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Deformação elástica longitudinal

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Quando uma força é aplicada à superfície de um corpo, cria-se uma zona onde o material se comprime ou se expande, resultando em um movimento paralelo ao vetor normal da superfície. Isso é o que é chamado de deformação longitudinal.

>Modelo

ID:(325, 0)


Mecanismos

Descrição


ID:(15370, 0)


Modelo

Descrição


ID:(15371, 0)


Deformação elástica longitudinal

Descrição

Quando uma força é aplicada à superfície de um corpo, cria-se uma zona onde o material se comprime ou se expande, resultando em um movimento paralelo ao vetor normal da superfície. Isso é o que é chamado de deformação longitudinal.

Variáveis

Símbolo
Texto
Variáve
Valor
Unidades
Calcular
Valeur MKS
Unidades MKS
$u$
u
Alongamento
m
$L$
L
Comprimento do corpo
m
$\epsilon$
e
Deformação
-
$\epsilon_i$
e_i
Deformação da coordenada $i$
-
$\epsilon_j$
e_j
Deformação na coordenada perpendicular $j$
-
$\epsilon_{\perp}$
e_e
Deformação na direção perpendicular à força
-
$w$
w
Densidade de energia de deformação
J/m^3
$u_i$
u_i
Deslocamento em i
m
$W$
W
Energia de tensão
J
$F_k$
F_k
Força elástica
N
$E$
E
Módulo de Elasticidade
Pa
$x_i$
x_i
Posição em i
m
$\nu$
nu
Razão de Poisson
-
$S$
S
Seção
m^2
$S$
S
Seção de elemento
m^2
$\sigma$
sigma
Tensão
Pa
$\sigma_i$
sigma_i
Tensão no eixo $i$
Pa
$V$
V
Volume
m^3

Cálculos


Primeiro, selecione a equação:   para ,  depois, selecione a variável:   para 

Símbolo
Equação
Resolvido
Traduzido

Cálculos

Símbolo
Equação
Resolvido
Traduzido

 Variáve   Dado   Calcular   Objetivo :   Equação   A ser usado



Equações

Se utilizarmos a equa o para calcular la trabalho ($W$) como a integral de la força elástica ($F_k$) ao longo do caminho durante a deforma o:

$W=\displaystyle\int_0^u \vec{F}\cdot d\vec{s}$



E empregarmos a equa o para la força elástica ($F_k$) com o módulo de Elasticidade ($E$), la seção de elemento ($S$), la alongamento ($u$), o comprimento do corpo ($L$) e la alongamento ($u$)

$ F_k =\displaystyle\frac{ E S }{ L } u $



onde somamos ao longo do caminho percorrido. No caso de deforma o el stica, a rela o linear e se torna:

$W=\displaystyle\frac{ES}{L}\displaystyle\int_0^u d\vec{s}\cdot\vec{s}$



Isso nos leva a:

$W=\displaystyle\frac{ES}{2L}u^2$



Ao utilizar a equa o para la deformação ($\epsilon$)

$ \epsilon =\displaystyle\frac{ u }{ L }$



e a equa o para o volume ($V$)

$ V = S L $



obtemos:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V E \epsilon ^2$


(ID 3206)

Com a Lei de Hooke para la força elástica ($F_k$), la constante de Hooke ($k$) e la alongamento ($u$) da seguinte forma:

$ F_k = k u $



e a express o para la constante de Hooke ($k$) em termos de o comprimento do corpo ($L$), la seção de elemento ($S$), o comprimento microscópico da mola ($l$), la seção microscópica da mola ($s$) e la microscopia constante de Hook ($k_m$):

$ k =\displaystyle\frac{ S }{ L }\displaystyle\frac{ l }{ s } k_m $



juntamente com a express o para o módulo de Elasticidade ($E$):

$ E =\displaystyle\frac{ l }{ s } k_m $



o resultado :

$ F_k =\displaystyle\frac{ E S }{ L } u $


(ID 3209)

Como la energia de tensão ($W$) est relacionado com o volume ($V$), o módulo de Elasticidade ($E$) e la deformação ($\epsilon$) da seguinte forma:



Se substituirmos la deformação ($\epsilon$) por la tensão ($\sigma$) na equa o:



Obtemos:


(ID 3790)

La força elástica ($F_k$) uma fun o que depende de o módulo de Elasticidade ($E$), la seção de elemento ($S$), la alongamento ($u$) e o comprimento do corpo ($L$).

$ F_k =\displaystyle\frac{ E S }{ L } u $



Esta fun o pode ser expressa usando a defini o de la tensão ($\sigma$)

$ \sigma =\displaystyle\frac{ F_k }{ S }$



e a defini o de la deformação ($\epsilon$)

$ \epsilon =\displaystyle\frac{ u }{ L }$



resultando em

$ \sigma = E \epsilon $


(ID 8100)

La energia de tensão ($W$) expresso como uma fun o de o volume ($V$), o módulo de Elasticidade ($E$) e la deformação ($\epsilon$) da seguinte forma:



E com la densidade de energia de deformação ($w$) definido como:



N s obtemos:

$ U =\displaystyle\frac{1}{2} E \epsilon ^2$


(ID 8104)

ERROR:8844 com ERROR:8843, ERROR:8838, la deformação na direção perpendicular à força ($\epsilon_{\perp}$) e o razão de Poisson ($\nu$) expresso como:

$ w =\displaystyle\frac{ E }{2(1+ \nu )}\left( \epsilon ^2+2 \epsilon_{\perp} ^2+\displaystyle\frac{ \nu }{1-2 \nu }( \epsilon +2 \epsilon_{\perp} )^2\right)$



Se substituirmos la deformação na direção perpendicular à força ($\epsilon_{\perp}$) usando a equa o

$ \epsilon_{\perp} =- \nu \epsilon $



Obtemos a express o inicial:

$ U =\displaystyle\frac{1}{2} E \epsilon ^2$


(ID 15375)


Exemplos


(ID 15370)


(ID 15371)

Como a Lei de Hooke relaciona la força elástica ($F_k$) atrav s de la constante de Hooke ($k$) e la alongamento ($u$) da seguinte forma:

$ F_k = k u $



poss vel substituir la constante de Hooke ($k$) pela express o microsc pica e, usando a defini o de o módulo de Elasticidade ($E$), obt m-se com o comprimento do corpo ($L$) e la seção de elemento ($S$) que:

$ F_k =\displaystyle\frac{ E S }{ L } u $


(ID 3209)

La força elástica ($F_k$) uma fun o de o módulo de Elasticidade ($E$), la seção de elemento ($S$), la alongamento ($u$) e o comprimento do corpo ($L$).



Neste caso, a propor o entre la alongamento ($u$) e o comprimento do corpo ($L$) representada por la deformação ($\epsilon$), que pode ser definida da seguinte forma:

$ \epsilon =\displaystyle\frac{ u }{ L }$

(ID 3762)

Em geral, la deformação ($\epsilon$) definido como a varia o de la alongamento ($u$) em rela o a o comprimento do corpo ($L$):



Esse conceito pode ser generalizado no limite microsc pico, onde la deformação da coordenada $i$ ($\epsilon_i$) introduzido como la variação do deslocamento em i ($\partial u_i$) sobre o comprimento de um elemento em i ($\partial x_i$) na dire o $i$, e seria expresso da seguinte forma:

$ \epsilon_i =\displaystyle\frac{\partial u_i }{\partial x_i }$



A raz o para usar um s mbolo diferente para denotar o diferencial

$d \rightarrow \partial$



que existem v rios diferenciais que afetam diferentes vari veis no modelo. O uso do s mbolo $\partial$ indica que uma varia o deve ser realizada de cada vez, ou seja, ao considerar uma vari vel, as demais s o assumidas com seus valores iniciais.

(ID 3763)

La força elástica ($F_k$) uma fun o que depende de o módulo de Elasticidade ($E$), la seção de elemento ($S$), la alongamento ($u$) e o comprimento do corpo ($L$).



Da mesma forma, assim como la deformação ($\epsilon$) introduzido para evitar o uso da dimens o o comprimento do corpo ($L$), podemos construir um fator que expressa la força elástica ($F_k$) em termos de la seção de elemento ($S$) como la tensão ($\sigma$).

$ \sigma =\displaystyle\frac{ F }{ S }$


(ID 3210)

La força elástica ($F_k$) uma fun o que depende de o módulo de Elasticidade ($E$), la seção de elemento ($S$), la alongamento ($u$) e o comprimento do corpo ($L$).

$ F_k =\displaystyle\frac{ E S }{ L } u $



Essa fun o pode ser reescrita utilizando as defini es de la tensão ($\sigma$) e la deformação ($\epsilon$), resultando na vers o cont nua da Lei de Hooke:

$ \sigma = E \epsilon $

(ID 8100)

A Lei de Hooke para ERROR:8845, ERROR:8843 e ERROR:8838 expressa da seguinte forma:



Essa lei pode ser generalizada para la tensão no eixo $i$ ($\sigma_i$) e la deformação da coordenada $i$ ($\epsilon_i$) da seguinte maneira:

$ \sigma_i = E \epsilon_i $


(ID 3764)

A massa total o volume ($V$) do corpo calculada utilizando la seção de elemento ($S$) e o comprimento do corpo ($L$):

$ V = S L $

(ID 15374)

Assim como em uma mola, a deforma o de um material requer energia. A energia la trabalho ($W$) necess ria para comprimir ou expandir o material calculada como a integral de la força elástica ($F_k$) ao longo do caminho $ds$ durante a deforma o:

$W=\displaystyle\int_0^u \vec{F}\cdot d\vec{s}$



No caso da Lei de Hooke cont nua, isso se reduz a:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2} V E \epsilon ^2$


(ID 3206)

Como la energia de tensão ($W$) est relacionado com o volume ($V$), o módulo de Elasticidade ($E$) e la deformação ($\epsilon$), pode ser expresso da seguinte forma:



Usando a Lei de Hooke, podemos substituir la deformação ($\epsilon$) em termos de la tensão ($\sigma$), resultando em:

$ W =\displaystyle\frac{1}{2 E } V \sigma ^2$

(ID 3790)

Para la energia de tensão ($W$) contida em um volume ($V$), podemos definir la densidade de energia de deformação ($w$) como:

$ w =\displaystyle\frac{ W }{ V }$

(ID 3770)

La energia de tensão ($W$) em fun o de o volume ($V$), o módulo de Elasticidade ($E$) e la deformação ($\epsilon$) igual a



Portanto, se dividirmos por o volume ($V$), obtemos la densidade de energia de deformação ($w$), que definido como

$ U =\displaystyle\frac{1}{2} E \epsilon ^2$


(ID 8104)

A deforma o lateral diretamente proporcional deforma o que a causa. O coeficiente de proporcionalidade representado como o razão de Poisson ($\nu$) [1] e geralmente varia dentro da faixa de 0,15 a 0,4.

Se a deforma o original for la deformação ($\epsilon$) e a gerada for la deformação na direção perpendicular à força ($\epsilon_{\perp}$), a seguinte rela o estabelecida:

Na aproxima o linear, o coeficiente de Poisson representa a rela o entre deforma es laterais e longitudinais.

$ \epsilon_{\perp} =- \nu \epsilon $



onde o sinal indica que a deforma o ocorre na dire o oposta causa.

[1] Este conceito foi introduzido por Sim on Denis Poisson em um trabalho de an lise estat stica, no qual ele mencionou, entre outros t picos n o relacionados mec nica, o que posteriormente foi chamado de coeficiente de Poisson em um exemplo de elasticidade. O trabalho tem o t tulo "Recherches sur la Probabilit des Jugements en Mati re Criminelle et en Mati re Civile" (Pesquisas sobre a Probabilidade de Julgamentos em Mat ria Criminal e Civil), escrito por Sim on Denis Poisson (1837).

(ID 3765)

ERROR:8844 como fun o de ERROR:8843 e ERROR:8838 igual a



Esta equa o expressa ERROR:8844 sem considerar la deformação na direção perpendicular à força ($\epsilon_{\perp}$), que est associado a ERROR:8838 atrav s do coeficiente de Poisson. ERROR:8844 pode ser expresso como uma fun o de ERROR:8838 e la deformação na direção perpendicular à força ($\epsilon_{\perp}$) usando a seguinte equa o:

$ w =\displaystyle\frac{ E }{2(1+ \nu )}\left( \epsilon ^2+2 \epsilon_{\perp} ^2+\displaystyle\frac{ \nu }{1-2 \nu }( \epsilon +2 \epsilon_{\perp} )^2\right)$


(ID 15375)


ID:(325, 0)