Qué es Fuerza de torsión

¿Qué significa fuerza de torsión?

Una fuerza de torsión es una carga que se aplica a un material a través de un par. El par que se aplica crea un esfuerzo cortante. Si una fuerza de torsión es lo suficientemente grande, puede hacer que un material experimente un movimiento de torsión durante la deformación elástica y plástica. La fuerza de torsión se mide comúnmente en libras-pie o Newton-metros.

Las piezas mecánicas, como los ejes, se colocan con tanta frecuencia bajo fuerzas de torsión que la selección del material es una consideración clave para evitar fallas.

Fórmula de la fuerza de torsión

La fórmula para calcular la fuerza de torsión en un objeto se basa en la ley de Hooke y está relacionada con las características geométricas del objeto y las propiedades del material. La fórmula general para la fuerza de torsión (τ) es:

τ = k * θ / L

Donde:

• τ es la fuerza de torsión en newtons (N).
• k es la constante de torsión del material en N·m/rad, que representa la rigidez del material ante la torsión.
• θ es el ángulo de torsión en radianes (rad), que representa la cantidad de torsión aplicada al objeto.
• L es la longitud del objeto en metros (m), que representa la distancia desde el punto de aplicación de la fuerza de torsión hasta el punto de fijación del objeto.

Es importante tener en cuenta que la constante de torsión (k) depende del material y de las dimensiones geométricas del objeto, y se obtiene experimentalmente a partir de pruebas de torsión en el material específico que se esté utilizando. La fórmula de la fuerza de torsión se aplica en situaciones en las que un objeto se somete a una torsión, es decir, una fuerza que actúa sobre el objeto haciendo que gire alrededor de su eje longitudinal.

Cómo calcular la fuerza de torsión en mecánica

El cálculo de la fuerza de torsión en mecánica generalmente se realiza utilizando la fórmula de la ley de Hooke para la torsión. A continuación se describen los pasos básicos para calcular la fuerza de torsión:

1. Conoce los datos relevantes: Para calcular la fuerza de torsión, necesitarás conocer la constante de torsión del material (k), el ángulo de torsión (θ) y la longitud del objeto (L).
2. Expresa el ángulo de torsión en radianes: Es importante asegurarse de que el ángulo de torsión esté expresado en radianes, ya que la fórmula de la fuerza de torsión utiliza esta unidad. Si el ángulo está dado en grados, puedes convertirlo a radianes utilizando la siguiente fórmula: θ (rad) = θ (grados) * π / 180, donde π (pi) es la constante matemática que representa la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro, aproximadamente igual a 3.14159265359.
3. Aplica la fórmula de la fuerza de torsión: Utiliza la fórmula τ = k * θ / L, donde τ es la fuerza de torsión en newtons (N), k es la constante de torsión del material en N·m/rad, θ es el ángulo de torsión en radianes, y L es la longitud del objeto en metros (m).
4. Realiza los cálculos: Sustituye los valores conocidos en la fórmula y realiza los cálculos necesarios para obtener el valor de la fuerza de torsión en newtons (N).

Es importante tener en cuenta que la constante de torsión del material (k) es una propiedad específica del material y debe obtenerse experimentalmente a partir de pruebas de torsión en el material en cuestión. Además, la fórmula de la fuerza de torsión se aplica en situaciones ideales donde el material se comporta de acuerdo con la ley de Hooke, lo que significa que la deformación es linealmente proporcional a la fuerza aplicada. En situaciones más complejas, es posible que se requieran consideraciones adicionales, como el comportamiento no lineal del material o la geometría específica del objeto bajo torsión.

Ejemplos de problemas de fuerza de torsión

1. Eje de transmisión de un vehículo: En la mecánica automotriz, se puede analizar la fuerza de torsión en un eje de transmisión que conecta el motor con las ruedas de un vehículo. La torsión generada por el motor se transmite a través del eje de transmisión, y es importante calcular la fuerza de torsión para asegurar que el eje tenga la rigidez suficiente para transmitir la potencia del motor sin deformarse o fallar.
2. Tornillo o perno apretado: En la ingeniería mecánica, se puede estudiar la fuerza de torsión en un tornillo o perno apretado para asegurar que esté correctamente apretado y sujete adecuadamente dos piezas. Calcular la fuerza de torsión en un tornillo o perno es esencial para garantizar la seguridad y la integridad estructural de las piezas ensambladas.
3. Eje de transmisión en maquinaria industrial: En la industria, los ejes de transmisión se utilizan ampliamente en maquinaria industrial para transmitir potencia y movimiento entre diferentes componentes de la maquinaria. Calcular la fuerza de torsión en estos ejes es fundamental para diseñarlos correctamente y asegurar un funcionamiento eficiente y seguro de la maquinaria.
4. Elementos de transmisión en sistemas de energía renovable: En sistemas de energía renovable, como turbinas eólicas o sistemas de transmisión en plantas de energía hidroeléctrica, la fuerza de torsión puede ser un factor crítico en el diseño y funcionamiento del sistema. Calcular la fuerza de torsión en los elementos de transmisión es importante para garantizar la confiabilidad y eficiencia del sistema de generación de energía.
5. Componentes mecánicos en sistemas de transporte: En sistemas de transporte, como trenes, aviones o barcos, hay numerosos componentes mecánicos que están sujetos a fuerzas de torsión, como ejes de transmisión, hélices, palas de rotor, entre otros. Calcular la fuerza de torsión en estos componentes es esencial para asegurar su integridad estructural y funcionamiento adecuado.

Ejemplo: Calcular la fuerza de torsión en un eje de transmisión

Se tiene un eje de transmisión de acero de longitud L = 2 metros y diámetro d = 0.04 metros que se encuentra sometido a una torsión debido a la transmisión de potencia. Se sabe que el material del eje tiene una constante de rigidez G = 80 GPa (gigapascales). Se desea calcular la fuerza de torsión (T) que actúa sobre el eje.

Datos:

• Longitud del eje (L): 2 metros
• Diámetro del eje (d): 0.04 metros
• Constante de rigidez del material (G): 80 GPa (80 × 10^9 Pa)

Fórmula: La fórmula para calcular la fuerza de torsión en un eje sometido a torsión es: T = (G * J * θ) / L

Donde:

• T es la fuerza de torsión en newtons (N)
• G es la constante de rigidez del material en pascales (Pa)
• J es la constante de torsión o momento polar de inercia del eje en metros a la cuarta potencia (m^4)
• θ es el ángulo de torsión en radianes (rad)
• L es la longitud del eje en metros (m)

Solución: Paso 1: Calcular el momento polar de inercia (J): El momento polar de inercia (J) se puede calcular para un eje sólido circular utilizando la siguiente fórmula: J = (π * d^4) / 32

Sustituyendo los valores conocidos: J = (π * (0.04)^4) / 32 J ≈ 7.957 × 10^-8 m^4

Paso 2: Calcular la fuerza de torsión (T): Dado que no se proporciona el valor del ángulo de torsión (θ) en el enunciado, necesitaríamos ese dato para completar el cálculo. Supongamos que se nos proporciona el valor de θ = 0.5 radianes.

Sustituyendo los valores conocidos en la fórmula: T = (80 × 10^9 Pa * 7.957 × 10^-8 m^4 * 0.5 rad) / 2 m T ≈ 1.995 × 10^6 N

Por lo tanto, la fuerza de torsión aproximada que actúa sobre el eje de transmisión es de 1.995 × 10^6 N. Es importante tener en cuenta que este es solo un ejemplo y los valores reales pueden variar en situaciones de la vida real, por lo que siempre es importante utilizar los datos y fórmulas correctas en cada caso específico.

Factores que afectan a la fuerza de torsión

Varios factores pueden afectar a la fuerza de torsión en un sistema mecánico. Algunos de los factores más comunes que influyen en la fuerza de torsión son:

1. Material del eje: El material del eje utilizado en el sistema mecánico puede tener diferentes propiedades de rigidez, resistencia y elasticidad, lo que puede afectar la fuerza de torsión que puede soportar. Materiales con alta rigidez, alta resistencia y baja elasticidad tienden a tener una mayor capacidad para resistir la torsión.
2. Geometría del eje: La geometría del eje, como su longitud, diámetro y forma, también puede influir en la fuerza de torsión que puede soportar. Un eje más largo, con un diámetro más pequeño o una forma no circular, tiende a tener una menor capacidad para resistir la torsión.
3. Momento polar de inercia del eje: El momento polar de inercia (J) del eje, que es una propiedad geométrica del eje que indica su resistencia a la torsión, también afecta a la fuerza de torsión. Un mayor valor de J indica una mayor capacidad del eje para resistir la torsión.
4. Ángulo de torsión: El ángulo de torsión que se aplica al eje también puede afectar a la fuerza de torsión. A mayor ángulo de torsión, mayor será la fuerza de torsión que actúa sobre el eje.
5. Condiciones de carga: La magnitud y dirección de las cargas aplicadas al sistema mecánico, así como la distribución de las mismas a lo largo del eje, también pueden influir en la fuerza de torsión. Cargas más grandes o mal distribuidas pueden generar mayores fuerzas de torsión en el eje.
6. Condiciones ambientales: Las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, también pueden afectar a la fuerza de torsión, especialmente en sistemas mecánicos expuestos a condiciones extremas. Algunos materiales pueden cambiar sus propiedades mecánicas con cambios en las condiciones ambientales, lo que puede afectar la fuerza de torsión.

Comparación de diferentes métodos para medir la fuerza de torsión

Existen varios métodos para medir la fuerza de torsión en sistemas mecánicos. Algunos de los métodos más comunes son:

1. Método de deflexión: Este método implica medir la deflexión experimentada por el elemento sometido a torsión, como un eje o un resorte de torsión, y utilizarla para calcular la fuerza de torsión aplicada. Se pueden utilizar diferentes dispositivos, como extensómetros o sensores de deflexión, para medir la cantidad de deflexión y luego utilizar ecuaciones y principios de mecánica de sólidos para determinar la fuerza de torsión.
2. Método de par torsional: Este método implica medir directamente el par torsional aplicado a través de un sensor de par, que mide la fuerza de torsión en tiempo real. Los sensores de par pueden ser mecánicos o electrónicos, y se colocan en la ruta de transmisión de la torsión para medir la fuerza que se está aplicando.
3. Método de deformación angular: Este método implica medir la deformación angular experimentada por el elemento sometido a torsión, como un eje o un tubo, y utilizarla para calcular la fuerza de torsión. Esto se puede hacer mediante sensores de deformación angular, como sensores de galgas extensométricas, que miden la deformación angular y la convierten en una medición de fuerza de torsión utilizando ecuaciones y principios de mecánica de materiales.
4. Método de medición indirecta: Este método implica medir otros parámetros relacionados con la torsión, como la velocidad angular o la aceleración angular, y utilizarlos en combinación con datos de diseño y propiedades del material para estimar la fuerza de torsión. Por ejemplo, se pueden utilizar sensores de velocidad angular o acelerómetros para medir la velocidad o aceleración del elemento sometido a torsió

Normas y estándares relacionados con la fuerza de torsión en la fabricación de productos.

En la fabricación de productos, existen varias normas y estándares que se utilizan para asegurar la calidad y la seguridad en lo que respecta a la fuerza de torsión. Algunas de las normas y estándares relevantes relacionados con la fuerza de torsión en la fabricación de productos son:

1. Normas ISO (Organización Internacional de Normalización): La ISO tiene varias normas relacionadas con la medición y especificación de la fuerza de torsión en diferentes aplicaciones, como la ISO 6789 que se refiere a las herramientas manuales de torsión y la ISO 1940 que trata sobre el equilibrado de rotores.
2. Normas ASTM (American Society for Testing and Materials): La ASTM tiene varias normas que abarcan la medición y prueba de la fuerza de torsión en materiales y productos, como la ASTM E143 que trata sobre la medición de la fuerza de torsión en materiales de metal y la ASTM E691 que se refiere a los métodos para la medición de la fuerza de torsión en productos de cerámica.
3. Normas de seguridad industrial: En la fabricación de productos, es importante seguir normas de seguridad industrial, como las establecidas por organismos de regulación y estandarización, como la OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional) en Estados Unidos o la EU-OSHA (Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo) en Europa, que establecen regulaciones y requisitos de seguridad en el manejo y uso de equipos o maquinaria que involucren la fuerza de torsión.
4. Normas de la industria específica: En ciertas industrias, como la automotriz, aeroespacial o de fabricación de maquinaria, existen normas y estándares específicos relacionados con la fuerza de torsión que deben ser cumplidos en la fabricación de productos. Estos pueden incluir normas de diseño, pruebas, tolerancias y requisitos de calidad para asegurar el correcto funcionamiento y rendimiento de los productos en su aplicación final.

Industriapedia explica la fuerza de torsión

Las fuerzas de torsión se pueden encontrar en muchos casos diferentes. Un destornillador que se usa para torcer un tornillo en su lugar tiene un eje que sufre una fuerza de torsión. Los puentes colgantes pueden estar sujetos a fuerzas de torsión cuando las ráfagas de viento los empujan de un lado a otro. Los ejes de transmisión, o cualquier tipo de eje sujeto a movimiento circunferencial, pueden estar expuestos a fuerzas de torsión.

La cantidad de fuerza de torsión que un material puede manejar a menudo se calcula mediante una prueba de torsión, que controla la cantidad de fuerza aplicada en la torsión, así como los grados de rotación que se han producido.

Los materiales dúctiles pueden deformarse plásticamente cuando se someten a fuerzas de torsión. Los materiales duros y quebradizos pueden resistir fuerzas de torsión más altas, pero es menos probable que se deformen antes de la fractura final.