Nocões Básicas de Estática PDF

1/33 Escola Secundaria de Ponte de Lima Mecânica dos materiais Noções básicas de estática Curso Profissional Técnico de manutenção industrial variante eletromecânica Disciplina Tecnologias e Processos Modulo 3 - Mecânica dos materi...

1/33 Escola Secundaria de Ponte de Lima Mecânica dos materiais Noções básicas de estática Curso Profissional Técnico de manutenção industrial variante eletromecânica Disciplina Tecnologias e Processos Modulo 3 - Mecânica dos materiais Micael Freitas Nº16 Turma -11K 2024/25  2/33 Índice Introdução..........................................................................................................................3 1. Noções básicas de estática...............................................................................................4 1.1. Tipos de esforços sobre os materiais: Tração, compressão, corte, flexão e torção...........4 1.2. Diagrama de Tração – deformação................................................................................7 1.3. Deformação elástica e plástica......................................................................................9 1.4. Resistência à tração – compressão, Leis de Hooke e de Poisson.................................... 11 1.5. Tensão admissível e coeficiente de segurança.............................................................. 13 1.6. Encurvadura, Fórmula de Euler.................................................................................... 14 1.7. Resistência ao corte.................................................................................................... 16 1.8. Resistência à flexão, módulo de inércia e momento fletor............................................ 17 1.9. Diagrama dos momentos fletores e esforços transversos............................................. 19 1.10. Resistência à torção, momento torsor........................................................................ 21 1.11. Fadiga e concentração de tensões.............................................................................. 23 1.12. Rotura frágil; rotura dúctil; temperatura.................................................................... 24 2. Ensaios.......................................................................................................................... 25 2.1. Oficinais...................................................................................................................... 26 2.2. Laboratoriais............................................................................................................... 27 2.2.1. Destrutivos: Tracção, dureza, dobragem, choque, fadiga e fluência........................... 28 2.2.2. Não destrutivos: métodos visuais, magnetoscopia, líquidos penetrantes, radiografia industrial, ultra sons e outros............................................................................................. 30 Conclusão.......................................................................................................................... 32 Webgrafia......................................................................................................................... 33  3/33 Introdução Este trabalho tem como objetivo investigar os princípios fundamentais da estática e os ensaios de materiais, abordando os diferentes tipos de esforços que os materiais podem suportar e os métodos utilizados para avaliar sua resistência. A estática analisa os corpos em equilíbrio sob a ação de forças, sendo essencial para a engenharia e o desenvolvimento de estruturas seguras e eficientes. Os ensaios laboratoriais, tanto destrutivos quanto não destrutivos, desempenham um papel crucial na verificação de que os materiais atendem às especificações necessárias para diversas condições de operação. Durante este estudo, serão discutidos os principais tipos de esforços aplicados aos materiais, como tração, compressão, flexão, corte e torção. Também serão abordados temas como deformação elástica e plástica, resistência dos materiais, e as leis de Hooke e Poisson. Além disso, serão apresentados métodos de análise de resistência, incluindo ensaios destrutivos e não destrutivos. Por fim, será discutido o impacto da fadiga, a concentração de tensões e o comportamento dos materiais sob condições extremas de temperatura.  4/33 1. Noções básicas de estática 1.1. Tipos de esforços sobre os materiais: Tração, compressão, corte, flexão e torção Tração: A tração pode ser resumida como aquele esforço de alongar ou esticar um material – o mesmo que fazemos ao esticar uma corda. Isso facilmente pode ser identificado em projetos de estruturas que precisam suportar cargas suspensas, como pontes com cabos de aço. Compressão: A compressão é o oposto da tração. Enquanto a tração estica os materiais, a compressão os empurra, fazendo com que se encurtem. Por exemplo, ao empurrar uma parede, ela seria compactada. Para que as construções resistam a essas forças, os engenheiros devem garantir que os materiais sejam de qualidade e calcular corretamente a resistência de elementos estruturais como pilares e colunas, evitando que falhem ao suportar cargas verticais.  5/33 Corte: O esforço de corte é quando sobre o material atuam forças em sentido contrário que tendem a rompe-lo ou a separa-lo numa secção Um exemplo simples é o uso de uma tesoura: ao fechar as lâminas, elas aplicam forças em sentidos contrários, cortando o papel. Flexão: A flexão é um tipo de esforço que ocorre quando uma força é aplicada de forma perpendicular, fazendo um objeto dobrar ou curvar. Por exemplo, se você pegar um lápis com as duas mãos e empurrar o meio para baixo, ele se curva.  6/33 Torção: O esforço de torção ocorre quando uma força é aplicada em direções opostas em extremidades diferentes de um objeto, fazendo com que ele gire em torno do seu eixo. Um exemplo simples de esforço de torção pode ser o ato de torcer uma toalha para remover a água.  7/33 1.2. Diagrama de Tração – deformação Gráfico típico de tensão x deformação de um ensaio de tração A partir das medidas de cargas e os respetivos alongamentos, constrói-se o gráfico de tensão x deformação, como mostra a figura, a qual mostra essa relação para diferentes tipos de Metais. A análise dos gráficos obtidos com os ensaios de tração permite o levantamento de inúmeras informações que são apresentadas a seguir: Pode ser observado a proporcionalidade entre a tensão aplicada (σ) e a deformação (ε).  8/33 Deformação Plástica: À medida que o material continua a ser deformado além do regime elástico, a tensão deixa de ser proporcional à deformação e, portanto, a lei de Hooke não mais será obedecida, ocorrendo uma deformação permanente e não recuperável denominada deformação plástica. Para a maioria dos materiais metálicos, a transição do comportamento elástico para o plástico é gradual, ocorrendo uma curvatura no ponto de surgimento da deformação plástica, a qual aumenta mais rapidamente com a elevação de tensão. Limite elástico: O limite elástico, também denominado limite de elasticidade e limite de fluência, é a tensão máxima que um material elástico pode suportar sem sofrer deformações permanentes após a retirada da carga externa. Ou seja, dentro do limite elástico o material retorna ao seu estado normal elástico depois de sofrer uma dada deformação. Limite de proporcionalidade: É o limite ao qual a tensão aplicada não é mais proporcional ao alongamento, ou seja, o material não apresenta mais linearidade. Limite de resistência: O limite de resistência à tração (algumas vezes representada pela sigla LRT) é a tensão no ponto máximo do gráfico de tensão deformação de engenharia, a qual corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura sob tração. Observando o gráfico ainda da, após o escoamento a tensão necessária para continuar o processo de deformação plástica em materiais metálicos aumenta até alcançar um valor máximo e a partir desse ponto, a tensão diminui até a fratura do material. Isso ocorre devido à rápida diminuição da seção resistente do corpo de prova ao se ultrapassar a tensão máxima, sendo expressa pela equação:  9/33 1.3. Deformação elástica e plástica Deformação elástica ocorre quando um material é submetido a uma força externa, alterando temporariamente a sua forma. Quando a força é removida, o material retorna à sua forma original, pois as suas ligações moleculares esticam ou comprimem sem sofrer danos permanentes. Esta deformação manifesta-se de várias maneiras, como alongamento, compressão ou torção, dependendo da força aplicada. No entanto, só acontece dentro do limite elástico do material, que é o ponto até onde ele pode voltar ao estado inicial. Segundo a Lei de Hooke, a deformação é proporcional à tensão aplicada, desde que o limite elástico não seja ultrapassado. A deformação elástica é reversível, com as moléculas a retomarem a posição de equilíbrio após a remoção da força. Esta propriedade tem várias aplicações, como em molas, borrachas e metais, onde é usada para absorver energia ou moldar materiais sem que percam as suas características estruturais.  10/33 A deformação plástica, ou permanente, é quando um material sofre uma alteração irreversível na sua forma, mesmo após a remoção da força que o deformou. Ao contrário da deformação elástica, em que o material retorna à forma original, a deformação plástica envolve uma reorganização interna dos átomos ou moléculas, resultando numa mudança definitiva. Este fenómeno ocorre em materiais como metais, polímeros e cerâmicas, sendo influenciado por fatores como forças externas, temperatura elevada ou impactos mecânicos. A sua magnitude depende de propriedades como a ductilidade e a resistência do material. A deformação plástica é usada em processos de conformação mecânica, como forjamento e laminação, e é essencial em projetos de engenharia para garantir a segurança das estruturas.  11/33 1.4. Resistência à tração – compressão, Leis de Hooke e de Poisson Resistência à Tração e Compressão: A resistência à tração e à compressão são propriedades fundamentais para avaliar o comportamento mecânico dos materiais quando submetidos a esforços externos. No ensaio de tração, aplica-se uma força que tende a alongar o material até que ele rompa, determinando sua resistência. Já no ensaio de compressão, a força aplicada comprime o material, medindo sua resistência à deformação e à eventual ruptura sob compressão.  12/33 Lei de Hooke: A Lei de Hooke descreve a relação linear entre tensão e deformação elástica em materiais, até que se atinja o limite de elasticidade. A tensão é proporcional à deformação dentro desse limite, e o módulo de elasticidade (ou Módulo de Young) é o coeficiente que define essa relação. Lei de Poisson: A Lei de Poisson descreve a relação entre a deformação longitudinal e a deformação lateral de um material quando ele é submetido a um esforço de tração ou compressão. O coeficiente de Poisson é a razão entre a deformação lateral e a longitudinal, sendo importante para a análise tridimensional de materiais.  13/33 1.5. Tensão admissível e coeficiente de segurança A tensão admissível representa o valor-limite da tensão a que um determinado componente de um material específico pode ser submetido, servindo de base para o dimensionamento das suas secções resistentes. A sua determinação leva em conta tanto as propriedades mecânicas do material selecionado como o tipo de solicitações a que estará sujeito (por exemplo, carga estática ou variável, vibrações ou choques). Além disso, é necessário considerar fatores aleatórios ou imprevistos, utilizando-se para isso um coeficiente de segurança. A relação entre a resistência mecânica do material e a tensão admissível (definida pelo coeficiente de segurança) deve ser maior quando o estado de tensão é mais complexo ou indeterminado, ou ainda, quando o comportamento do material é menos previsível. Assim, em materiais como pedra natural e madeira, é aconselhável adotar coeficientes de segurança mais elevados. Por outro lado, para materiais como o aço, podem ser usados coeficientes mais baixos.  14/33 1.6. Encurvadura, Fórmula de Euler A encurvadura refere-se ao fenómeno de curvatura ou arqueamento de um objeto, especialmente em estruturas submetidas a forças que resultam em deformação. Em engenharia e estática, a encurvadura é importante para o estudo de como vigas e colunas podem deformar-se sob compressão. Quando um material ou estrutura sofre compressão axial, pode deformar-se lateralmente, levando à instabilidade. Este fenómeno é crítico na engenharia, pois ajuda a determinar os limites de carga de compressão que uma estrutura pode suportar antes de falhar ou colapsar.  15/33 Fórmula de Euler: A Fórmula de Euler para colunas é usada para calcular a carga crítica (P) que causa a encurvadura em uma coluna longa. A fórmula é:  16/33 1.7. Resistência ao corte A resistência ao corte refere-se à capacidade de um material suportar forças que atuam paralelamente às suas superfícies. Este tipo de esforço provoca a separação ou deslizamento das camadas internas do material. Em estruturas, é crucial compreender a resistência ao corte, especialmente em componentes como vigas e placas, onde as forças transversais podem induzir falhas. Os materiais apresentam comportamentos distintos sob esforços de corte, sendo que os metais, por exemplo, costumam ter boa resistência, enquanto materiais como o betão podem ser mais suscetíveis a fraturas. A resistência ao corte é avaliada através de ensaios específicos, como o ensaio de cisalhamento, onde uma amostra é submetida a forças até atingir o ponto de rutura. É vital garantir que a tensão de corte não ultrapasse a tensão admissível, evitando assim falhas estruturais. O conhecimento desta propriedade é essencial na engenharia civil e na construção de estruturas seguras e eficientes.  17/33 1.8. Resistência à flexão, módulo de inércia e momento fletor Resistência à flexão: Resistência á flexão é a capacidade de um material resistir a cargas que provocam a sua flexão. Este tipo de resistência é fundamental para materiais expostos a momentos fletores, como vigas, pois determina a quantidade de força que o material consegue suportar sem falhar estruturalmente.  18/33 Módulo de inércia: O Módulo de Inércia também conhecido como "momento de inércia", o módulo de inércia é uma propriedade geométrica da secção transversal de uma viga que indica a distribuição da área em torno de um eixo. Quanto maior for o módulo de inércia, maior será a capacidade da secção de resistir à flexão, uma vez que este influencia diretamente a rigidez estrutural. Momento Fletor: O momento fletor pode ser definido como o momento resultante de todas as forças que são aplicadas na estrutura. Quando se trata de flexão, é possível conhecer o valor do momento fletor em cada ponto da estrutura. O momento fletor também pode ser positivo ou negativo. - Quando as fibras inferiores da estrutura são comprimidas, o momento fletor é negativo. - Quando as fibras inferiores da estrutura são tracionadas, o momento fletor é positivo.  19/33 1.9. Diagrama dos momentos fletores e esforços transversos Diagrama dos momentos fletores Representa a variação dos momentos fletores ao longo de uma viga ou estrutura. O momento fletor está associado à capacidade de uma secção da estrutura resistir à flexão. Este é um diagrama de esforços cortantes e momentos fletores (DMF), a seguir está a explicação sobre os elementos apresentados no diagrama: 1. DMF (kN·m): Indica o momento fletor ao longo da viga, geralmente expresso em quilonewtons-metros (kN·m). O momento fletor representa a tendência da viga de dobrar sob a ação das forças. 2. Mₘáx: O valor máximo do momento fletor ocorre no ponto de maior solicitação estrutural, geralmente no meio do vão ou próximo a uma carga concentrada. Esse tipo de diagrama é crucial para projetar vigas, pois ajuda a determinar onde reforçar a estrutura para resistir aos esforços.  20/33 Esforços transversos Apresenta a distribuição dos esforços cortantes ao longo da mesma estrutura. Estes esforços correspondem a forças internas que atuam no sentido de cortar a secção transversal. Seções Transversais: Exibe uma seção com um perfil "T" e uma forma mais estreita na parte inferior, sugerindo um design de conexão que proporciona resistência estrutural. bw (largura da base):Indica a largura da parte mais larga do perfil "T", que é essencial para calcular a resistência e a estabilidade da estrutura. Elementos de fixação:Os pontos pretos podem representar locais para soldagem ou para o uso de parafusos, essenciais para a junção das partes na construção Esforços transversos são comuns em estruturas metálicas, como em edifícios e pontes, onde a resistência e a estabilidade são fundamentais.  21/33 1.10. Resistência à torção, momento torsor A resistência à torção é a capacidade de um material ou estrutura para resistir a esforços que provocam uma rotação ou torção ao longo do seu eixo longitudinal. Este tipo de esforço surge quando forças de torção (ou momentos torsores) são aplicadas em direções opostas nas extremidades de um objeto, causando uma deformação angular. Materiais sujeitos a torção, como eixos, barras e cilindros, devem ser cuidadosamente projetados para suportar estes momentos sem sofrer falhas estruturais. Na engenharia, a resistência à torção é essencial para eixos, vigas e componentes de máquinas, garantindo que suportem forças rotacionais sem falhas estruturais.  22/33 O momento torsor, ou momento de torção, é o valor da força que causa a torção de um objeto. Esse momento é calculado como o produto da força aplicada e a distância entre o ponto de aplicação da força e o centro de rotação. A fórmula geral para o momento torsor é: Mt=F×r onde: Mt é o momento torsor (em N·m), F é a força aplicada (em N), r é a distância radial do ponto de aplicação da força ao centro do eixo (em metros).  23/33 1.11. Fadiga e concentração de tensões A fadiga é um processo de falha de um material causado pela aplicação repetida ou cíclica de cargas, mesmo que a tensão aplicada seja inferior à resistência máxima do material. Com o tempo, essa repetição de tensões origina microfissuras, que podem se expandir, resultando na fratura do material. Este fenômeno é comum em componentes sujeitos a forças variáveis, como peças de veículos, aviões e pontes. A concentração de tensões refere-se ao aumento local da tensão em regiões específicas de um material, como em entalhes, furos ou descontinuidades geométricas. Nessas áreas, a tensão pode ser muito superior à média aplicada, o que facilita o início da fadiga. O fator de concentração de tensões (𝐾𝑡) quantifica esse aumento e é um parâmetro importante para a previsão da vida útil do material. A fadiga é mais comum em locais com concentração de tensões, como entalhes ou descontinuidades, que aceleram as falhas.  24/33 1.12. Rotura frágil; rotura dúctil; temperatura Rotura frágil A rotura frágil ocorre quando um material se parte sem sofrer deformações significativas. Este tipo de fratura é comum em materiais com baixa capacidade de deformação plástica, como alguns metais e cerâmicas. Geralmente, acontece sob tensões baixas, com o crescimento das fissuras a ocorrer de forma instável e rápida, sem que o material sofra grandes deformações antes de se romper. Rotura Dúctil A rotura dúctil caracteriza-se pela capacidade do material de se deformar consideravelmente antes de se romper. Este tipo de fratura ocorre em materiais mais flexíveis, como certos metais, que podem esticar ou contrair sob tensão. A deformação plástica é bem visível, permitindo que o material absorva mais energia antes da falha, o que é essencial para a segurança estrutural.  25/33 Temperatura A temperatura tem um impacto direto no tipo de fratura de um material. Em temperaturas mais baixas, os materiais tornam-se mais frágeis, resultando em fraturas do tipo frágil. À medida que a temperatura aumenta, a ductilidade do material tende a melhorar, o que permite uma maior capacidade de deformação antes da falha, favorecendo uma fratura dúctil. 2. Ensaios  26/33 Os ensaios são métodos utilizados para avaliar a qualidade, a segurança e o desempenho de materiais ou componentes, dividindo-se em ensaios destrutivos e ensaios não destrutivos. Os END verificam a integridade de materiais sem causar danos permanentes, sendo amplamente usados em manutenção e fabricação. Exemplos incluem: 1. Radiografia Industria. 2. Magnetoscopia 3. Líquidos Penetrantes 4. Ultrassons 5. Inspeção Visual Os END são essenciais para garantir a segurança e a conformidade com normas, especialmente em setores críticos como aviação e energia. 2.1. Oficinais  27/33 Os ensaios oficinais são realizados diretamente em ambientes de trabalho prático ou oficinas técnicas, com foco em testes funcionais ou operacionais em peças, sistemas ou equipamentos. Esses ensaios são projetados para identificar problemas antes do uso final ou durante a manutenção. 1. Testes de montagem e ajuste: Verificam o encaixe correto de peças e componentes em sistemas maiores. 2. Verificação funcional: Avalia o desempenho de máquinas ou dispositivos em condições de operação simulada. 3. Testes de desgaste e operação contínua: Realizados para verificar como os materiais ou peças reagem sob condições práticas de uso prolongado, incluindo fatores como calor e atrito. 4. Inspeção visual: Comumente usada para verificar defeitos aparentes, como rachaduras, deformações ou desalinhamentos. Esses testes são indispensáveis para garantir que os materiais e componentes atendam às especificações antes de seguirem para ensaios laboratoriais mais detalhados ou para uso prático. 2.2. Laboratoriais  28/33 Os ensaios laboratoriais são realizados em condições controladas para analisar as propriedades dos materiais, garantindo a sua qualidade e a conformidade com padrões técnicos. Esses ensaios verificam resistência, durabilidade, defeitos ou falhas e são essenciais em setores como construção, automotivo e aeronáutico. Alguns exemplos de técnicas utilizadas incluem: Tração: Testa como o material responde a forças de estiramento, fornecendo dados sobre sua resistência máxima e deformação antes de romper. Dureza: Mede a capacidade do material de resistir a arranhões, deformações ou penetrações. Dobramento: Verifica como o material se comporta ao ser submetido a flexões repetidas ou forçadas. Impacto: Avalia a resistência a choques repentinos. Fadiga: Mede a resposta do material a esforços repetitivos. Fluência: Analisa deformações causadas por cargas constantes durante longos períodos. 2.2.1. Destrutivos: Tracção, dureza, dobragem, choque, fadiga e fluência  29/33 Os ensaios destrutivos têm como objetivo avaliar as propriedades mecânicas e a resistência dos materiais até o ponto de ruptura, sendo imprescindíveis em diversas indústrias. 1. Tração: Um corpo de prova padronizado é submetido a uma força de tração axial até romper. Este ensaio mede propriedades como tensão de escoamento, resistência máxima e alongamento total do material. 2. Dureza: Determina a resistência do material à penetração ou deformação permanente ao aplicar uma carga concentrada. 3. Dobragem: Consiste em dobrar uma amostra do material para avaliar sua ductilidade e resistência a deformações permanentes. Utilizado em chapas e metais. 4. Choque: Testa a capacidade do material de absorver energia e resistir a impactos repentinos, como em situações de colisões. 5. Fadiga: Mede a durabilidade do material submetido a tensões cíclicas repetidas, até que ocorra falha estrutural. 6. Fluência: Avalia deformações permanentes de um material ao ser submetido a uma carga constante por longos períodos, geralmente em altas temperaturas. Esses ensaios são fundamentais para prever o desempenho de materiais em condições reais.  30/33 2.2.2. Não destrutivos: métodos visuais, magnetoscopia, líquidos penetrantes, radiografia industrial, ultra sons e outros Os ensaios não destrutivos são métodos utilizados para inspecionar materiais e componentes sem causar danos às peças ou alterar suas propriedades. As principais técnicas incluem: 1. Métodos Visuais: Inspeções realizadas a olho nu ou com dispositivos como lupas e câmeras, para detectar irregularidades na superfície de peças. 2. Magnetoscopia: Usa campos magnéticos para identificar descontinuidades em materiais ferromagnéticos, como rachaduras ou falhas próximas à superfície. 3. Líquidos Penetrantes: Aplica-se um líquido que penetra em fissuras abertas na superfície; após a remoção do excesso e a aplicação de um revelador, as falhas tornam-se visíveis. 4. Radiografia Industrial: Utiliza raios-X ou raios gama para gerar imagens internas de peças, permitindo a detecção de porosidades, trincas e outros defeitos internos. 5. Ultra-sons: Baseia-se em ondas sonoras de alta frequência que, ao atravessar o material, detectam descontinuidades internas por meio de reflexões anômalas. 6. Outros Métodos: Incluem correntes parasitas, termografia e técnicas acústicas que analisam propriedades específicas de materiais para localizar defeitos. Essas técnicas são amplamente aplicadas em inspeções industriais para garantir segurança e qualidade. 31/33  32/33 Conclusão Concluímos que entender os esforços que os materiais são capazes de suportar, bem como os métodos utilizados para avaliá-los, é crucial para garantir a segurança e eficiência de projetos de engenharia. Os ensaios laboratoriais, tanto destrutivos quanto não destrutivos, fornecem uma análise detalhada das propriedades dos materiais, permitindo prever o desempenho das estruturas em diversas condições. A aplicação correta desses conceitos e técnicas de ensaio é essencial para o desenvolvimento de materiais e estruturas mais resistentes e seguras.  33/33 Webgrafia https://slideplayer.com.br/slide/295199/ https://pt.slideshare.net/sammlacerda/noes-de-resistncias-dos-materiais-esforos-axiais-e- transversais#4 https://www.studocu.com/pt-br/document/instituto-politecnico-de- braganca/engenharia-mecanica/defor-plastica/4864232 https://www.studocu.com/pt/document/instituto-politecnico-de- braganca/engenharia-mecanica/defor-plastica/4864232 https://claudemiralves.weebly.com/uploads/3/8/6/2/3862918/flexao.pdf https://pt.slideshare.net/slideshow/os-materiais-26895025/26895025 https://eduplay.rnp.br/portal/video/130105