(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 De<a L = alpha L,De<a T e o conceito de material restrito (tensão sigma = E,alpha,De<a T).

Passo 2

Quando uma barra ou componente é aquecido ou resfriado, sua tendência livre de alongar ou contrair é
De<a L = alpha,L,De<a T,
onde alpha é o coeficiente de dilatação linear e De<a T 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
sigma = E,alpha,De<a T,
com E sendo o módulo de elasticidade. O sinal de sigma (tração ou compressão) depende do sentido de De<a T 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.

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 sigma=EalphaDe<a T.
(b) No resfriamento rápido, a superfície entra em tração.
(c) No aquecimento rápido, a superfície entra em compressão.

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