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Deformação plástica

Storyboard

Para pequenas deformações, o material sofre apenas uma deformação elástica, ou seja, ao retirar a carga, ele retorna à sua forma original. Para deformações maiores, os átomos podem sofrer deslocamentos maiores, alterando permanentemente a estrutura. Nestes casos, falamos de deformação plástica.

>Modelo

ID:(324, 0)


Mecanismos

Descrição


ID:(15576, 0)


Estrutura óssea

Descrição

O osso pode ser modelado como um cilindro oco, pois o material em seu interior não é capaz de suportar uma carga significativa. Portanto, ele é modelado geometricamente como um cilindro com propriedades o comprimento do corpo ($L$), o raio interno ($R_1$) e o rádio externa ($R_2$):



Portanto, o raio efetivo ($R$) é



la seção de elemento ($S$) é



e o momento de inércia da superfície ($I_s$) é


ID:(1915, 0)


Aplicação em fraturas

Descrição

No caso do osso, existem diferentes situações que levam à geração de tensões extremas que resultam em fraturas.

Uma situação é quando o osso está fixo em uma extremidade e é flexionado a partir da outra:



Um exemplo é uma pessoa caindo e apoiando-se em um ponto, criando um ponto fixo por atrito enquanto o centro de massa continua se movendo devido à inércia, flexionando o osso até que ele frature.

Outra situação é quando está fixo em ambas as extremidades e recebe uma força perpendicular em alguma posição intermediária:



Um exemplo típico disso é quando um jogador de futebol coloca o pé (um ponto fixo) e a massa de seu corpo, devido à inércia, retém o segundo ponto, que pode ser considerado fixo, enquanto outro jogador impacta sua perna com o pé.

Por último, há a situação em que o osso entra em colapso devido à pressão axial.



Nesse caso, existem duas situações. Por um lado, a estrutura do próprio osso pode entrar em colapso e fraturar devido à compressão. Por outro lado, pode haver flambagem, o que significa que, devido a alguma heterogeneidade, o osso se flexiona e acaba se desviando de forma extrema, levando à fratura.

Esses são os mecanismos básicos que posteriormente, na realidade, podem iniciar o processo, comprometendo outros ossos ou se estendendo dentro do mesmo osso, resultando em uma fratura mais complexa.


ID:(222, 0)


Flexão com ponto fixo

Descrição

Uma situação que pode ocorrer é quando uma força de deformação com ponto fixo ($F_1$) age sobre um osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), que está fixo em uma extremidade.



la energia de deformação com ponto fixo ($W_1$), que armazena a estrutura contra uma tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), é definido por

$ W_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{2 L ^3} u_1 ^2$



la força de deformação com ponto fixo ($F_1$), a força aplicada, leva a uma tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), conforme

$ F_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{ L ^3} u_1 $



e la tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), que depende de o rádio externa ($R_2$), é dado por

$ \sigma_1 =\displaystyle\frac{2 R_2 L }{3 I_s } F_1 $


ID:(739, 0)


Flexão com dois pontos fixos

Descrição

Uma situação que pode ocorrer é quando uma força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$) age sobre um osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), que está fixo em ambos os extremos:



la energia de deformação com dois pontos fixos ($W_2$), que armazena a estrutura contra um movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$), é dado por

$ W_2 =\displaystyle\frac{24 E I_s }{ L ^3} u_2 ^2$



la força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$), a força aplicada, leva a um movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$) conforme

$ F_2 =\displaystyle\frac{48 E I_s }{ L ^3} u_2 $



e la tensão à deformação com dois pontos fixos ($\sigma_2$), que depende de o rádio externa ($R_2$), é expresso como

$ \sigma_2 =\displaystyle\frac{ R_2 L }{3 I_s } F_2 $


ID:(740, 0)


Flambagem

Descrição

Um cenário possível é que uma força de deformação em condição de flambagem ($F_p$) atue ao longo do eixo do osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$), o fator de flambagem ($K$), o raio efetivo ($R$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), gerando flambagem:



la energia de deformação em condição de flambagem ($W_p$), é definido como

$ W_p =\displaystyle\frac{ \pi ^4 E I_s }{2 K ^4 L ^3} R ^2$



la força de deformação em condição de flambagem ($F_p$), a força aplicada, de acordo com

$ F_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2}$



e la tensão à deformação em caso de flambagem ($\sigma_p$), que depende de o rádio externa ($R_2$), é expresso como

$ \sigma_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2 S }$


ID:(741, 0)


Deformação óssea devido à torção

Descrição

Uma forma de causar uma fratura é através da torção do osso, o que envolve a aplicação de torques opostos nas extremidades:


ID:(1916, 0)


Deformação elástica da estrutura sólida

Descrição

A deformação elástica microscópica corresponde a uma modificação na distância entre os átomos sob uma força externa, sem qualquer rearranjo desses átomos.



Em geral, é uma deformação onde a distância muda de forma proporcional à força aplicada, referida como deformação elástica.

ID:(1685, 0)


Deformação permanente explicada com átomos

Descrição

A deformação plástica significa que, se a tensão aplicada for reduzida, o material diminui sua deformação, mas acaba com uma deformação permanente.



Portanto, se for submetido novamente à tensão, geralmente retorna à sua forma elástica, mas devido à nova forma, não consegue recuperar sua forma original.

ID:(1911, 0)


Deformação plástica na estrutura do sólido

Descrição

A deformação plástica envolve os átomos se reorganizando, dissociando-se das estruturas existentes e formando novas ligações que são intrinsecamente estáveis. No entanto, essa deformação geralmente implica em uma modificação na forma do material.



A deformação plástica pode eventualmente levar a alterações que podem incluir rupturas catastróficas, que são permanentes.

ID:(1686, 0)


O osso

Descrição

Trabalharemos com osso e com os cenários de queda e impacto. Os parâmetros ósseos e as propriedades do material estão resumidos aqui:

Geometria e elasticidade

ID:(1556, 0)


Fratura por impacto

Descrição

Se um jogador é atingido no meio do osso e considera-se que o pé, devido ao atrito, e o corpo, devido à inércia, são pontos fixos, isso resulta em uma carga que flexiona o osso.



Pergunta de interesse: Qual é a energia, a tensão, a força, o deslocamento e a altura do salto nos quais ocorreria o pandeo? ($W_{tv}$, $\sigma_{tv}$, $F_{tv}$, $u_{tv}$, $v$).

ID:(1560, 0)


A dinâmica

Descrição

São consideradas duas situações, queda (quebra por flambagem, compressão ou flexão) e impacto na parte central do osso (quebra por flexão).


ID:(1557, 0)


Modelo

Descrição


ID:(15579, 0)


Deformação plástica

Descrição

Para pequenas deformações, o material sofre apenas uma deformação elástica, ou seja, ao retirar a carga, ele retorna à sua forma original. Para deformações maiores, os átomos podem sofrer deslocamentos maiores, alterando permanentemente a estrutura. Nestes casos, falamos de deformação plástica.

Variáveis

Símbolo
Texto
Variáve
Valor
Unidades
Calcular
Valeur MKS
Unidades MKS
$L$
L
Comprimento do corpo
m
$u_1$
u_1
Deslocamento de flexão com ponto fixo
m
$W_2$
W_2
Energia de deformação com dois pontos fixos
J
$W_1$
W_1
Energia de deformação com ponto fixo
J
$W_p$
W_p
Energia de deformação em condição de flambagem
J
$K$
K
Fator de flambagem
-
$F_2$
F_2
Força de deformação com dois pontos fixos
N
$F_1$
F_1
Força de deformação com ponto fixo
N
$F_p$
F_p
Força de deformação em condição de flambagem
N
$E$
E
Módulo de Elasticidade
Pa
$I_s$
I_s
Momento de inércia da superfície
m^4
$u_2$
u_2
Movimento em flexão com dois pontos fixos
m
$R_2$
R_2
Rádio externa
m
$R$
R
Raio efetivo
m
$R_1$
R_1
Raio interno
m
$S$
S
Seção de elemento
m^2
$\sigma_2$
sigma_2
Tensão à deformação com dois pontos fixos
Pa
$\sigma_1$
sigma_1
Tensão à deformação com um ponto fixo
Pa
$\sigma_p$
sigma_p
Tensão à deformação em caso de flambagem
Pa

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


Exemplos


(ID 15576)

O osso pode ser modelado como um cilindro oco, pois o material em seu interior n o capaz de suportar uma carga significativa. Portanto, ele modelado geometricamente como um cilindro com propriedades o comprimento do corpo ($L$), o raio interno ($R_1$) e o rádio externa ($R_2$):



Portanto, o raio efetivo ($R$)



la seção de elemento ($S$)



e o momento de inércia da superfície ($I_s$)


(ID 1915)

No caso do osso, existem diferentes situa es que levam gera o de tens es extremas que resultam em fraturas.

Uma situa o quando o osso est fixo em uma extremidade e flexionado a partir da outra:



Um exemplo uma pessoa caindo e apoiando-se em um ponto, criando um ponto fixo por atrito enquanto o centro de massa continua se movendo devido in rcia, flexionando o osso at que ele frature.

Outra situa o quando est fixo em ambas as extremidades e recebe uma for a perpendicular em alguma posi o intermedi ria:



Um exemplo t pico disso quando um jogador de futebol coloca o p (um ponto fixo) e a massa de seu corpo, devido in rcia, ret m o segundo ponto, que pode ser considerado fixo, enquanto outro jogador impacta sua perna com o p .

Por ltimo, h a situa o em que o osso entra em colapso devido press o axial.



Nesse caso, existem duas situa es. Por um lado, a estrutura do pr prio osso pode entrar em colapso e fraturar devido compress o. Por outro lado, pode haver flambagem, o que significa que, devido a alguma heterogeneidade, o osso se flexiona e acaba se desviando de forma extrema, levando fratura.

Esses s o os mecanismos b sicos que posteriormente, na realidade, podem iniciar o processo, comprometendo outros ossos ou se estendendo dentro do mesmo osso, resultando em uma fratura mais complexa.


(ID 222)

Uma situa o que pode ocorrer quando uma força de deformação com ponto fixo ($F_1$) age sobre um osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), que est fixo em uma extremidade.



la energia de deformação com ponto fixo ($W_1$), que armazena a estrutura contra uma tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), definido por

$ W_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{2 L ^3} u_1 ^2$



la força de deformação com ponto fixo ($F_1$), a for a aplicada, leva a uma tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), conforme

$ F_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{ L ^3} u_1 $



e la tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$), que depende de o rádio externa ($R_2$), dado por

$ \sigma_1 =\displaystyle\frac{2 R_2 L }{3 I_s } F_1 $


(ID 739)

Uma situa o que pode ocorrer quando uma força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$) age sobre um osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), que est fixo em ambos os extremos:



la energia de deformação com dois pontos fixos ($W_2$), que armazena a estrutura contra um movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$), dado por

$ W_2 =\displaystyle\frac{24 E I_s }{ L ^3} u_2 ^2$



la força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$), a for a aplicada, leva a um movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$) conforme

$ F_2 =\displaystyle\frac{48 E I_s }{ L ^3} u_2 $



e la tensão à deformação com dois pontos fixos ($\sigma_2$), que depende de o rádio externa ($R_2$), expresso como

$ \sigma_2 =\displaystyle\frac{ R_2 L }{3 I_s } F_2 $


(ID 740)

Um cen rio poss vel que uma força de deformação em condição de flambagem ($F_p$) atue ao longo do eixo do osso com as propriedades um comprimento do corpo ($L$), o módulo de Elasticidade ($E$), o fator de flambagem ($K$), o raio efetivo ($R$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$), gerando flambagem:



la energia de deformação em condição de flambagem ($W_p$), definido como

$ W_p =\displaystyle\frac{ \pi ^4 E I_s }{2 K ^4 L ^3} R ^2$



la força de deformação em condição de flambagem ($F_p$), a for a aplicada, de acordo com

$ F_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2}$



e la tensão à deformação em caso de flambagem ($\sigma_p$), que depende de o rádio externa ($R_2$), expresso como

$ \sigma_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2 S }$


(ID 741)

Uma forma de causar uma fratura atrav s da tor o do osso, o que envolve a aplica o de torques opostos nas extremidades:


(ID 1916)

A deforma o el stica microsc pica corresponde a uma modifica o na dist ncia entre os tomos sob uma for a externa, sem qualquer rearranjo desses tomos.



Em geral, uma deforma o onde a dist ncia muda de forma proporcional for a aplicada, referida como deforma o el stica.

(ID 1685)

A deforma o pl stica significa que, se a tens o aplicada for reduzida, o material diminui sua deforma o, mas acaba com uma deforma o permanente.



Portanto, se for submetido novamente tens o, geralmente retorna sua forma el stica, mas devido nova forma, n o consegue recuperar sua forma original.

(ID 1911)

A deforma o pl stica envolve os tomos se reorganizando, dissociando-se das estruturas existentes e formando novas liga es que s o intrinsecamente est veis. No entanto, essa deforma o geralmente implica em uma modifica o na forma do material.



A deforma o pl stica pode eventualmente levar a altera es que podem incluir rupturas catastr ficas, que s o permanentes.

(ID 1686)

Trabalharemos com osso e com os cen rios de queda e impacto. Os par metros sseos e as propriedades do material est o resumidos aqui:

Geometria e elasticidade

(ID 1556)

Se um jogador atingido no meio do osso e considera-se que o p , devido ao atrito, e o corpo, devido in rcia, s o pontos fixos, isso resulta em uma carga que flexiona o osso.



Pergunta de interesse: Qual a energia, a tens o, a for a, o deslocamento e a altura do salto nos quais ocorreria o pandeo? ($W_{tv}$, $\sigma_{tv}$, $F_{tv}$, $u_{tv}$, $v$).

(ID 1560)

S o consideradas duas situa es, queda (quebra por flambagem, compress o ou flex o) e impacto na parte central do osso (quebra por flex o).


(ID 1557)


(ID 15579)

A integra o sobre a se o com o raio interno ($R_1$) e o rádio externa ($R_2$) leva introdu o de o raio efetivo ($R$), definido por:

$R^2=R_1^2+R_2^2$


(ID 7972)

Com o rádio externa ($R_2$) e o raio interno ($R_1$), la seção de elemento ($S$) definido por

$ S = \pi ( R_2 ^2- R_1 ^2)$

(ID 3784)

O momento de inércia da superfície ($I_s$) calculado no caso de um cilindro com o rádio externa ($R_2$) e o raio interno ($R_1$) atrav s de

$ I_s =\displaystyle\frac{ \pi }{2}( R_2 ^4- R_1 ^4)$



(ID 3774)

A rela o entre la energia de deformação com dois pontos fixos ($W_2$) e o movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$) em uma flex o com dois pontos fixos depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$)

$ W_2 =\displaystyle\frac{24 E I_s }{ L ^3} u_2 ^2$

(ID 3780)

A rela o entre la força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$) e o movimento em flexão com dois pontos fixos ($u_2$) em uma flex o com dois pontos fixos depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$). Neste contexto,

$ F_2 =\displaystyle\frac{48 E I_s }{ L ^3} u_2 $


(ID 3778)

A rela o entre la tensão à deformação com dois pontos fixos ($\sigma_2$) e la força de deformação com dois pontos fixos ($F_2$) em uma flex o com dois pontos fixos depende de o rádio externa ($R_2$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$). Neste contexto,

$ \sigma_2 =\displaystyle\frac{ R_2 L }{3 I_s } F_2 $


(ID 3779)

A rela o entre la energia de deformação com ponto fixo ($W_1$) e o deslocamento de flexão com ponto fixo ($u_1$) em uma flex o com um ponto fixo depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$) :

$ W_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{2 L ^3} u_1 ^2$

(ID 3777)

A rela o entre la força de deformação com ponto fixo ($F_1$) e o deslocamento de flexão com ponto fixo ($u_1$) em uma flex o com um ponto fixo depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$) :

$ F_1 =\displaystyle\frac{3 E I_s }{ L ^3} u_1 $


(ID 3775)

A rela o entre la tensão à deformação com um ponto fixo ($\sigma_1$) e la força de deformação com ponto fixo ($F_1$) em uma flex o com um ponto fixo depende de o rádio externa ($R_2$), o comprimento do corpo ($L$) e o momento de inércia da superfície ($I_s$) :

$ \sigma_1 =\displaystyle\frac{2 R_2 L }{3 I_s } F_1 $


(ID 3776)

La energia de deformação em condição de flambagem ($W_p$) no encurvamento depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$), o momento de inércia da superfície ($I_s$), o raio efetivo ($R$) e o fator de flambagem ($K$)

$ W_p =\displaystyle\frac{ \pi ^4 E I_s }{2 K ^4 L ^3} R ^2$



O valor de o fator de flambagem ($K$) :
• 0,5 se ambas as bordas estiverem fixas,
• 1,0 se ambas puderem girar,
• 0,7 se uma estiver fixa e a outra puder girar, e
• 2,0 se ambas estiverem livres.

(ID 3783)

La força de deformação em condição de flambagem ($F_p$) no encurvamento depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$), o momento de inércia da superfície ($I_s$) e o fator de flambagem ($K$).

$ F_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2}$



O valor de o fator de flambagem ($K$) :
• 0,5 se ambas as bordas estiverem fixas,
• 1,0 se ambas puderem girar,
• 0,7 se uma estiver fixa e a outra puder girar, e
• 2,0 se ambas estiverem livres.

(ID 3781)

La tensão à deformação em caso de flambagem ($\sigma_p$) no encurvamento depende de o módulo de Elasticidade ($E$), o comprimento do corpo ($L$), o momento de inércia da superfície ($I_s$), la seção de elemento ($S$) e o fator de flambagem ($K$).

$ \sigma_p =\displaystyle\frac{ \pi ^2 E I_s }{ K ^2 L ^2 S }$



O valor de o fator de flambagem ($K$) :
• 0,5 se ambas as bordas estiverem fixas,
• 1,0 se ambas puderem girar,
• 0,7 se uma estiver fixa e a outra puder girar, e
• 2,0 se ambas estiverem livres.

(ID 3782)


ID:(324, 0)