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Imagen:L-Torsion.png En ingeniería, torsión es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes o, en general, elementos donde una dimensión predomina sobre las otras dos, aunque es posible encontrarla en situaciones diversas.

La torsión se caracteriza geométricamente porque cualquier curva paralela al eje de la pieza deja de estar contenida en el plano formado inicialmente por la dos curvas. En lugar de eso una curva paralela al eje se retuerce alrededor de él (ver torsión geométrica).

El estudio general de la torsión es complicado porque bajo ese tipo de solicitación la sección transversal de una pieza en general se caracteriza por dos fenómenos:

1. Aparecen tensiones tangenciales paralelas a la sección transversal. Si estas se represetan por un campo vectorial sus líneas de flujo "circulan" alrededor de la sección.
2. Cuando las tensiones anteriores no están distribuidas adecuadamente, cosa que sucede siempre a menos que la sección tenga simetría circular, aparecen alabeos seccionales que hacen que las secciones transversales deformadas no sean planas.

El alabeo de la sección complica el cálculo de tensiones y deformaciones, y hace que el momento torsor pueda descomponerse en una parte asociada a torsión alabeada y una parte asociada a la llamada torsión de Saint-Venant. En función de la forma de la sección y la forma del alabeo, pueden usarse diversas aproximaciones más simples que el caso general.

Tabla de contenidos 1 Torsión general: Dominios de torsión 2 Torsión de Saint-Venant pura 2.1 Torsión recta: Teoría de Coulomb 2.2 Torsión no recta: Teoría de Saint-Venant 3 Torsión alabeada pura 3.1 Secciones abiertas 3.2 Secciones cerradas simples 3.3 Secciones multicelulares 4 Torsión mixta 5 Referencias

[editar] Torsión general: Dominios de torsión

En el caso general se puede demostrar que el giro relativo de una sección no es constante y no coincide tampoco con la función de alabeo unitario. A partir del caso general, y definiendo la esbeltez torsional como:</br> </br>

<math>\lambda_T \approx L\sqrt{\frac{GJ}{EI_\omega}}</math>

</br> Donde G, E son respectivamente el módulo de elasticidad transversal y el módulo elasticidad longitudinal, J, I_ω son el módulo torsional y el momento de alabeo y L es la longitud de la barra recta. Podemos clasificar los diversos casos de torsión general dentro de límites donde resulten adecuadas las teorías aproxiamdas expuestas a continuación.

De acuerdo con Kollbruner y Basler<ref>Kollbruner, C.F. & Basler, K., Torsión in structures, an engineering approach, Springer, 1969.</ref>:

• Torsión de Saint-Venant pura, cuando <math>\lambda \in (10,\infty)</math>.
• Torsión de Saint-Venant dominante, cuando <math>\lambda \in [5,10)</math>.
• Torsión alabeada mixta, cuando <math>\lambda \in (2,5)</math>.
• Torsión alabeada dominante, cuando <math>\lambda \in (1/2,2]</math>.
• Torsión alabeada pura, cuando <math>\lambda \in (0,1/2]</math>.

El cálculo exacto de la torsión en el caso general puede llevarse a cabo mediante métodos variacionales y usando un lagrangiano basado en la energía de deformación. El caso de la torsión alabeada mixta, no puede ser tratada más que usando la teoría general de torsión.

[editar] Torsión de Saint-Venant pura

La teoría de la torsión de Saint-Venant es aplicable a piezas prismáticas de gran inercia torsional con cualquier forma de sección, en esta simplificación se asume que el llamado momento de alabeo es nulo, lo cual no significa que el alabeo seccional también lo sea. Para secciones no circulares y sin simetría de revolución la teoría de Sant-Venant además de un giro relativo de la sección transversal respecto al eje baricéntrico predice un alabeo seccional o curvatura de la sección transversal. La teoría de Coulomb de hecho es un caso particular en el que el alabeo es cero, y por tanto sólo existe giro.

[editar] Torsión recta: Teoría de Coulomb

La teoría de Coulomb es aplicable a ejes de transmisión de potencia macizos o huecos, debido a la simetría circular de la sección no pueden existir alabeos diferenciales sobre la sección. De acuerdo con la teoría de Coulomb la torsión genera una tensión cortante el cual se calcula mediante la fórmula:

(left)

Donde:

<math> \tau_\rho\; </math>: Esfuerzo cortante a la distancia <math>\rho</math>.</br>

<math>T</math>: Momento torsor total que actúa sobre la sección.</br>

<math> \rho\ </math>: distancia desde el centro geométrico de la sección hasta el punto donde se está calculanda la tensión cortante.</br>

<math>J</math>: Módulo de torsión.

</br> Esta ecuación se asienta en la hipótesis cinemática de Coulomb sobre como se deforma una pieza prismática con simetría de revolución, es decir, es una teoría aplicable sólo a elementos sección circular o circular hueca. Para piezas con sección de ese tipo se supone que el eje baricéntrico permanece inalterado y cualquier otra línea paralea al eje se transforma en una espiral que gira alrededor del eje baricéntrico, es decir, se admite que la deformación viene dada por unos desplazamientos del tipo:</br> </br>

<math>u_x(x,y,z) = 0 \qquad u_y(x,y,z) = -\alpha(x) z \qquad u_z(x,y,z) = +\alpha(x) y</math>

</br> El tensor de deformaciones para una pieza torsionada como la anterior se obtiene derivando adecuadamente las anteriores componentes del vector de desplazamiento:</br> </br>

<math>\varepsilon_{xx} = \frac{\partial u_x}{\partial x} = 0 \qquad \varepsilon_{xy} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_x}{\partial y} + \frac{\partial u_y}{\partial x}\right) = -\frac{1}{2} \frac{\partial \alpha}{\partial x}z = -\frac{\alpha'_x z}{2} </math>

<math>\varepsilon_{yy} = \frac{\partial u_y}{\partial y} = 0 \qquad \varepsilon_{xz} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_x}{\partial z} + \frac{\partial u_z}{\partial x}\right) = +\frac{1}{2} \frac{\partial \alpha}{\partial x}y = +\frac{\alpha'_x y}{2}</math>

<math>\varepsilon_{zz} = \frac{\partial u_z}{\partial z} = 0 \qquad \varepsilon_{yz} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_y}{\partial z} + \frac{\partial u_z}{\partial y}\right)= 0 </math>

</br> A partir de estas componentes del tensor de deformaciones usando las ecuaciones de Lamé-Hooke llevan a que el tensor tensión viene dado por:</br> </br>

<math>

\mathbf{T}_{tor} = \frac{G}{2} \begin{bmatrix}

 0 & -\alpha'_x z & +\alpha'_x y \\
 -\alpha'_x z & 0 & 0 \\  
 +\alpha'_x y & 0 & 0 

\end{bmatrix} </math></center> </br> Usando las ecuaciones de equivalencia se llega a la relación existente entre la función α y el momento torsor:

(left)

Donde <math>I_0 = I_y + I_z \,</math>, es el momento de inercia polar que es la suma de los segundos momentos de área.

[editar] Torsión no recta: Teoría de Saint-Venant

Para una barra recta de sección no circular además del giro relativo aparecerá un pequeño alabeo que requiere una hipótesis cinemática más complicada. Para representar la deformación se puede tomar un sistema de ejes en el que X coincida con el eje de la viga y entonces el vector de desplazamientos de un punto de coordenadas (x, y, z) viene dado en la hipótesis cinemática de Saint-Venant por:</br> </br>

<math>u_x(x,y,z) = \omega(y,z)\frac{d\theta_x(x)}{dx} \qquad

u_y(x,y,z) = -(z-z_C)\theta_x(x) \qquad u_z(x,y,z) = +(y-y_C)\theta_x(x) </math> </br> Donde <math>\theta_x(x)</math> es el giro relativo de la sección (siendo su derivada constante); siendo z_C y y_C las coordenadas del centro de cortante respecto al centro de gravedad de la sección transversal y siendo ω(y, z) la función de alabeo unitario que da los desplazamientos perpendiculares a la sección y permiten conocer la forma curvada final que tendrá la sección transversal. Conviene señalar, que la teoría al postular que la derivada del giro es constante es sólo una aproximación útil para piezas de gran inercia torsional. Calculando las componentes del tensor de deformaciones a partir de las derivadas del desplazamiento se tiene que:

(left)

Calculando las tensiones a partir de las anteriores deformaciones e introduciéndolas en la ecuación de equilibrio elástico se llega a:</br> </br>

<math>

\mathbf{T}_{tor} = \begin{bmatrix}

 \sigma_{xx} & \tau_{xy} & \tau_{xz} \\
 \tau_{xy} & 0 & 0 \\  
 \tau_{xz} & 0 & 0 \end{bmatrix} \qquad \begin{cases}
 \sigma_{xx}=\omega\cfrac{B_\omega}{I_\omega}\\
 \tau_{xy}=-\cfrac{1-\kappa_0}{\kappa_0}\left[\cfrac{\part \omega}{\part y}+z_C\right] \cfrac{M_\omega}{J}+\left[\cfrac{\part \omega}{\part y}-(z-z_C)\right] \cfrac{M_x-M_\omega}{J}\\
 \tau_{xz}=-\cfrac{1-\kappa_0}{\kappa_0}\left[\cfrac{\part \omega}{\part y}-y_C\right] \cfrac{M_\omega}{J}+\left[\cfrac{\part \omega}{\part y}+(y-y_C)\right]\cfrac{M_x-M_\omega}{J} \end{cases}

</math> </br> Donde las magnitudes geométricas <math>I_\omega, J</math> son respectivamente el segundo momento de alabeo y el módulo de torsión y los "esfuerzos" <math>B_\omega, M_\omega</math> se denominan bimomento y momento de alabeo, todos ellos definidos para prismas mecánicos.

[editar] Torsión alabeada pura

Para piezas de muy escasa inercia torsional, como las piezas de pared delgada, puede construirse un conjunto de ecuaciones muy simples en la que casi toda la resistencia a la torsión se debe a las tensiones cortantes inducidas por el alabeo de la sección. En la teoría de torsión alabeada pura se usa la aproximación de que el momento de alabeo coincide con el momento torsor total. Esta teoría se aplica especialmente a piezas de pared delgada y se distinguen tres casos:

1. Sección abierta, donde no aparecen esfuerzos de membrana.
2. Sección cerrada simple, en el que la sección transversal puede aproximarse por una pequeña curva simple cerrada dotada de un cierto espesor.
3. Sección multicelular, en el que la sección transversal no es simplemente conexa pero aún así puede aproximarse por una curva no simple y un cierto espesor.

[editar] Secciones abiertas

[editar] Secciones cerradas simples

[editar] Secciones multicelulares

[editar] Torsión mixta

En el dominio de torsión de Saint-Venant dominante y de torsión alabeada dominante, pueden emplearse con cierto grado de aproximación la teoría de Sant-Venant y la teoría de torsión alabeada. Sin embargo en el dominio central de torsión extrema, se cometen errores importantes y es necesario usar la teoría general más complicada.

[editar] Referencias

• Ortiz Berrocal, L., Elasticidad, McGraw-Hill, 1998, ISBN 84-481-2046-9.
• Timoshenko, S.P. y Godier J.N., Theory of elasticity, McGraw-Hill, 1951.
• Monleón Cremades, S., Análisis de vigas, arcos, placas y láminas, Ed. UPV, 1999, ISBN 84-7721-769-6.en:Torsion (mechanics)