Resistencia específica
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La resistencia específica (o resistencia específica a la tracción) de un material (o de un músculo) es la resistencia (fuerza por unidad de área al fallo) dividida por su densidad. También se conoce como relación resistencia-peso, relación fuerza-peso o relación resistencia-masa. En aplicaciones de fibras o textiles, la tenacidad es la medida habitual de la resistencia específica. La unidad del Sistema Internacional para la resistencia específica es Pa·m3/kg, o N·m/kg, que es dimensionalmente equivalente a m2/s2, aunque esta última forma se utiliza raramente. La resistencia específica tiene las mismas unidades que la energía específica, y está relacionada con la energía específica máxima de rotación que un objeto puede tener sin desintegrarse debido a la fuerza centrífuga.
Otra forma de expresar la resistencia específica es la longitud de rotura o longitud de autosoporte: la longitud máxima de una columna vertical del material (suponiendo una sección transversal fija) que podría sostener su propio peso cuando está soportada únicamente desde la parte superior. Para esta medición, el peso se define como la fuerza de la gravedad en la superficie terrestre (gravedad estándar, 9,80665 m/s2) aplicada a toda la longitud del material, sin disminuir con la altura. Este uso es más común en ciertas aplicaciones especializadas de fibras o textiles.
Los materiales con mayor resistencia específica suelen ser fibras como la fibra de carbono, la fibra de vidrio y varios polímeros, y se utilizan frecuentemente para fabricar material compuestos (por ejemplo, fibra de carbono-epoxi). Estos materiales, junto con otros como el titanio, el aluminio, el magnesio y las aleaciones de acero de alta resistencia, se emplean ampliamente en la industria aeroespacial y en otras aplicaciones donde el ahorro de peso justifica el mayor coste del material.
Es importante notar que la resistencia y la rigidez son propiedades distintas. Ambas son fundamentales en el diseño de estructuras eficientes y seguras.
donde:
- L es la longitud,
- Ts es la resistencia a la tracción,
- ρ es la densidad,
- g es la aceleración debida a la gravedad (≈ 9.8 m/s2)
Ejemplos
| Material | Resistencia a la tracción (MPa) | Densidad (g/cm3) | Resistencia específica (kN·m/kg) | Longitud de rotura (km) | Fuente |
|---|---|---|---|---|---|
| Hormigón | 2–5 | 2,30 | 0,87–2,17 | 0,09–0,22 | [cita requerida] |
| Polioximetileno (POM) | 69 | 1,42 | 49 | 4,95 | [1] |
| Caucho | 15 | 0,92 | 16,3 | 1,66 | [cita requerida] |
| Cobre | 220 | 8,92 | 24,7 | 2,51 | [cita requerida] |
| Polipropileno (PP) | 25–40 | 0,90 | 28–44 | 2,8–4,5 | [2] |
| Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) | 41–45 | 1,05 | 39–43 | — | [3] |
| Tereftalato de polietileno (PET) | 80 | 1,3–1,4 | 57–62 | — | [4] |
| Cuerda de piano (acero ASTM 228) | 1590–3340 | 7,8 | 204–428 | — | [5] |
| Ácido poliláctico (PLA) | 53 | 1,24 | 43 | — | [6] |
| Acero al carbono bajo (AISI 1010) | 365 | 7,87 | 46,4 | 4,73 | [7] |
| Acero inoxidable (304) | 505 | 8,00 | 63,1 | 6,4 | [8] |
| Acero maraging (18Ni(350)) | 2450 | 8,2 | 299 | 30,5 | [9] |
| Latón | 580 | 8,55 | 67,8 | 6,91 | [10] |
| Nailon | 78 | 1,13 | 69 | 7,04 | [11] |
| Titanio | 344 | 4,51 | 76 | 7,75 | [12] |
| Acero CrMo (4130) | 560–670 | 7,85 | 71–85 | 7,27–8,70 | [13][14] |
| Aleación de aluminio (6061-T6) | 310 | 2,70 | 115 | 11,70 | [15] |
| Roble | 90 | 0,69–0,78 | 115–130 | 12–13 | [16] |
| Inconel (X-750) | 1250 | 8,28 | 151 | 15,4 | [17] |
| Aleación de magnesio | 275 | 1,74 | 158 | 16,1 | [18] |
| Aleación de aluminio (7075-T6) | 572 | 2,81 | 204 | 20,8 | [19] |
| Pino (pino blanco del este americano) | 78 | 0,35 | 223 | 22,7 | [20] |
| Aleación de titanio (Beta C) | 1250 | 4,81 | 260 | 26,5 | [21] |
| Bainita | 2500 | 7,87 | 321 | 32,4 | [22] |
| Material compuesto celular reversible | 0,073 | 0,0072 | 10 139 | 1035 | [23][24] |
| Metamaterial mecánico autoreprogramable | 0,01117 | 0,0103 | 1 084 | 111 | [25] |
| Madera de balsa | 73 | 0,14 | 521 | 53,2 | [26] |
| Compuesto de fibra de carbono-epoxi | 1240 | 1,58 | 785 | 80,0 | [27] |
| Seda de araña | 1400 | 1,31 | 1 069 | 109 | [cita requerida] |
| Fibra de carburo de silicio | 3440 | 3,16 | 1 088 | 110 | [28] |
| Hilo de nanotubos de carbono Miralon serie C | 1375 | 0,7–0,9 | 1 100 | 112 | [29] |
| Fibra de vidrio | 3400 | 2,60 | 1 307 | 133 | [30] |
| Fibra de basalto | 4840 | 2,70 | 1 790 | 183 | [31] |
| Bigotes monocristalinos de hierro de 1 μm | 14 000 | 7,87 | 1 800 | 183 | [22] |
| Vectran | 2900 | 1,40 | 2 071 | 211 | [30] |
| Fibra de carbono (AS4) | 4300 | 1,75 | 2 457 | 250 | [30] |
| Kevlar | 3620 | 1,44 | 2 514 | 256 | [32] |
| Dyneema (UHMWPE) | 3600 | 0,97 | 3 711 | 378 | [33] |
| Zylon | 5800 | 1,54 | 3 766 | 384 | [34] |
| Fibra de carbono (Toray T1100G) | 7000 | 1,79 | 3 911 | 399 | [35] |
| Nanotubo de carbono (ver nota abajo) | 62 000 | 0,037–1,34 | 46 268 – N/D | 4716 – N/D | [36][37] |
| Tubo de carbono colosal | 6900 | 0,116 | 59 483 | 6066 | [38] |
| Grafeno | 130 500 | 2,090 | 62 453 | 6366 | [39] |
| Límite fundamental | — | — | 9×1013 | 9.2×1012 | [40] |
Los datos de esta tabla corresponden a los mejores casos conocidos y se presentan con fines ilustrativos aproximados.
Nota: Los nanotubos de carbono multi-pared tienen la mayor resistencia a la tracción jamás medida en cualquier material, con valores de laboratorio de 63 GPa,[36] aún muy por debajo de su límite teórico de 300 GPa. Las primeras cuerdas de nanotubos (de 20 mm de largo) cuya resistencia a la tracción se publicó (en 2000) tenían una resistencia de 3,6 GPa, también muy por debajo de su límite teórico.[41] La densidad varía según el método de fabricación, y el valor más bajo reportado es 0,037 o 0,55 (sólido).[37]
Límite fundamental de la resistencia específica
La condición de energía nula establece un límite fundamental a la resistencia específica de cualquier material.[40] La resistencia específica está limitada a no ser mayor que c2 ≈ 9×1013 kN⋅m/kg, donde c es la velocidad de la luz.
Este límite es alcanzado por líneas de campo eléctrico y magnético, tubos de flujo QCD, y las cuerdas fundamentales hipotetizadas por la teoría de cuerdas.[cita requerida]
