En 1912 el Titanic partió en su viaje inaugural a través del océano Atlántico. Los constructores del barco estaban convencidos de que, incluso en una colisión desastrosa en el mar, el barco podría flotar durante dos o tres días, suficiente tiempo para que barcos cercanos acudieran en su rescate. Sin embargo, el 14 de abril, el Titanic chocó contra un enorme iceberg y en tan solo tres horas el barco se hundió.
La colisión fracturó el casco del barco, agrietándolo como si fuera un plato de porcelana, y arrancando los remaches que lo mantenían en su lugar. Como todos sabemos, fue un desastre absoluto. Una de nuestras tareas más importantes como ingenieros es tratar de evitar catástrofes como estas.
Verás, cuando se trata de estructuras, herramientas y equipos, debemos asegurarnos de que estén hechos de los materiales adecuados, y eso significa examinar de cerca los materiales de los que están hechos. Por lo tanto, este episodio realmente pondrá a prueba tu conocimiento de los materiales.
Los materiales en la ingeniería
Si existe un material, hay una buena probabilidad de que un ingeniero haya pensado en usarlo en algún momento. Hace unos dos millones y medio de años, los primeros humanos utilizaban los materiales que los rodeaban, principalmente piedra y madera, para construir herramientas como martillos y hachas. Hoy en día, hemos desarrollado materiales totalmente nuevos.
Por ejemplo, está el aerogel, que es una sustancia ultraligera que puede soportar altas temperaturas. Sin mencionar el grafeno, una lámina de carbono de un átomo de grosor que es más resistente que el acero y excelente para conducir calor y electricidad. Aunque estos materiales avanzados podrían ser más ampliamente utilizados en el futuro, hoy en día la mayoría de los materiales con los que trabajan los ingenieros se pueden clasificar en tres grupos: metales y sus aleaciones, cerámica y vidrio, y polímeros.
Las propiedades mecánicas de los materiales
El material más adecuado para un trabajo depende de sus propiedades y cómo esas propiedades nos afectan en la práctica. Es vital conocer las propiedades mecánicas de un material. Estas propiedades mecánicas se refieren a cómo cambia la forma de un material cuando se le aplica una fuerza. Para entender mejor esto, ayuda tener un ejemplo concreto en mente. En lugar de usar concreto, consideremos una viga de acero, como las utilizadas ampliamente en ingeniería civil y construcción.
Por supuesto, podríamos hacer vigas de todo tipo de materiales y las vigas resultantes tendrían diferentes propiedades. Pero, sin importar de qué estén hechas, hay algo importante que debemos saber: ningún material es perfectamente rígido. Si se aplica una fuerza lo suficientemente grande, una viga se deformará y cambiará de forma, aunque sea internamente. Algunas cosas que encontramos en la vida cotidiana pueden parecer totalmente rígidas porque el cambio de forma es tan pequeño, pero cuando eso deja de ser el caso, puede tener consecuencias dramáticas.
Algo que todos los ingenieros intentan evitar es la falla, no en el sentido de si estás haciendo las cosas exactamente bien todo el tiempo, ni siquiera los ingenieros son perfectos y a veces nos equivocamos un poco. Eso es parte del proceso de aprendizaje. Cuando se trata de materiales, la palabra «falla» describe el punto en el que un material se rompe, y a diferencia de cometer un par de errores en tus problemas de matemáticas, esta es la clase de falla que no vale la oportunidad de aprendizaje.
En un sistema como un automóvil, donde todo depende de la integridad estructural de los materiales, el resultado podría ser fatal. Por lo tanto, para evitar situaciones críticamente peligrosas, los ingenieros caracterizan las propiedades mecánicas de los materiales para evitar que fallen. Si estás utilizando una viga para construir un edificio, es crucial conocer esas propiedades para mantener la estructura en pie.
Estrés y deformación
Aquí es donde entra en juego el estrés. Hemos hablado un poco sobre qué significa el estrés en el contexto de la ingeniería cuando hablamos de fluidos. Es la fuerza aplicada sobre una determinada área del material. Podemos aplicar este tipo de estrés a nuestra viga de tres formas distintas: estrés de compresión, que empuja hacia adentro en los extremos del material; estrés de tensión, que lo estira y, potencialmente, alarga; y finalmente, estrés de corte, donde se empuja hacia los lados del material en direcciones opuestas.
Para medir los efectos de este estrés en nuestra viga, observamos su deformación. La deformación es cuánto cambia la longitud de la viga en una dirección particular. Cuando estamos discutiendo sobre los esfuerzos en los líquidos, el nivel de deformidad estaba relacionado con la viscosidad del líquido, es decir, qué tan fácilmente fluía en respuesta a la presión. En el contexto de los materiales, el nivel de deformidad es un poco más complicado, pero, como tantas cosas en la ingeniería, visualizarlo como un gráfico puede ayudar.
Tomemos la viga y coloquémosla en un extensómetro, un dispositivo con un nombre impresionante que aplicará fuerza de tensión a la viga y medirá su deformación. Para comprender lo que está sucediendo, coloquemos en el eje vertical el nivel de estrés que estamos aplicando, representado por la letra griega sigma, y en el eje horizontal coloquemos la deformación. Cuando el estrés que aplicamos es perpendicular a los extremos de la viga, como sucede en el extensómetro, el cambio resultante en la longitud se llama deformación normal, representada con la letra epsilon. A medida que aumentamos el estrés en el objeto, el material comenzará a mostrar signos de deformación, cambiando su longitud.
La cantidad de estrés a la que se somete un material antes de sufrir una determinada cantidad de deformación, en otras palabras, la pendiente de la línea, se conoce como módulo de elasticidad. Esa cantidad es una medida de qué tan resistente es nuestro material a la flexión y estiramiento. Cuanto más vertical sea la línea, más alto será el módulo.
Para comprender las unidades aquí, el estrés se mide en gigapascales porque es una fuerza aplicada sobre un área y tiene las mismas dimensiones que la presión. Mientras tanto, la deformación es una razón entre dos longitudes, por lo que es una cantidad sin dimensiones. Uniendo todo eso, el módulo de elasticidad tiene unidades de gigapascales, pero ¿qué significa realmente el módulo?
Comparemos las vigas hechas de dos materiales diferentes: caucho y concreto. El caucho tiene un módulo de elasticidad de solo 0.01 gigapascales, mientras que el concreto tiene un módulo de 30. Eso significa que, para una determinada cantidad de estrés aplicado a cada material, el caucho tendrá un cambio proporcional en longitud tres mil veces mayor que el concreto. No es sorprendente, ¿verdad? Sabemos que es más fácil estirar el caucho que el concreto. Por lo tanto, el módulo de elasticidad, que se puede medir a partir del diagrama de esfuerzo-deformación, te da una idea de cuánto el material se opone al cambio de forma bajo un estrés aplicado.
Punto de cedencia y falla
Hasta ahora, todas las líneas en el diagrama esfuerzo-deformación han sido rectas con pendientes constantes. Sin embargo, al aplicar aún más estrés, esa relación se rompe y el material comenzará a deformarse y estirarse no solo a lo largo de su longitud, sino también en su sección transversal. Ese punto se conoce como el punto de cedencia. Por ejemplo, si aplicamos suficiente tensión a una barra de arcilla, eventualmente se adelgazará en el medio a medida que se estire para cumplir con las demandas de un alto estrés de tracción.
Finalmente, si aplicamos suficiente tensión, el material se rompe por completo y sufre una falla. Lo mismo puede suceder con nuestra viga de acero: si aplicamos suficiente tensión, se romperá. La curva esfuerzo-deformación nos habla de otra propiedad importante para evitar la falla y determinar la idoneidad de un material: su tenacidad. La tenacidad de un material es la cantidad de energía que puede absorber antes de sufrir una falla. En nuestro diagrama, se representa por el área total debajo de la curva del esfuerzo-deformación desde el origen hasta el punto de falla. Si tienes un poco de conocimiento de cálculo, reconocerás que esto es la integral de la curva de esfuerzo-deformación.
No obstante, la tenacidad no es lo mismo que la resistencia. Un material puede ser muy resistente, con un módulo de elasticidad muy alto, pero romperse después de solo una pequeña cantidad de deformación. Por otro lado, un material puede soportar una gran cantidad de deformación sin romperse, pero tener un módulo de elasticidad muy bajo, como la plastilina. La tenacidad es un equilibrio entre ambos, y aunque un material resistente puede ser útil para construir cimientos de un edificio, en otras aplicaciones podría ser algo que quieras evitar.
Por ejemplo, al agregar carbono a la viga de acero, puedes aumentar su punto de cedencia, apenas se deforma bajo un solo impacto, pero también se vuelve más frágil. Mientras tanto, el acero con bajo contenido de carbono tiene un módulo de elasticidad bajo, se deforma mucho más rápidamente porque tiene un punto de cedencia bajo, pero eso lo hace más dúctil, por lo que es más útil para darle forma y soldar. Pero ninguna de esas opciones maximiza la tenacidad del acero. La tenacidad sería encontrar el punto medio donde maximizas el área debajo de la curva para que el acero pueda absorber la mayor cantidad de energía posible antes de romperse.
Una medida que resulta útil para medir esto es la prueba de impacto de Sharpy, que nos dice la tenacidad de nuestro material golpeándolo con un martillo. No, en serio. La prueba de Sharpy mide la tenacidad tomando una pequeña muestra del material y golpeándolo con un martillo en un péndulo, y tratando de romperlo. La altura desde la que se deja caer el martillo y la altura a la que el martillo se eleva después de atravesar el material pueden determinar cuánta energía perdió el martillo al romper la muestra y eso nos dice qué tan tenaz es el material. Si bien no todas las pruebas de materiales son tan divertidas de realizar, hay muchas propiedades mecánicas diferentes para considerar y materiales que podrían hacerlos totalmente adecuados para el trabajo en cuestión o completamente inútiles.
Por ejemplo, existe la dureza, que es cuánto se deforma un material en una ubicación particular, es decir, qué tan fácilmente se deja abollar. Medir la dureza es bastante simple: usas un dispositivo llamado indentador para aplicar una carga localizada a tu material y ver cuánto se abolla. Bastante sencillo. Otra propiedad mecánica que puede ser buena o mala dependiendo de la situación es la resistencia a la fluencia, que afortunadamente no tiene nada que ver con el monstruo de Minecraft, el creeper. La resistencia a la fluencia es cuánto resiste un material la deformación o, utilizando el término ingenieril, qué tanto resiste el «flujo» bajo estrés a largo plazo o temperaturas extremas.
En algunos casos, una fluencia baja es algo bueno. Por ejemplo, en las aspas de una hélice, demasiada fluencia podría alargar las aspas y hacer que golpeen el casing, dañándolas. Pero en una estructura de concreto, cierta cantidad de fluencia puede ser útil, ya que evita que el concreto se agriete. También está la resistencia a fatiga, que mide cuántas veces un material puede soportar una cierta cantidad de estrés antes de fallar. A veces, incluso aplicar cargas pequeñas de estrés muy por debajo del cedimiento deja pequeños impactos como grietas microscópicas en el material.
Si ese pequeño estrés se aplica repetidamente, las grietas pueden profundizarse y propagarse en el material hasta que finalmente causen la fractura. Como cabría esperar, un material puede manejar muchas pequeñas cargas de estrés antes de fracturarse, pero solo puede soportar unas pocas grandes cargas. La resistencia a la fatiga es el estrés máximo posible que un material puede soportar un cierto número de veces antes de una falla.
Por supuesto, la dureza, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la fatiga ajustan algunas de las propiedades mecánicas de los materiales. Además, es posible que también necesitemos considerar cómo reacciona la superficie de nuestro material elegido con su entorno, cuánto cuesta producirlo y obtenerlo, e incluso cómo se ve. Aunque todas estas son importantes, no tiene mucho sentido considerar esas otras propiedades hasta que estés seguro de que el material es mecánicamente apto para manejar las tensiones y deformaciones que el mundo le va a presentar.
Y conocer las fortalezas del material que utilizas mejorará tus capacidades como ingeniero. En este episodio, comenzamos a considerar los materiales que se utilizan en ingeniería, examinamos las propiedades mecánicas de los materiales que describen cuánta deformación sufre un material dado una cierta cantidad de estrés, a partir de los diagramas de esfuerzo-deformación, encontramos propiedades útiles que se pueden medir como el módulo de elasticidad y la tenacidad, y describimos otras propiedades de los materiales, como dureza, resistencia a la fluencia y resistencia a la fatiga.
