El módulo de corte se define como la relación entre el esfuerzo cortante y la deformación cortante. También se lo conoce como módulo de rigidez y puede denotarse por G o menos comúnmente por S o μ. La unidad SI del módulo de corte es el Pascal (Pa), pero los valores generalmente se expresan en gigapascales (GPa). En unidades inglesas, el módulo de corte se da en términos de libras por pulgada cuadrada (PSI) o kilo (miles) libras por pulgada cuadrada (ksi).
- Un valor de módulo de corte grande indica que un sólido es muy rígido. En otras palabras, se requiere una gran fuerza para producir la deformación.
- Un valor pequeño del módulo de corte indica que un sólido es blando o flexible. Se necesita poca fuerza para deformarlo.
- Una definición de fluido es una sustancia con un módulo de corte cero. Cualquier fuerza deforma su superficie.
Ecuación del módulo de corte
El módulo de corte se determina midiendo la deformación de un sólido al aplicar una fuerza paralela a una superficie de un sólido, mientras que una fuerza opuesta actúa sobre su superficie opuesta y mantiene al sólido en su lugar. Piense en la cizalladura como empujar contra un lado de un bloque, con la fricción como fuerza opuesta. Otro ejemplo sería intentar cortar alambre o cabello con unas tijeras desafiladas.
La ecuación para el módulo de corte es:
G = τ xy / γ xy = F / A / Δx / l = Fl / AΔx.
Donde:
- G es el módulo de corte o módulo de rigidez
- τ xy es el esfuerzo cortante
- γ xy es la deformación cortante
- A es el área sobre la que actúa la fuerza
- Δx es el desplazamiento transversal
- l es la longitud inicial
La deformación cortante es Δx / l = tan θ o algunas veces = θ, donde θ es el ángulo formado por la deformación producida por la fuerza aplicada.
Ejemplo de cálculo
Por ejemplo, encuentre el módulo de corte de una muestra bajo una tensión de 4×10 4 N / m 2 que experimenta una deformación de 5×10 -2.
G = τ / γ = (4×10 4 N / m 2 ) / (5×10 -2 ) = 8×10 5 N / m 2 o 8×10 5 Pa = 800 KPa
Materiales isotrópicos y anisotrópicos
Algunos materiales son isotrópicos con respecto al cortante, lo que significa que la deformación en respuesta a una fuerza es la misma independientemente de la orientación. Otros materiales son anisotrópicos y responden de manera diferente a la tensión o la deformación según la orientación. Los materiales anisotrópicos son mucho más susceptibles al cizallamiento a lo largo de un eje que en otro.
Por ejemplo, considere el comportamiento de un bloque de madera y cómo podría responder a una fuerza aplicada paralela a la veta de la madera en comparación con su respuesta a una fuerza aplicada perpendicular a la veta. Considere la forma en que un diamante responde a una fuerza aplicada. La facilidad con la que se corta el cristal depende de la orientación de la fuerza con respecto a la red cristalina.
Efecto de la temperatura y la presión
Como era de esperar, la respuesta de un material a una fuerza aplicada cambia con la temperatura y la presión. En los metales, el módulo de cizallamiento generalmente disminuye al aumentar la temperatura. La rigidez disminuye al aumentar la presión.
Tres modelos utilizados para predecir los efectos de la temperatura y la presión en el módulo de cizallamiento son el modelo de esfuerzo de flujo plástico de tensión umbral mecánica (MTS), el modelo de módulo de cizallamiento de Nadal y LePoac (NP) y el módulo de cizallamiento de Steinberg-Cochran-Guinan (SCG). modelo. Para los metales, tiende a haber una región de temperatura y presiones sobre la cual el cambio en el módulo de corte es lineal. Fuera de este rango, el comportamiento de modelado es más complicado.
Tabla de valores del módulo de corte
Esta es una tabla de valores de módulo de corte de muestra a temperatura ambiente. Los materiales blandos y flexibles tienden a tener valores de módulo de corte bajos. Los metales alcalinotérreos y básicos tienen valores intermedios. Los metales de transición y las aleaciones tienen valores elevados. El diamante , una sustancia dura y rígida, tiene un módulo de corte extremadamente alto.
| Material | Módulo de corte (GPa) |
| Caucho | 0,0006 |
| Polietileno | 0,117 |
| Madera contrachapada | 0,62 |
| Nylon | 4.1 |
| Plomo (Pb) | 13,1 |
| Magnesio (Mg) | 16,5 |
| Cadmio (Cd) | 19 |
| Kevlar | 19 |
| Hormigón | 21 |
| Aluminio (Al) | 25,5 |
| Vidrio | 26,2 |
| Latón | 40 |
| Titanio (Ti) | 41,1 |
| Cobre (Cu) | 44,7 |
| Hierro (Fe) | 52,5 |
| Acero | 79,3 |
| Diamante (C) | 478,0 |
Tenga en cuenta que los valores del módulo de Young siguen una tendencia similar. El módulo de Young es una medida de la rigidez o resistencia lineal de un sólido a la deformación. El módulo de corte, el módulo de Young y el módulo de volumen son módulos de elasticidad, todos basados en la ley de Hooke y conectados entre sí mediante ecuaciones.
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