Fotoelasticidad y galgas extensiométricas: conceptos, partes y ventajas
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Resumen
El documento explica los fundamentos de la fotoelasticidad bidimensional, técnica óptica para analizar esfuerzos y deformaciones, y describe el polariscopio y sus partes. Después presenta las galgas extensiométricas, sensores basados en el efecto piezorresistivo, con sus tipos, limitaciones, ventajas y desventajas.
Puntos clave
- La polarización de la luz ordena ondas transversales restringiendo el movimiento de sus partículas a planos definidos.
- Un material birrefringente descompone la luz en dos direcciones paralelas a las deformaciones principales; un material birrefringente accidental solo lo es bajo carga.
- Las líneas isoclinas son líneas negras donde las direcciones de los esfuerzos principales coinciden con las del polarizador y analizador cruzados.
- La fotoelasticidad permite identificar concentraciones de esfuerzos y zonas de bajo esfuerzo donde el material se usa de forma ineficiente.
- Una galga extensiométrica mide deformación, presión, carga, par o posición gracias al efecto piezorresistivo: su resistencia varía al deformarse.
- En las galgas por resistencia, mientras se cumpla la Ley de Hooke, la deformación y el voltaje se relacionan linealmente mediante el factor de galga, usando un puente de Wheatstone.
- Las galgas miden solo en la dirección para la que fueron diseñadas y deben trabajar dentro del margen elástico del material.
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Polarización de la luz:
consiste en ordenar una serie de ondas transversales de frecuencia y amplitud variable, restringiendo el movimiento de las partículas a ciertos planos bien definidos.
Material Birrefrigente:
son aquellos materiales que tienen como propiedad, que descomponen la luz en dos dimensiones paralelas a las deformaciones principales.
Material Birrefrigente accidental:
son aquellos materiales que se comportan como birrefrigentes solo cuando son sometidos a una carga.
Carácterísticas de los materiales fotoelásticos:
los materiales fotoelásticos presentan las siguientes carácterísticas: Sensibilidad fotoelástica, Transparencia, Estrecha relación entre el módulo de elasticidad y la constante de extinción, Dureza e Isotopía.
Fotoelasticidad Bidimensional
La Fotoelasticidad es una técnica experimental para el análisis de esfuerzos y deformaciones. La palabra Fotoelasticidad refleja la naturaleza experimental de este método; Foto, implica el uso de rayos de luz y técnicas ópticas, mientras que Elasticidad, describe el estudio de los esfuerzos y deformaciones en cuerpos elásticos. El análisis fotoelástico, es generalmente utilizado para resolver problemas en los que se requiere la información de los esfuerzos y deformaciones de un elemento que presentan una geometría complicada y complejas condiciones de carga. Este estudio provee de evidencias cuantitativas sobre la distribución de los esfuerzos y las zonas de concentración de esfuerzos, ya sea en la superficie o un punto interior del elemento de estudio, además permite discernir áreas de bajo nivel de esfuerzo donde el material se ha utilizado ineficientemente.
PARTES:
Lente polarizado:
es aquel que solo permite el paso de la luz en una dirección, de tal forma que las ondas que lo atraviesan se encuentran en planos paralelos, es decir, la luz es polarizada en un plano.
Lente analizador:
se interpone ante un haz de rayos de la luz polarizada circular, permitiendo solo el paso de sus componentes en la dirección del plano de polarización de la lámina.
Láminas de cuarto de onda:
la finalidad de estas láminas es la producción de luz polarizada circularmente.
GALGAS EXTENSIOMETRICAS
Galgas por resistencia
Este tipo de galga es un conductor eléctrico que al ser deformado aumenta su resistencia, puesto que los conductores se vuelven más largos y finos. Mediante el puente de Wheatstone, podemos convertir esta resistencia, en voltaje absoluto. Y mientras la deformación cumpla la Ley de Hooke, la deformación y el voltaje absoluto estarán linealmente relacionados por medio de un factor llamado factor de galga.
Limitaciones
El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico o también llamado esfuerzo de fluencia.
El incremento en la galga debe ser en la misma dirección al del soporte para evitar tensiones opuestas en lo que alineación de la galga se refiere, ya que mide en una sola dirección.
La galga solo proporciona los datos para las direcciones hacia las que la galga ha sido diseñada. Si se quiere medir en direcciones perpendiculares. Se puede poner otra galga igual a 90° de la inicial, por lo tanto, una sola galga puede medir solamente una dirección.
Ventajas
Pequeño tamaño
Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna
Tienen una excelente respuesta en frecuencia
Son simples y adecuada en medidas estáticas y dinámicas5
Compensación de temperatura relativamente fácil, al instalar dos galgas idénticas en brazos adyacentes elimina los efectos de temperatura en la galga medidora, ya que al tener dos galgas, si se mide la diferencia de resistencia entre ambas, se descuenta con ello el efecto de la temperatura.
No son influidas por los campos magnéticos.
Desventajas
La señal de salida es débil.
Pequeño movimiento de la galga.
Son afectadas por muchos factores de variación en condiciones ambientales.
La galga es ultra sensible a las vibraciones.
Con el tiempo la galga puede perder adhesión al espécimen de prueba.
Para umbrales pequeños la técnica de construcción es cara.
Se ven afectadas por el cambio de temperatura porque ésta puede afectar a la resistencia.
Son afectadas por la presencia de ruido térmico que establece un mínimo para la variación de resistencia detectable.
Son poco estables.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un material birrefringente?
Es un material que descompone la luz en dos dimensiones paralelas a las deformaciones principales. Según el texto, los materiales birrefringentes accidentales solo se comportan así cuando están sometidos a una carga.
¿Qué mide una galga extensiométrica?
Mide deformación, presión, carga, par, posición, entre otras magnitudes. Se basa en el efecto piezorresistivo, es decir, en el cambio de resistencia eléctrica que sufre un material al deformarse.
¿Cuál es la principal limitación de una galga extensiométrica?
El esfuerzo aplicado no debe llevar la galga fuera del margen elástico o esfuerzo de fluencia. Además, solo mide en la dirección para la que fue diseñada.
¿Cómo se compensa el efecto de la temperatura en una galga?
Se instalan dos galgas idénticas en brazos adyacentes y se mide la diferencia de resistencia entre ambas, con lo que se descuenta el efecto de la temperatura.
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