Mecánica para ingenieros. 1. Fricción y leyes del rozamiento

El presente trabajo pretende caracterizar experimentalmente el fenómeno de la pérdida de presión en dos tipos de tubería: acero al carbono con costura y acero al carbono sin costura, adquiridos en el mercado nacional peruano. Esta caracterización se realiza utilizando aire comprimido, seco y regulado para presiones manométricas entre 1 y 7 bar, bajo condiciones de incompresibilidad en la línea de pruebas y con un rango de número Reynolds entre 9x104 y 8x105. El trabajo comprende la determinación experimental del factor de fricción, mediante un ensayo de pérdida de presión, con la finalidad de comprobar que su comportamiento, para las dos tuberías, obedece al modelo monotónico de Colebrook que se suma a las afirmaciones de Kemler en 1933, Moody en 1944, Schlichting en 1979, Bradshaw en 2000, Perry en 2001 y Langelandsvik en 2008. Esto permite calcular la rugosidad hidráulica para los dos tipos de tubería, resultando que la tubería de acero al carbono con costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,186 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rz y el modelo de Afzal en 2007, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Del mismo modo, la tubería de acero al carbono sin costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,018 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rq y los modelos de Langelandsvik en 2008 y Botros en 2016, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Así, es posible determinar, con mayor acercamiento, la rugosidad hidráulica (ks) para las tuberías de acero al carbono con y sin costura, conociendo solamente los parámetros de rugosidad superficial (Ra, Rz y Rq). Además, se puede tener la seguridad de utilizar el modelo monotónico de Colebrook para realizar el cálculo del factor de fricción (Λ). Con esto, la estimación de pérdida de presión y el gasto de energía involucrado es mucho más próximo a lo requerido. / Tesis

Magíster en Ciencias, Mención Física / La fricción interna corresponde a la capacidad de los materiales de disipar la energía de ondas de sonido. Esta capacidad depende del tipo de material así como del tipo y cantidad de defectos que contenga. Durante muchos años se ha utilizado la espectroscopía mecánica para obtener información del material a través de distintos experimentos, midiendo por ejemplo la fricción interna de un material específico. A pesar de la capacidad para medir fricción interna, hasta ahora es difícil conocer con precisión cuales son los mecanismos microscópicos que dan origen a la disipación de energía al interior del material. De particular interés es un pico en la curva de disipación interna versus temperatura llamado pico de Bordoni. La evidencia sugiere que la generación de este pico se debe a propiedades de las dislocaciones. Modelos teóricos que usan mecánica del continuo permiten una descripción cualitativa, pero no cuantitativa, del efecto. Hasta ahora se ha estudiado el pico de Bordoni desde el punto de vista experimental y desde la mecánica del contínuo. En este trabajo se propone estudiar este efecto desde las simulaciones atomísticas a través de dinámica molecular. Para ello se generó una muestra de cobre de 892800 átomos con dos dislocaciones ancladas y se generaron ondas de corte en el material. Se midió la tensión generada en la muestra y se encontraron las curvas de tensión-deformación. Luego se estudió la disipación de energía generada por la interacción de las ondas con las dislocaciones a través de una posible histéresis en las curvas de tensión-deformación. Estas simulaciones se realizaron a las temperaturas de 0, 50, 100, 150, 200 y 250 K, con períodos de 125 ps y 38 ps y un máximo de deformación de 0.0008 y 0.008. Para estimar el orden de magnitud esperado para la respuesta del sistema se usó un modelo de cuerda sobreamortiguada, lo que también permitió estimar el período de forzamiento para el cual las pérdidas deberían ser máximas. Todo esto llevó a una estimación del cuociente entre energía disipada por ciclo y energía acumulada máxima del orden de 10^{-4} lo cual se ajusta a los resultados experimentales. Para estimar el valor de los parámetros que aparecen en el modelo analítico se realizaron simulaciones con las dislocaciones desancladas. Dentro de la precisión numérica utilizada, no se encontró histéresis. Se deduce que la barrera de Peierls es muy pequeña para permitir detección de la histéresis. Se establece una cota para la precisión en las mediciones para cuantificar la fricción interna en el futuro. Posibles direcciones de trabajo futuro incluyen la disminución de las fluctuaciones en las mediciones de la tensión, lo que se podría lograr con un mayor número de ciclos generados en las ondas de corte y promediando sobre muchas realizaciones. Otra opción es realizar las simulaciones en otros materiales, con mayores coeficientes de fricción, para aumentar la energía disipada.

La soldadura por fricción batido FSW, es un nuevo método en la tecnología de unión de plásticos; a diferencia de las aplicaciones tradicionales en aleaciones de aluminio en el caso de los plásticos requiere el desarrollo de herramientas y procedimientos para conseguir uniones de la calidad requerida. La investigación en FSW de polímeros se ha enfocado hasta ahora en la unión de planchas planas, en este documento se presenta un método para unir mediante FSW tuberías plásticas de polietileno para gas natural, las propiedades mecánicas de la unión se evalúan mediante ensayos de resistencia a la tracción, se estudiaron además las superficies de fractura y se analizó la microestructura de las uniones soldadas. / Tesis

En el presente trabajo de investigación se ha empleado la técnica de procesamiento por fricción batido (Friction Stir Processing: FSP) para generar superficies que combinen las buenas propiedades de biocompatibilidad del titanio y la hidroxiapatita. Se utilizó un sustrato de titanio CP grado 2, incorporándose en la zona de batido dos tipos de nanopartículas de hidroxiapatita a diferentes porcentajes en peso: hidroxiapatita pura e hidroxiapatita dopada con óxido de silicio. Se realizaron dos pases con la herramienta de procesamiento, los parámetros para el primer y segundo pase fueron: velocidad de rotación de 800 y 1100 rpm y velocidad de avance de 1200 y 1100 mm/min respectivamente. Los materiales empleados y los nanocompuestos resultantes fueron caracterizados mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de energía dispersiva. Los resultados muestran que es posible fabricar los nanocompuestos mediante FSP dado que presentan una plastificación y batido uniforme tanto del material sustrato como de las nanopartículas; las capas superficiales tienen una profundidad de entre 10 a 25 μm, sin embargo se aprecia una considerable rugosidad. Los ensayos electroquímicos bajo un entorno de fluido corporal simulado a 37°C muestran que entre los nanocompuestos fabricados por FSP mejoran sus propiedades de resistencia a la corrosión y biocompatibidad según la variación de porcentaje en peso de las nanopartículas, no obstante los nanocompuestos / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / La presente memoria tiene como objetivo el corroborar, reformular y combinar ecuaciones asintóticas para obtener expresiones explícitas útiles para la soldadura por fricción-agitación (FSW). Para ello se crea una base de datos y se rede ne el modelo asintótico asociado a esta, para plantear ecuaciones fundamentales y corroborar las diferentes aproximaciones que las de nen, además de agregarles factores de corrección. La FSW aprovecha el calor generado por el roce entre las placas a soldar y la herramienta giratoria usada, para generar la unión entre los metales. Su ventaja es que se obtienen mejores propiedades mecánicas y por lo mismo, está siendo ampliamente utilizada; pero dado que se estudia por ensayo y error, es necesario que se desarrolle mayor conocimiento teórico sobre ella. Por ello, varios investigadores han desarrollado modelos para representar los fenómenos que gobiernan esta soldadura y en el caso de esta tesis, se utiliza el método de escalamiento adimensional. Se observa que las aproximaciones presentan variaciones menores al 12% por lo que son aceptables, excepto para el caso de Zener-Hollomon en que es necesario estudiar la tasa de deformación usada. Por otro lado, los factores de corrección en general presentan valores menores a 4, lo que se considera satisfactorio para el nivel de aproximación y resultados trabajados. Además, no se puede de finir un solo epsilon para AA5059 y AA7075, por lo que se debe estudiar más materiales, pero sí se concluye que se logran modelar los fenómenos asociados a esta soldadura, con resultados útiles para la ciencia. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el Gobierno Canadiense a través de la Beca "Emerging Leaders in the Americas Program"

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Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Propone un método que permita evaluar el desempeño de un lubricante en la trefilación en frío de un alambre de acero SAE 1020 y con ello optimizar el proceso de trefilación. Para tal efecto se utilizan tres tipos de lubricantes: el Synd Forg 331 (grafito coloidal), Synd Forg 100-A (sintético) y Dechelub 5562 (base de aceite) en una matriz de metal duro (W-C) con ángulo de trabajo de 8 grados a una velocidad de 1,48 mm/s, cada lubricante se emplea en una muestra de alambre SAE 1020 con 3,9 mm de diámetro inicial en condición de recocido y es reducido a 3,65 mm. Luego la muestra de alambre de 3,65 mm de diámetro inicial en condición de endurecido en un segundo pase es reducido a 3,40 mm de diámetro. Son variados los parámetros que influyen en el proceso de trefilación como la carga necesaria para realizarlo y las condiciones bajo las cuales se desarrollará. Sin embargo, éstos se pueden reunir en dos grandes grupos. En el primero están todos los factores geométricos propios del elemento a trefilar y del dado con el cual se está realizando el trefilado, y en el segundo, se encuentra el roce entre ellos el cual estará definido por factores como el acabado superficial de los materiales involucrados y la presencia de lubricación durante el proceso, en el cual se enfoca este trabajo. Posteriormente se calculan los valores del coeficiente de fricción de las muestras de acuerdo al modelo matemático de Siebel que relaciona la fuerza de trefilación, sección del material, deformación real del material, ángulo de trabajo y el valor medio de la resistencia de fluencia. En La medición de los parámetros son utilizados los siguientes equipos, una máquina universal de ensayo Kratos con célula de carga, sistema de adquisición de datos spider 8 y el software catman 4. Luego se comparan los resultados obtenidos para la determinación del lubricante con mejor performance siendo el Synd forg 331 el más eficiente para el proceso con los siguiente valores: coeficiente de fricción 0,0575 y fuerza de trefilación de 1079.10 N. / Tesis

En el presente trabajo de investigación se ha empleado la técnica de procesamiento por fricción batido (Friction Stir Processing: FSP) para generar superficies que combinen las buenas propiedades de biocompatibilidad del titanio y la hidroxiapatita. Se utilizó un sustrato de titanio CP grado 2, incorporándose en la zona de batido dos tipos de nanopartículas de hidroxiapatita a diferentes porcentajes en peso: hidroxiapatita pura e hidroxiapatita dopada con óxido de silicio. Se realizaron dos pases con la herramienta de procesamiento, los parámetros para el primer y segundo pase fueron: velocidad de rotación de 800 y 1100 rpm y velocidad de avance de 1200 y 1100 mm/min respectivamente. Los materiales empleados y los nanocompuestos resultantes fueron caracterizados mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de energía dispersiva. Los resultados muestran que es posible fabricar los nanocompuestos mediante FSP dado que presentan una plastificación y batido uniforme tanto del material sustrato como de las nanopartículas; las capas superficiales tienen una profundidad de entre 10 a 25 μm, sin embargo se aprecia una considerable rugosidad. Los ensayos electroquímicos bajo un entorno de fluido corporal simulado a 37°C muestran que entre los nanocompuestos fabricados por FSP mejoran sus propiedades de resistencia a la corrosión y biocompatibidad según la variación de porcentaje en peso de las nanopartículas, no obstante los nanocompuestos / Tesis