1/4 TEORÍA DE FALLAS POR FATIGA | INTRODUCCIÓN | DISEÑO DE ELEMENTOS MECÁNICOS | DIRECTO YOUTUBE

hasta este momento seguramente ustedes creen que al nosotros diseñar un elemento de máquina y asegurarnos de que los esfuerzos no sobrepasan el módulo de excedencia es suficiente nuestro elemento va a resistir y bien va a cumplir la función final sin embargo es más complejo que eso cuando nosotros diseñamos elementos de máquina es importante primero hacer diferentes tipos de análisis ya que se pueden presentar diferentes tipos de falla a qué me refiero con diferentes tipos de análisis debemos de hacer un análisis por carga estática debemos de hacer un análisis de vibraciones debemos de hacer un análisis de propiedad de los materiales para ver el tema de la corrosión debemos de hacer un análisis para el tema de la fatiga pero aquí la pregunta y qué es la fatiga esta pregunta ingeniero se le hicieron hace ya varios años cerca de 1982 y esto que se debió resulta de que en eeuu empezó a aparecer un fenómeno que los investigadores todavía no tenían plenamente identificado es más ni siquiera tenían indicios de que existían resulta de que más o menos en los años 80s en eeuu este país gastó aproximadamente 100 mil millones de dólares esto era casi el 3% del producto interno bruto de la nación más poderosa del mundo y en que los gastos profesor porque es mucho dinero estos dos estos gastos fueron solamente para prevención de incidencias de fallas de fatiga en vehículos terrestres en trenes en aviones sin embargo qué es lo que pasa ingenieros que resulta de que antes de esa fecha para atrás no se tenía plenamente identificado el fenómeno de la fatiga entonces como se empezaron a dar cuenta o cuál fue la problemática que ellos abarcaron resulta chicos de que como ustedes recordarán en los años de los años 80 para atrás el ferrocarril era uno de los principales medios de transporte de mercancías entonces empezaron a darse cuenta los estadounidenses que estos ejes es decir los ejes de las ruedas de los trenes empezaban a fallar se rompían ingenieros y lo más curioso de todo era que no sabían por qué cada que se rompía uno de estos ejes lo llevaban al laboratorio y decían a ver vamos a ver por qué falló primero veían la memoria de cálculo y decían oye este está bien diseñado claro que puede soportar las cargas a las que estaba sometidas e incluso más entonces los investigadores no sabían exactamente qué era lo que estaba pasando con estos ejes y todavía había algo que empeoraba la situación ingenieros o resulta de que a la hora de analizar la ruptura de tales ejes los investigadores veían que el eje fallaba como como si fuera un material frágil y no un material dúctil sabiendo que los ejes estaban hechos de un material dúctil y la pregunta era y por qué fallaban de esta manera cuando el material es dúctil para meternos un poco más en contexto déjenme les recuerdo cuál es la diferencia entre la falla de un material frágil y del material dúctil generalmente ingenieros los materiales útiles se caracterizan por tener deformaciones antes de fallar los materiales frágiles ingenieros por lo mismo por su fragilidad casi no tienen deformaciones es más ingenieros en el momento en el que se empieza a deformar un elemento frágil justamente en ese momento truena entonces la falla característica entre ambos elementos es que cuando fallo el material frágil cerca de la ruptura se alcanzan a apreciar pequeñas deformaciones ya sea que se haya estirado que se haya comprimido pero se alcanzan a apreciar visiblemente y digo visiblemente por que podría ser a través de un microscopio simplemente a simple vista se alcanzan a visualizar tales deformaciones cuando un material frágil falla hagan de cuenta que es como si lo hubiéramos pasado un cuchillo no tiene deformaciones aparentes y esto era lo que pasaba con las ruedas del ferrocarril en aquellos tiempos se veía que fallaban pero al no tener deformaciones aparentes pues decían oye esto está fallando como un material frágil sin embargo no lo es hasta aquí en este punto los científicos sabían que tenían mucho que investigar para poder mitigar este suceso mientras ellos investigaban el departamento de tesorería de eeuu gastaba pues 100 mil millones de dólares más o menos sin embargo se empezaron a dar cuenta que este fenómeno ingenieros no se daba nada más en los trenes empezó a darse en aviones en puentes en grúas y en algunos otros tipos de dispositivos que estaban sometidos a diferentes cargas después de algún tiempo de análisis ingenieros aparecieron algunos investigadores que empezaron a dar respuesta a todo esto el primero uno de los iniciadores de estos temas fue el buen ránking en el siglo 19 más o menos donde el era de los que se encargaba de inspeccionar más o menos cómo es que fallaban los ejes giratorios de los ferrocarriles pero él solamente analizaba y él fue el que empezó a descubrir que la falla se daba como si fuera un material frágil después a gusto leer efectúa la primera investigación científica sobre las fallas por fatiga pero atención ingenieros hasta aquí wall-e todavía no sabía que estaba investigando realmente todavía el término de fatiga a él ni siquiera le pasaba por el pensamiento sin embargo es fue de los primeros que empezó a hacer un análisis sobre cargas variables esfuerzos variables es decir cargas variables que me producen esfuerzos variables y el vuelo de los iniciadores que decía a ver estos ejes que estamos analizando de ferrocarriles resulta de que no están sometidos a cargas estáticas como pudiéramos pensar porque así fueron calculados estos ejes están sometidos a cargas dinámicas y no necesariamente se refería a que se debería de aplicar la segunda ley de newton para poder aplicar o para poder encontrar las fuerzas que actuaban en el elemento no él se refería a que el elemento estaba cambiando de signo de esfuerzo es decir un eje como ustedes se imaginarán vamos a ver un eje sometido a flexión vamos a imaginarnos que tiene una flexión y la concavidad es hacia arriba sin retirar la carga qué pasa cuando el eje gira 180 grados la concavidad sigue siendo hacia arriba pero lo que antes era cóncavo hacia arriba ahora es hacia abajo gira 180 grados y así es como los esfuerzos van variando en un eje bar esfuerzos de flexión en este caso atención a compresión tensión a compresión y si ustedes la aumentan el agravante de que por ejemplo un cigüeñal que trabaja a 7.000 revoluciones por minuto y a altas temperaturas eso quiere decir que estuvo sometido a 7000 tipos de esfuerzos distintos bueno / tensión y compresión así que bien august bowler afectaba a las primeras investigaciones y empezó a darse cuenta de que los materiales no eran tan resistentes cuando se aplicaban cargas dinámicas o aquí le llaman cargas variables incluso empezó fue el primero que dijo haber algunos aceros no toleran esta variación de las cargas y entonces fue que desplegó los primeros acercamientos de la resistencia pero solamente de algunos aceros sin embargo en 1839 ponce le aplica el término de fatiga y el en la que se refería con esto era muy simple cuando ponce le aplicaba el término de fatiga de acuerdo a sus investigaciones él decía literalmente el material se cansa ingenieros así es después de estarlo sometiendo a tantos tipos de cargas este material se cansa y termina por romperse entonces gracias a él es que conocemos hasta la fecha que son o qué es la fatiga bueno el término al menos ingenieros aquí les presento algún hecho real del lado izquierdo se muestra alguna aeronave sin embargo esto es el comet británico éste es un avión que justamente antes de despegar ingenieros resulta que parte del fuselaje fallo afortunadamente no hubo víctimas que lamentar pero atención inglés como ustedes saben la industria aerospacial es una del perdón' aeronáutica es una de las industrias que que más investigación tiene y sobre todo en el tema de siniestros esto con el objetivo de que las aeronaves sean cada vez más seguras al momento de ellos empezará a analizar el avión se dieron cuenta de algo ingenieros el avión había fallado o el fuselaje había fallado por fatiga sin embargo como llegaron a esta conclusión como ustedes saben cuando abordan a un avión debe de haber una presión distinta a la que hay en el ambiente exterior entonces como quien dice la cabina se presuriza y se despresurizara después del viaje estos cambios de presurización y despresurización en la vida del avión fueron fatigando los materiales hasta que por fin un día se presentó la falla por otro lado está el hawaiian airlines donde pasó un suceso similar aquí ustedes pueden apreciar como también el fuselaje falló de hecho aquí lo hizo casi al iniciar el despegue y más bien acá ingenieros esto fue en el aire y si hubo víctimas que lamentar en el cometa aquí en el hawaiian airlines aquí no pasó nada aquí bueno si hubo una explosión por la falla es decir la presión ya no la soporto el fuselaje y entonces les estoy mostrando los resultados pero no hubo pérdidas que lamentar en esta ocasión a partir de ahí la industria aeronáutica empezó a tener oa prestar mucha atención en el tema de la fatiga sin embargo ingenieros ya que estamos viendo que la fatiga era algo nuevo que la fatiga estaba afectando a todos los elementos que sometían a cargas dinámicas entonces primero dijeron los investigadores necesitábamos decir cómo inicia la fatiga ya sabemos qué fatiga es que un material se canse literalmente lo decía poncelet entonces ahora qué pasa necesitamos ver a qué se provoca o cómo se hace está este tema de la fatiga que es lo que lo provoca cómo se va propagando y al final cómo es que los elementos llegan a fallar y si ingenieros fue lo que estuvieron haciendo los investigadores y llegaron a una conclusión dijeron a ver la fatiga para que pueda iniciar primero necesita el inicio de una grieta y cómo se da el inicio de esta grieta muy bien ingenieros hasta nuestros días resulta que es un tema sumamente complejo de descifrar algunos investigadores dicen que el inicio de una grieta puede darse a que el material no es homogéneo es decir chicos si nosotros tenemos un huequito de aire en un acero está sometido a cargas dinámicas que creen eso me está provocando un cambio de geometría y qué es lo que me producían los cambios de geometría según las sesiones anteriores que hemos tenido me provocaban concentración de esfuerzos gracias a esos pequeños huecos a esas intersecciones que llega a ver en los materiales me van a provocar concentración de esfuerzos y entonces los esfuerzos va a llegar un momento en el que se empiecen a convertir en grietas por otro lado también se dice que ya después de las cargas dinámicas que se están aplicando la pared y la aparición de grietas es algo normal y esto que se debe se debe a que en algún punto el material digamos que se fragiliza o más bien en algún punto existe algo que en la literatura se conoce como se denuncia local que es la xerencia local ingés que está habiendo deformaciones plásticas en una zona del elemento hay deformaciones plásticas en una zona del elemento a eso se refiere entonces ingenieros pues ellos decían a ver para que exista fatiga primero tiene que haber una grieta cómo se producen las grietas hasta ahorita con lo que contamos es que puede ser algún error o algún defecto en el material o también al momento de aplicar cargas dinámicas empezamos a tener sed en cias locales como segundo como segundo paso decía mira y una vez que ya se forma la grieta como todas las grietas que nosotros conocemos una vez iniciando mi dios padre la para así es ingenieros de hecho para muestra basta un botón si ustedes observan cuando algún parabrisas de un vehículo se se rompe se agrieta esa grieta sabemos que va a seguir y va a seguir y va a seguir y va a seguir hasta que por fin llegue a un final no nada más ocurre esto con las grietas de los parabrisas de un automóvil esto también ocurre por ejemplo cuando vemos la grieta en una banqueta en nuestra propia casa después de un sismo y algunos otros aspectos ingenieros generándose una grieta no la vamos a poder parar y eso es lo que está pasando aquí en la fatiga que el segundo paso es la propagación de la grieta y que creen ingenieros que todavía para que esta grieta se propague hay ciertos agravantes así es en que es hay ciertos agravantes como por ejemplo pues son las mismas cargas que son las que están haciendo que se propague pero la corrupción ingenieros la corrosión es uno de los peores enemigos declarados en la resistencia de un material y de un elemento de máquina una corrosión ingenieros puede hacer que nuestra grieta se vaya como cuchillo en mantequilla sobre nuestro elemento de máquina pero lo vamos a ver más adelante los investigadores dijeron y como tercer paso vamos a llegar a una fractura repentina debido al crecimiento inestable de la grieta y esto ya lo veíamos venir llegó un momento en el que la grieta es tan grande que va a disminuir notablemente la resistencia del elemento hasta que prácticamente el elemento falla pero no fallan con deformaciones plásticas como tal falla hasta el tema de la fractura a continuación ingenieros les presento algunas micro grietas que se presentan en una aleación de aluminio y estas pequeñas micro grietas como ustedes pueden aparecer pueden apreciar vean cómo se van propagando se van propagando se van propagando son diferentes tipos de grietas aquí ustedes lo pueden ver sin embargo presten mucha atención porque esto es muy interesante ingenieros como podrían saber ustedes cuando un material fallo por fatiga pues que creen en que es cuando un material falla por fatiga su falla es muy característica si usted es algún día van a un taller mecánico y empiezan a ver que a lo mejor un carro se desvié lodo y las bielas bueno fallaron pues van a poder determinar si la falla quizá no van a tener indicios si la falla fue por por un tema de por un tema de falla estática es decir procedencia o si fue por fatiga o vamos a ver cómo podemos identificarlo resulta ingenieros de que como ustedes pueden apreciar aquí nosotros tenemos una sección la cual fallo por fatiga aquí también es una sección en la cual fallo por fatiga sin embargo que podemos ver ingenieros vean este este tipo de patrón de rayado si ven cómo se forman como pequeñas olas estas pequeñas olas ingenieros se llaman playas y esta y esto para que nos sirven que es pues resulta de que el punto donde inicia la grieta en la fatiga así se ve queda justamente en la parte central de esta de esta forma de los elementos entonces como ustedes pueden ver vean aquí con una flechita me están indicando de que aquí inició la grieta ahora bien si nosotros nos vamos por ejemplo a este otra a esta otra falla nosotros podemos apreciar vean como el patrón viene algo similar al que veíamos aquí viene algo similar y eso quiere decir que aquí aquí es donde inició la grieta ingenieros y bueno vamos ahí va a llegar un momento en el que vamos a ver hasta dónde se propagó y dónde se produjo la ruptura entonces este tipo de comportamiento ingenieros es muy característico en las fallas de fatiga y los investigadores de aquel tiempo lo veían y decían oye esto es raro este tipo de comportamiento no lo habíamos visto en los ensayos de tensión bajo carga estática entonces ingenieros los investigadores dijeron a ver podemos tener nosotros diferentes tipos de cargas dinámicas en los elementos y seguramente este tipo de cargas va a desempeñar un papel distinto en el tema de la fatiga vamos a catalogar lo mejor para tenerlas plenamente identificadas y qué fue lo que hicieron dijeron mira cuando una carga pasa de un estado de tensión a uno de compresión con el mismo valor entonces a ese estado le vamos a llamar a un esfuerzo invertido porque invertido porque está pasando por poner un ejemplo de un mega pascal a menos un mega pascal un mega pascal a menos un mega pascal por otro lado ingenieros si ustedes recuerdan este es un tipo de esfuerzo el esfuerzo invertido al que se encuentran sometidos los ejes inglés porque porque como ustedes recordarán pues los ejes pasan de tensión a compresión cada media revolución hasta así parece como que rima ingenieros pero así es después nos vamos al siguiente esfuerzo es un esfuerzo repetido y qué características tiene este esfuerzo repetido que va a tener un esfuerzo ya sea aquí lo podemos apreciar que esta atención pero en la mitad del ciclo se va a encontrar en cero vean aquí detención pasa compresión aquí de tensión está pasando a cero tensión cero ya este tipo de esfuerzo le vamos a llamar esfuerzo repetido nos vamos al tercer tipo de esfuerzo donde decimos oye va a llegar y la atención hasta un esfuerzo de compresión pero obviamente el esfuerzo de tensión y el de compresión no son los mismos como el caso del esfuerzo invertido de hecho ingenieros aquí ni siquiera llega a la compresión si lo vemos previamente aquí llega atención luego sigue estando atención pero con un valor de esfuerzo menor tensión tensión menor a este tipo de esfuerzo recuerden le vamos a llamar esfuerzo variable los investigadores de que el tiempo empezaron a indagar un poco más y decían a ver qué podemos rescatar de estos diagramas a primero la amplitud de onda la amplitud de la onda nos va a servir porque nos va a mostrar los esfuerzos máximos que están apareciendo en nuestro análisis y cuáles son estos esfuerzos máximos que aparecen en el análisis pues bien observen porque esto es muy importante y justamente con estas variables son con las que vamos a trabajar ahora que veamos el tema de teorías de falla porque así como lo veíamos con carga estática vamos a ver algunas teorías de falla pero ahora aplicadas a la fatiga entonces bien ingenieros resulta que nosotros vamos a llamarle sigma algo que se conoce como esfuerzo alternante y sigma como pueden ver es prácticamente la amplitud de onda aquí ustedes pueden ver como nos está dando la amplitud de onda en todos los casos ahora bien cuando nosotros tenemos un sigma m que es el esfuerzo en medio vean como aquí el esfuerzo medio pues es cero porque porque tanto el esfuerzo de tensión como el de compresión tienen el mismo valor este esfuerzo medio no es otra cosa más que el esfuerzo promedio entre el esfuerzo máximo y el esfuerzo mínimo entonces por eso es que pues prácticamente el promedio tendría que ser de cero y vamos a tener un incremento de esfuerzo que prácticamente es la longitud o la magnitud de esfuerzos que hay desde el punto inferior hasta el punto superior si nos pasamos al esfuerzo repetido podemos apreciar exactamente las mismas variables ingenieros sigma es por el esfuerzo alternante sigma m es el esfuerzo medio y vamos a tener la diferencia o más bien el incremento de esfuerzo este sigma se conoce como esfuerzo alternante o también lo conocen como esfuerzo variable ahora nos pasamos a la última y también podemos apreciar lo mismo sigma es la amplitud de la onda vamos a tener un esfuerzo medio que todavía no conocemos pero podríamos conocer y vamos a tener el incremento de esfuerzo ingenieros estos son los tres casos que nosotros vamos a estar trabajando a lo largo de esta unidad así que es muy importante que ustedes los conozcan y aprendan a diferenciar qué es un esfuerzo invertido un esfuerzo repetido y que es un esfuerzo variable o esfuerzo alternante porque también así se conoce ahora bien ingenieros presten mucha atención porque aquí viene un tema muy medular resulta de que como ustedes ya vieron anteriormente empezaron los investigadores a hacer algunos análisis de ver cómo se comportaba la resistencia de un material con cargas dinámicas aquí les presento una gráfica ingenieros como pueden apreciar donde se están presentando algunos aceros forjados aquí lo interesante es que los experimentos que los científicos hicieron es aplicar unas cargas con diferentes ciclos a qué me refiero vean cómo los ciclos siempre empiezan desde 10 a la 3 cuando yo digo que una carga se está aplicando con cierto cicla ge ingenieros hagan de cuenta que si nos encontramos aquí en 10 a la 3 es como si yo en un esfuerzo invertido por poner un ejemplo yo estoy variando mil veces la fuerza es decir mil veces paso de tensión a compresión vean si fueron mil veces solamente pues podemos apreciar que la resistencia sigue siendo alta pero qué pasa conforme vamos aumentando el número de ciclos ingenieros es preocupante ver cómo la resistencia va cayendo cuando tenemos cierto número de ciclos vean casi del 1 está bajando al punto 7 y en e incluso es más crítica esta gráfica o esta curva que del punto 9 está bajando al punto 4 aproximadamente sin embargo seguramente alguien ya observó y dijo oiga profesor a ver un momento usted puede ver que hay una pendiente negativa en ambas curvas pero llega un momento en el que hay un punto donde se estabiliza y empieza a comportarse de manera horizontal pues que creen ingenieros que a este punto se le llama rodilla en la gráfica y a partir de aquí nosotros decimos que el material va a tener una vida infinita es decir ya con esta resistencia de acuerdo a las cargas ya va a estar trabajando en un ciclo que tan alto que le vamos a llamar vida infinita pero para poder llegar a este punto vean si tú se tuvieron que haber y primero he llegado al millón de ciclos pero vean inglés es preocupante como entre más sic lage haya en nuestras cargas pues la resistencia va a disminuir a lo mejor para los que han tenido oportunidad de subirse a un avión muchos de ustedes creerían o los que no lo han hecho que las alas serán totalmente rígidas sin embargo es algo sobre todo cuando se sube uno la primera vez a un avión es un tanto sorprendente ver como las alas no son tan rígidas como nosotros quería creíamos las alas tienen cierto movimiento y que creen ingenieros que cada movimiento que la ala hace hacia arriba y hacia abajo es una carga cíclica es un ciclo imagínense en un viaje por ejemplo a madrid oa parís saliendo de mexico donde el tiempo de vuelo va entre las 12 y las 14 horas cuántas veces esa ala producto de la turbulencia o de simplemente de que el aire no es un flujo laminar estuvo variando de tensión a compresión subiendo y bajando o simplemente no sé si de tensión a compresión porque a lo mejor estaríamos hablando de un esfuerzo variable no de uno invertido pero aquí lo interesante ingenieros es de que los en la industria aérea aeronáutica los pernos que se utilizan y las herramientas que se utilizan para ensamblar los aviones son muy especializados en cuanto a los pernos son hechos de un material generalmente bueno tienen muchos materiales porque tienen distintos tipos de pernos pero uno muy utilizados son el titanio y esto se debe a que se necesita una alta resistencia no para soportar las cargas que puedan son dinámicas como tal que pueda tener el avión a lo mejor hay una turbulencia y hay una carga dentro de esta turbulencia excesiva claro que lo va a resistir aquí se está jugando contra la fatiga por eso es que nosotros debemos siempre de considerar cuando el elemento no es totalmente estático ver cómo se va a comportar la fatiga de ello no se dejen engañar los puentes incluso los rascacielos se les debe de hacer un análisis de fatiga porque el aire recuerden que el aire provoca fuerzas sobre el edificio o sobre estos elementos y entonces esas fuerzas provocadas por el aire son cargas dinámicas pero bien como les decía resulta ingenieros de que vean cada uno de estos puntos son pruebas que se fueron haciendo de manera experimental y ya después lo único que hicieron los investigadores fue hacer un ajuste de curva con los puntos que se tenían aquí nuevamente les presento algunos puntos donde la resistencia a la fatiga se hace patente vean ingenieros como nuevamente conforme va aumentando el número de ciclos vean cómo hay una pendiente negativa y la resistencia va cayendo vean vean vean aquí va cayendo esta resistencia este es para los aluminios porque obviamente ingenieros cada uno de estos materiales tiene unas curvas características por lo tanto te invito a suscribirte a este canal y ver cada una de las listas de 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