La resistencia específica (o resistencia específica a la tracción) de un material (o de un músculo) es la resistencia (fuerza por unidad de área al fallo) dividida por su densidad. También se conoce como relación resistencia-peso, relación fuerza-peso o relación resistencia-masa. En aplicaciones de fibras o textiles, la tenacidad es la medida habitual de la resistencia específica. La unidad del Sistema Internacional para la resistencia específica es Pa·m3/kg, o N·m/kg, que es dimensionalmente equivalente a m2/s2, aunque esta última forma se utiliza raramente. La resistencia específica tiene las mismas unidades que la energía específica, y está relacionada con la energía específica máxima de rotación que un objeto puede tener sin desintegrarse debido a la fuerza centrífuga.
Otra forma de expresar la resistencia específica es la longitud de rotura o longitud de autosoporte: la longitud máxima de una columna vertical del material (suponiendo una sección transversal fija) que podría sostener su propio peso cuando está soportada únicamente desde la parte superior. Para esta medición, el peso se define como la fuerza de la gravedad en la superficie terrestre (gravedad estándar, 9,80665 m/s2) aplicada a toda la longitud del material, sin disminuir con la altura. Este uso es más común en ciertas aplicaciones especializadas de fibras o textiles.
Los materiales con mayor resistencia específica suelen ser fibras como la fibra de carbono, la fibra de vidrio y varios polímeros, y se utilizan frecuentemente para fabricar material compuestos (por ejemplo, fibra de carbono-epoxi). Estos materiales, junto con otros como el titanio, el aluminio, el magnesio y las aleaciones de acero de alta resistencia, se emplean ampliamente en la industria aeroespacial y en otras aplicaciones donde el ahorro de peso justifica el mayor coste del material.
Es importante notar que la resistencia y la rigidez son propiedades distintas. Ambas son fundamentales en el diseño de estructuras eficientes y seguras.
Cálculo de la longitud de rotura
donde: es la longitud, es la resistencia a la tracción, es la densidad, es la aceleración debida a la gravedad (≈ 9.8 m/s2)
Ejemplos
+ Resistencia específica a la tracción de diversos materiales Material Resistencia a la tracción(MPa) Densidad(g/cm3) Resistencia específica(kN·m/kg) Longitud de rotura(km) Fuente Hormigón 2–5 2,30 0,87–2,17 0,09–0,22 Polioximetileno (POM) 69 1,42 49 4,95 Caucho 15 0,92 16,3 1,66 Cobre 220 8,92 24,7 2,51 Polipropileno (PP) 25–40 0,90 28–44 2,8–4,5 Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) 41–45 1,05 39–43 — Tereftalato de polietileno (PET) 80 1,3–1,4 57–62 — Cuerda de piano (acero ASTM 228) 1590–3340 7,8 204–428 — Ácido poliláctico (PLA) 53 1,24 43 — Acero al carbono bajo (AISI 1010) 365 7,87 46,4 4,73 Acero inoxidable (304) 505 8,00 63,1 6,4 Acero maraging (18Ni(350)) 2450 8,2 299 30,5 Latón 580 8,55 67,8 6,91 Nailon 78 1,13 69 7,04 Titanio 344 4,51 76 7,75 Acero CrMo (4130) 560–670 7,85 71–85 7,27–8,70 Aleación de aluminio (6061-T6) 310 2,70 115 11,70 Roble 90 0,69–0,78 115–130 12–13 Inconel (X-750) 1250 8,28 151 15,4 Aleación de magnesio 275 1,74 158 16,1 Aleación de aluminio (7075-T6) 572 2,81 204 20,8 Pino (pino blanco del este americano) 78 0,35 223 22,7 Aleación de titanio (Beta C) 1250 4,81 260 26,5 Bainita 2500 7,87 321 32,4 52nd Hatfield Memorial Lecture: "Large Chunks of Very Strong Steel" por H. K. D. H. Bhadeshia 2005. en archive.is Material compuesto celular reversible 0,073 0,0072 10 139 1035 Metamaterial mecánico autoreprogramable 0,01117 0,0103 1 084 111 Madera de balsa 73 0,14 521 53,2 Compuesto de fibra de carbono-epoxi 1240 1,58 785 80,0 McGRAW-HILL ENCYCLOPEDIA OF Science & Technology, 8.ª edición, (c)1997, vol. 1 p 375 Seda de araña 1400 1,31 1 069 109 Fibra de carburo de silicio 3440 3,16 1 088 110 Hilo de nanotubos de carbono Miralon serie C 1375 0,7–0,9 1 100 112 Fibra de vidrio 3400 2,60 1 307 133 Fibra de basalto 4840 2,70 1 790 183 Bigotes monocristalinos de hierro de 1 μm 14 000 7,87 1 800 183 Vectran 2900 1,40 2 071 211 Fibra de carbono (AS4) 4300 1,75 2 457 250 Kevlar 3620 1,44 2 514 256 Dyneema (UHMWPE) 3600 0,97 3 711 378 Zylon 5800 1,54 3 766 384 Fibra de carbono (Toray T1100G) 7000 1,79 3 911 399 Nanotubo de carbono (ver nota abajo) 62 000 0,037–1,34 46 268 – N/D 4716 – N/D Tubo de carbono colosal 6900 0,116 59 483 6066 Grafeno 130 500 2,090 62 453 6366 Límite fundamental — — 9×1013 9.2×1012
Los datos de esta tabla corresponden a los mejores casos conocidos y se presentan con fines ilustrativos aproximados.
Nota: Los nanotubos de carbono multi-pared tienen la mayor resistencia a la tracción jamás medida en cualquier material, con valores de laboratorio de 63 GPa, aún muy por debajo de su límite teórico de 300 GPa. Las primeras cuerdas de nanotubos (de 20 mm de largo) cuya resistencia a la tracción se publicó (en 2000) tenían una resistencia de 3,6 GPa, también muy por debajo de su límite teórico. La densidad varía según el método de fabricación, y el valor más bajo reportado es 0,037 o 0,55 (sólido).
Límite fundamental de la resistencia específica La condición de energía nula establece un límite fundamental a la resistencia específica de cualquier material. La resistencia específica está limitada a no ser mayor que c2 ≈ 9×1013 kN⋅m/kg, donde c es la velocidad de la luz.
Este límite es alcanzado por líneas de campo eléctrico y magnético, tubos de flujo QCD, y las cuerdas fundamentales hipotetizadas por la teoría de cuerdas.
Tenacidad (resistencia textil)
La tenacidad es la medida convencional de la resistencia de una fibra o hilo. Se define habitualmente como la fuerza última (de rotura) de la fibra (en unidades de gramo-fuerza) dividida por el denier.
Dado que el denier es una medida de la densidad lineal, la tenacidad resulta ser no una medida de fuerza por unidad de área, sino más bien una medida cuasi-adimensional análoga a la resistencia específica.
Una tenacidad de 1 corresponde a:
La tenacidad se expresa habitualmente en cN/tex en los informes técnicos.
Véase también Ascensor espacial Atadura espacial
Referencias
Categoría:Mecánica de sólidos
Categoría:Ciencia de materiales