(a) Explique por que tensões térmicas podem ser introduzidas em uma estrutura em razão de um aquecimento ou resfriamento rápido. (b) Qual é a natureza das tensões superficiais no resfriamento? (c) Qual é a natureza das tensões superficiais no aquecimento?
Passo 1
O enunciado pergunta sobre tensões térmicas geradas por aquecimento ou resfriamento rápido de uma estrutura. O conteúdo aqui é a teoria de dilatação térmica e de como restrições geométricas ou de gradiente de temperatura geram tensões. Para resolver, vamos usar a relação de dilatação livre
e o conceito de material restrito (tensão
).
Passo 2
Quando uma barra ou componente é aquecido ou resfriado, sua tendência livre de alongar ou contrair é
onde
é o coeficiente de dilatação linear e
a variação de temperatura. Se não houver restrição, não surgem tensões internas.
Passo 3
Se a dilatação ou contração fica restrita (por exemplo, o núcleo ainda quente impede a contração da superfície fria), aparece uma tensão térmica dada por
com
sendo o módulo de elasticidade. O sinal de
(tração ou compressão) depende do sentido de
e de quem está impedindo o movimento livre.
Passo 4
No resfriamento rápido, a superfície esfria primeiro e tende a contrair, mas fica presa pelo núcleo quente que ainda ocupa maior volume. Logo, a superfície fica submetida a
tração (tensão positiva), e o núcleo, para segurar essa contração, entra em compressão.
tração (tensão positiva), e o núcleo, para segurar essa contração, entra em compressão.
Passo 5
No aquecimento rápido, a superfície aquece e tenta se expandir, mas é contida pelo núcleo mais frio que está em volume menor. Assim, na superfície aparece compressão (tensão negativa), e o núcleo fica em tração.
Resposta
(a) Porque o aquecimento ou resfriamento rápido gera gradientes de temperatura, e as partes quentes/frias não podem se dilatar/contrair livremente, criando tensões térmicas
.
(b) No resfriamento rápido, a superfície entra em tração.
(c) No aquecimento rápido, a superfície entra em compressão.
(b) No resfriamento rápido, a superfície entra em tração.
(c) No aquecimento rápido, a superfície entra em compressão.