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Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es un tipo de comportamiento reológico anelástico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elásticas cuando se deforman.

Esquema de diferentes comportamientos de los materiales.

En un sólido viscoelástico:

  1. la deformación generalmente depende del tiempo; aun en ausencia de fuerzas, la velocidad de deformación puede ser diferente de cero;
  2. las tensiones y esfuerzos resistidos dependen tanto de la deformación como de la velocidad de deformación, por tanto la ecuación constitutiva que relaciona tensiones y deformaciones debe tener la forma: .
  1. Existe relajación de tensiones, es decir, si se somete el sólido a una deformación uniforme con el paso del tiempo las tensiones disminuyen manteniéndose constante la deformación.
  2. Existe deformación por fluencia lenta, es decir, sometido a una tensión constante y uniforme la deformación aumenta ligeramente con el tiempo.

Existen materiales que presentan dependencia de la velocidad de deformación, por lo que puede darse la característica (2) anterior y no ser viscoelásticos. Las carcterísticas (3) y (4) a veces se toman como características necesarias para clasificar a un material dentro de los materiales viscoelásticos.

Físicamente las propiedades elásticas son el resultado de desplazar ligeramente los átomos de su posición de equilibrio a lo largo de planos cristalográficos, mientras las propiedades viscosas proceden de la difusión de átomos o moléculas en el interior del material.[1]

Viscoelasticidad lineal

Un material viscoelástico lineal general es un material para el cual existe una relación lineal entre la tensión y sus derivadas y la deformación y sus derivadas, en el caso unidimensional la relación más general posible de un material viscoelástico lineal es:[2]

(1a) 

En este caso usando transformadas de Laplace y si   y  , la expresión (1a) puede escribrise simplemente como:

(1b) 

Siendo  . Cuando  , la expresión equivalente a (1a) es más simple:

(1c) 

Aunque esta expresión no se usa porque en la práctica no se conocen materiales que se ajusten bien a este tipo de ley. Así que aquí se restringirá la discusión a  .

Los dos modelos viscoelásticos más conocidos, el de Maxwell y el de Kelvin-Voigt son casos particulares de (1a) que satisfacen  . En ambos  , y   para el de Kelvin-Voigt y   para el de Maxwell.

Creep y relajación

Bajo los mismos supuestos anteriores, puede probarse que un material viscoelástico lineal admite una caracterización matemática en que la respuesta de creep y de relajación de carga admiten una separación en forma de suma. Los modelos de viscoelasticidad lineal pueden ser representados mediante una ecuación integral de Volterra que relaciona la tensión y la deformación, es decir, mediante una expresión del tipo:

(2a) 

o también:

(2b) 

donde:

 , es el tiempo.
 , es la tensión mecánica.
 , es la deformación o elongación.
  y  , son los módulos elásticos longitudinales para el creep y la relajación.
 , es la función de creep.
 , es la función de relajación.

La viscoelasticidad lineal tiene un rango de aplicación válido sólo para deformaciones muy pequeñas. Para el caso de un material perfectamente elástico tanto la función de creep como la de relajación son idénticamente nulas.

Ecuaciones constitutivas de viscoelasticidad lineal

Existen diversos modelos constitutivos para materiales viscoelásticos lineales. Esos modelos incluyen el modelo de Maxwell, el modelo de Kelvin-Voigt y el modelo de sólido viscoelástico lineal estándar que combina los dos modelos anteriores. Todos estos modelos descomponen la tensión y deformación en dos sumandos, uno que representa los efectos elásticos y otro que representa los efectos viscosos, siendo estos modelos, interpretables en términos de muelles y amortiguadores. Cada uno de estos modelos difiere en la disposición de los muelles y amortiguadores.

Otra propiedad interesante es que las ecuaciones constitutivas también pueden ser interpretadas en términos de circuitos eléctricos, en los que la tensión mecánica sería el equivalente del voltaje y la velocidad de deformación sería equivalente a la intensidad de corriente. El módulo elástico sería equivalente a la capacitancia del circuito (que mide la capacidad de almacenaje de energía) y la viscosidad a la resistencia del circuito (que mide la capacidad de disipar energía).

Modelo de Maxwell

 
Representación esquemática del modelo de Maxwell.

El modelo de Maxwell es un caso particular de la expresión (1a) en el que  , también llamado material viscoelástico de "larga memoria". Una virtud del modelo de Maxwell es que admite una representación intuitiva en términos de muelles y disipadores (amortiguadores), más concretamente el modelo de Maxwell representa un elemento elástico dispuesto en serie con un amortiguador. La ecuación constitutiva del modelo viene dada por la siguiente ecuación diferencial de primer orden:

(3a) .

Este modelo predice que en un material puesto bajo deformación constante, las tensiones gradualmente se relajarán hasta hacerse cero. Igualmente predice que si el material se pone a tensión constante la deformación tendrá dos componentes, un primer componente elástico que aparece instantáneamente y una deformación a largo plazo de tipo viscoso que crecerá con el tiempo mientras sigan existiendo fuerzas. Alternativamente la ecuación constitutiva de este modelo puede escribirse como:

 .

Integrando por partes el último término se puede obtener reescribir la expresión anterior en términos de la función de relajación   y la velocidad de deformación:

(3b) .

Para obtener la de función de creep   se integra directamente (3a), e integrando por partes se obtiene:

(3c) .

Y no es posible encontrar una función ordinaria para expresar lo anterior en la forma (2a).

El modelo de Maxwell predice que la tensión decaerá exponencialmente con el tiempo en un polímero sometido a deformación constante, lo cual se ajusta bastante bien a lo observado experimentalmente para muchos polímeros. Sin embargo, una limitación importante es que no predice el comportamiento de "creep" de muchos polímeros de manera demasiado fidedigna ya que en este caso predice un aumento lineal de la deformación con el tiempo si la tensión es constante, sin embargo la mayor parte de los polímeros muestran una tasa de deformación decreciente con el tiempo. Las principales aplicaciones de este modelo son la modelización de los polímeros termoplásticos cerca de su temperatura de fusión, la del hormigón fresco y la de numerosos metales cerca de su punto de fusión.

Modelo de Voigt-Kelvin

 
Representación esquemática del modelo de Kelvin-Voigt.

El modelo de Kelvin-Voigt o modelo de Voigt es un caso particular de la expresión (1a) en el que  , también llamado material viscoelástico de "corta memoria". Al igual que el modelo anterior admite una reprensentación simple en términos de muelles y amortiguadores: el modelo es representable por un amortiguador newtoniano y un muelle que sigue la ley de Hooke conectado en paralelo al amortiguador, tal como muestra la figura. La ecuación constitutiva del modelo puede expresarse como ecuación diferencial de primer orden:

(4a) 

Este modelo representa un sólido que sufre deformación viscoplástica reversible. Bajo la aplicación de una tensión constante el material se deforma a un ritmo progresivamente más lento, llegando asintóticamente a un estado cuasiestacionario. Cuando se eliminan las fuerzas exteriores que generan las tensiones, el material se relaja hasta su estado no deformado original. En una situación de tensión constante (creep), el modelo es bastante realista y predice deformaciones que tienden al límite σ/E para tiempos grandes.

En este caso la función de relajación   viene dada por la delta de Dirac (de ahí el nombre de "corta memoria") ya que:

(4b) 

Para obtener la función de creep   se busca la transformada de Laplace de (4a) de donde es fácil aislar la transformada de la deformación y aplicando la transformada inversa se llega fácilmente a que:

 

Integrando por partes esta última expresión se llega a una expresión que contiene la función de creep o fluencia lenta:

(4c) 

Este modelo se usa para explicar el comportamiento de "creep" de los polímeros. Aunque, al igual que el modelo de Maxwell, el modelo de Kelvin-Voigt tiene limitaciones empíricas. Aunque modela muy bien el "creep" con respecto a la relajación el modelo generalmente se ajusta menos al comportamiento de los materiales viscoelásticos. Las aplicaciones principales del modelo son la modelización de polímeros orgánicos, goma, caucho y madera cuando la carga no es muy elevada.

Modelo estándar de sólido viscoelástico

 
Representación esquemática del modelo estándar de sólido viscoelástico.

Los dos últimos modelos expuestos tienen limitaciones en cierto modo complementarias. Por esa razón se considera que un modelo que combine características de ambos puede ser un modelo razonable de sólido viscoelástico. La ecuación constitutiva de este modelo viene dada por la siguiente ecueción diferencial:

(5a) 

Usando transformadas de Laplace, despejando la transformada de la tensión y antitransformando se obtiene una ecuación de tipo Volterra como en los casos anteriores, que tiene la forma:

 

Una integración por partes del último término permite escribir en términos de la función de relajación   y la velocidad de deformación:

(5b) 

Modelo de Burgers

 
Representación esquemática del modelo viscoelástico de Burgers.

El modelo de Burgers combina características de los modelos de Maxwell y Kevin-Voigt. La ecuación constitutiva se puede escribir como de manera compacta como ecuación diferencial de segundo orden:

(6a) 

Donde  , usando la transformada de Laplace se puede integrar de manera mecánica la ecuación anterior (suponiendo que inicialmente tanto la tensión, como la deformación y sus tasas de cambio son nulas):

 

De donde se obtiene, integrando por partes, la función de relajación:

(6b) 

Y también mediante la transformada de Laplace se obtiene la expresión:

 

Donde:

 

Que, integrada por partes, permite obtener la función de creep:

(6c) 

Modelo de Weichert

 
Esquematización del modelo de Maxwell-Weichert

El modelo de Wiechert o Maxwell-Weichert (a veces también modelo generalizado de Maxwell) es una generalización del modelo viscolástico estándar (y por tanto también del modelo de Maxwell simple). Este modelo toma en cuanta que la relación no ocurre según un único ritmo característico, sino según una distribución de escalas de tiempo. Esto sucede porque existen segmentos moleculares de diferentes longitudes, contribuyendo los más cortos menos que los más largos, de ahí la diversidad de escalas de tiempo. El modelo de Weichert modeliza esto mediante tantos conjuntos de muelle-amortiguador como sean necesarios para aproximar la distribución de escalas de tiempo. La figura de la derecha representa un posible modelo de Wiechert.[3]

Este modelo encuentra aplicación en metales y aleaciones metálicas a temperaturas más bajas que un cuarto de su temperatura absoluta de fusión (expresada en [ºK]).

Viscoelasticidad no lineal

Modelos unidimensionales

La viscosidad no lineal ocurre cuando las funciones de creep y de relajación de carga no se pueden separar. Esto ocurre en deformaciones grandes, si el material cambia sus propiedades durante la deformación, si los tiempos de la deformación son lo suficientemente largos o si interviene algún otro tipo de relajación.

Existe una pléyade de modelos no lineales, dependientes de unas pocas constantes características del material cuyos valores pueden ajustarse al resultado de los experimentos.[4]​ Entre ellos pueden citarse:

  • Modelo de Eyring:  
  • Modelo de Ostwald-de Waele:  
  • Modelo de Briant:  
  • Modelo de Powell-Eyring:  
  • Modelo de Robertson-Stiff:  
  • Modelo de Shangraw-Grim-Mattocks:  
  • Modelo de Sisko:  
  • Modelo de Williamson:  
  • Modelo de Carreau:  

En estos modelos las constantes toman valores positivos y deben determinarse por comparación con experimentos, ya que no parecen tener un significado teórico profundo. De hecho estos modelos son esencialmente empíricos y no existen razones teóricas que los sustente aparte de que se ajustan experimentalmente a diversos materiales. Sólo unos pocos de estos modelos admiten generalizaciones tridimensionales consistentes.

Teoría general

La teoría general de materiales viscoelásticos para deformación finita para materiales simples, se basa en asumir una serie de axiomas razonables que limitan la forma funcional de las ecuaciones más generales posibles, entre estas condiciones se emplean usualmente:[5]

  • Principio de localidad y determinismo
  • Principio de objetividad material (o covarianza)
  • Dependencia en derivadas primeras del gradiente de deformación.

Se pueden dar diferentes ecuaciones diferenciales para el tensor tensión de Cauchy:

 

donde:

  son respectivamente las coordenadas materiales, espaciales y el tiempo.
  es el tensor [izquierdo] de Cauchy para las deformaciones.
  son el gradiente de deformación y su inverso.
 
 
 
  representa la parte de la respuesta elástica.
  representa la parte de la respuesta propiamente viscoelástica.

Para el primer tensor de Piola-Kirchhoff se tiene:

 

donde:

  da la respuesta elástica.
  da la respuesta propiamente viscoelástica.

Véase también

Referencias

  1. Meyers and Chawla (1999), Mechanical Behavior of Materials, 98-103.
  2. A. M. Freudenthal et Geiringer, 1958
  3. Roylance, David (2001); "Engineering Viscoelasticity", 14-15
  4. Aleksey D. Drozdov: Finite elasticity and viscoelasticity: a course in the nonlinear mechanics of Solids
  5. Drapaca, C. S., S. Sivaloganathan, and G. Tenti. "Nonlinear constitutive laws in viscoelasticity." Mathematics and mechanics of solids 12.5 (2007): 475-501.

Bibliografía

  • Freudenthal, A. M. y Geiringer, H: "The mathematical theories of inelastic continuum", Handbuch der Physik - Encyclopedia of Physics, VII, Elasticity and Plasticity. Berlin-Göttingen-Heidelberg: Springer 1958.
  •   Datos: Q910483

viscoelasticidad, viscoelasticidad, tipo, comportamiento, reológico, anelástico, presentan, ciertos, materiales, exhiben, tanto, propiedades, viscosas, como, propiedades, elásticas, cuando, deforman, esquema, diferentes, comportamientos, materiales, sólido, vi. La viscoelasticidad es un tipo de comportamiento reologico anelastico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elasticas cuando se deforman Esquema de diferentes comportamientos de los materiales En un solido viscoelastico la deformacion generalmente depende del tiempo aun en ausencia de fuerzas la velocidad de deformacion puede ser diferente de cero las tensiones y esfuerzos resistidos dependen tanto de la deformacion como de la velocidad de deformacion por tanto la ecuacion constitutiva que relaciona tensiones y deformaciones debe tener la forma ϕ s i j s i j e i j e i j t 0 displaystyle phi sigma ij dot sigma ij dots varepsilon ij dot varepsilon ij dots t 0 Existe relajacion de tensiones es decir si se somete el solido a una deformacion uniforme con el paso del tiempo las tensiones disminuyen manteniendose constante la deformacion Existe deformacion por fluencia lenta es decir sometido a una tension constante y uniforme la deformacion aumenta ligeramente con el tiempo Existen materiales que presentan dependencia de la velocidad de deformacion por lo que puede darse la caracteristica 2 anterior y no ser viscoelasticos Las carcteristicas 3 y 4 a veces se toman como caracteristicas necesarias para clasificar a un material dentro de los materiales viscoelasticos Fisicamente las propiedades elasticas son el resultado de desplazar ligeramente los atomos de su posicion de equilibrio a lo largo de planos cristalograficos mientras las propiedades viscosas proceden de la difusion de atomos o moleculas en el interior del material 1 Indice 1 Viscoelasticidad lineal 1 1 Creep y relajacion 1 2 Ecuaciones constitutivas de viscoelasticidad lineal 1 3 Modelo de Maxwell 1 4 Modelo de Voigt Kelvin 1 5 Modelo estandar de solido viscoelastico 1 6 Modelo de Burgers 1 7 Modelo de Weichert 2 Viscoelasticidad no lineal 2 1 Modelos unidimensionales 2 2 Teoria general 3 Vease tambien 4 Referencias 4 1 BibliografiaViscoelasticidad lineal EditarUn material viscoelastico lineal general es un material para el cual existe una relacion lineal entre la tension y sus derivadas y la deformacion y sus derivadas en el caso unidimensional la relacion mas general posible de un material viscoelastico lineal es 2 1a s A 1 s t A n 1 n 1 s t n 1 B 0 e B 1 e t B n 2 n 2 e t n 2 displaystyle sigma A 1 frac partial sigma partial t dots A n 1 frac partial n 1 sigma partial t n 1 B 0 varepsilon B 1 frac partial varepsilon partial t dots B n 2 frac partial n 2 varepsilon partial t n 2 En este caso usando transformadas de Laplace y si n 2 n 1 displaystyle scriptstyle n 2 geq n 1 y s 0 e 0 0 displaystyle scriptstyle sigma 0 varepsilon 0 0 la expresion 1a puede escribrise simplemente como 1b s t a 0 e t a 1 e t a N N e t N 0 t b t t e t d t displaystyle sigma t a 0 varepsilon t a 1 frac partial varepsilon partial t dots a N frac partial N varepsilon partial t N int 0 t b t tau varepsilon tau d tau Siendo N n 2 n 1 displaystyle scriptstyle N n 2 n 1 Cuando n 2 lt n 1 displaystyle scriptstyle n 2 lt n 1 la expresion equivalente a 1a es mas simple 1c s t 0 t b t t e t d t displaystyle sigma t int 0 t b t tau varepsilon tau d tau Aunque esta expresion no se usa porque en la practica no se conocen materiales que se ajusten bien a este tipo de ley Asi que aqui se restringira la discusion a n 2 n 1 displaystyle scriptstyle n 2 geq n 1 Los dos modelos viscoelasticos mas conocidos el de Maxwell y el de Kelvin Voigt son casos particulares de 1a que satisfacen n 1 n 2 1 displaystyle scriptstyle n 1 leq n 2 leq 1 En ambos n 2 1 displaystyle scriptstyle n 2 1 y n 1 0 displaystyle scriptstyle n 1 0 para el de Kelvin Voigt y n 1 1 displaystyle scriptstyle n 1 1 para el de Maxwell Creep y relajacion Editar Bajo los mismos supuestos anteriores puede probarse que un material viscoelastico lineal admite una caracterizacion matematica en que la respuesta de creep y de relajacion de carga admiten una separacion en forma de suma Los modelos de viscoelasticidad lineal pueden ser representados mediante una ecuacion integral de Volterra que relaciona la tension y la deformacion es decir mediante una expresion del tipo 2a e t s t E 0 C 0 t K t t s t d t displaystyle varepsilon t frac sigma t E 0 C int 0 t K t tau dot sigma tau d tau o tambien 2b s t E 0 R e t 0 t F t t e t d t displaystyle sigma t E 0 R varepsilon t int 0 t F t tau dot varepsilon tau d tau donde t displaystyle t es el tiempo s t displaystyle sigma t es la tension mecanica e t displaystyle varepsilon t es la deformacion o elongacion E 0 C displaystyle E 0 C y E 0 R displaystyle E 0 R son los modulos elasticos longitudinales para el creep y la relajacion K t displaystyle K t es la funcion de creep F t displaystyle F t es la funcion de relajacion La viscoelasticidad lineal tiene un rango de aplicacion valido solo para deformaciones muy pequenas Para el caso de un material perfectamente elastico tanto la funcion de creep como la de relajacion son identicamente nulas Ecuaciones constitutivas de viscoelasticidad lineal Editar Existen diversos modelos constitutivos para materiales viscoelasticos lineales Esos modelos incluyen el modelo de Maxwell el modelo de Kelvin Voigt y el modelo de solido viscoelastico lineal estandar que combina los dos modelos anteriores Todos estos modelos descomponen la tension y deformacion en dos sumandos uno que representa los efectos elasticos y otro que representa los efectos viscosos siendo estos modelos interpretables en terminos de muelles y amortiguadores Cada uno de estos modelos difiere en la disposicion de los muelles y amortiguadores Otra propiedad interesante es que las ecuaciones constitutivas tambien pueden ser interpretadas en terminos de circuitos electricos en los que la tension mecanica seria el equivalente del voltaje y la velocidad de deformacion seria equivalente a la intensidad de corriente El modulo elastico seria equivalente a la capacitancia del circuito que mide la capacidad de almacenaje de energia y la viscosidad a la resistencia del circuito que mide la capacidad de disipar energia Modelo de Maxwell Editar Representacion esquematica del modelo de Maxwell El modelo de Maxwell es un caso particular de la expresion 1a en el que n 1 n 2 1 displaystyle scriptstyle n 1 n 2 1 tambien llamado material viscoelastico de larga memoria Una virtud del modelo de Maxwell es que admite una representacion intuitiva en terminos de muelles y disipadores amortiguadores mas concretamente el modelo de Maxwell representa un elemento elastico dispuesto en serie con un amortiguador La ecuacion constitutiva del modelo viene dada por la siguiente ecuacion diferencial de primer orden 3a d e d t d e A d t d e R d t s h 1 E d s d t displaystyle frac d varepsilon dt frac d varepsilon A dt frac d varepsilon R dt frac sigma eta frac 1 E frac d sigma dt Este modelo predice que en un material puesto bajo deformacion constante las tensiones gradualmente se relajaran hasta hacerse cero Igualmente predice que si el material se pone a tension constante la deformacion tendra dos componentes un primer componente elastico que aparece instantaneamente y una deformacion a largo plazo de tipo viscoso que crecera con el tiempo mientras sigan existiendo fuerzas Alternativamente la ecuacion constitutiva de este modelo puede escribirse como s t E e t 0 t b t t e t d t E e t E 2 h 0 t e E h t t e t d t displaystyle sigma t E varepsilon t int 0 t b t tau varepsilon tau d tau E varepsilon t frac E 2 eta int 0 t e frac E eta t tau varepsilon tau d tau Integrando por partes el ultimo termino se puede obtener reescribir la expresion anterior en terminos de la funcion de relajacion F t displaystyle scriptstyle F tau y la velocidad de deformacion 3b s t E e t 0 t E e E h t t e t d t F t E e E h t displaystyle sigma t E varepsilon t int 0 t left Ee frac E eta t tau dot varepsilon tau right d tau qquad F tau Ee frac E eta tau Para obtener la de funcion de creep K t displaystyle scriptstyle K tau se integra directamente 3a e integrando por partes se obtiene 3c e t s E 0 t 1 h s t d t s E 0 t t t h s t d t K t t h displaystyle varepsilon t frac sigma E int 0 t frac 1 eta sigma tau d tau frac sigma E int 0 t left frac t tau eta right dot sigma tau d tau qquad K tau frac tau eta Y no es posible encontrar una funcion ordinaria para expresar lo anterior en la forma 2a El modelo de Maxwell predice que la tension decaera exponencialmente con el tiempo en un polimero sometido a deformacion constante lo cual se ajusta bastante bien a lo observado experimentalmente para muchos polimeros Sin embargo una limitacion importante es que no predice el comportamiento de creep de muchos polimeros de manera demasiado fidedigna ya que en este caso predice un aumento lineal de la deformacion con el tiempo si la tension es constante sin embargo la mayor parte de los polimeros muestran una tasa de deformacion decreciente con el tiempo Las principales aplicaciones de este modelo son la modelizacion de los polimeros termoplasticos cerca de su temperatura de fusion la del hormigon fresco y la de numerosos metales cerca de su punto de fusion Modelo de Voigt Kelvin Editar Representacion esquematica del modelo de Kelvin Voigt El modelo de Kelvin Voigt o modelo de Voigt es un caso particular de la expresion 1a en el que n 1 0 n 2 1 displaystyle scriptstyle n 1 0 n 2 1 tambien llamado material viscoelastico de corta memoria Al igual que el modelo anterior admite una reprensentacion simple en terminos de muelles y amortiguadores el modelo es representable por un amortiguador newtoniano y un muelle que sigue la ley de Hooke conectado en paralelo al amortiguador tal como muestra la figura La ecuacion constitutiva del modelo puede expresarse como ecuacion diferencial de primer orden 4a s t E e t h d e t d t displaystyle sigma t E varepsilon t eta frac d varepsilon t dt Este modelo representa un solido que sufre deformacion viscoplastica reversible Bajo la aplicacion de una tension constante el material se deforma a un ritmo progresivamente mas lento llegando asintoticamente a un estado cuasiestacionario Cuando se eliminan las fuerzas exteriores que generan las tensiones el material se relaja hasta su estado no deformado original En una situacion de tension constante creep el modelo es bastante realista y predice deformaciones que tienden al limite s E para tiempos grandes En este caso la funcion de relajacion F displaystyle scriptstyle F cdot viene dada por la delta de Dirac de ahi el nombre de corta memoria ya que 4b s t E e t 0 t F t t e t d t E e t h e t F t t h d t t displaystyle sigma t E varepsilon t int 0 t F t tau dot varepsilon tau d tau E varepsilon t eta dot varepsilon t quad Rightarrow quad F t tau eta delta t tau Para obtener la funcion de creep K displaystyle scriptstyle K cdot se busca la transformada de Laplace de 4a de donde es facil aislar la transformada de la deformacion y aplicando la transformada inversa se llega facilmente a que e t 0 t e E h t t h s t d t displaystyle varepsilon t int 0 t frac e frac E eta t tau eta sigma tau d tau Integrando por partes esta ultima expresion se llega a una expresion que contiene la funcion de creep o fluencia lenta 4c e t s E 0 t e E h t t E s t d t K t e E h t E displaystyle varepsilon t frac sigma E int 0 t frac e frac E eta t tau E dot sigma tau d tau qquad K tau frac e frac E eta tau E Este modelo se usa para explicar el comportamiento de creep de los polimeros Aunque al igual que el modelo de Maxwell el modelo de Kelvin Voigt tiene limitaciones empiricas Aunque modela muy bien el creep con respecto a la relajacion el modelo generalmente se ajusta menos al comportamiento de los materiales viscoelasticos Las aplicaciones principales del modelo son la modelizacion de polimeros organicos goma caucho y madera cuando la carga no es muy elevada Modelo estandar de solido viscoelastico Editar Representacion esquematica del modelo estandar de solido viscoelastico Los dos ultimos modelos expuestos tienen limitaciones en cierto modo complementarias Por esa razon se considera que un modelo que combine caracteristicas de ambos puede ser un modelo razonable de solido viscoelastico La ecuacion constitutiva de este modelo viene dada por la siguiente ecuecion diferencial 5a E 1 E 2 d e d t E 2 h h E 2 d s d t s E 1 e displaystyle E 1 E 2 frac d varepsilon dt frac E 2 eta left frac eta E 2 frac d sigma dt sigma E 1 varepsilon right Usando transformadas de Laplace despejando la transformada de la tension y antitransformando se obtiene una ecuacion de tipo Volterra como en los casos anteriores que tiene la forma s t E 1 E 2 e t E 2 2 h 0 t e E 2 h t t e t d t displaystyle sigma t E 1 E 2 varepsilon t frac E 2 2 eta int 0 t e frac E 2 eta t tau varepsilon tau d tau Una integracion por partes del ultimo termino permite escribir en terminos de la funcion de relajacion F displaystyle scriptstyle F cdot y la velocidad de deformacion 5b s t E 1 E 2 e t 0 t E 2 e E 2 h t t e t d t F t E 2 e E 2 h t displaystyle sigma t E 1 E 2 varepsilon t int 0 t left E 2 e frac E 2 eta t tau dot varepsilon tau right d tau qquad F tau E 2 e frac E 2 eta tau Modelo de Burgers Editar Representacion esquematica del modelo viscoelastico de Burgers El modelo de Burgers combina caracteristicas de los modelos de Maxwell y Kevin Voigt La ecuacion constitutiva se puede escribir como de manera compacta como ecuacion diferencial de segundo orden 6a s l 1 l 2 s l 1 l 2 s h 1 h 2 e h 1 l 2 h 2 l 1 e displaystyle sigma left lambda 1 lambda 2 right dot sigma lambda 1 lambda 2 ddot sigma eta 1 eta 2 dot varepsilon left eta 1 lambda 2 eta 2 lambda 1 right ddot varepsilon Donde l i h i E i displaystyle scriptstyle lambda i eta i E i usando la transformada de Laplace se puede integrar de manera mecanica la ecuacion anterior suponiendo que inicialmente tanto la tension como la deformacion y sus tasas de cambio son nulas s t E 1 E 2 e t 0 t E 1 2 h 1 e E 1 h 1 t t E 2 2 h 2 e E 2 h 2 t t e t d t displaystyle sigma t E 1 E 2 varepsilon t int 0 t left frac E 1 2 eta 1 e frac E 1 eta 1 t tau frac E 2 2 eta 2 e frac E 2 eta 2 t tau right varepsilon tau d tau De donde se obtiene integrando por partes la funcion de relajacion 6b s t E 1 E 2 e t 0 t E 1 e E 1 h 1 t t E 2 e E 2 h 2 t t F t t e t d t displaystyle sigma t E 1 E 2 varepsilon t int 0 t underbrace left E 1 e frac E 1 eta 1 t tau E 2 e frac E 2 eta 2 t tau right F t tau dot varepsilon tau d tau Y tambien mediante la transformada de Laplace se obtiene la expresion e t s t E 1 E 2 0 t C 1 C 2 e t t t 1 s t d t displaystyle varepsilon t frac sigma t E 1 E 2 int 0 t left C 1 C 2 e frac t tau tau 1 right sigma tau d tau Donde C 1 h 1 h 2 1 C 2 h 1 E 2 h 2 E 1 2 E 1 E 2 h 1 h 2 t 1 h 1 1 h 2 1 E 1 1 E 2 1 displaystyle C 1 eta 1 eta 2 1 quad C 2 frac eta 1 E 2 eta 2 E 1 2 E 1 E 2 eta 1 eta 2 quad tau 1 frac eta 1 1 eta 2 1 E 1 1 E 2 1 Que integrada por partes permite obtener la funcion de creep 6c e t s t E 1 E 2 0 t C 1 t t C 2 t 1 e t t t 1 K t t s t d t displaystyle varepsilon t frac sigma t E 1 E 2 int 0 t underbrace left C 1 t tau frac C 2 tau 1 e frac t tau tau 1 right K t tau dot sigma tau d tau Modelo de Weichert Editar Esquematizacion del modelo de Maxwell Weichert El modelo de Wiechert o Maxwell Weichert a veces tambien modelo generalizado de Maxwell es una generalizacion del modelo viscolastico estandar y por tanto tambien del modelo de Maxwell simple Este modelo toma en cuanta que la relacion no ocurre segun un unico ritmo caracteristico sino segun una distribucion de escalas de tiempo Esto sucede porque existen segmentos moleculares de diferentes longitudes contribuyendo los mas cortos menos que los mas largos de ahi la diversidad de escalas de tiempo El modelo de Weichert modeliza esto mediante tantos conjuntos de muelle amortiguador como sean necesarios para aproximar la distribucion de escalas de tiempo La figura de la derecha representa un posible modelo de Wiechert 3 Este modelo encuentra aplicacion en metales y aleaciones metalicas a temperaturas mas bajas que un cuarto de su temperatura absoluta de fusion expresada en ºK Viscoelasticidad no lineal EditarModelos unidimensionales Editar La viscosidad no lineal ocurre cuando las funciones de creep y de relajacion de carga no se pueden separar Esto ocurre en deformaciones grandes si el material cambia sus propiedades durante la deformacion si los tiempos de la deformacion son lo suficientemente largos o si interviene algun otro tipo de relajacion Existe una pleyade de modelos no lineales dependientes de unas pocas constantes caracteristicas del material cuyos valores pueden ajustarse al resultado de los experimentos 4 Entre ellos pueden citarse Modelo de Eyring s A sinh 1 a e displaystyle sigma A sinh 1 alpha dot varepsilon Modelo de Ostwald de Waele s A e a displaystyle sigma A dot varepsilon alpha Modelo de Briant s A e 1 B e displaystyle sigma A dot varepsilon left 1 frac B dot varepsilon right Modelo de Powell Eyring s A e A 0 A a sinh 1 a e displaystyle sigma A infty dot varepsilon frac A 0 A infty alpha sinh 1 alpha dot varepsilon Modelo de Robertson Stiff s A e a a displaystyle sigma A dot varepsilon a alpha Modelo de Shangraw Grim Mattocks s A e B 1 e a e displaystyle sigma A dot varepsilon B 1 e alpha dot varepsilon Modelo de Sisko s A e B e a displaystyle sigma A dot varepsilon B dot varepsilon alpha Modelo de Williamson s A e B e e a displaystyle sigma A dot varepsilon B frac dot varepsilon dot varepsilon alpha Modelo de Carreau s A e A 0 A e 1 a e a displaystyle sigma A infty dot varepsilon A 0 A infty dot varepsilon 1 a dot varepsilon alpha En estos modelos las constantes toman valores positivos y deben determinarse por comparacion con experimentos ya que no parecen tener un significado teorico profundo De hecho estos modelos son esencialmente empiricos y no existen razones teoricas que los sustente aparte de que se ajustan experimentalmente a diversos materiales Solo unos pocos de estos modelos admiten generalizaciones tridimensionales consistentes Teoria general Editar La teoria general de materiales viscoelasticos para deformacion finita para materiales simples se basa en asumir una serie de axiomas razonables que limitan la forma funcional de las ecuaciones mas generales posibles entre estas condiciones se emplean usualmente 5 Principio de localidad y determinismo Principio de objetividad material o covarianza Dependencia en derivadas primeras del gradiente de deformacion Se pueden dar diferentes ecuaciones diferenciales para el tensor tension de Cauchy s F X t f 1 C X t F 1 E X C X t F T X t displaystyle boldsymbol sigma mathbf F X t left mathbf f 1 mathbf C X t Phi 1 bar mathbf E X cdot mathbf C X t right mathbf F T X t donde X x t displaystyle X x t son respectivamente las coordenadas materiales espaciales y el tiempo C X t displaystyle mathbf C X t es el tensor izquierdo de Cauchy para las deformaciones F X t F 1 x t displaystyle mathbf F X t mathbf F 1 x t son el gradiente de deformacion y su inverso E X x s F T X t E t x X t s F X t displaystyle bar mathbf E X x s mathbf F T X t hat mathbf E t x X t s mathbf F X t E t x s 1 2 C t x s I displaystyle hat mathbf E t x s 1 2 hat mathbf C t x s mathbf I C t x s F T x t C X x s F 1 x t displaystyle hat mathbf C t x s mathbf F T x t mathbf C X x s mathbf F 1 x t f 1 C X t displaystyle mathbf f 1 mathbf C X t representa la parte de la respuesta elastica F 1 E X C X t displaystyle Phi 1 mathbf E X cdot mathbf C X t representa la parte de la respuesta propiamente viscoelastica Para el primer tensor de Piola Kirchhoff se tiene P f 2 C X t F 2 E X C X t displaystyle mathbf P mathbf f 2 mathbf C X t Phi 2 bar mathbf E X cdot mathbf C X t donde f 2 C X t displaystyle mathbf f 2 mathbf C X t da la respuesta elastica F 2 E X C X t displaystyle Phi 2 bar mathbf E X cdot mathbf C X t da la respuesta propiamente viscoelastica Vease tambien EditarViscoelasticidad de polimeros VidrioReferencias Editar Meyers and Chawla 1999 Mechanical Behavior of Materials 98 103 A M Freudenthal et Geiringer 1958 Roylance David 2001 Engineering Viscoelasticity 14 15 Aleksey D Drozdov Finite elasticity and viscoelasticity a course in the nonlinear mechanics of Solids Drapaca C S S Sivaloganathan and G Tenti Nonlinear constitutive laws in viscoelasticity Mathematics and mechanics of solids 12 5 2007 475 501 Bibliografia Editar Freudenthal A M y Geiringer H The mathematical theories of inelastic continuum Handbuch der Physik Encyclopedia of Physics VII Elasticity and Plasticity Berlin Gottingen Heidelberg Springer 1958 Datos Q910483Obtenido de https es wikipedia org w index php title Viscoelasticidad amp oldid 135530705, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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