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Mapa de selección de materiales – resistencia y rigidez frente a densidad

TecnologíaIngeniería mecánicaEdades 16–17

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Un mapa log–log al estilo de Ashby sitúa 24 materiales (metales, polímeros, maderas, compuestos GFRP y CFRP, cerámicas y vidrio, espumas) según su resistencia o su módulo de Young frente a la densidad. Fija un pliego de diseño para un tirante o una viga en voladizo: carga, longitud, factor de seguridad, masa máxima, coste y huella de carbono máximos, y solo materiales muy reciclados. Una línea de masa límite basada en el índice σ/ρ o E/ρ preselecciona los materiales que cumplen, y un panel de ensayo compara la relación resistencia/peso de CFRP, GFRP, aluminio y acero.

Lección: Selección de materiales según sus propiedades: resistencia, rigidez, densidad, coste e impacto ambiental; materiales compuestos (GFRP, CFRP); índices de rendimiento σ/ρ y E/ρ

Qué muestra

Un ingeniero casi nunca elige un material por una sola propiedad. En un mapa al estilo de Ashby cada material es una burbuja que abarca su rango típico de resistencia o rigidez y de densidad, y los materiales de una misma familia se agrupan. En un tirante la masa de la pieza es m = nFLρ/σ, así que un diseño ligero necesita una relación resistencia/peso σ/ρ alta; en una viga el índice pasa a ser σ^(2/3)/ρ o √E/ρ. La línea discontinua marca dónde la pieza alcanza la masa límite: todo lo que queda por encima es suficientemente ligero. Precio, huella de carbono y reciclabilidad acortan la lista.

Cómo usarla

Elige Resistencia–densidad o Rigidez–densidad, y Tirante o Viga en voladizo. Ajusta con los deslizadores la carga, la longitud, el factor de seguridad y los límites de masa, coste y huella, o marca Solo materiales muy reciclados. Las burbujas vivas cumplen todo; las pálidas fallan. Haz clic en una burbuja o usa la lista Material para leer sus datos, verla en el ensayo comparativo frente a CFRP, GFRP, aluminio y acero, y justificar tu elección con la tabla. Colorear según cambia la capa.

Parámetros que puedes cambiar

  • Mapa Resistencia–densidad, Rigidez (E)–densidad
  • Pieza Tirante (barra a tracción), Viga en voladizo de sección cuadrada
  • Carga F 0,1–50 kN
  • Longitud L 0,1–3 m
  • Factor de seguridad n 1–4
  • Masa máxima de la pieza 0,01–100 kg
  • Alargamiento o flecha máximos δ 0,1–20 mm
  • Coste máximo de la pieza 0,1–500 USD
  • Huella de carbono máxima de la pieza 0,1–200 kg CO₂e
  • Solo materiales muy reciclados
  • Colorear según Familia de materiales, Precio por kg, Huella de carbono por kg
  • Material mostrado Acero dulce, Acero inoxidable, Fundición de hierro, Aleación de aluminio, Aleación de titanio, Latón, Polietileno (HDPE), Polipropileno (PP), PVC rígido, Nailon (PA), Acrílico (PMMA), Resina epoxi, Caucho, Balsa, Pino, Roble, Contrachapado, Compuesto de fibra de vidrio (GFRP), Compuesto de fibra de carbono (CFRP), Vidrio, Cerámica de alúmina, Hormigón, Espuma EPS, Espuma rígida de PU

Preguntas para explorar

  1. ¿Por qué el CFRP supera al acero en un tirante ligero, si la mayoría de las estructuras de edificios siguen siendo de acero?
  2. ¿Cómo cambia la lista corta cuando solo se permiten materiales muy reciclados?
  3. ¿Por qué las maderas salen mejor paradas frente a los metales como vigas ligeras que como tirantes ligeros?

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