Por Amador Chapa, Pedro Urbina y Kike Cuan. Ilustraciones por Amador Chapa.
22-03-2023
Por Amador Chapa, Pedro Urbina y Kike Cuan. Ilustraciones por Amador Chapa.
22-03-2023
¡Hola! Estamos de regreso con los metamateriales. Como se habló anteriormente, los metamateriales son materiales creados por el humano y que tienen hoyos en su interior. Dependiendo de las formas geométricas que tienen los orificios de los metamateriales, podemos construir estructuras que se comportan diferente cuando son aplastadas, estiradas o golpeadas. ¿Solo la forma importa en la mecánica? La verdad es que no. Además de la geometría, el material con el que fabricamos los metamateriales importa mucho; pueden estar hechos de metal, plástico, cerámico o un compuesto. En este blog, aprenderemos un poco sobre lo que son las propiedades mecánicas de un material y la importancia de conocerlas para elegir con qué material fabricar un metamaterial o cualquier otra cosa que queramos.
¡Comenzamos!
Elegir un material puede ser una tarea difícil. Cada uno cuenta con características que los hacen únicos, tal como los poderes que identifican a nuestros superhéroes favoritos. Hay materiales que pueden ser “Súper fuertes” o “Súper elásticos”. Una forma de conocerlos es a través de las propiedades mecánicas, que explican su respuesta cuando se le aplica una fuerza para estirarlo, aplastarlo o golpearlo. Con el fin de aprender sobre el estudio y selección de los materiales, te explicaremos a continuación algunas de las propiedades mecánicas más importantes:
Mide qué tanto se resiste un material a ser deformado cuando se le aplica una fuerza. Nos dice cuánto se dobla una caña de pescar cuando levantamos un pez o que tanto se desplaza un resorte cuando lo estiramos. Un material es rígido cuando no se deforma mucho aún cuando le apliquemos fuerzas muy grandes.
El coeficiente de Poisson es una propiedad de la que se habla poco, pero resulta útil para entender mejor un material. Es un número que nos dice cómo se expande o se comprime un material cuando se le aplica una fuerza. Cuando estiras un material con coeficiente positivo, éste se encogerá de los lados; en el caso opuesto, si lo apachurras, el material se expandirá hacia los lados.
Un material con coeficiente negativo (llamados augéticos), se expande lateralmente cuando se estira y se encoge de los lados si se aplasta. Aunque la mayoría de los materiales naturales presentan un valor positivo, existen ciertas estructuras cristalinas que muestran el efecto augético. Otros materiales, como el corcho, presentan un coeficiente de cero… ¿puedes imaginar qué pasaría en este caso?
También llamado módulo de Young, es una medida de resistencia de los materiales a ser deformados elásticamente. Es la relación entre el esfuerzo aplicado en el material y la deformación producida. Se define como la pendiente de la recta en la zona elástica de la curva esfuerzo-deformación, obtenida durante una prueba mecánica de tensión.
Es la capacidad de un material para oponerse a la deformación o ruptura cuando se le aplica una carga externa. Los materiales exhiben distintas formas de resistencia, de acuerdo con el tipo de fuerza al que se someten:
Resistencia a la compresión – cuando se opone a ser aplastado lentamente.
Resistencia a la tracción (o tensión) – cuando se opone a ser estirado.
Resistencia al impacto – cuando se opone a ser aplastado a alta velocidad (golpes o choques).
Un material es elástico cuando tiene la habilidad de recuperar su forma al dejar de aplicar una fuerza que lo tenía estirado o aplastado. Los globos están hechos de látex, un material con mucha elasticidad, por lo que pueden llenarse de aire y cambiar su forma; al extraer el aire, el globo vuelve a su forma original.
La plasticidad indica la habilidad de un material para deformarse permanentemente, sin romperse, cuando se le aplica una fuerza lo suficientemente grande; por tanto, aún cuando se deje de aplicar dicha fuerza, el material queda deformado. Un ejemplo simple es el plástico que se usa en las botellas de agua o refresco.
Se suele tener una idea errónea sobre el concepto de dureza en los materiales. El llamar “duro” a un material cuando es pesado o difícil de deformar es incorrecto. La dureza se refiere a la oposición de los materiales a ser raspados o penetrados. Si frotamos dos materiales distintos, el que resulta con rayaduras o raspones se considera el material con menor dureza. El material más duro conocido es el diamante, por lo que lo podemos usar para raspar cualquier otro material.
La fatiga (o límite a la fatiga) establece la capacidad de un material para soportar ciclos continuos de carga y descarga. Es una medida del debilitamiento debido al efecto prolongado de pequeñas deformaciones que se repiten hasta que se genera una fractura. Los elementos mecánicos como herramientas y ejes sufren fracturas por fatiga luego de muchos ciclos de uso.
Es la habilidad para soportar impactos y depende de la cantidad de energía que puede absorber un material cuando es deformado sin fracturarse. Un claro ejemplo de material tenaz es el acero, tiene una balanceada combinación de resistencia y ductilidad. El vidrio, por el contrario, tiene baja tenacidad; es decir, casi no se deforma cuando se impacta, simplemente se quiebra.
Determina la facilidad con la que un material puede romperse sin sufrir deformaciones significativas cuando se le aplica una fuerza. Un material frágil, como lo es el cristal, se va a quebrar antes de doblarse durante un impacto.
Es la habilidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y liberar dicha energía cuando se retira la carga aplicada. Es una propiedad que nos muestra su capacidad para deformarse cuando es aplastado o golpeado y luego vuelve a su forma original provocando un rebote perfecto del objeto que lo impactó.
Ya sea un metal, un plástico o un cerámico, cada material se comporta distinto gracias a sus propiedades mecánicas. No existe “el mejor material” o “el material perfecto”. Si queremos fabricar un metamaterial que sea parte estructural de un componente mecánico, debemos elegir un material con alta rigidez y resistencia. Si lo que buscamos es un metamaterial que sirva como amortiguador dentro de un casco deportivo, entonces debemos fabricarlo con materiales de alta elasticidad y resiliencia. El entender las propiedades mecánicas nos ayudará a elegir el material indicado para cada aplicación.
Esperen las nuevas entradas del blog dónde seguiremos aprendiendo sobre el maravilloso mundo de los metamateriales, su diseño, fabricación y aplicaciones. Veremos si pueden identificar cuáles son los materiales que se usan para fabricarlos y el por qué se eligieron. ¡Cambio y fuera!
Si deseas aprender más sobre las propiedades mecánicas de los materiales, te dejamos algunas sugerencias para visitar:
karlossantiuste [@karlossantiuste]. (2022, May 24). Propiedades mecánicas de los materiales. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=R1pjvZBkSGc
Propiedades mecánicas. (n.d.). INFINITIA Industrial Consulting. Retrieved March 22, 2023, from https://www.infinitiaresearch.com/laboratorio-ingenieria-industrial/propiedades-mecanicas/
Saif, M. (2018, April 9). List of mechanical properties that every mechanical engg should know. The Engineers Post; Saif M. https://www.theengineerspost.com/mechanical-properties-of-materials/
Sobre los autores:
Amador Chapa: estudiante de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería
Pedro Urbina: profesor-investigador en industria 4.0 y gemelos digitales.
Kike Cuan: profesor-investigador en diseño mecánico de metamateriales y mecanismos.