La ley de Hooke explica que la deformación o la tensión de un material cambia en proporción directa a la fuerza o tensión de deformación aplicada, siempre que el material esté dentro de sus límites elásticos.
Siempre me han fascinado los resortes, hasta el punto de desmontar muchos bolígrafos solo para tener en mis manos el resorte que hay dentro. Era divertido tirar de un extremo del resorte y ver cómo volvía a su lugar. Sin embargo, no era tan divertido cuando tiraba con demasiada fuerza y estiraba permanentemente el resorte.
Los resortes en los bolígrafos son los ejemplos más simples de materiales que siguen la ley de Hooke. (Crédito de la foto: Dr.Pixel/Shutterstock)
Cualquier intento de devolver el resorte a su forma original sería inútil. A través de una investigación más a fondo, descubrí algo aún más fascinante. Cada material posee un cierto nivel de «elasticidad», o científicamente hablando, elasticidad.
Explicación de la elasticidad y plasticidad
Las fuerzas que causan cambios en la forma física de los objetos se llaman tensiones. Cuando un objeto se deforma bajo estas tensiones, se dice que está bajo tensión. La elasticidad se refiere a la capacidad de un objeto de volver a su forma original una vez que se eliminan las tensiones. Sin embargo, ningún material es perfectamente elástico. Hay un punto en el que se deforma permanentemente o incluso se rompe. Este punto se llama límite elástico. Por otro lado, la plasticidad es la tendencia de un material a sufrir deformación física permanente.
Insertar subtítulo común – Las bandas de goma y la masilla son ejemplos de sustancias elásticas y plásticas. (Crédito de la foto: Sharomka & Whiteaster/Shutterstock)
Por lo tanto, todos los materiales tienen diferentes grados de elasticidad y plasticidad, y estas dos propiedades no pueden separarse. Algunos materiales son más elásticos que otros. Por ejemplo, una banda de goma es altamente elástica, pero eventualmente se romperá si se estira demasiado. De manera similar, la masilla es altamente plástica. Sin embargo, aún experimenta cierto rebote que puede no ser visible a simple vista.
Explicación de la ley de Hooke
La ley de Hooke es el principio fundamental que rige cómo se comporta un material cuando se somete a fuerzas de deformación. Solo se aplica dentro de los límites elásticos de un material y establece que la deformación de un material es directamente proporcional a la fuerza o tensión de deformación aplicada.
Esto se puede representar matemáticamente mediante la ecuación:
F ∝ X
Donde F representa la fuerza de deformación, también conocida como tensión.
La tensión o cambio de dimensiones resultante de la aplicación de estrés se denota por x. Para establecer una proporcionalidad, la Ley de Hooke introduce la constante de resorte (K), que es una característica del material. La tensión se multiplica por un signo negativo para tener en cuenta la tendencia del cuerpo a volver a su estado original cuando se eliminan las fuerzas externas. Esta relación se puede expresar como F = -Kx. La representación gráfica de la Ley de Hooke implica trazar el estrés contra la tensión, donde la tensión representa la deformación causada por el estrés. En la zona elástica, el aumento en la tensión es directamente proporcional al estrés hasta que se alcanza el límite elástico, más allá del cual la ley ya no es aplicable. La región plástica se caracteriza por deformación irreversible y está marcada por el punto de cedencia, que indica el inicio de la falla mecánica o fractura del material.
Cuando el estrés supera el límite de elasticidad, el material alcanza el punto de tensión última. En este punto, el material comienza a contraerse y eventualmente se rompe.
Desviación de la Ley de Hooke
Un material que no cumple con la Ley de Hooke desde las etapas iniciales de su curva de estrés-deformación se considera no-Hookeano.
Estos materiales no vuelven a su forma o energía original.
Materiales altamente plásticos, frágiles o dúctiles son ejemplos comunes de materiales no-Hookeanos. Ejemplos incluyen tela (altamente plástica), vidrio o hierro fundido (altamente frágiles) y cobre (altamente dúctil).
El vidrio no puede soportar cargas deformantes y se rompe (Crédito de la foto: Kichigin/Shutterstock)
Materiales Neo-Hookeanos
Los avances en ciencia de materiales han llevado a la identificación de materiales neo-Hookeanos. Los materiales neo-Hookeanos son hiperelásticos y, aunque pueden volver a su estado original, no siguen la Ley de Hooke. Su relación de estrés-deformación está influenciada por factores como la temperatura, viscosidad y estructura interna del material.
Sustancias hiperelásticas como el caucho, la resina y la abductina son ejemplos de materiales neo-Hookeanos.
Aplicación de la Ley de Hooke
Las balanzas de resorte son una aplicación simple pero efectiva de la Ley de Hooke (Crédito de la foto: Ivan Orekhov/Shutterstock)
A pesar de las desviaciones, la Ley de Hooke es ampliamente aceptada y aplicable a la mayoría de los materiales, incluso dentro de un rango limitado de estrés. Sirve como base para muchas máquinas y equipos que operan bajo tensión y compresión.
La Ley de Hooke se aplica comúnmente en varios dispositivos como tubos de Bourdon, balanzas de resorte y manómetros.