Fotoelasticidad

Fotoelasticidad

Fenómeno físico que se aprovecha para la determinación de la magnitud y distribución de las solicitaciones en los órganos de las máquinas. Fue descubierto por Brewster en 1816, pero tan sólo en 1901 Mesnager intuyó la posibilidad de su aprovechamiento en ingeniería.

Se basa en la birrefringencia accidental mecánica, fenómeno según el cual numerosas substancias sólidas transparentes e isótropas, en principio no birrefringentes, producen doble refracción cuando se hallan sometidas a solicitaciones mecánicas o térmicas que, al crear tensiones internas, alteran su isotropía.

La birrefringencia es el fenómeno óptico según el cual un rayo luminoso, que incide sobre una delgada lámina cristalina, se descompone en 2 rayos, ordinario y extraordinario, que se caracterizan por índices de polarización diferentes y que están polarizados sobre 2 planos distintos. Este fenómeno es especialmente evidente en el caso de cristales de calcita: apoyando el cristal sobre una imagen, ésta queda desdoblada. Esto se debe al considerable espesor de la lámina y a la gran diferencia entre los índices de refracción de los 2 rayos.

Como los rayos ordinario y extraordinario atraviesan la lámina a velocidades distintas, emergen desfasados; esta diferencia de fase, si la luz incidente es polarizada y se analizan los rayos de salida con un filtro polarizador, origina fenómenos de interferencia, que se ponen de manifiesto al formarse franjas de interferencia.

La investigación fotoelástica se desarrolla tanto con modelos planos (láminas) como con modelos tridimensionales (con el método de la congelación de tensiones o con el método sandwich). Los modelos suelen construirse con resinas epoxídicas (por ejemplo, Araldit), o bien con Plexiglás, Perspex, materiales transparentes e isótropos que, además de poderse trabajar con facilidad y no presentar auto tensiones, proporcionan una birrefringencia proporcional a la solicitación.

Los modelos en sandwich reproducen fielmente la pieza que se ha de examinar y se construyen incluyendo una lámina fotoelástica entre 3 piezas de material casi inerte ópticamente (por ejemplo, metacrilato), pero que, al tener las mismas características mecánicas que la lámina fotoelástica, reproducen con exactitud la distribución de las tensiones en la pieza real.

Además de las observaciones en modelos, puede recurrirse al empleo de láminas fotoelásticas encoladas a la pieza mecánica, determinando el estado de solicitación con la observación por reflexión con luz polarizada. Dicha técnica se usa generalmente para obtener informaciones cualitativas acerca de los estados de solicitación. Sometiendo el modelo a solicitaciones similares a las del órgano mecánico en estudio, las tensiones internas se distribuyen en el mismo de igual forma que en la pieza verdadera, con independencia del material del modelo.

Como las direcciones privilegiadas de la birrefringencia coinciden con las de las tensiones principales, analizando un modelo cargado en el banco fotoelástico (constituido esencialmente por un iluminador, un filtro polarizador, un dispositivo de carga y un filtro analizador) con luz polarizada plana se obtienen franjas de interferencia (líneas obscuras), denominadas isoclinas, que son las líneas de igual inclinación de las tensiones Principales. Si la investigación se realiza con luz polarizada circularmente, se obtienen, además de las isoclinas, unas franjas de interferencia isocromáticas (con luz blanca) o isointensas (con luz monocromática) que permiten medir de modo cuantitativo el estado de solicitación; el número de orden de una franja es directamente proporcional a la diferencia entre las tensiones principales. Es Posible determinar por separado las tensiones Principales en el interior del modelo.

Existe una gran analogía entre las curvas de nivel de los mapas topográficos y las isocromáticas (o isointensas); en efecto, para las primeras, las mayores pendientes vienen indicadas por la proximidad de las curvas de nivel, mientras que para las segundas pueden localizarse las solicitaciones máximas en el modelo, ya que corresponden a las zonas de mayor densidad de franjas de interferencia. Con los estudios fotoelásticos se tiene, Pues, la posibilidad de modificar la pieza de manera que tenga una forma más conveniente, es decir, que permita una repartición más regular de las tensiones junto con un mayor aprovechamiento del material.

En el sector automovilístico, la fotoelasticidad se aplica para el estudio de las solicitaciones en el cigüeñal, en las bielas, en los balancines, en las válvulas, etc.

El examen fotoelástico se efectúa generalmente con modelos tridimensionales, ya que dan resultados más precisos y completos. Con ellos se siguen el procedimiento de congelación de tensiones o el método sandwich.

Para la congelación de tensiones se realizan uno o más modelos con diversas formas, los cuales se introducen en un horno a 130-150 °C. Entonces se carga el modelo con fuerzas similares a las que actuarán sobre la pieza en las condiciones de funcionamiento. Manteniendo el estado de solicitación durante todo el ciclo térmico hasta el enfriamiento (lento) del modelo, se obtiene una especie de congelación de las tensiones internas, que permanecen inalteradas en el interior de la materia, incluso cuando ésta recupera la temperatura ambiente. Después, los modelos se seccionan en láminas de cierto espesor según planos Paralelos y se examinan con luz polarizada como si fueran modelos planos. La isotropía de la materia no subsiste, por efecto de la congelación de las tensiones internas, y, durante el examen óptico, aparecen las franjas de interferencia (isocromáticas o isointensas), analizando las cuales puede conocerse de manera directa el estado de solicitación del material.

http://diccionario.motorgiga.com/diccionario/fotoelasticidad-definicion-significado/gmx-niv15-con194210.htm

INTRODUCCIÓN

La fotoelasticidad es un método para el análisis y el registro de tensiones mecánicas en componentes.

Los componentes usados son probetas o modelos de plástico transparente, que bajo carga mecánica tienen un efecto de refracción óptica.

Usando una luz polarizada se estudia e investiga la distribución de las tensiones en las probetas de plástico.

Los filtros de polarización permiten representar en colores la distribución de las tensiones.

...