Mecânica dos materiais: história, campo de estudo, aplicações - Ciência - 2023

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o mecânica de materiais estuda as respostas dos objetos às cargas externas aplicadas. O conhecimento de tais respostas depende do projeto de máquinas, mecanismos e estruturas serem mais eficientes.

Para que um projeto seja adequado, é necessário considerar as tensões e deformações que atuam sobre o objeto. Cada material tem sua resposta, de acordo com suas características.

A mecânica dos materiais baseia-se, por sua vez, na estática, pois deve fazer uso de seus métodos e conceitos, como as diferentes cargas ou forças e os momentos a que os corpos podem ser expostos durante o seu funcionamento. Também é necessário considerar as condições de equilíbrio de um corpo estendido.

Desta forma, a resistência, rigidez, elasticidade e estabilidade dos corpos são exaustivamente estudadas.

A mecânica dos materiais também é conhecida como resistência dos materiais ou mecânica dos sólidos.

História da mecânica dos materiais

Desde o início da humanidade, as pessoas verificaram, por tentativa e erro, as características dos materiais em seu ambiente. Não é difícil imaginar artesãos trabalhadores da idade da pedra escolhendo as pedras certas para esculpir suas pontas de flecha.

Com o sedentarismo, começaram a ser construídas estruturas que com o tempo evoluíram para as construções monumentais dos povos do Egito Antigo e da Mesopotâmia.

Esses construtores conheceram bem a resposta dos materiais que utilizaram, a tal ponto que ainda hoje os templos, pirâmides e palácios que deixaram continuam a causar espanto.

O mesmo se pode dizer da engenharia dos antigos romanos, notável pelo seu desenho em que se aplicavam arcos e abóbadas, bem como pelo uso exitoso dos materiais.

Mecânica de materiais modernos

O formalismo da mecânica dos materiais surgiu séculos depois, graças aos experimentos do grande Galileo Galilei (1564 - 1642), que estudou os efeitos das cargas em barras e vigas de diferentes materiais.

Galileu deixou refletido em seu livro Duas cavernas de ciência suas conclusões sobre falhas em estruturas como vigas cantilever. Posteriormente, Robert Hooke (1635-1703) lançou as bases para a teoria da elasticidade, com a famosa lei de Hooke, que afirma que a deformação, desde que pequena, é proporcional à tensão.

Isaac Newton (1642-1727) estabeleceu as leis do movimento que definem a ação das forças sobre os objetos e, independentemente com Gottfried Leibnitz, ele inventou o cálculo matemático, uma ferramenta fundamental para modelar os efeitos das forças.

Mais tarde, no início do século 18, vários cientistas franceses notáveis realizaram experimentos com materiais: Saint-Venant, Coulomb, Poisson, Lame e Navier, os mais notáveis. Este último é o autor do primeiro texto sobre a mecânica moderna dos materiais.

Ao mesmo tempo, a matemática evoluiu para fornecer ferramentas para resolver problemas mecânicos mais complexos. São notáveis as experiências de Thomas Young (1773-1829), que determinou a rigidez de diferentes materiais.

Até hoje, muitos problemas são resolvidos usando métodos numéricos e simulações de computador, à medida que as pesquisas avançadas em ciência dos materiais continuam.

Campo de estudo

A mecânica dos materiais estuda os sólidos reais, aqueles que podem se deformar sob a ação de forças, ao contrário dos sólidos ideais, que não são deformáveis. Por experiência, sabe-se que materiais reais podem ser fraturados, esticados, comprimidos ou flexionados, de acordo com a carga que experimentam.

Portanto, a mecânica dos materiais pode ser considerada como o próximo passo para a estática. Nisso considerou-se que os sólidos eram indeformáveis, o que se segue é descobrir como eles se deformam quando forças externas atuam sobre eles, pois graças a essas forças, forças internas são desenvolvidas em resposta aos objetos.

A deformação do corpo e eventualmente a ruptura dependem da intensidade desses esforços. Então, a mecânica dos materiais fornece as bases para um projeto eficaz de peças e estruturas, independentemente do material de que são feitas, uma vez que a teoria desenvolvida se aplica a todas elas.

Força e rigidez

A resposta dos materiais depende de dois aspectos fundamentais:

-Resistência

-Rigidez

É entendido pela resistência de um objeto à sua capacidade de resistir a esforços sem quebrar ou fraturar. Porém, neste processo, o objeto pode ser deformado e suas funções dentro da estrutura diminuídas, de acordo com sua rigidez.

Quanto mais rígido o material, menos ele tende a se deformar sob tensão. Claro, sempre que um objeto está sob tensão, ele sofrerá algum tipo de deformação, que pode ou não ser permanente. A ideia é que este objeto não para de funcionar corretamente, apesar disso.

Tipos de esforços

A mecânica dos materiais considera os efeitos de vários esforços, que classifica por sua forma ou duração. Devido à sua forma, esforços podem ser feitos em:

A tração, é uma tensão normal (atua perpendicularmente à seção transversal do objeto) e produz seu alongamento.
A compressão também é um esforço normal, mas favorece o encurtamento.
Cisalhamento, consiste em forças no sentido oposto aplicadas à seção transversal do corpo, cujo efeito é produzir um corte, dividindo-o em seções.
Flexão, forças perpendiculares que tendem a dobrar, dobrar ou entortar o elemento sobre o qual atuam.
-Torsão, são pares aplicados ao objeto que o torce.

E devido à sua velocidade, os esforços são:

Estáticas, que atuam muito lentamente no corpo.
De impacto, são de curta duração e efeito intenso.
Fadiga, que consiste em ciclos repetitivos de tensão-deformação que acabam por fraturar o elemento.

Aplicações de mecânica de materiais

Enquanto você tiver uma estrutura, maquinário ou qualquer objeto, ele estará sempre sujeito a inúmeros esforços derivados de seu uso. Como mencionado anteriormente, essas tensões causam deformações e eventuais rupturas: as vigas podem entortar, com risco de colapso, ou os dentes da engrenagem podem quebrar.

Assim, os materiais utilizados nos diversos utensílios, máquinas e estruturas devem ser adequados, não só para garantir o seu correto funcionamento, mas também para serem seguros e estáveis.

Em termos gerais, a mecânica dos materiais funciona desta forma:

Análise

No primeiro caso, analisa-se a estrutura, cuja geometria é conhecida, determinando as forças e deformações, para encontrar a carga máxima que pode ser aplicada e que não excede um limite de deformação pré-estabelecido.

Projeto

Outra opção é determinar as dimensões da estrutura, dadas certas cargas e valores de tensão e deformação permitidos.

Desta forma, a mecânica dos materiais é aplicada de forma intercambiável a várias áreas:

Engenharia Civil: para a concepção de edifícios de acordo com o tipo de cargas que devem suportar.
Mecânica automotiva e aeronáutica: na concepção de peças para automóveis, aviões e barcos.
Remédio: biomateriais é uma área muito interessante, em que os princípios descritos são aplicados no desenho de várias próteses e como substitutos de tecidos, por exemplo.

Desta forma, a mecânica de materiais se posiciona como a base da ciência e engenharia de materiais, um ramo multidisciplinar com avanços espetaculares nos últimos tempos.

Referências

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