Informe Impacto.docx

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

IMPACTO DUVAN ANDRES PUENTES CASSAB JOOSE LUIS GRANADOS LUIS MIER Profesor: ING. Yamith Cantillo Mier Ingeniería civil Laboratorio de resistencia de materiales. Grupo: AN 06 de septiembre de 2018

Resumen En el presente trabajo se calculó la constante de Planck utilizando el efecto fotoeléctrico externo, empleando una celda fotoeléctrica de Potasio y un amplificador de voltaje PHIWE. Se colocaron varios filtros diseñados para diferentes longitudes de onda y para cada uno se midió el voltaje de frenado de los electrones para la celda de Potasio, del ajuste lineal por medio del método de los mínimos cuadrados se obtuvo la constante de Planck, cual arrojó un resultado de h  6.16 x10-34 J / s con un error porcentual de 7.09%. Palabras claves Constante de Planck, Efecto Fotoeléctrico, Voltaje de frenado, Ajuste lineal, método de los mínimos cuadrados

Abstract In the present work, Planck's constant calculated using the external photoelectric effect, using a potassium photoelectric cell and a voltage amplifier Phiwe. Multiple filters were placed designed for different wavelengths and for each measured braking voltage electrons for cell Potassium, linear adjustment by the method of least squares constant, was obtained h  6.16 x10-34 J / s , which showed a result of with a percentage error of 7.09%. Keywords Planck's constant, Photoelectric Effect, Braking voltage, Linear adjustment, least square method

INTRODUCCION Se define como resistencia a la ciencia que desarrolla la relación entre las fuerzas externas aplicadas a un cuerpo deformable y las fuerzas internas producto de esas fuerzas externas Teniendo en cuenta el concepto de resistencia y explicaciones en la guía y del profesor se llevó acabo la experiencia en el laboratorio en el cual llevamos a cabo este ensayo que tiene como nombre impacto por el método de Charpy, que consiste en someter unas probetas de madera (cedro) en dos tipos distintos de corte como son trasversal y longitudinal y en metales (cobre, bronce, aluminio y acero) a la cual se le hace una especie de abertura para obligar al material a fallar por esa parte y en con una maquina en forma de un péndulo con una pesa en su punta que se deja caer a una altura determinada para que esta haga un impacto en la probeta, este ensayo se realiza con la finalidad de obtener la energía absorbida, para determinar la ductilidad o fragilidad de los diferentes materiales dicho esto en el siguiente informe se presentara los datos y resultados que obtuvimos en el laboratorio

1

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

OBJETIVOS OBJETIVOS GENERAL Realizar el análisis de impactar una probeta estándar mediante un péndulo que se deja caer desde cierta altura OBJETIVOS ESPECÍFICO  Determinar la tenacidad de los materiales por medio de la prueba de impacto  Encontrar la cantidad de energía absorbida por el material sometido a impacto.

MARCO TEÓRICO Impacto De Charpy La determinación de la energía absorbida estará dada por la diferencia entre la energía potencial inicial del péndulo y la determinada posteriormente. Esa pérdida de energía potencial del péndulo es producto de la disipación que se genera en la probeta impactada y dicha cantidad de energía dependerá de la Tenacidad del material y por ende su ductilidad. El tipo de falla presentada al final del ensayo es una propiedad importante del tipo de material; ya que este, puede generar una falla frágil, o por el contrario con mayor deformación inelástica MAQUINA

PROBETAS

Factores Que Influyen En Los Resultados

2

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

En este ensayo se destacan tres factores que determinan el modo de fractura de las probetas que se van a ensayar, ellos son la velocidad de aplicación de la carga, el radio de la entalla y la influencia de la temperatura  Velocidad de aplicación de la carga El modo de fractura depende de la formación y propagación de la grieta y esta a su vez depende de la energía que absorba el material. A mayor energía potencial mayor velocidad de impacto alcanzara el péndulo y mayor energía cinética tendrá al impactar la probeta.  El radio de la entalla La marca que se realiza a la probeta se hace con el fin de facilitar la falla. Alrededor del entalle se generan zonas críticas de concentración de esfuerzos, los que las convierte en puntos frágiles y en el que los esfuerzos serán mayores  Influencia de la temperatura Ante fuerza de impacto adquieren un comportamiento especifico dependiendo de su temperatura, altas temperaturas se tornan dúctiles y de baja resistencia mecánica y a bajas temperaturas adquieren un comportamiento frágil, la temperatura a la cual el material pasa de absorber mucha energía a absorber poca se llama energía de transición y sirva para estimar la idoneidad de los materiales para ciertas aplicaciones. La temperatura de transición depende de factores como la composición, la microestructura, el tamaño del grano, el acabado superficial y la velocidad de deformación. Además, en el ensayo de impacto se presentan diferentes tipos de energía que de alguna u otra forma, siempre afectan la fuerza de impacto entre el péndulo y la probeta. Recordando el principio de la Física que dice, “La energía no desaparece, sino que se transforma”, tenemos:  ENERGÍA DE FROTAMIENTO: Energía que actúa en contra del movimiento pendular, generado por la acción del viento y el rozamiento entre las piezas de la máquina.  ENERGÍA DE ROTURA: Es la resistencia al choque. Se calcula como el trabajo gastado por unidad de sección transversal para romper el material de un golpe.  ENERGÍA ABSORBIDA: Energía de deformación almacena en la probeta.  ENERGÍA TOTAL DEL ENSAYO: Sumatoria total entre la energía de frotamiento y la energía absorbida. Y de los después de que la probeta recibe el impacto se puede determinar si la probeta es frágil o dúctil dependiendo de su falla

3

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Modelos matemáticos: 𝑯𝟏 = 𝑹 (𝟏 + 𝐬𝐢𝐧(𝜶𝟏 − 𝟗𝟎°)) ① Donde, H1: altura inicial del péndulo, R: brazo o longitud del péndulo; 𝛼1 : ángulo antes del impacto. 𝑯𝟐 = 𝑹 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝜶𝟐 )) ② Donde, H1: altura final del péndulo, R: brazo o longitud del péndulo; 𝛼2 : ángulo después del impacto. 𝑬𝑻 = 𝒎. 𝒈(𝑯𝟏 − 𝑯𝟐 ) ③ Donde, ET: energía total del ensayo; m: masa del péndulo; g: aceleración de la gravedad. 𝑬𝑨 = 𝑬𝑻 − 𝑬𝑭 ④ Donde, EA: energía absorbida por la probeta, EF: energía de frotamiento por las piezas de la máquina. 𝑬𝑰 = 𝑬𝑨 /𝑺 ⑤ Donde, EI: energía de impacto, S: área de corte de la sección transversal. 𝑽 = √𝟐. 𝒈. 𝑯𝟏 ⑥ Donde, V: velocidad de ensayo. 𝑭𝟏 = 𝟐 . 𝒎 . 𝒈 ⑦ Donde, F1: fuerza de impacto. 𝝉 = 𝑭 𝟏 ⁄𝑺 ⑧ Donde, 𝜏: esfuerzo de impacto. 𝑺 = (𝑨𝒏𝒄𝒉𝒐 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒓𝒐𝒃𝒆𝒕𝒂) 𝒙 (𝒆𝒔𝒑𝒆𝒔𝒐𝒓 𝒅𝒆𝒃𝒂𝒋𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍𝒍𝒆) ⑨ Donde, S: Área de la sección transversal de corte; donde el espesor debajo del entalle de las probetas metálicas es de 2mm, y para las probetas de madera es de 3mm.

4

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO (NTC 20-1)  Situar el péndulo en la posición más elevada de la máquina y se fija con el gancho de seguridad. Verificar ángulo de inclinación.  Se verifica que el dial de energía, marque 0 Julios y un ángulo de 0°.  Soltar el gancho o tornillo de seguridad y liberar el péndulo de oscilación.  Tomar la lectura de energía y ángulo final, una vez se complete una oscilación.  Repetir el procedimiento anterior, pero esta vez colocando las probetas a ensayar. Tener en cuenta que la muesca o entalle de la probeta de estar colocada en el lado opuesto al lado de impacto. Al final se tendrá los datos correspondientes a los ángulos de frotamiento y de impacto, así como la energía de frotamiento y de impacto para cada probeta ensayada. Estos datos más las medidas estándar de la máquina y la fuerza de gravedad, se procede a realizar los cálculos solicitados.

CONSIDERACIONES  Las velocidades de deformación recomendadas por la norma oscilan entre 5 y 5.5 m/s.  El borde de la masa pendular debe tener un ancho de aproximadamente 4 mm, redondeado con un radio de 8 mm.  La velocidad de impacto modifica los valores de la energía de rotura.

CÁLCULOS Y RESULTADOS Datos de la maquina:    

R = 390mm = 0,39 m 𝛼1 = 161° 𝑚 = 2,5 𝐾𝑔 g = 9,81 m/s2

 De la ecuación ① encontramos la altura inicial del péndulo: 𝐻1 = 0,39𝑚 (1 + sin(161° − 90°)) = 0,75 m  Cálculo de energía de frotamiento por parte de las piezas de la maquina: Energía de frotamiento se obtuvo al realizar el ensayo de Charpy sin probeta, debido a que el procedimiento se realizó dos veces, se procede a promediar los valores. 𝐸̅𝐹 =

0,5 𝑗 + 0,6 𝑗 = 0,55𝑗 2

5

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

 Velocidad de impacto de ⑥ 𝑉 = √2. (9,81 𝑚⁄𝑠 2 ). (0,75𝑚) = 3,83 𝑚⁄𝑠  Fuerza de impacto de ⑦ 𝐹1 = 2. (2,5𝐾𝑔). (9,81 𝑚⁄𝑠 2 ) = 49,05𝑁  Cálculo de energías para cada probeta ensayada: Material Dimensiones (mm) 𝜶𝟐 (°) Acero 85 50,7 x 6,35 x 6,35 Bronce 127 50,6 x 6,35 x 6,35 Cobre 98 51 x 7,6 x 6,5 Tabla 1: Datos obtenidos en el laboratorio para las probetas metálicas.

Energía Final (j) 8,0 2,8 6,3

Fibras Transversales Dimensiones (mm) Energía Final (j) 𝜶𝟐 (°) Numero 1 148 56 x 12 x 12 0,8 Numero 2 149 64 x 12,5 x 12,5 0,7 Fibras Longitudinales Dimensiones (mm) Energía Final (j) 𝜶𝟐 (°) Numero 3 141 51 x 8 x 8 1,3 Numero 4 144 50 x 8,5 x 9 1,1 Tabla 2: Datos obtenidos en el laboratorio para las probetas de madera.



Acero:

Altura final del péndulo de ②: 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟖𝟓°)) = 𝟎, 𝟔𝒎 Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎. 𝟔) = 𝟑, 𝟔𝟖𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟑, 𝟔𝟖𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟑, 𝟏𝟑𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟔, 𝟑𝟓𝒎𝒎) 𝒙 (𝟔, 𝟑𝟓𝒎𝒎 − 𝟐𝒎𝒎) = 𝟐𝟕, 𝟔𝟐𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟑, 𝟏𝟑𝒋/𝟐𝟕, 𝟔𝟐 = 𝟎, 𝟏𝟏𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟐𝟕, 𝟔𝟐𝒎𝒎𝟐 = 𝟏, 𝟕𝟖𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Bronce:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟏𝟐𝟕°)) = 𝟎, 𝟏𝟓𝒎

6

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎. 𝟏𝟓) = 𝟏𝟒. 𝟕𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟏𝟒, 𝟕𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟏𝟒, 𝟏𝟓𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟔, 𝟑𝟓𝒎𝒎) 𝒙 (𝟔, 𝟑𝟓𝒎𝒎 − 𝟐𝒎𝒎) = 𝟐𝟕, 𝟔𝟐𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟏𝟒, 𝟏𝟓𝒋/𝟐𝟕, 𝟔𝟐 = 𝟎, 𝟓𝟏𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟐𝟕, 𝟔𝟐 = 𝟏, 𝟕𝟖𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Cobre:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟗𝟖°)) = 𝟎, 𝟑𝟒𝒎 Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎. 𝟑𝟒) = 𝟏𝟎, 𝟎𝟓𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟏𝟎, 𝟎𝟓𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟗, 𝟓𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟕, 𝟔𝒎𝒎) 𝒙 (𝟔, 𝟓𝒎𝒎 − 𝟐𝒎𝒎) = 𝟑𝟒, 𝟐𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟗, 𝟓𝒋/𝟑𝟒, 𝟐 = 𝟎, 𝟐𝟖𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟑𝟒, 𝟐 = 𝟏, 𝟒𝟑𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Madera, Fibras transversales 1:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟏𝟒𝟖°)) = 𝟎, 𝟎𝟔𝒎 Altura final = 0,75m – 0.06m = 0,69m Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓𝒎 − 𝟎, 𝟔𝟗𝒎) = 𝟏, 𝟒𝟕𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟏, 𝟒𝟕𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟎, 𝟗𝟐𝒋

7

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟏𝟐𝒎𝒎) 𝒙 (𝟏𝟐𝒎𝒎 − 𝟑𝒎𝒎) = 𝟏𝟎𝟖𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟎, 𝟗𝟐𝒋⁄𝟏𝟎𝟖 = 𝟖, 𝟓𝟐𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟏𝟎𝟖𝒎𝒎𝟐 = 𝟎, 𝟒𝟓𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Madera, Fibras transversales 2:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟏𝟒𝟗°)) = 𝟎, 𝟎𝟓𝟓𝒎 Altura final = 0,75m – 0,055m = 0,695m Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎, 𝟔𝟗𝟓) = 𝟏, 𝟑𝟓𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟏, 𝟑𝟓𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟎, 𝟖𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟏𝟐, 𝟓𝒎𝒎) 𝒙 (𝟏𝟐, 𝟓𝒎𝒎 − 𝟑𝒎𝒎) = 𝟏𝟏𝟖, 𝟕𝟓𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟎, 𝟎𝟖𝒋⁄𝟏𝟏𝟖, 𝟕𝟓 = 𝟔, 𝟕𝟒𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟏𝟏𝟖, 𝟕𝟓 = 𝟎, 𝟒𝟏𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Madera, Fibras longitudinales 3:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟏𝟒𝟏°)) = 𝟎, 𝟎𝟖𝟕𝒎 Altura final = 0,75m – 0,087m = 0,663m Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎, 𝟔𝟔𝟑) = 𝟐, 𝟏𝟑𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟐, 𝟏𝟑𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟏, 𝟓𝟖𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟖, 𝟎𝒎𝒎) 𝒙 (𝟖, 𝟎𝒎𝒎 − 𝟑𝒎𝒎) = 𝟒𝟎𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟏, 𝟓𝟖𝒋⁄𝟒𝟎, 𝟎 = 𝟎, 𝟎𝟒𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧

8

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟒𝟎 = 𝟏, 𝟐𝟐𝑵/𝒎𝒎𝟐 

Madera, Fibras longitudinales 4:

Altura final del péndulo de ② 𝑯𝟐 = 𝟎, 𝟑𝟗𝒎 (𝟏 + 𝐜𝐨𝐬(𝟏𝟒𝟒°)) = 𝟎, 𝟎𝟕𝟒𝒎 Altura final = 0,75m – 0,074m = 0,676m Energía total del ensayo de ③ : 𝑬𝑻 = (𝟐, 𝟓 𝑲𝒈). (𝟗, 𝟖𝟏 𝒎⁄𝒔𝟐 ) (𝟎, 𝟕𝟓 − 𝟎, 𝟔𝟕𝟔) = 𝟏, 𝟖𝟏𝒋 Energía absorbida por la probeta de ④ 𝑬𝑨 = 𝟏, 𝟖𝟏𝒋 − 𝟎, 𝟓𝟓𝒋 = 𝟏, 𝟐𝟔𝒋 Área de corte de la sección transversal ⑨ 𝑺 = (𝟖, 𝟓𝒎𝒎) 𝒙 (𝟗, 𝟎𝒎𝒎 − 𝟑𝒎𝒎) = 𝟓𝟏𝒎𝒎𝟐 Energía de impacto de ⑤ 𝑬𝑰 = 𝟏, 𝟐𝟔𝒋/𝟓𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟓𝒋 Esfuerzo de impacto de ⑧ 𝝉 = 𝟒𝟗, 𝟎𝟓𝑵⁄𝟓𝟏 = 𝟎, 𝟗𝟔𝑵/𝒎𝒎𝟐

ANÁLISIS Y CONCLUSIÓN Sabiendo que la tenacidad de un material es la Propiedad mecánica que indica la capacidad de absorción de energía que posee un material y que el ensayo de impacto de Charpy por medio de un péndulo que realiza un impacto a las probeta pudimos determinar las propiedad mecánica del material y determinar lo que en la guía nos pedía pudimos concluir que falla presentaba cada material que en la madera es un materia frágil mientras que en los metales se presenta un poco más la ductilidad la cual se observó una correlación entre la ductilidad y la energía absorbida ya que entre más dúctil es el material más energía absorbe y que en el caso de la madera absorbía más energía si su corte es longitudinal y nos dimos cuenta que este ensayos nos permitirá realizar un análisis de que material podremos escoger a la hora de realizar una construcción. Anexos

Bibliografía  Guía de laboratorio  https://es.slideshare.net  https://es.wikipedia.org

9