Elasticidade Explicada: Como Materiais Recuperam a Forma Sob Tensão

Na física e ciência dos materiais, elasticidade refere-se à capacidade de um corpo suportar uma força que causa distorção e recuperar suas dimensões originais uma vez que a força foi removida. Quando cargas suficientes são aplicadas, objetos sólidos se deformam; se o material é elástico, o objeto retorna ao seu tamanho e forma originais após a remoção das cargas. Ao contrário da plasticidade, que impede isso e faz o item permanecer deformado.

Neste artigo, as respostas às seguintes questões serão discutidas:

• O que é elasticidade?
• Como a elasticidade funciona?
• Quem descobriu a elasticidade?
• Por que a elasticidade é útil?

O que é elasticidade?

Na física e ciência dos materiais, elasticidade refere-se à capacidade de um corpo suportar uma força que causa distorção e recuperar suas dimensões originais uma vez que a força foi removida. Quando cargas suficientes são aplicadas, objetos sólidos se deformam; se o material é elástico, o objeto retorna ao seu tamanho e forma originais após a remoção das cargas. Ao contrário da plasticidade, que impede isso e faz o item permanecer deformado.

Para diferentes materiais, as causas físicas subjacentes do comportamento elástico podem variar muito. Quando forças são aplicadas, a rede atômica nos metais muda de tamanho e forma (energia é adicionada ao sistema). A rede retorna ao seu estado inicial de menor energia quando as forças são eliminadas. O estiramento das cadeias poliméricas quando forças são aplicadas é o que dá às borrachas e outros polímeros sua elasticidade.

Segundo a lei de Hooke, independentemente de quão grande seja a distância, a força usada para deformar itens elásticos deve ser diretamente proporcional à distância de deformação. Um dado objeto retornará à sua forma original independentemente de quão severamente tenha sido deformado; isso é conhecido como elasticidade perfeita.

Isso é apenas um conceito ideal; na realidade, a maioria dos materiais elásticos mantém suas propriedades puramente elásticas apenas até deformações relativamente pequenas antes de sofrer deformação plástica (permanente).

O módulo elástico, também conhecido como módulo de Young, módulo de volume ou módulo de cisalhamento, mede a quantidade de tensão necessária para produzir uma unidade de deformação. Um módulo mais alto indica que o material é mais difícil de deformar.

O pascal serve como unidade SI deste módulo (Pa). A maior tensão que pode existir antes do início da deformação plástica é conhecida como limite elástico ou resistência ao escoamento do material. Pascal também é seu equivalente SI (Pa). Exemplos de materiais elásticos incluem elásticos, bandas elásticas e outros materiais esticáveis. Argila de modelar, por outro lado, é bastante inelástica e mantém sua forma alterada mesmo após a força aplicada ter cessado.

Como a elasticidade funciona?

Quando as forças que produzem a deformação são liberadas, um corpo de material elástico pode reverter ao seu tamanho e forma anteriores. Essa capacidade é chamada de comportamento elástico (ou resposta) em um corpo. A maioria dos materiais sólidos exibe algum grau de comportamento elástico, mas para cada material existe um limite para a magnitude da força e da deformação associada dentro da qual a recuperação elástica é possível.

A maior tensão ou força por unidade de área que pode existir dentro de um material sólido antes do início da deformação permanente é conhecida como limite elástico. O material cede ou flui quando tensões acima do limite elástico são aplicadas. O limite elástico para tais materiais denota a transição do comportamento elástico para o plástico. Tensões acima do limite elástico causam fratura na maioria dos materiais frágeis com deformação plástica quase mínima.

O limite elástico varia significativamente dependendo do tipo de sólido; por exemplo, uma barra ou fio de aço só pode ser estendido elasticamente em aproximadamente 1% de seu comprimento original, enquanto extensões elásticas de até 1.000% são possíveis para tiras feitas de alguns materiais semelhantes à borracha.

No entanto, o aço é significativamente mais forte que a borracha, pois a borracha requer menos força de tração para atingir a extensão elástica máxima (por um fator de aproximadamente 0,01) do que o aço. Muitos sólidos em tração têm características elásticas que ficam entre esses dois extremos.

O aço e a borracha têm estruturas microscópicas significativamente distintas, razão pela qual suas características elásticas macroscópicas são diferentes. Forças interatômicas de curto alcance que mantêm os átomos em padrões regulares quando o material não está sob tensão dão ao aço e outros metais sua flexibilidade.

A ligação atômica pode ser rompida sob tensão com deformações relativamente pequenas. Por outro lado, substâncias semelhantes à borracha e outros polímeros são compostos de moléculas de cadeia longa que se desenrolam à medida que a substância é esticada e se enrolam novamente durante a recuperação elástica. A reação macroscópica do material, não seu mecanismo subjacente, é o foco da teoria matemática da elasticidade e sua aplicação à mecânica de engenharia.

A relação linear entre a tensão de tração (tensão ou força de estiramento por unidade de área da seção transversal do material) e a razão de extensão (diferença entre o comprimento estendido e o inicial dividido pelo comprimento inicial), e, em um ensaio de tração simples e direto, caracteriza a resposta elástica de materiais como aço e osso.

Em outros termos, a expressão σ = Ee significa que σ é proporcional a e, e E, a constante de proporcionalidade, também é conhecida como módulo de Young. A razão dos valores de E para borracha e aço é de aproximadamente 100.000, dependendo do material. Uma lei constitutiva é a equação σ = Ee, também referida como lei de Hooke.

Assista ao vídeo abaixo para aprender mais sobre elasticidade:

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Quem descobriu a elasticidade?

Sempre soubemos que alguns materiais são mais flexíveis que outros e que respondem às forças de maneiras diferentes, mas Robert Hooke é o nome crucial a lembrar ao discutir elasticidade. Hooke, que viveu na época de Isaac Newton, foi o primeiro a calcular e analisar com precisão como a elasticidade funciona.

Através de extensivos testes com molas, Hooke descobriu a Lei da Elasticidade, também conhecida como Lei de Hooke, em 1660. O princípio fundamental da lei é que, para deformações relativamente pequenas de um objeto (como esticar ou dobrar), o deslocamento ou quantidade de deformação é precisamente proporcional à força deformadora ou carga. Quando a carga é removida nessas circunstâncias, o objeto retoma seu tamanho e forma originais.

O comportamento anterior pode explicar o comportamento elástico dos sólidos segundo a lei de Hooke. Para que um material seja elástico, suas partículas constituintes devem ser capazes de se mover dentro dele em resposta a uma força externa, e, segundo a Lei de Hooke, esse movimento deve ser diretamente proporcional à força aplicada.

Embora não seja uma lei perfeita — para forças maiores, o limite elástico é frequentemente excedido, o que implica que a força causa mais deformação do que a exatamente proporcional — a Lei de Hooke é a mais crucial para entender quando se começa a pesquisar o assunto!

Por que a elasticidade é útil?

Toda vez que você precisa fabricar algo, deve estar ciente da importância da elasticidade. Afinal, não adianta criar uma estrutura tão rígida que colapse em uma tempestade ou uma régua tão flexível que não sirva para medir nada.

Por isso, compreender o limite elástico de um material é crucial para quase qualquer tarefa que exija criar ou reparar um objeto, seja pequeno ou grande como um arranha-céu. Isso é especialmente verdadeiro para veículos e edifícios.

Quando submetídos a tensões extremas, que podem originar-se de diversas fontes, precisamos confiar que esses objetos permanecerão firmes e não falharão. Para engenheiros, em particular, estudar elasticidade é essencial, pois pode afetar significativamente o quão bem esses itens são adequados a resistir a danos.

Resumo

A lei de Hooke afirmou que, independentemente de quão grande seja a distância, a força usada para deformar itens elásticos deve ser diretamente proporcional à distância de deformação. A elasticidade na física e ciência dos materiais refere-se à capacidade de um corpo suportar uma força que causa distorção e recuperar suas dimensões originais uma vez que a força foi removida. Neste artigo, os seguintes pontos sobre elasticidade foram abordados:

• O que é elasticidade?
• Como a elasticidade funciona?
• Quem descobriu a elasticidade?
• Por que a elasticidade é útil?

Espero que você tenha aprendido muito com a leitura. Se gostou, compartilhe com outros. Obrigado por ler, até a próxima!