Física de los Procesos Biológicos Curso 2005/6

Transcripción

1 Bibliografía: ísica, Kane, Tema 8 ísica de los Procesos Biológicos Curso 2005/6 Grupo 3 TEMA 2 BIOMECÁNICA 2.1 SÓIDO DEORMABE Parte 1 Introducción Vamos a estudiar como los materiales se deforman debido a la acción de una fuerza, y como podemos estimar cuál va a ser esa deformación. Si somos capaces de entender como al aplicar una fuerza se deforma un material, y lo aplicamos a materiales biológicos podremos saber cual es la fuerza que podrán soportar músculos o huesos y podremos predecir cuando se producirá una fractura. Vamos primero a intentar entender la deformación en un sistema lo mas sencillo posible, un muelle. Imaginad que estiramos un muelle hasta una posición x 1, y después intentamos desplazarlo mas hasta una posición x 2, tal y como se muestra en la figura 1. Para poder desplazarlo hasta este segundo punto vamos a tener que aplicar una fuerza mayor, nos costara más, que para desplazarlo hasta el primer punto. Tema

2 x = 0 x = 0 1 x = 0 igura 1. Muelle estiramos. es la fuerza que realiza el muelle. Y si lo hacemos al revés?, primero comprimimos el muelle hasta una posición x 1, y luego intentamos comprimirlo más hasta una posición x 2, tal como muestra la figura 2. Este último movimiento también nos costará más. 2 x = 0 1 x = 0 2 x = 0 igura 2. Muelle comprimimos o que está sucediendo es que al desplazar el muelle, este ejerce una fuerza que depende del desplazamiento y que se opone a este desplazamiento. Esa fuerza la podemos escribir como: = -Kx Esto es lo que conocemos como la ey de Hooke, por ser la persona que descubrió esta dependencia entre la fuerza y el desplazamiento. K es una constante que Tema

3 denominamos constante elástica del muelle. El valor de esta constante va a depender del tipo de muelle que utilicemos, es decir, de su geometría y del material del que está hecho el muelle. Si el valor de K es mayor querrá decir que la fuerza ejercida por el muelle para el mismo desplazamiento es mayor. Si en el laboratorio medimos el valor de la fuerza para distintos desplazamientos y representamos estos valores gráficamente lo que obtendremos es una linea recta, cuya pendiente es el valor de esta constante elástica del muelle. Si repetimos este experimento con dos muelles distintos tendremos dos lineas rectas con pendientes distintas y cada una de las pendientes serán los valores de la constante elástica de cada uno de los muelles, tal y como se muestra en la figura 3. K' K igura 3: ey de Hooke para dos muelles con constantes elásticas distintas K y K'. Al estirar estamos cambiando la longitud total del muelle, pero no estamos cambiando su forma. Es decir, si soltamos el muelle este queda con la misma forma que tenía al principio. Pero esto no pasa siempre. Si estiráramos mucho el muelle cambiaríamos la forma del muelle. Estaríamos pasando de un régimen elástico, a un régimen plástico, en el que cuando dejamos de aplicar la fuerza el muelle no recobra su forma original. Esfuerzo y Deformación Vamos a aplicar lo que hemos aprendido sobre el comportamiento de un muelle a materiales mas complejos. Por ejemplo, vamos a suponer un cilindro que estiramos aplicando la misma fuerza por los dos lados del cilindro. Decimos que estamos aplicando una fuerza de TENSIÓN sobre ese material. Al aplicar esa fuerza el cilindro cambiara su longitud, si al principio tenia una longitud al aplicar la fuerza tendrá una longitud '. El aumento de longitud de este cilindro será la diferencia entre la longitud final y la longitud inicial, que escribimos como: = ' - Tema

4 Si la fuerza aplicada no es muy alta este cilindro se comporta como el muelle del caso anterior. Podemos pensar que el cilindro esta formado por átomos todos ellos ligados unos con otros a través de muelles. Cuando estiramos el cilindro lo que esta pasando es que estamos estirando esos muelles que enlazan unos átomos con otros, tal y como nos muestra la figura 4. igura 4. Deformación de un cilindro por tensión. Recordad que la ley de Hooke nos decía que la fuerza del muelle es proporcional al desplazamiento. En este caso podemos suponer que sucede lo mismo, la fuerza será proporcional al cambio de longitud del cilindro: α. En la mayoría de ocasiones nos interesa conocer la respuesta del material independientemente de la forma que tenga el trozo de material sobre el que hacemos nuestros experimentos, es decir, obtener propiedades del material que sean independientes de la longitud del material o de su geometría o volumen, para poder definir una propiedad general para todos los materiales que tengan la misma composición. Por esta razón se define lo que conocemos como DEORMACIÓN, que es el cociente entre el cambio de longitud del material y el valor de la longitud inicial. De esta forma la deformación será independiente de la longitud inicial del material que estamos utilizando para nuestros cálculos. Definimos por tanto la DEORMACION, ε, como: Observad que la DEORMACIÓN no tiene unidades, ya que es el cociente entre dos Tema

5 valores con las mismas unidades. a deformación en muchos casos la veremos escrita en porcentaje (%), y lo que nos indica es cuanto se habrá estirado el material con respecto a su longitud original. Para el caso de la fuerza, definimos el ESUERZO como la fuerza por unidad de superficie. Es decir, la presión que realiza la fuerza sobre la superficie, en el caso de nuestro ejemplo sobre la superficie del cilindro. Definimos por tanto el ESUERZO, σ, como: A donde A es el área. Observa que en este caso el esfuerzo sí tiene unidades. as unidades en el sistema internacional serán Newtons por metro cuadrado (N/m 2 ). A esta unidad también se le conoce con el nombre de Pascales, Pa. Al igual que la ley de Hooke nos decía que la relación entre la fuerza ejercida por un muelle y el desplazamiento eran proporcionales y la constante de proporcionalidad era la constante elástica del muelle, podemos también obtener una relación entre deformación y esfuerzo, y también será una relación lineal, con una constante de proporcionalidad que en este caso es independiente de la geometría del material y que conocemos con el nombre del MÓDUO DE YOUNG, E. El modulo de Young relaciona el esfuerzo aplicado sobre un material con la deformación que se produciría sobre ese material. a relación seria: A E es decir, la relación entre esfuerzo y deformación es: E Si representamos gráficamente el esfuerzo frente a la deformación de un material obtendremos una linea recta, cuya pendiente nos dará el valor del modulo de Young. Esta constante nos da información sobre lo fácil o difícil que resulta cambiar de forma un material cuando lo sometemos a una fuerza de tensión (o de compresión, como veremos en un momento). Podemos ver esto en una gráfica como la que se presenta en la figura 5. Tema

6 σ σ 1 E' E ε ε ε igura 5: Curva esfuerzo-deformación para dos materiales con distintos valores del modulo de Young, E y E'. Si nos fijamos en un mismo valor del esfuerzo σ 1 la deformación que se produce en cada uno de los materiales es muy diferente. Si el modulo de Young es mayor (la pendiente es mayor, curva azul) la deformación será menor que si el modulo de Young es mas pequeño (pendiente menor, curva roja). Cuáles serán las unidades en el sistema internacional del modulo de Young?. Sabemos que el esfuerzo tiene unidades de N/m 2, y que la deformación no tiene unidades, por tanto el modulo de Young tiene que tener las mismas unidades que la deformación para que la ecuación a un lado y al otro tenga las mismas unidades. Hemos estado hablando hasta ahora de deformar el material aplicándole una fuerza de tensión. También podríamos aplicar una fuerza de compresión y el análisis seria el mismo que hemos visto aquí para la tensión. En la mayoría de sistemas simples, la curva de esfuerzo-deformación para el caso en el que se aplica una fuerza de tensión o una fuerza de compresión son exactamente iguales. Pero para sistemas más complejos estas curvas no tienen porque ser exactamente iguales, y tendríamos una curva distinta para el esfuerzo frente a la deformación con una constante diferente, es decir tendríamos un modulo de Young distinto cuando aplicamos tensión y cuando aplicamos compresión en el material. a figura 6 muestran nuestro objeto bajo fuerzas de tensión y de compresión. Tema

7 Tension /2 /2 Compr esion /2 /2 igura 6. Cilindro bajo tensión y bajo compresión a tabla I muestra algunos valores del modulo de Young para distintos materiales, tanto para materiales simples, como para materiales mas complejos, en los que existen dos módulos de Young distintos, uno para tensión y otro para compresión. Tabla I: Modulo de Young y esfuerzo de rotura para distintos materiales Material E(10 9 N/m 2 ) σ m (10 7 N/m 2 ) Acero Cobre Mármol Madera Caucho Hueso: fémur humano 16 (tensión) 9 (compresión) 12 (tensión) 17 (compresión) Vasos sanguíneos a relación lineal que existe entre el esfuerzo y la deformación no se cumple para cualquier valor del esfuerzo aplicado. Igual que en el caso del muelle, cuando aplicamos una fuerza (un esfuerzo) grande, la relación entre esfuerzo y deformación ya no es una deformación lineal. Decimos que el material ha superado su limite elástico. A esta nueva deformación le denominamos deformación plástica. Cuando la deformación es plástica, si se elimina la fuerza aplicada el material no es capaz de recuperar la forma que tenía al principio, es decir, hemos cambiado de alguna forma Tema

8 ese material. Si continuamos aplicando fuerza llegara un momento en el que el material se romperá. Al esfuerzo mínimo que hay que aplicar para que esto suceda, para que el material se rompa, le llamamos ESUERZO DE ROTURA. En la tabla I se incluyen también valores para el esfuerzo de rotura de distintos materiales. a figura 7 muestra una curva de esfuerzo-deformación típica para un metal, donde se señalan la parte elástica, la parte plástica y el punto de fractura. En la curva podemos distinguir tres fases, para deformaciones pequeñas la relación es lineal y tenemos una linea recta, que cumple σ = E ε, por tanto podemos obtener el valor del modulo de Young de la pendiente de la curva en esta parte inicial. Para deformaciones mayores vemos que la curva ya no sigue una linea recta sino que se desvía. Estamos en la zona plástica. En esta parte estamos modificando el material. El punto final de la curva es el punto de fractura. σ Punto de fractura Plastica Elastica ε igura 7: curva típica de esfuerzo-deformación para un material homogéneo en la que podemos ver la parte elástica, la plástica y el punto de fractura (de Materials Science and Engineering. An Introduction. W. D. Callister, Ed. John Wiley & Sons) Por último veremos como las curvas de esfuerzo-deformación para algunos materiales continúan hasta deformaciones grandes mientras que otras acaban en deformaciones pequeñas, como muestra la figura 8. Ese ultimo valor del esfuerzo que aparece en las curvas señala el punto de fractura. Observad que para el caso de un metal cuando se llega al punto de fractura el material se ha deformado mucho, la zona plástica es muy grande. Esto lo que refleja es que los metales son materiales muy dúctiles. Por ejemplo, podemos coger un metal y deformarlo mucho antes de llegar a romperlo. Para el caso de un vidrio, sin embargo, vemos que cuando se alcanza el punto de fractura cuando la deformación ha sido muy pequeña, es decir la zona plástica es muy pequeña. En este caso decimos que el material es frágil, porque no es capaz de deformarse cuando aplicamos un esfuerzo y se fractura rápidamente. Tema

9 σ ragil Ductil ε igura 8: curvas de esfuerzo-deformación para un material frágil y para un material dúctil. En el caso de un material frágil se llega al punto de fractura (punto B) después de una parte muy corta de plasticidad, mientras que en el caso de un material dúctil la zona plástica es grande. Vamos a ver con un ejemplo la utilidad de un parámetro del material como es el modulo de Young para entender el comportamiento del material bajo tensión o bajo compresión. Ejemplo 1: Imaginad que tenemos una barra de cobre de 2.0 metros de largo y 2 mm de diámetro. Cuál será la fuerza que tendríamos que aplicar para poder extender la barra 1mm?. El modulo de Young para el cobre es de aproximadamente 120 GPa. Nos están pidiendo que calculemos una fuerza. Sabemos que el esfuerzo es una fuerza por unidad de superficie, y sabemos la relación que existe entre el esfuerzo y la deformación. Por tanto utilizando esta relación podremos obtener el valor de la fuerza, como se muestra a continuación: E A A E A.E A D x x10 6 m 2 A E 3.14 x x N188 N 2 Tema

10 Ejemplo 2: Si el área de la sección transversal mínima del fémur de un hombre adulto es 6x10-4 m 2 a qué carga de compresión se produce la fractura?. Según la tabla I anterior el esfuerzo máximo bajo compresión para los huesos es de 17x10 7 Nm -2. Si se supera esta fuerza por unidad de superficie se producirá la fractura. Como conocemos el valor de la superficie podremos calcular el valor de la fuerza simplemente como: m A A M 6 x x N1,02 x10 5 N Este es un valor muy grande de la fuerza, unas 100 veces el peso de una persona de 100kg. Tema