Límite fundamental | 9 × 10 13 | 9,2 × 10 12 | [36] |
Los datos de esta tabla provienen de los mejores casos y se han establecido para dar una cifra aproximada.
- Nota: Los nanotubos de carbono de paredes múltiples tienen la resistencia a la tracción más alta de cualquier material medido hasta ahora, y los laboratorios los producen a una resistencia a la tracción de 63 GPa, [32] todavía muy por debajo de su límite teórico de 300 GPa. Los primeros cables de nanotubos (20 mm de largo) cuya resistencia a la tracción se publicó (en 2000) tenían una resistencia de 3,6 GPa, todavía muy por debajo de su límite teórico. [37] La densidad es diferente según el método de fabricación, y el valor más bajo es 0.037 o 0.55 (sólido). [33]
El 'Yuri' y las ataduras espaciales
El Consorcio Internacional de Ascensores Espaciales utiliza el "Yuri" como nombre para las unidades SI que describen la fuerza específica. La resistencia específica es de fundamental importancia en la descripción de los materiales de los cables de los ascensores espaciales . Un Yuri se concibe como la unidad SI para el límite elástico (o esfuerzo 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. [38] [39] Un ascensor espacial terrestre funcional requeriría una correa de 30 a 80 megaYuri (correspondiente a 3100 a 8200 km de longitud de ruptura). [40]
Límite fundamental de la fuerza específica
La condición de energía nula impone un límite fundamental a la resistencia específica de cualquier material. [36] La fuerza 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 QCD y las cuerdas fundamentales hipotetizadas por la teoría de cuerdas . [ cita requerida ]
Tenacidad (fuerza textil)
La tenacidad es la medida habitual de 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 casi adimensional análoga a la fuerza específica. [41] Una tenacidad decorresponde a: [ cita requerida ] Principalmente tenacidad expresada en el informe como cN / tex.
Ver también
- Módulo específico
- Ascensor espacial
- Correa espacial
Referencias
- ^ https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=762
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polypropylene.html
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyacrylonitrile-butadiene-styrene.html
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyethylene-terephthalate.html
- ^ http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=4bcaab41d4eb43b3824d9de31c2c6849
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polylactic-acid-Biopolymer.html
- ^ "Acero AISI 1010, estirado en frío" . matweb.com . Consultado el 20 de octubre de 2015 .
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 20 de octubre de 2015 .
- ^ "Propiedades de las aleaciones de cobre" . roymech.co.uk .
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyamide-Nylon-6.html
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 14 de noviembre de 2016 .
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 18 de agosto de 2016 .
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 18 de agosto de 2016 .
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 18 de agosto de 2016 .
- ^ "Datos medioambientales: Madera de roble" . Archivado desde el original el 9 de octubre de 2007 . Consultado el 17 de abril de 2006 .CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 20 de octubre de 2015 .
- ^ "eFunda: propiedades típicas de las aleaciones de magnesio" .
- ^ "Hoja de datos del material MAPE" . asm.matweb.com . Consultado el 20 de octubre de 2015 .
- ^ "Madera de pino blanco del este americano" . www.matweb.com . Consultado el 8 de diciembre de 2019 .
- ^ "Ficha técnica de materiales AZo" . azom.com . Consultado el 14 de noviembre de 2016 .
- ^ a b 52a conferencia en memoria de Hatfield: "Grandes trozos de acero muy fuerte" por HKDH Bhadeshia 2005. en archive.is
- ^ "MatWeb - El recurso de información de materiales en línea" . matweb.com .
- ^ ENCICLOPEDIA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE McGRAW-HILL, 8ª edición, (c) 1997, vol. 1 p. 375
- ^ Materiales especiales, Inc SCS Fibras de carburo de silicio
- ^ NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) .
- ^ a b c "Vectran" . Vectran Fiber, Inc.
- ^ "RWcarbon.com - La fuente para BMW y Mercedes Carbon Fiber Aero Parts" . rwcarbon.com .
- ^ "Grupo de redes para materiales 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 .CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
- ^ "Hoja de datos de Dyneema" . DSM . 1 de enero de 2008.
- ^ Toyobo Co., Ltd. "ザ イ ロ ン ® (PBO 繊 維) 技術 資料 (2005)" (PDF) . Archivado desde el original (PDF de descarga gratuita) el 26 de abril de 2012.
- ^ Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, MÓDULO INTERMEDIO DE FIBRA DE CARBONO" (descarga gratuita en PDF) .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b Yu, Min-Feng; Lourie, Oleg; Dyer, Mark J .; Moloni, Katerina; Kelly, Thomas F .; Ruoff, Rodney S. (28 de enero de 2000). "Mecanismo de resistencia y ruptura de nanotubos de carbono de paredes múltiples bajo carga de tracción" (PDF) . Ciencia . 287 (5453): 637–640. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 287..637Y . doi : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 . Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2011.
- ^ a b K.Hata. "Desde la síntesis de CNT sin impurezas altamente eficiente hasta los bosques DWNT, CNTsólidos y supercondensadores" (PDF) . doi : 10.1117 / 12.716279 .
- ^ Peng, H .; Chen, D .; y col., Huang JY; et al. (2008). "Tubos de carbono colosales fuertes y dúctiles con paredes de macroporos rectangulares". Phys. Rev. Lett . 101 (14): 145501. bibcode : 2008PhRvL.101n5501P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.145501 . PMID 18851539 .
- ^ "Premios Nobel de Física 2010" (PDF) . nobelprize.org.
- ^ a b Brown, Adam R. (2012). "Resistencia a la tracción y extracción de agujeros negros". Cartas de revisión física . 111 (21). arXiv : 1207.3342 . Código Bibliográfico : 2013PhRvL.111u1301B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.111.211301 .
- ^ Li, F .; Cheng, HM; Bai, S .; Su, G .; Dresselhaus, MS "Resistencia a la tracción de nanotubos de carbono de pared simple medida directamente desde sus cuerdas macroscópicas" . Letras de Física Aplicada . 77 (20). doi : 10.1063 / 1.1324984 .
- ↑ Strong Tether Challenge 2013
- ^ Superusuario. "Terminología" . isec.org . Archivado desde el original el 27 de mayo de 2012.
- ^ "Fuerza específica en Yuris" . keithcu.com .
- ^ Rodríguez, Ferdinand (1989). Principios de los sistemas de polímeros (3ª ed.). Nueva York: Hemisphere Publishing. pag. 282 . ISBN 9780891161769. OCLC 19122722 .
enlaces externos
- Rigidez específica: tabla de resistencia específica , Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería