El módulo de Young, también conocido como módulo de elasticidad longitudinal o módulo de elasticidad, es una propiedad mecánica de los materiales que describe su rigidez o resistencia a la deformación elástica cuando se aplica una fuerza externa.
El módulo de Young se representa por la letra "E" y se define como la relación entre el esfuerzo (fuerza aplicada por unidad de área) y la deformación unitaria (cambio relativo en la longitud original) en la dirección longitudinal del material.
El concepto del módulo de Young es válido únicamente dentro del rango elástico de deformación de un material, es decir, cuando la deformación es reversible y el material puede volver a su forma original una vez que se elimina la fuerza aplicada.
Fórmula
Matemáticamente, se expresa de la siguiente manera:
E = σ / ε
Donde:
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E: Módulo de Young (en pascales, Pa)
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σ: Esfuerzo (en pascales, Pa)
-
ε: Deformación unitaria (sin unidades)
¿Qué significa un valor alto o bajo del módulo de Young?
El módulo de Young es una medida de la rigidez del material.
Cuanto mayor sea el módulo de Young, más rígido será el material y más resistente será a la deformación elástica.
Por otro lado, cuanto más bajo sea el valor, el material será más flexible y se deformará más fácilmente bajo la misma fuerza aplicada.
Relación con la ley de Hooke
Existe una relación entre la ley de Hooke y el módulo de Young (E): el módulo de Young es la constante de proporcionalidad que relaciona el esfuerzo y la deformación unitaria en un material elástico.
Relación con el límite elástico
El límite elástico es la máxima tensión o esfuerzo que un material puede soportar sin experimentar deformación permanente o plástica. Es el punto en el cual el material deja de comportarse elásticamente y comienza a deformarse de manera permanente. Es decir, por encima del límite elástico, el material no volverá a su forma original una vez que se retire la carga aplicada.
Por otro lado, el módulo de Young es una medida de la rigidez o resistencia a la deformación elástica de un material. Sin embargo, solo es válido mientras la deformación es reversible.
Por lo tanto, cuando un material se deforma, si supera su límite elástico, el módulo de Young ya no es aplicable, el material puede deformarse permanentemente y su comportamiento se rige por leyes diferentes, como el módulo de rigidez o la plasticidad.
Aplicaciones del módulo de Young
El módulo de Young, como propiedad mecánica de los materiales, tiene varias aplicaciones y utilidades en diferentes campos de la ingeniería y la ciencia. A continuación, se presentan algunas de las principales aplicaciones del módulo de Young:
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Diseño estructural: Permite calcular y predecir cómo un material se deformará bajo cargas aplicadas, lo que ayuda a determinar la resistencia y estabilidad de las estructuras.
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Selección de materiales: Permite comparar y evaluar la rigidez y resistencia de diferentes materiales para aplicaciones específicas.
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Análisis de elementos finitos: En el análisis por elementos finitos, una técnica de modelado computacional utilizada para simular el comportamiento de estructuras complejas, el módulo de Young se utiliza para definir las propiedades elásticas de los materiales en los modelos numéricos.
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Predicción de deformaciones: El módulo de Young se utiliza para predecir las deformaciones en materiales y estructuras debido a cargas aplicadas. Esto es útil para evaluar la deformación elástica y el comportamiento de materiales sometidos a diferentes condiciones de carga.
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Cálculos de tensión y esfuerzo: también se utiliza para determinar la relación entre la fuerza aplicada a un material y la deformación resultante mediante la ley de Hooke. Esto es esencial para comprender el comportamiento de los materiales y garantizar la integridad estructural.
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Desarrollo de materiales: esta propiedad es útil en el desarrollo de nuevos materiales con propiedades específicas.
Ejemplos
A continuación se muestra una tabla con ejemplos de algunos materiales con una breve descripción de cada material y su respectivo módulo de Young:
| Material | Descripción | Módulo de Young (GPa) |
|---|---|---|
|
Acero estructural |
Aleación de hierro con carbono y otros elementos, utilizado en construcción de estructuras. |
190-210 |
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Aluminio |
Metal ligero con alta resistencia y baja densidad, utilizado en diversas aplicaciones industriales. |
70 |
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Vidrio |
Material sólido amorfo, transparente y frágil, utilizado en ventanas y envases, entre otros. |
60-90 |
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Madera (construcción) |
Material natural compuesto de tejido vegetal, utilizado en construcción y carpintería. |
10-20 |
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Concreto |
Mezcla de cemento, agregados y agua, utilizado en la construcción de estructuras y pavimentos. |
25-40 |
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Polímeros |
Materiales orgánicos compuestos de cadenas moleculares, ampliamente utilizados en diversos productos y aplicaciones. |
Varios MPa - GPa |
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Cobre |
Metal conductor de calor y electricidad, utilizado en cables, tuberías y componentes electrónicos. |
110-130 |
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Titanio |
Metal ligero y resistente a la corrosión, utilizado en aplicaciones aeroespaciales y médicas. |
100-120 |
|
Granito |
Roca ígnea dura y resistente, utilizada en construcción y acabados arquitectónicos. |
50-80 |
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Asfalto |
Material viscoso y pegajoso utilizado en la construcción de carreteras y pavimentos. |
1-5 |
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Goma (caucho) |
Material elástico y flexible, utilizado en neumáticos, sellos y productos diversos. |
0.01-0.1 |
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Hielo |
Agua en estado sólido, utilizado en aplicaciones como almacenamiento de alimentos y deportes de hielo. |
9-15 |
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Diamante |
Forma cristalina del carbono, conocido por su dureza extrema, utilizado en joyería y herramientas. |
1050-1220 |
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Cerámica (general) |
Materiales inorgánicos no metálicos, ampliamente utilizados en la industria y la construcción. |
100-400 |
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Plexiglás (PMMA) |
Material plástico transparente y resistente, utilizado en aplicaciones como ventanas y láminas. |
2.7-3.5 |
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Acero inoxidable |
Aleación de hierro con cromo y otros elementos, resistente a la corrosión, utilizado en diversas aplicaciones industriales y estructurales. |
190-210 |
|
Fibra de carbono |
Material compuesto de fibras de carbono entrelazadas, conocido por su alta resistencia y bajo peso. |
230-630 |
