Química

Estabilidad e inestabilidad de materiales compuestos

(NC&T) En un estudio, el profesor de Ingeniería Física Walter Drugan (de la Universidad de Wisconsin-Madison) demuestra que un material compuesto puede ser estable en su conjunto incluso cuando contenga uno con rigidez negativa, o uno inestable en sí mismo con tal de que esté contenido dentro de otro material suficientemente estable. Es decir, que es viable aprovechar una gama mucho más amplia de propiedades para uno de los dos materiales.

Presentes en artículos de todo tipo, desde palos de golf y cuadros de bicicleta a las alas de los aviones, los materiales compuestos (o materiales fabricados combinando múltiples materiales diferentes) tienen ventajas sobre los convencionales que incluyen alta rigidez, resistencia mecánica, ligereza, dureza, resistencia a la fractura o un coste competitivo. La idea es que si se tiene un material con algunas propiedades excelentes pero que también tenga algunas desventajas, no debe ser descartado necesariamente, sino que es posible combinarlo con otro material para intentar aminorar esas desventajas y conseguir lo mejor de ambos.

Hasta ahora, los ingenieros de los materiales han venido ateniéndose a los límites matemáticos probados en el comportamiento de los materiales compuestos. Por ejemplo, si vamos a trabajar con dos materiales y tienen diferente rigidez, existen límites matemáticos rigurosos que demuestran que con esos dos materiales no puede fabricarse otro con una rigidez mayor que ese límite superior. Sin embargo, todos estos límites teóricos están basados en la suposición de que cada material en el compuesto tiene una rigidez positiva, en otros términos: que cada material es estable por sí mismo.

Cuando son ligeramente perturbados, los materiales estables, como los que presentan rigidez positiva, vuelven fácilmente a su estado original. Por ejemplo, un muelle ligeramente comprimido rebota después de que cesa la fuerza de compresión. Los materiales inestables, como los que presentan rigidez negativa, se colapsan rápidamente o sufren una gran deformación ante la perturbación más ligera. En un ejemplo de tipo estructural, si una columna vertical soporta una carga que se hace demasiado grande, incluso una ligera perturbación puede hacer que la columna ceda.

La idea de incorporar un material con rigidez negativa en un compuesto diseñado para que presente una gran rigidez, fue planteada en la Universidad de Wisconsin-Madison por el profesor de Ingeniería Física Roderic Lakes, quien hizo notar hace algunos años que en las fórmulas matemáticas que predicen cómo se comportará un material compuesto, basándose en las propiedades de sus materiales constituyentes, si se emplea uno con una rigidez negativa adecuadamente seleccionada, en teoría se produciría un compuesto "infinitamente" rígido.

Lakes llevó sus ideas al laboratorio, donde creó un compuesto de este tipo. A través de experimentos dinámicos desarrollados bajo carga oscilatoria, demostró que la rigidez del compuesto era mayor que lo indicado por los límites matemáticos, dada la combinación de materiales.

Ahora Drugan ha demostrado teóricamente que un material con estas características puede ser estable bajo la acción de una carga estática.

Drugan espera que su demostración sirva a los ingenieros de los materiales para aprovechar este nuevo segmento de materiales compuestos en múltiples aplicaciones.


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