Força de cisalhamento: forças de superfície e massa - Ciência - 2023

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o força de cisalhamento É uma força composta que se caracteriza por ser paralela à superfície sobre a qual é exercida e tende a dividir o corpo, deslocando as seções resultantes do corte.

Está esquematicamente representado na Figura 1, na qual é mostrada uma força de cisalhamento aplicada a duas pontas diferentes de um lápis de madeira. A força de cisalhamento, por sua vez, requer duas forças paralelas e opostas, que dependendo de sua intensidade, são capazes de deformar o lápis ou fraturá-lo definitivamente.

Então, mesmo que falemos sobre a força de cisalhamento no singular, na realidade eles se aplicam dois forças, uma vez que a força de cisalhamento é um força composta. Essas forças consistem em duas forças (ou mais, em casos complexos) aplicadas em diferentes pontos de um objeto.

Duas forças de mesma magnitude e direção oposta, mas com linhas de ação paralelas, constituem um torque. Os pares não fornecem translação para os objetos, uma vez que sua resultante é zero, mas fornecem um torque líquido.

Com um par, objetos como o volante de um veículo são girados, ou podem ser deformados e quebrados, como no caso do lápis e da tábua de madeira mostrados na Figura 2.

Forças de superfície e forças de massa

As forças compostas fazem parte dos chamados forças de superfície, justamente porque são aplicados na superfície dos corpos e não têm relação alguma com sua massa. Para esclarecer o ponto, vamos comparar essas duas forças que freqüentemente atuam sobre os objetos: peso e força de atrito.

A magnitude do peso é P = mg e, uma vez que depende da massa do corpo, não é uma força superficial. Trata-se de uma força de massa, e o peso é o exemplo mais característico.

Ora, o atrito depende da natureza das superfícies de contato e não da massa do corpo sobre o qual atua, portanto é um bom exemplo de forças superficiais que freqüentemente aparecem.

Forças simples e forças compostas

As forças de superfície podem ser simples ou composto. Já vimos um exemplo de força composta na força de cisalhamento e, por sua vez, o atrito é representado como uma força simples, pois uma única seta é suficiente para representá-la no diagrama corporal isolado do objeto.

Forças simples são responsáveis por imprimir mudanças no movimento de um corpo, por exemplo, sabemos que a força cinética de atrito entre um objeto em movimento e a superfície sobre a qual ele se move, resulta em uma redução na velocidade.

Ao contrário, as forças compostas tendem a deformar os corpos e, no caso de tesouras ou tesouras, o resultado final pode ser um corte. Outras forças superficiais, como tensão ou compressão, alongam ou comprimem o corpo sobre o qual atuam.

Cada vez que o tomate é cortado para fazer o molho ou uma tesoura é usada para cortar uma folha de papel, aplicam-se os princípios descritos. As ferramentas de corte geralmente têm duas lâminas de metal afiadas para aplicar força de cisalhamento na seção transversal do objeto a ser picado.

Tensão de cisalhamento

Os efeitos da força de cisalhamento dependem da magnitude da força e da área sobre a qual ela atua, portanto, na engenharia o conceito de tensão de cisalhamento, que leva em conta a força e a área.

Este esforço tem outros significados, como esforço cortante ou cisalhamento e na construção civil é extremamente importante considerá-lo, uma vez que muitas falhas em estruturas advêm da ação de forças de cisalhamento.

Sua utilidade é imediatamente compreendida ao se considerar a seguinte situação: suponha que você tenha duas barras do mesmo material, mas de diferentes espessuras, que estão sujeitas a forças crescentes até que se rompam.

É evidente que para quebrar a barra mais espessa deve-se aplicar maior força, porém o esforço é o mesmo para qualquer barra com a mesma composição. Testes como esse são frequentes na engenharia, dada a importância de selecionar o material certo para que a estrutura projetada funcione de maneira ideal.

Tensão e deformação

Matematicamente, denotando a tensão de cisalhamento como τ, Para a magnitude da força aplicada como F e para a área sobre a qual ela atua como A, temos a tensão de cisalhamento média:

τ_média= F / A

Sendo a razão entre força e área, a unidade de esforço no Sistema Internacional é o newton / m², chamado de Pascal e abreviado como Pa. No sistema inglês, a libra-força / pé é usada ²e a libra-força / polegada².

No entanto, em muitos casos, o objeto submetido à tensão de cisalhamento é deformado e, em seguida, recupera sua forma original sem realmente quebrar, uma vez que a tensão deixou de agir. Suponha que a deformação consiste em uma mudança no comprimento.

Nesse caso, a tensão e a deformação são proporcionais, portanto, pode-se considerar o seguinte:

Esforço cortante ∝ Deformação da unidade

O símbolo ∝ significa “proporcional a” e quanto à deformação unitária, é definida como o quociente entre a mudança no comprimento, que será denominado ΔL e o comprimento original, denominado L_ou. Desta maneira:

τ ∝ (ΔL / L_ou)

Módulo de cisalhamento

Sendo um quociente entre dois comprimentos, a deformação não possui unidades, mas ao colocar o símbolo de igualdade, a constante de proporcionalidade deve fornecê-las. Chamando G para a referida constante:

τ = G (ΔL / L_ou)

G é chamado módulo de cisalhamento ou módulo de corte. Possui unidades Pascal no Sistema Internacional e seu valor depende da natureza do material. Esses valores podem ser determinados em laboratório, testando a ação de diferentes forças em amostras de composição variada.

Quando é necessário determinar a magnitude da força de cisalhamento da equação anterior, basta substituir a definição de tensão:

τ = F / A = G (ΔL / L_ou)

E claro:

F = A × G (ΔL / L_ou)

As forças de cisalhamento são muito frequentes e seus efeitos devem ser levados em consideração em muitos aspectos da ciência e da tecnologia. Nas construções, aparecem nos pontos de apoio das vigas, podem surgir durante um acidente e quebrar um osso e sua presença é capaz de alterar o funcionamento do maquinário.

Eles agem em grande escala na crosta terrestre causando fraturas de rochas e acidentes geológicos, graças à atividade tectônica. Portanto, eles também são responsáveis por moldar continuamente o planeta.

Referências

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Valera Negrete, J. 2005. Notes on General Physics. UNAM. 87-98.
Wikipedia. Tensão de cisalhamento. Recuperado de: en.wikipedia.org.