Metrología óptica e instrumentación básica. 3.1 Introducción a la óptica. La parte de la física que estudia la luz recibe el nombre de óptica. La luz estaba considerada, hasta la mitad del siglo XVII como una corriente de corpúsculos. Hugens fue el primero en afirmar que la luz era una onda! suponía suponía
que era un mo"imiento mo"imiento ondulatorio ondulatorio de tipo mec#nico mec#nico $como el
sonido% que se propaga en un supuesto medio el#stico que llena todo que se conocía con el nombre de &ter. 'l hecho real es que la luz parecía presentar
características corpusculares
al tiempo tiempo que ondulatorias. ondulatorias. (a)*el, (a)*el, en +-, contribuó contribuó decisi"ament decisi"amente e a la teoría ondulatoria demostrando que la luz no era er a otra cosa que una onda electromagn&tica. La óptica es la ciencia de controlar la luz. La luz es parte de un tipo de energía llamada /radiación electromagn&tica0 $'(%. La luz es la parte de las ondas '( que podemos "er forma los colores del arcoíris. Hablando m#s formal, la óptica es el campo de la ciencia la ingeniería que comprende los fenómenos físicos tecnologías asociadas con la generación, transmisión, manipulación, uso detección de la luz. La luz $"ia1a a 22 2223m4seg% es una onda electromagn&tica, esto significa que es una combinación de una onda el&ctrica una onda magn&tica $ una onda electromagn&tica "ia1a a la "elocidad de la luz%. Las Las onda ondass elec electr trom omagn agn&t &tic icas as puede pueden n ser much muchas as,, como como se mues muestr tra a en la siguiente figura!
Espectro electromagnético. 'l estudio de la óptica se puede di"idir en tres partes: 567I89 :'5(;7
?@I89. 7rata la luz considerada como un mo"imiento ondulatorio. 567I89 567I89 8=9A7I89. 8=9A7I89. @e refiere refiere a las interaccione interaccioness entre luz las partículas atómicas. 9quí nos limitaremos a las dos primeras partes apenas esbozaremos algunos aspectos de la tercera.
3.2 ÓPI!" #E$M%&I!"
la óptica geométrica
es el rao luminoso, que, como "eremos, da solo una descripción apro)imada del camino
que la luz sigue
en el espacio, espacio, pero para muchos fines fines
pr#cticos esa apro)imación es suficiente. @iendo un rao luminoso un concepto geom&trico. Ao se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rao paralelo , limitado de esta porción, p orción, de tal manera que se de1e pasar un haz ha z cilíndrico
Espectro electromagnético. 'l estudio de la óptica se puede di"idir en tres partes: 567I89 :'5(;7?@I89. 7rata la luz considerada como un mo"imiento ondulatorio. 567I89 567I89 8=9A7I89. 8=9A7I89. @e refiere refiere a las interaccione interaccioness entre luz las partículas atómicas. 9quí nos limitaremos a las dos primeras partes apenas esbozaremos algunos aspectos de la tercera.
3.2 ÓPI!" #E$M%&I!"
la óptica geométrica
es el rao luminoso, que, como "eremos, da solo una descripción apro)imada del camino
que la luz sigue
en el espacio, espacio, pero para muchos fines fines
pr#cticos esa apro)imación es suficiente. @iendo un rao luminoso un concepto geom&trico. Ao se puede reproducir en un laboratorio, pero hacemos uso de una fuente de rao paralelo , limitado de esta porción, p orción, de tal manera que se de1e pasar un haz ha z cilíndrico
de luz, se pueden reproducir casi todos los resultados teóricos con una apro)imación.
Las Leyes de reflexión.
@e llam llama a reflexión al reflexión al rechazo que e)perimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. 7oda superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que que inci incide de en ella ella se llam llama a superficie reflectora' lo contrario de una superficie refle reflect ctora ora es una una superficie absorbenteB absorbenteB estas superficies capturan la luz que incide sobre ellas transform#ndola en otras formas de energía, generalmente energía calorífica. La refle)ión se produce de acuerdo con ciertas lees que llamamos lees de la refle)ión. 6ara enunciarlas, haremos uso de los conceptos de rao incidente, normal, rao refle1ado, #ngulo de incidencia #ngulo de refle)ión. El rayo incidente es incidente es un rao luminoso que se dirige hacia la superficie reflectora. La normal es es una línea perpendicular a la superficie reflectora trazada en el punto en que &sta es intersectada por el rao incidente $punto de incidencia%. El rayo reflejado es reflejado es el rao que emerge de la superficie reflectora. formados por el rao rao incidente incidente Los ángulos de incidencia incidencia y de reflexión son los formados el refle1ado con la normal. 'n la figura C.+.+ se consigna un diagrama que aclara estas ideas. 9hora resulta sencillo enunciar las leyes de la reflexión. reflexión . +. 'l rao incidente, la la normal el rao refle1ado est#n en el mismo plano. C. 'l #ngulo que forma el rao incidente incidente con la normal $#ngulo $#ngulo de incidencia% es igual al #ngulo que forma el rao refle1ado con la normal $#ngulo de refle)ión%.
'n la fig. C.+.+ aparecen estos dos #ngulos designados con las letras i r, respecti"amente.
>igura C.+.+ 'squema de la refle)ión de un rao luminoso.
Espejos planos! se denomina espe1o plano a una superficie reflectora que forma im#genes est# contenida en un plano. Determinaremos la posición de la imagen de un punto en un espe1o plano. @upongamos que una fuente puntual esta emitiendo raos luminosos en todas direcciones que parte de &stos se refle1an en un espe1o plano. =sando las lees de la refle)ión se podría seguir la traectoria de gran cantidad de raos luminososB en rigor, podríamos seguir la traectoria de todos los raos luminosos, pero, siendo infinitos en número, esto resulta imposible. Interesa saber si nuestro espe1o forma una imagen, es decir. @i los raos que salen de un punto luminoso con"ergen despu&s de refle1ados a un solo punto, para ello basta con seguir la traectoria de dos raos como los dibu1ados en la figura. C.+.C.
>igura C.+.C Imagen de un punto formada en un espe1o plano.
6ara encontrar la imagen de un ob1eto en un espe1o plano podemos seguir el mismo camino encontrar la imagen de cada uno de los puntos del ob1eto consider#ndolos como fuentes puntuales. @iguiendo las ideas del p#rrafo anterior, consideremos un ob1eto como una flecha determinaremos la posición del mismo calculando la posición de sus puntos e)tremos 6 E. 'l esquema de la fig. C.+. nos muestra la marcha de dos raos luminosos pro"enientes de los puntos 6 E, respecti"amente. 'n rigor, deberíamos dibu1ar por lo menos dos raos luminosos pro"enientes de cada puntoB pero, como el problema a ha sido resuelto, localizamos el punto sim&trico de 6. que es 6F, el sim&trico de E, que es EF, estamos en condiciones de trazar la imagen.
>igura C.+. Imagen de un ob1eto en un espe1o plano.
Espejos curvos! 8uando una superficie especular no puede estar contenida en un plano se denomina espe1o cur"o. 'l estudio de la formación de im#genes en espe1os cur"os es m#s laborioso. @in embargo, debe tenerse presente que el fenómeno que inter"iene en este caso sigue siendo el de la refle)ión sus lees se cumplen en todo momento. 6or razones de producción de costos, la maoría de las superficies especulares cur"as con que se traba1an son esf&ricas. 6or este moti"o, la teoría que "amos a e)poner se refiere a este tipo de superficies. 'stos espe1os se llaman espe1os esf&ricos. =n espe1o esf&rico puede ser cónca"o o con"e)o, según cual sea la cara reflectante. 'n la >igura. C.+.G $9% est# representado un espe1o con"e)o. 8on"iene imaginar un espe1o con"e)o como un casquete de esfera met#lica mu pulida o de "idrio, plateada en su interior. 'l punto 8 es el centro de la esfera de la cual se ha obtenido el espe1oB el punto > est# a una distancia. <4C del centro de la esfera 5 es el punto donde se intersecta el espe1o en el e1e principal. 'n lo sucesi"o llamaremos a 8 centro geom&trico, a > foco a 5 centro óptico del espe1o.
>igura C.+.G >ormación de Imagen en espe1os! $9% 8on"e)oB $% 8ónca"o.
Las leyes de la refracción. La "elocidad ", que lle"a la luz al atra"esar un medio material $aire, agua% es característica de dicho medio es siempre inferior a la "elocidad en el "acío c. 8uando la luz pasa de un medio de propagación a otro sufre una des"iación, a esa des"iación se le llama refracción. 8uando en un medio la "elocidad de propagación de la luz es menor, se dice que es m#s refrigente; así, la refringencia est# ligada a la "elocidad de propagación de la luz. 'n ciertos casos se habla de densidad óptica del medioB naturalmente, en un medio m#s refringente la densidad óptica es maor. La fig. C.+. representa un rao luminoso incidiendo de un medio $+% menos refringente a uno $C% de maor refringencia. 'n estos casos siempre una fracción del rao incidente es refle1ada. @e puede obser"ar cómo el rao incidente al pasar al medio $C%, se acerca a la normal.
9hora podemos enunciar las llamadas leyes de la refracción: +. 'l rao incidente, la normal el rao refractado est#n en el mismo plano. C. 'l seno del #ngulo de incidencia di"idido por el seno del #ngulo de refracción es una constante para cada medio se llama índice de refracción.
>igura C.+. Las lees de la refracción! $I% 9ngulo de incidenciaB $<% 9ngulo de refracción.
Reflexión total. 8omo se ha dicho, la luz, al pasar de un medio de menor refringencia a otro m#s refringente, sufre una des"iación acerc#ndose a la normal. =sando el principio de re"ersibilidad de los caminos ópticos, es f#cil darse cuenta de que si la luz pasa de un medio m#s refringente a otro menos refringente se des"ía ale1#ndose de la normal. 'n la figura C.+.J $9% se han dibu1ado tres raos luminosos pro"enientes de una fuente puntual que pasan de un medio m#s refringente a uno menos refringente. ')iste un #ngulo de incidencia para el cual el #ngulo de refracción es de K22B a ese #ngulo se le llama #ngulo límite.
>igura C.+.J $9%
Dispersión. 8omo se ha dicho, la luz blanca es una mezcla de radiación electromagn&tica de "arias longitudes de onda. 'n el "acío la "elocidad de propagación de la luz no depende de su longitud de onda. =n medio de estas características se llama no dispersi"o. 8uando la longitud de onda afecta mu poco la "elocidad de propagación de la luz el medio se llama d&bilmente dispersi"o. 'l aire es un medio d&bilmente dispersi"o. Haciendo uso de un medio altamente dispersi"o se puede construir un dispositi"o que al ser atra"esado por luz blanca separe los componentes de &sta. 'n la fig. C.+.- aparece la sección trans"ersal de un prisma equil#tero. =n rao de luz blanca incide en la superficie del prisma , debido a que el #ngulo de refracción es distinto para cada color, &stos se separan dentro del prisma, luego inciden en la otra cara sufriendo una nue"a des"iación, ale1#ndose ahora de la normal, lo que hace aumentar aún m#s la separación de los raos luminosos. 6uesto que, como es f#cil de demostrar, la des"iación producida por el prisma aumenta al aumentar el índice de refracción, la luz "ioleta es la m#s des"iada, siendo la ro1a la menos des"iadaB todos los dem#s colores quedan en posiciones intermedias.
>igura C.+.- Dispersión producida por un prisma.
ÓPI!" ()*I!"
@i no consider#semos la luz como una onda electromagn&tica, nos sería imposible e)plicar los fenómenos de interferencia, dispersión, difracción la polarización de la luz. La parte de la ptica que estudia estos fenómenos se denomina ptica !"sica.
Hemos dicho que la luz es una onda electromagn&tica. 8ómo es que no obser"amos, un fenómeno característico de las ondas, como es la interferencia.
@i recordamos las ondas mec#nicas, ad"ertiremos que una de las condiciones fundamentales para que se produzca un diagrama de interferencias es que las fuentes de donde proceden las ondas sean coherentes, esto es, que emitan en fase o que su diferencia de fase sea constanteB de no ocurrir esto, las líneas nodales del diagrama se desplazarían continuamente no llegaría a obser"arse el diagrama, a que el o1o humano es incapaz de seguir estas fluctuaciones. La solución al problema de la coherencia la consiguió Moung, utilizando dos haces de un mismo foco luminoso. 'n efecto, consideremos un frente de onda, al que hacemos pasar por dos ranuras sumamente estrechas $del orden de una longitud de onda% pró)imas. 's sabido que, en este caso, cada ranura se comporta como una fuente puntual de acuerdo con el principio de Hugens , como el frente de onda que llega a ambas ranuras es el mismo, es e"idente que las dos fuentes asi obtenidas est#n en fase. 'n la fig. C.+. hacemos un estudio de la interferencia de las ondas luminosas que pasan a tra"&s de dos rendi1as. 'n la fig. C.+. 9 aparece primero una fuente puntual. 'st#n representados, en dicha figura, los distintos frentes de onda propag#ndose hasta encontrar a las dos rendi1as que se comportan, de acuerdo con las propiedades de las ondas, como dos fuentes puntuales emitiendo en fase. 'n la fig. C.+. hemos trazado un e1e por el punto medio entre las dos fuentes >C >, que corta a la pantalla en el punto 2. La distancia que las ondas luminosas tienen que recorrer desde >C a 2 desde > a 2 son las mismasB por lo tanto, en la pantalla siempre habr# un m#)imo de luz asociado a ese punto, a que las ondas llegan en concordancia de fase.
>ig. C.+. Interferencia de ondas luminosas que pasan a tra"&s de dos rendi1as
Difracción. Los hechos principales obser"ados en los fenómenos de difracción pueden predecirse con auda del principio de Huggens. De acuerdo con &l, cada punto del frente de onda puede considerarse como el origen de una onda secundaria que se propaga en todas direcciones , para encontrar el nue"o frente de onda, debemos sumar la contribución de cada uno de los frentes de onda secundarios en cada punto. 6ara
facilitar
las
cosas, consideremos
una
antena
emitiendo ondas
electromagn&ticas. 'n la fig. C.+.K 9 se puede apreciar que el campo el&ctrico
oscila perpendicularmente a la dirección de propagación $hemos omitido el campo magn&tico para simplificar%. 5bser"amos, adem#s, que en todos los puntos de cualquier plano >i1o en el espacio perpendicular a la dirección de propagación de la luz el campo el&ctrico oscila a lo largo de una línea "ertical. @e dice, en este caso, que las ondas est#n linealmente polarizadas o simplemente que est#n polarizadas. 'n la figura C.+.K se representa esquem#ticamente la luz polarizada linealmente. 'n la luz natural el campo el&ctrico $, por Io tanto, el campo magn&tico que actúa en dirección perpendicular% puede "ibrar en todas las direcciones. @e dice que la luz natural no est# polarizada. >igura C.+.K 8.
>igura C.+.K $9% Las ondas electromagn&ticas radiadas por una antena est#n polarizadas linealmente. $% Diagrama esquem#tico de luz polarizada lin ealmente. $8% Luz ordinarias.
Ha "arios m&todos para separar total o parcialmente de un haz de luz natural las "ibraciones que tienen una dirección particular. =no de ellos consiste en usar el conocido fenómeno de la refle)ión. 8uando la luz natural incide sobre una superficie reflectante, se obser"a que e)iste refle)ión preferente para aquellas ondas en las cuales el "ector el&ctrico "ibra perpendicularmente al plano de incidencia $constitue una e)cepción el caso de incidencia normal, en el cual todas las direcciones de polarización se refle1an igualmente%. 6ara un #ngulo de incidencia particular, llamado #ngulo de polarización, no se refle1a m#s luz que aquella para +a cual el "ector el&ctrico es perpendicular al plano de incidencia $fig.
C.+.+2%. @i el elemento reflector de la luz es "idrio, se refle1a apro)imadamente un + por +22 de la radiación perpendicular al plano de incidenciaB el otro por +22 se transmite constitue luz parcialmente polarizada. ')isten cristales que presentan un fenómeno llamado birrefringencia. 8uando la luz atra"iesa uno de estos cristales, el rao luminoso incidente se di"ide en dos raos que se llaman rao ordinario e)traordinario, respecti"amente.
>igura C.+.+2 8uando la luz incide ba1o el #ngulo de polarización, la luz refle1ada est# polarizada linealmente. Fotometría:
La energía radiante tiene tres características matiz o tono, saturación brillo. Las dos primeras son de las que nos hemos ocupado antes hacen referencia al aspecto cualitati"o de la radiación. 'n esta unidad nos referiremos al aspecto cuantitati"o de la energía radiante, es decir al brillo, a la cantidad de luz. La +otometría es pues la parte de la física que trata de la medida de la luz en su aspecto cuantitati"o considerando dos factores, uno ob1eti"o $el espectro "isible% otro sub1eti"o $el o1o%.
!igura #.$.$$
3.4
Diferencias, ventajas y
desventajas
de instrumentos
analógicos y digitales 7ipos de Instrumentos de medición 'n general los par#metros que caracterizan un fenómeno pueden clasificarse en 9nalógicos Digitales, se dice que un par#metro es analógico cuando puede tomar todos los "alores posibles en forma cont"nua, por e1emplo! el "olta1e de una batería, la intensidad de luz, la "elocidad de un "ehículo, la inclinación de un plano, etc. 6or otra parte se dice que un par#metro es digital cuando solo puede tomar "alores discretos, por e1emplo! el número de partículas emitidas por un material radioacti"o en un segundo, el número de mol&culas, en un "olumen dado de cierto material, el número de re"oluciones de un motor en un minuto, etc. 9hora bien con que ob1eto se trata de con"ertir la información a la forma digital, para contestar esta pregunta es necesario "isualizar las "enta1as des"enta1as de los instrumentos tanto analógicas como digitales.
%instrumentos &nalógicos %instrumentos Digitales
Instrumentos 9nalógicos. 'entajas a%
a1o 8osto.
b%
'n algunos casos no requieren de energía de alimentación.
c%
Ao requieren gran sofisticación.
d%
6resentan con facilidad las "ariaciones cualitati"as de los
para "isualizar r#pidamente si el "alor aumenta o disminue. e%
's sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales.
par#metros
Desventajas a% b%
7ienen poca resolución, típicamente no proporcionan m#s de cifras. 'l error de parala1e limita la e)actitud a N 2.O a plena escala en el me1or de
los casos. c%
Las lecturas se presentan a errores gra"es cuando el instrumento tiene
"arias escalas. d%
La rapidez de lectura es ba1a, típicamente + lectura4 segundo.
e%
Ao pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos
de tipo digital.
Ha muchos m&todos e instrumentos diferentes que se emplean para medir la corriente el "olta1e. Las mediciones de "olta1e se efectúan con dispositi"os tan "ariados como "oltímetros electromec#nicos, "oltímetros digitales, osciloscopios potenciómetros. 'n los m&todos para medir corrientes emplean los instrumentos llamados amperímetros . 9lgunos amperímetros funcionan sensando realmente la corriente, mientras que otros la determinan indirectamente a partir de una "ariable asociada, como lo es el "olta1e, el campo magn&tico o el calor. Los medidores que determinan el "olta1e 4o la corriente se pueden agrupar en dos clases generales! medidores analógicos y medidores digitales. 9quellos que emplean mecanismos electromec#nicos para mostrar la cantidad que se est# midiendo en una escala contínua $es decir analógica( pertenecen a la clase analógica. 'n este tema se analizar#n esos medidores analógicos, 1unto con la información b#sica, conceptual, asociada con el funcionamiento de los medidores.
=n amperímetro siempre se conecta en serie con una rama del circuito e indica la corriente que pasa a tra"&s de &l. =n amperímetro ideal sería capaz de efectuar la medición sin cambiar o perturbar la corriente en la rama. $'sta medición sin perturbaciones sería posible si el medidor pareciera como un cortocircuito con respecto al flu1o de corriente.% @in embargo, los amperímetros reales poseen siempre algo de
resistencia interna hacen que la corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor. 'n forma in"ersa, un "oltímetro se conecta en paralelo con los elementos que se miden. (ide la diferencia de potencial $"olta1e% entre los puntos en los cuales se conecta. 9l igual que el amperímetro ideal, el "oltímetro ideal no debería hacer cambiar la corriente el "olta1e en el circuito que se est# midiendo. 'sta medición ideal del "olta1e sólo se puede alcanzar si el "oltímetro no toma corriente alguna del circuito de prueba.
&mper"metro analógico de cd Los amperímetros electromec#nicos industriales de laboratorio se emplean para medir corriente desde +
9 $+2PJ 9% hasta "arios cientos de amperes. La figura
Instrumentos Digitales. 'entajas a%. 7ienen alta resolución alcanzando en algunos casos m#s de K cifras en lecturas de frecuencia una e)actitud de Q 2.22CO en mediciones de "olta1es. b%. Ao est#n su1etos al error de paralela1e. 8. 6ueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas. d%. 7ienen una rapidez de lectura que puede superar las +222 lecturas por segundo. e%. 6uede entregar información digital para procesamiento inmediato en computadora. Desventajas a%. 'l costo es ele"ado. b%. @on comple1os en su construcción.
8. Las escalas no lineales son difíciles de introducir.
d%. 'n todos los casos requieren de fuente de alimentación.
De las "enta1as des"enta1as anteriores puede obser"arse que para cada aplicación ha que e"aluar en función de las necesidades específicas, cual tipo de instrumentos es el m#s adecuado, con esto se enfatiza que no siempre el instrumento digital es el m#s adecuado siendo en algunos casos contraproducente el uso del mismo. Los instrumentos digitales tienden a dar la impresión de ser mu e)actos por su indicación concreta sin ambigRedades, pero no ha que ol"idar que si su calibración es deficiente, su e)actitud puede ser tanto o m#s mala que la de un instrumento analógico.
%)*+R,-E)+* &)&L/%0* 1 D%/%+&LE*. 85(69<9D5< D' @5<'7'A@I5A! 's un equipo robusto port#til de ba1o costo, diseSado para hacer pruebas de sobre tensión en corriente alterna de equipos el&ctricos, componentes, tar1etas de circuitos impresos maquinaria el&ctrica en general. 85(6<59D5< D' =:9@
D' I5AIT98I5A! 'l
comprobador est# diseSado para ser utilizado en pruebas de sobre tensión de aislamiento no destructi"o en materiales, componentes el&ctricos equipo. ('DID5<'@ D' 9I@L9(I'A75! 's un instrumento port#til con indicadores de agu1as que permite efectuar medidas de resistencia hasta de +22 ohmios. V5L7I('7<5! 'ste es b#sicamente un aparato sensible a las corrientes, pero se usa para medir "olta1es manteniendo constante la resistencia del circuito por medio de t&cnicas compensadoras. V5L7I('7<5 DI:I79L! 'ste instrumento acepta entradas analógicas de "olta1e que produce una imagen "isual de la lectura del "olta1e en dígitos decimales. V5L7I('7<5 D' 6L979! 6ermite la medición de la intensidad, basada en la definición internacional del amperio.
V5L7I('7<5 D' :9@ <'75A9A7'! 'lectrodos sumergidos en agua acidulada, una mas f#cil determinación de la cantidad de gas formada una mas r#pida disponibilidad del aparato para una nue"a medida.C
<'@I@7'A8I9, 89698ID9D ' IAD=879A8I9 7odos los componentes de un circuito el&ctrico e)hiben en maor o menor medida una cierta resistencia, capacidad e inductancia. La unidad de resistencia comúnmente usada es el ohmio. La capacidad de un condensador se mide en faradios. La unidad de inductancia es el henrio. (ecanismos b#sicos de los medidores 6or su propia naturaleza, los "alores el&ctricos no pueden medirse por obser"ación directa. 6or ello se utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible de ser detectada medida. 6or e1emplo, en el gal"anómetro, el instrumento de medida in"entado hace m#s tiempo, la fuerza que se produce entre un campo magn&tico una bobina inclinada por la que pasa una corriente produce una des"iación de la bobina. Dado que la des"iación es proporcional a la intensidad de la corriente se utiliza una escala calibrada para medir la corriente el&ctrica. La acción electromagn&tica entre corrientes, la fuerza entre cargas el&ctricas el calentamiento causado por una resistencia conductora son algunos de los m&todos utilizados para obtener mediciones el&ctricas analógicas. 8alibración de los medidores 6ara garantizar la uniformidad la precisión de las medidas los medidores el&ctricos se calibran conforme a los patrones de medida aceptados para una determinada unidad el&ctrica, como el ohmio, el amperio, el "oltio o el "atio. (edidores de corriente
/alvanómetros Los gal"anómetros son los instrumentos principales en la detección medición de la corriente. -icroamper"metros =n microamperímetro est# calibrado en millon&simas de amperio un miliamperímetro en mil&simas de amperio. Electrodinamómetros @in embargo, una "ariante del gal"anómetro, llamado electrodinamómetro, puede utilizarse
para
medir
corrientes
alternas
mediante
una
inclinación
electromagn&tica. 'ste medidor contiene una bobina fi1a situada en serie con una bobina mó"il, que se utiliza en lugar del im#n permanente del gal"anómetro. Los medidores de este tipo sir"en tambi&n para medir corrientes continuas. -edidores de termopar 6ara medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen del efecto calor ífico de la corriente. 'n los medidores de termopar se hace pasar la corriente por un hilo fino que calienta la unión de termopar. La electricidad generada por el termopar se mide con un gal"anómetro con"encional. 'n los medidores de hilo incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta se estira. 'l hilo est# unido mec#nicamente a un puntero mó"il que se desplaza por una escala calibrada con "alores de corriente. (edición del "olta1e 'l instrumento m#s utilizado para medir la diferencia de potencial $el "olta1e% es un gal"anómetro que cuenta con una gran resistencia unida a la bobina. 8uando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un circuito el&ctrico con diferentes potenciales pasa una cantidad reducida de corriente
$limitada por la resistencia en serie% a tra"&s del medidor. La corriente es proporcional al "olta1e, que puede medirse si el gal"anómetro se calibra para ello.
Instrumentación el&ctrica
(edidores aislamiento
8ompradores diferenciales
Indicador
de (edidores
de
tierra
'quipos seguridad
de 8omprobadores
rotación de fases longitud de cables
..P IA@7<=('A75@ 67I85@ I,*&-ME,$* ÓPI!$*
el&ctricos
comprobadores
de
instalaciones
el&ctrica
9nalizadores de de 9nalizadores calidad de energía potencia $red el&ctrica% de (edidores
de
de
(icroPóhmetros
Localizadores de cables G
6ara nosotros los seres humanos es mu importante controlar la luz, a que los usos que le hemos dado son tan "ariados, como!
Lentes de contacto
>otocopiadoras
(icroscopios lupas
6roectores
Laser $Luz 9mplificada por 'fecto de
5tros instrumentos ópticos son!
Lentes de aumento
7elescopio
8#mara fotogr#fica
La fle)ibilidad es el tema cla"e en la tecnología de multisensores. La fle)ibilidad en el mundo de la metrología significa tener la libertad de elegir entre medición por contacto medición óptica, con sólo un sistema de medición. 6or lo tanto, un único sistema es suficiente para la medición por contacto la medición óptica de todas las características de inspección en una pieza de traba1o.
6ara la medición de materiales sensibles al tacto, la solución ideal son los sistemas de medición óptica. 'stos sistemas miden de forma no destructi"a con precisión. :racias al "ers#til rango de sistemas de medición ópticos disponemos de la solución correcta para cada tarea de medición.
'quipos de medición a tra"&s de óptica física.
Espeo: Dispositi"o óptico, generalmente de "idrio, con una superficie lisa pulida, que forma im#genes mediante la refle)ión de los raos de luz. 9dem#s de su uso habitual en el hogar, los espe1os se emplean en aparatos científicosB por e1emplo, son componentes importantes de los microscopios los telescopios.
Prisma /Óptica0: loque de "idrio u otro material transparente que tiene la misma sección trans"ersal $generalmente un tri#ngulo% en toda su longitud. Los dos tipos de prisma m#s frecuentes tienen secciones trans"ersales triangulares con #ngulos de J2 o de GU. Los prismas tienen di"ersos efectos sobre la luz que pasa a tra"&s de ellos. 8uando se dirige un rao de luz hacia un prisma, sus componentes de distintos colores son refractados $des"iados% en diferente medida al pasar a tra"&s de cada superficie, con lo que se produce una banda coloreada de luz denominada espectro. 'ste fenómeno se conoce como dispersión crom#tica, se debe al hecho de que los diferentes colores de la luz tienen distintas longitudes de onda, son m#s o menos frenados al pasar a tra"&s del "idrio! la luz ro1a es la que resulta menos frenada, la "ioleta la que m#s.
(ibra Óptica: >ibra o "arilla de "idrio u otro material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. 8uando la luz entra por uno de los e)tremos de la fibra, se transmite con mu pocas p&rdidas incluso aunque la fibra est& cur"ada. 'l principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la refle)ión interna totalB la luz que "ia1a por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie e)terna con un #ngulo maor que el #ngulo crítico, de forma que toda la luz se refle1a sin p&rdidas hacia el interior de la fibra. 9sí, la luz puede transmitirse a larga distancia refle1#ndose miles de "eces. 6ara e"itar p&rdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica est# recubierto por una capa de "idrio con un índice de refracción mucho menorB las refle)iones se producen en la superficie que separa la fibra de "idrio el recubrimiento. La aplicación m#s sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo.
7ambi&n pueden emplearse para transmitir im#genes, cada punto de la imagen proectada sobre un e)tremo del haz se reproduce en el otro e)tremo, con lo que se reconstrue la
imagen, que puede ser obser"ada a tra"&s de una lupa. La transmisión de im#genes se utiliza mucho en instrumentos m&dicos para e)aminar el interior del cuerpo humano para efectuar cirugía con l#ser, en sistemas de reproducción mediante facsímil fotocomposición, en gr#ficos de ordenador o computadora en muchas otras aplicaciones. Las fibras ópticas tambi&n se emplean en una amplia "ariedad de sensores, que "an desde termómetros hasta giroscopios. @u potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a tra"&s de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido la deformación, adem#s del calor el mo"imiento.
Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos el&ctricos podrían hacer que un cable con"encional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. 7ambi&n se han desarrollado fibras que transmiten raos l#ser de alta potencia para cortar taladrar materiales. La fibra óptica se emplea cada "ez m#s en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta la capacidad de una seSal para transportar información aumenta con la frecuencia. 'n las redes de comunicaciones se emplean sistemas de l#ser con fibra óptica.
Microscopio: 8ualquiera de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para obtener una imagen aumentada de ob1etos minúsculos o detalles mu pequeSos de los mismos. 'l tipo de microscopio m#s utilizado es el microscopio óptico, que se sir"e de la luz "isible para crear una imagen aumentada del ob1eto.
'squema de un microscopio óptico
'l microscopio óptico m#s simple es la lente con"e)a doble con una distancia focal corta. 'sta 'stass lent lentes es pued pueden en aume aument ntar ar un ob1e ob1eto to hast hasta a + "ece "eces. s. 6or 6or lo gene genera ral,l, se util utiliz izan an microscopios compuestos, que disponen de "arias lentes con las que se consiguen aumentos maores. 9lgunos microscopios ópticos pueden aumentar un ob1eto por encima de las C222 "eces.
'l micros microscop copio io compue compuesto sto consis consiste te en dos sistem sistemas as de lentes lentes,, el ob1eti ob1eti"o "o el ocular ocular,, montados en e)tremos opuestos de un tubo cerrado. 'l ob1eti"o est# compuesto de "arias lentes lentes que crean crean una imagen imagen real real aument aumentada ada del ob1eto e)aminad e)aminado. o. Las lentes de los microscopios est#n dispuestas de forma que el ob1eti"o se encuentre en el punto focal del ocular. 8uando se mira a tra"&s del ocular se "e una imagen "irtual aumentada de la imagen real. 'l aumento total del microscopio depende de las distancias focales de los dos sistemas de lentes.
(icroscopio compuesto.
elescopio: 's un instrumento óptico empleado para obser"ar ob1etos mu grandes que se encuentran a mu le1anas distancias como por e1emplo estrellas, cometas, planetas, entre otros.
7elescopio
!ristal: 6orción homog&nea de materia con una estructura atómica ordenada definida con forma e)terna limitada por superficies planas uniformes sim&tricamente dispuestas. Los cristales se producen cuando un líquido forma lentamente un sólidoB esta formación puede resultar de la congelación de un líquido, el depósito de materia disuelta o la condensación directa de un gas en un sólido. Los #ngulos entre las caras correspondientes de dos cristales de la misma sustancia son siempre id&nticos, con independencia d el tamaSo o de la diferencia de forma superficial.
Inter+erómetro: Instrumento que emplea la interferencia de ondas de luz para la medida ultra precisa de longitudes de onda de la luz misma, de distancias pequeSas de determinados fenómenos ópticos. ')isten muchos tipos de interferómetros, pero en todos ellos ha dos haces de luz que recorren dos traectorias ópticas distintas determinadas por un sistema de espe1os placas que finalmente se unen para formar fran1as de interferencia. 6ara medir la longitud de onda de una luz monocrom#tica se utiliza un interferómetro dispuesto de tal forma que un espe1o situado en la traectoria de uno de los haces de luz puede desplazarse una
distancia pequeSa que puede medirse con precisión "aría así la traectoria óptica del haz. 8uando se desplaza el espe1o una distancia igual a la mitad de la longitud de onda de la luz, se produce un ciclo completo de cambios en las fran1as de interferencia. La longitud de onda se calcula midiendo el número de ciclos que tienen lugar cuando se mue"e el espe1o una distancia determinada.
Interferómetro
&ed e i+racción: Dispositi"o óptico empleado para separar las distintas longitudes de onda $colores% que contiene un haz de luz. 'l dispositi"o suele estar formado por una superficie reflectante sobre la que se han trazado miles de surcos paralelos mu finos.
=n 8DP<5( es una red de difracción
=n 8DP<5( crea un patrón de difracción por refle)ión. 6or su construcción tiene similitudes con las redes de difracción. 'n la foto se pueden apreciar los dos primeros órdenes de difracción.
Espectroeliógra+o! 'lemento importante del equipo utilizado en astronomía para fotografiar las protuberancias del @ol, como la fotosfera $la capa interior de gases calientes m#s cercana a la superficie del @ol% la cromosfera $la capa e)terior m#s fría%. 'l espectroheliógrafo, 1unto con un telescopio, fotografía el @ol en luz monocrom#tica $con una única longitud de onda%.
3.6.-
INSTRUMENTOS
MECÁNICOS I,*&-ME,$* ME!,I!$*
@on los instrumentos de medición que deben ser manipulados físicamente por el inspector. Los dispositi"os mec#nicos pueden ser de pasaPno pasa o "ariables.
Los instrumentos mec#nicos cada día son remplazados por electrónica que nos permite tener una me1or resolución e"itan errores de parala1e. @in embargo ho por ho constituen una alternati"a económica en algunos casos.
Dicho tipo de instrumentos est#n constituidos por todos aquellos que se "aler de una medición directa a tra"&s de un mecanismo, que nos permita tomar la lectura del "alor directamente de dicho instrumento, tales como! a% (icrómetros b% Vernier c% Durómetros d% Indicadores de car#tula e% 6alpadores f% 7ensiómetros
Medición con reglas Las herramientas de medición m#s comunes en el traba1o del taller mec#nico es regla de acero. @e emplea cuando ha que tomar medidas r#pidas cuando no es necesario un alto grado de e)actitud. Las reglas de acero, en pulgadas, est#n graduadas en fracciones o decimalesB las reglas m&tricas suelen estar graduadas en milímetros o en medios milímetros. La e)actitud de medida que se toman depende de las condiciones el uso correcto de la regla.
&egla de acero @e fabrican en una gran "ariedad de tipos tamaSos, adecuados a la forma o tamaSo de una sección o longitud de una pieza. 6ara satisfacer los requisitos de pieza que se produce se "a a medir, ha disponibles reglas graduadas en fracciones o decimales de pulgadas o en milímetros. Los tipos de reglas m#s utilizados en el traba1o del taller mec#nico se describen a continuación.
9%
%
4ainas /Medidores de espesores0 'stos medidores consisten en l#minas delgadas que tienen marcado su espesor que son utilizadas para medir pequeSas aberturas o ranuras. 'l m&todo de medición consiste en introducir una laina dentro de la abertura, si entra f#cilmente se prueba con la maor siguiente disponible, si no entra "uel"e a utilizarse la anterior.
Patrones de radio 'stos patrones consisten en una serie de l#minas marcadas en mm con los correspondientes radios cónca"os con"e)os, formados en di"ersas partes de la l#mina.
La Inspección se realiza determinando que patrón se a1usta me1or al borde redondeado de una piezaB generalmente los radios "an de + a C mm en pasos de 2. mm.
!alibres "ngulares 'stos calibres cuentan con l#minas que tienen diferentes #ngulos para cubrir las necesidades de medición de chaflanes e)ternos o internos, inspección de #ngulos de ruedas de esmeril o cortadores.
!uentaílos Los cuentahílos consisten en una serie de l#minas que se mantienen 1untas mediante un tornillo en un e)tremo, mientras que el otro tiene salientes que corresponden a la forma de la rosca de "arios pasos $hilos por pulgada%B los "alores est#n indicados sobre cada l#mina.
Patrones para alambres5 brocas 6 minas Los patrones para brocas sir"en para determinar el tamaSo de estas al introducirlas en un agu1ero cuo tamaSo esta marcado a un lado o para mantener en posición "ertical un 1uego de brocas. 'l cuerpo del patrón tiene grabadas indicaciones sobre el tamaSo de brocas recomendable para un tamaSo de rosca determinado. 'sta característica permite elegir r#pidamente broca adecuada.
!ompases 9ntes de que los instrumentos como el calibrador "ernier fueran introducidos, las partes eran medidas con compases $interiores, e)teriores, di"isores, hermafroditas% reglas. 6ara medir un di#metro e)terior la parte es puesta entre las puntas de los compas luego las puntas de los compas son colocadas sobre una regla para transferir la lectura. 'n otra aplicación las puntas de los compas de e)teriores se separan una distancia específica utilizando una regla, entonces las partes son maquinadas hasta que la punta de los compas se deslizan 1ustamente sobre la superficie maquinada.
3.7 MEDICIÓ DE !"E#IÓ MANOMETRODETUBODEBOURDON
Es t emedi d ordepr es i ónt i eneunaampl i av ar i e daddeapl i c ac i onesp ar ar eal i z ar medi c i onesdepr es i ónes t át i c a;esbar at o,c ons i s t ent eysef abr i c aendi ámet r osde 2pul g adas( 50mm)enc ar at ul ayt i enenunae x ac t i t uddeh as t a0. 1% del al ec t ur a
ae s c a l ap l e na ;c o nf r e c u en c i as ee mp l e ae ne ll a bo r a t o r i oc o mo u np at r ó n s ec undar i odepr es i ón.
Unn an óme t r oc o nt u bob ou r b one nl o sq uel as e c c i ó nt r a ns v e r s a ld e lt u bo e s el í pt i c aor ec t angu l arye nf or madeC.Cuan dos eapl i c apr es i ó ni nt er n aalt ubo, es t es er efl e xi onael ás t i c aypr opor c i o nal ment eal apr es i ónyes ad ef or mac i óns e t r ans mi t eal ac r emal l er aydees t aalpi ñónquehac egi r aral aaguj ai ndi c ador aa t r a v ésdes ue j e .L ases c al a s,e x ac t i t ud esymo de l o sd i fi e r e ndea c ue r d oc one l d i s e ñoya pl i c ac i ó n,c o nl oqu es eb us c au n aj u s t eq ued el i n ea l i d ado pt i mae hi s t ér es i smí ni ma
Anc h od el a sl í n easd eg r a du ac i ón .
T abl ader ef er enc i a.
Es c a l a spar ame di d or e sdepr es i ó n 3
Uni dadkgf / c m( Mpa)
Manómetro diferencial
Elmo vi mi ent odelnúc l eodebi doal adi f er enc i adepr es i onesP1YP2h ac equ el a s es pi r asdelt r ans f or madoryelc ampomagné t i c oent r epr i mar i os s ec un dar i os *s e f or t i fi queos edebi l i t e,l oqueper mi t er eal i z armedi c i onescon Manóme t r osc omer c i al esdepr es i oneshas t ade0. 00003 5ps i( 0. 24) .Elpr i nc i pi o e l é c t r i c oe ne la ut o t r an sf or ma do re s t áb as a doe nl a sl e y esd eFar ad ay L en zd el e l e c t r omag ne t i s mo .
Un campo magnét i co ent r eun pri mar i o yunsecundari o:Enr ol l ami ent os de al ambrede t r ansf ormadorel éct r i co quepr oduce un
c a mp oma gn ét i c oe nt r edi c ho se nr o l l a mi e nt o sa lp as od el ac or r i e nt ee l é ct r i c aal t e r n a .
"egistrador de $resión diferencial Elr e gi s t r ad ordepr e s i ónd i f er e nc i a lPCEMS c u en t ac onr a ng osd e me di c i ó na el egi rpore lus uar i o( p. e.e lmode l oPCEMS3:25,50,100o2 50Pa) ,c ons al i das anal ógi c asael egi ryc onunapant al l aL CD.Es t er egi s t r adordepr es i óndi f er enc i al s ea l i me nt a n at r a v é sd el ar e d( 1 3. . .3 0 VDC /VAC) .Ha s i d oe s pe c i a l me nt e c o nc e bi d op ar au s ua r i o sq ues emu ev e ne nr a ng osdep r e s i ó nd ep r e c i s i ó n.Po dr á v ol v e rac onfi gur ar l oi ns i t us i empr equel odes ee.Laes t abi l i dadobt eni dapar a p er i o do sp r o l o ng ad os e ss u pe r i o ra l0 , 5% ( c o nr e s pe c t oat o do e lr a ng od e medi c i ón) .
3.% MEDID&"E# DE '&"#I& Sed i c eq ueu nab ar r ae s t ae nt o r s i ó nc u an doe s t ar í g i d ame nt es u j e t ae nu nod e s usex t r emosyt or c i daenelo t r oe xt r emosyt or c i daenelo t r oe xt r emoporu npar mec áni c oot or que( t ( =f d) )apl i c arenunpl anoper pendi c ul aral ej edel abar r a.
E(EC'&# DE )* '&"#I&
Losef ec t osdel ac ar gat or s i onal apl i c adosaunabar r as on:
1.I mpar t i ru ndes pl az ami ent oangul arenl asec c i ónt r ans v er s aldeune x t r emo c onr es pec t oal ot r o. 2.Reg i s t r aru n es f uer z oc or t ant es obr ec ual qui ers e c c i ón t r ans v er s alde l a bar r aper pendi c ul aras uej e.
M&ME'& DE '&"#I&
Oc a s i o na l me nt eu nn úme r od ep ar e sac t ú anal ol a r g od eu ne j e .Enes t ec a s oe s c onv e ni ent ei nt r oduc i runanue v ac ant i dad.Elmoment od et or s i ónpar ac ual qui er s e c c i ó nal ol a r g od el ab ar r as ed efi n ec o mol as u maa l g eb r a i c ad el o smo me nt o s d el ospar e sa pl i c a do squ ey a c enau nl a dod el as e c ci ó ne nc ue s t i ó n.
Lael ec ci óndel l ados i empr eesar bi t r ar i a.
M&ME'& !&)*" DE IE"CI* Par aunej ec i r c ul arh uec odeund i áme t r oe x t er i orDo,yc onelor i fi c i oc i r c ul ar c onc ént r i c odedi ámet r oDi ,el moment opol ardei ner c i adel ár eades ec c i ón
t r ans ver s al .
Qu ed es p l e g an doal g eb r a i c a me nt es o n :
J=( D – ( D – =J=( D2+D2)( Do+Di )=( DoDi ) 2 D2) 2 D2)
Es t af ór mul aeses pec i al ment eút i l par at ubosd onde( DoDi )esp equeña.
E#(+E"& C&"'*'E '&"#I&*) Yas eas ol i doohuec oelej ec i r c ul ars uj et oaunmoment odet or s i ónT ,eles f uer z o c or t ant et or s i onal Ss .aunadi s t anc i apdel c ent r odel ej ees t adadopor :
Ss=Tp
DE(&"M*CI& *) C&"'E
Un al í n ea g en er a do r aa b ma r c a d ae nl as u p er fi c i ed eu na b ar r as i nc a r g as e mover áaunaposi ci óncomol amost r adaabdespuésdeapl i carunmoment ode t or s i ónT .Elángul o _ ,medi doenr adi ant es ,ent r el aspos i c i onesfinalei ni c i aldel a l í n eag en er a do r as ed efi n ec o mol ad ef o r ma c i ó na lc o r t ee nl as u pe r fi c i ed el a bar r a;l a mi s ma defi ni c i ón podr í a mant ener s e en c ual qui erpunt oi nt er i ord el a b a r r a .
M&D+)& C&"'*'E DE E)*#'ICID*D L ar a z ónd ele s f u er z oc or t a nt eSse nt r ee lán gul oded ef o r ma ci ó na lc or t eye s l l amadoel modul oc or t ant edel ael as t i c i dadG.
G=Ss
*-+)& DE '&"#I& Si unej edel ongi t udLEs t ás uj et oaunmoment od et or s i ó nc ons t ant eTal o l ar godes ul ongi t ud.
Ent on c ese lá ng ul o e nq ueunex t r e model aba r r as et u er s eenf or mar e l a t i v ay r es pec t oal ot r oes :
θ
=TL=32TL
GJ _ G D4–D4
("E& DE !"& Par amed i re lmoment od et or s i ó nyl ad i s i pac i ónd epo t enc i al s ehaus adoel f r e nodepr o ny( GCFM Ri c h e,b ar ó nd ep r o ny[ 1 75 51 83 9] ).Es t es emu es t r aenl a fi gur a15. 6.Elparomome nt odet or s i ónej er c i daene lf r enodelpr on yl odal a f or mul aT=L Lyl apo t enc i al er aP=2 _ TN.
MEDID&"E# E)EC'"IC*
DE
(&"M*CI&
C&
"E#I#'ECI*
Es t o s me di d or e s ,t a mb i é nl l a ma do sb an da e x t e ns o mé t r i c aoc a l i b r a do r e s ,s e o c u pa nau na d el a sr e s i s t e nc i ad eu nc i r c u i t op ue nt ed eg er mi n ac i ó nd e r es i s t enc i ays eadhi er enc onpegame nt oal mat er i alques equi er ev e r i fi c ayc one l c a mb i od et a ma ñood ef o r ma c i ó nc a mb i as ur e s i s t e nc i a ,l ac u als ev e r i fi c ae ne l p ue nt e .
3./ Medidores de esfuer0os mec1nicos Ha yd i s t i n t a sc l a se sd ef ue r z a so¨ e s f ue r z oq ue s er epr e s en t aa lt r a t arl a s p r o pi e da de s me c án i c a sd el o s ma t e r i a l e s. En g en er a l ,s ed efi n ee lesfuer0o c omoun af uer z aqueac t úas obr eelár eauni t ar i aenl aques eapl i c a. enl afi gur a 63 ( a )s ei l u s t r al o s es f u er z o sd et e ns i ó n, c o mp r e ns i ó n, c or t e ,fl e x i ó n. L a
deformación unitaria sedefinecomoelcambi odedi mensi ónporuni dadde l o ng i t u d. Ele sf u er z os es u el ee x pr e s aren Pa ( p as c a l e s ) oe n ps i ( l i br as p or pul gadasc uadr adas, pors us i gl aseni ngl es) .
Ladef or mac i onun i t ar i anot i en ed i mens i on esyc onf r ec uenc i as ee x pr es aen Pu l g / p ul goe nc m/ c m. Aldes cr i bi reles f uer z oyaldef or mac i ónuni t ar i a,esút i li magi narqueeles f uer z o esl ac aus ayl adef or mac i ónuni t ar i aeselef ec t o. nor mal ment e,l oses f uer z osde t e ns i ó n yd ec o r t es ep r e s e nt ac o nl o ss í mb ol o s Ō y,r es pec t i v ament e. Las d ef o r ma c i o ne sd et e ns i ó n yd ec o r t es er e pr e s e nt ac o nl o ss í mb ol o s £ y, y r es pec t i v a ment e. Enmuc hasapl i c ac i o nessu j et asac ar g asDi námi c as ,i nt er v i enen es f uer z osdet ens i ónodec ompr es i ón. Loses f uer z oscor t ant esodec i z al l ami ent o,
s uel enenc ont r arenelpr oc es ami ent odemat er i al esent éc ni c ascomol ae xt r us i ó n d ep ol í me r o s. T amb i é ns ee nc u ent r a ne na pl i c ac i o nese s t r u c t ur al e s. 0 bs er v e s e qu ea un e s f ue r z ot e ns i ls i mp l e ,a pl i c a do e nu na d i r ec c i ó n, c a us a un e s f ue r z o c or t ant eenc omponent esc ono t r asd i r ec c i on es( par ec i d osalc as od es c r i t oe nl a l e ysesc hmi d. )
La deformación 2unitaria el1stica s e defi ne c omo una def or mac i ón r es t aur abl e debi do a un es f uer z o apl i c ado . La d ef or mac i ón e sl a¨ el ás t i c ass e des ar r ol l aenf or mai ns t ant ánea;es dec i r ,s épr es ent at anpr ont oc omos eapl i c a l af uer z a,per manec emi e nt r ass eapl i c ae les f uer z oydes apar ec et anpr ont oc omo s er e t i r al af uer z a. Un mat er i als uj e t o a una def or mac i ón el ás t i c a no mu es t r a def or mac i ónper manent e;esdec i r, r egr es aas uf or maor i gi nalc uandos er et i r al a f uer z aoeles f uer z o. i magí nat equer es or t eme t ál i c or í gi dos ees t i r aunac ant i dad pequeña y ent onces se suel t a.Sír egr esa con r api dez a sus di mensi ones or i gi nal es ,l adef or mac i ónques epr oduj oenel r es or t eer ael ás t i c a.
Enmuc hosmat er i al es ,eles f uer z oyl adef or mac i ónel ás t i c os i guenunal e yl i neal . Lape ndi e nt eenl apor c i ónl i neald el ac ur v aes f uer z oyl ac ont r adef or mac i ón uni t ar i aat ens i óndefi nealmodulo de oung o modulo de elasticidad ( E) d eu n ma t e r i a l[ fi g . 6 3 ( b ) . L asu ni d ad esd eE s emi d ee np as c a l e s( p a)oe n l i b r a sp orpu l g ad as c u ad r a da ( p s i ) , l a s mi s ma sq ue l a sd ele s f u er z o. En l o s
elastómeros seobser v ad ef o r ma c i o ne se l á s t i c a sg r a nd es , c o mo c o mo e ne l hul en at ur alo l as s i l i c onas ,d onde l ar el ac i ón ent r e es f uer z o y def or mac i ón el ás t i c osnoesl i neal .
En e l l o s ,l o se no r me sd ef o r ma c i ó ne l á s t i c a ss ee x p l i c ap orele n r e da do y des enr edad od emol éc ul ass emej ant ear es or t es( c apí t ul os1 5) . Al manej ares os mat er i al es ,s eus al apendi ent ed el at angent eenc ual qui erv a l orde t er mi nadodel es f u er z ood el ad ef or ma c i ó n, ys el ec o ns i d er ac omou nac a nt i da dv a r i a bl eq ue r ee mp l a z aa lmo du l od eYo un g. [ 6 3 ( b ) ] . e li n v er s od elmod ul od eYo un gs el l a ma
e5i6ilidad 2o ca$acidad el1stica de deformación delmat er i al .De f o r map ar ec i d a,s ede fi nea lmodulo de elasticidad cortante ( G)c o mol a pendi ent edel apar t el i nealdel ac ur v adees f uer z oc or t ant ec ont r adef or mac i ón cor t ant e La def or maci ón per manent e en un mat er i alse l l ama def or maci ón pl ás t i c a. Enes t ec as o,c uandosequi t aeles f uer z o,elmat er i alnor egr es aas u f o r mao r i gi n alL a ab ol l a du r ae nu na ut oe sd ef o r ma c i ó np l á s t i c a s .Ob s er v aq ue aquíl apal abr a¨ pl ás t i c a¨noi ndi c adef or mac i ón
En u n ma t e r i a lp l á s t i c oop ol í me r o ,s i n o ma sb i e nu na c l a s ed ef o r ma c i ó ne n c ual qui ermat er i alLar api dezconques edes ar r ol l al ad ef or mac i ónenunmat er i al
€ oy,r s edefi nec omovelocidad de deformación ( es pec t i v ament e,par al a v el oc i daddef or mac i ónport ens i ónyporc or t ant es ) .
Unmat er i alv i s c os osesunenc uals edes ar r ol l al ad ef or mac i ónd ur ant ec i er t os t i empo,y elmat er i alno r egr es aas uf or ma o r i g i nalalqui t are le sf uer z o.El d es a r r o l l od el ad ef o r ma c i ó nt o ma t i e mp o,yn oe s t ae nf a s ec o ne le s f u er z o apl i c ado ( es dec i r ,l a def or mac i ón es pl ás t i c a)Un mat er i alv i s c oe l ás t i c o( o a nel a s t i c o)p ue dec o nc e bi r s ec omou noc uy ar e sp ue s t ae si n t e r me di ae nt r el ad e unmat er i al el ás t i c o.
Enu n ma t e r i a lv i s c oe l á s t i c o ,e ld es a r r o l l od eu nad ef o r ma c i ó np er ma nen t es e par ec eau n mat er i alv i s c os o. s i nembar go,adi f er enc i ad e unmat er i alv i s c os o, c u a nd os eq ui t ae le s f u er z oa pl i c a d o,p ar t ed el ad ef o r ma c i ó nd es a p ar e c e des puésd ec i er t ot i empo
Un ad es c r i pc i ón c ual i t at i v a deldes ar r ol l o de l a def or mac i ón en f unc i ón de el t i empo,er el ac i ónc onunaf uer z aapl i c adaenl osmat er i al esel ás t i c os ,v i s c os osy v i s c oel as t i c o. En l os mat er i al es v i s c o el ás t i c o mant eni dos ba j o def or mac i ón c ons t ant e,al pas arel t i empo,l amagni t uddel es f uer z odi s mi nuy e
Al t r at armat er i al esf undi dos ,l i qui dosydi s per s i ones ,c omopi nt ur asogel es ,s e r equi er enunades cr i pc i óndel ar es i t enc i aalfl uj ooc or r i mi ent obaj ol aac ci ónde unes f uer z oapl i c adoyl av el oc i daddedef or mac i onc or t ant eesl i nealelmat er i al n ewt o ni a do .
3.8 Medidores de Dure0a Otra propiedad mecánica que puede ser sumamente importante considerar es la dureza ,la cual es una medida de la resistencia de un material ala de formación plástica localizada (por ejemplo, una pequeña abolladura o ralladura )los primeros ensayos de dureza se basaban en el comportamiento de los minerales junto con una escala construida se!"n la capacidad de un material para rayar a otro más blando #n m$todo cualitati%o de ordenar de forma arbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de &o's la cual %a desde en el etremo blando para el talco 'asta * para el diamante + lo lar!o de los años se 'an ido desarrollando t$cnicas cuantitati%as de dureza que se basaban en un pequeño penetrador que es forzado sobre una supercie
del material a ensayar en condiciones controladas de car!a y %elocidad de aplicación de la car!a -n estos ensayos se miden la profundidad o tamaño de la 'uella resultante ,lo cual se relaciona con un numero de dureza .cuanto más blando es el material ,mayor y más profunda es la 'uella ,y menor es el numero de durezalas dureza /as dureza medidas tienen solamente un si!nicado relati%o (y no absoluto), y es necesario tener precaución al comparar dureza obtenidas por t$cnicas distintas
Ensayos de dure0a "oc9:ell -l ensayo de dureza de 0oc12ell constituye el m$todo más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de lle%ar acabo y no requiere conocimientos especiales 3e puede utilizar diferentes escalas que pro%ienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y car!ar, lo cual permite ensayar %irtualmente cualquier metal desde el más duro al más blando /os penetradores son bolas esf$ricas
de
acero
endurecido
que
tienen
45,45,46y47pul!(,899,:,;8,5,:8*y<,;*mm)y
diámetros un
de
penetrador
cónico de diamante (=rale),el cual se utiliza para los materiales más duros >on este sistema ,se determina un numero de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración que resulta al aplicar primero una car!a inicial pequeña y despu$s una car!a mayor .la utilización de la car!a pequeña aumenta una eactitud de la medida =asándose en la ma!nitud de las car!as mayores y menores ,eisten dos tipos de ensayo ?0oc12ell y 0oc12ell supercial -n el ensayo de 0oc12ell ,la car!a de menor es de *1!, mientras las car!as mayores son 5*,**y8*1!cada escala está representada por una letra del alfabeto .en las tablas 56y 58@ se indican %arias de
Aabla 58@ -scala de dureza 0oc12ell
-sta escala junto con los penetradores y car!as correspondiente para ensayos 3uperciales, la car!a menor es de :1!, mientras que el %alor de la car!a mayor puede ser 8,:* o 681!esta escala se identica mediante un numero (8:* o 68 se!"n la car!a) y una letra (B, A, C, o D, se!"n el penetrador)/os ensayos superciales se realizan frecuentemente en probetas del!adas /a tabla 58b presenta %arias escalas de dureza superciales
>uando se especican dureza 0oc12ell y superciales ,debe indicarse, además del numero de dureza , el sEmbolo de la escala utilizada la escala se desi!na por el sEmbolo F0 se!uido por una identicación de la escala ,por ejemplo,9*F0= representa una dureza 0oc12ell de 9* en la escala =,y5* F0:*C indica una dureza supercial de 5* en las escalas :*C Gara cada escala las durezas pueden lle!ar a %alores de :*. sin embar!o a medida que la dureza alcanza %alores superiores a ** o inferiores a <* en cualquier escala, estos son pocos eactos. debido a que las escalas se solapan en esta situación es mejor utilizar la escala %ecina más dura o %ecina más blanda respecti%amente Aambi$n se producen ineactitudes si la muestra es demasiado del!ada, si la 'uella se realiza demasiado cerca de un borde, o bien si dos 'uellas están demasiado próimas -l espesor de la probeta debe ser por lo menos alrededor de * %eces la profundidad de la 'uella, tambi$n debe 'aber un espacio de tres diámetros de 'uella entre el centro de una 'uella y el borde de la probeta, o bien con el centro de la otra indentacion +demás los ensayos de probeta apiladas una sobre otra no es recomendable /a eactitud tambi$n depende de si la dureza se toma sobre una supercie perfectamente lisa /os equipos modernos para la medida de la dureza 0oc12ell, esta automatizados y son de muy fácil utilización. la dureza es medida directamente, y cada medida requiere "nicamente unos pocos se!undos /os equipos modernos de ensayo tambi$n permiten la %ariación del tiempo de aplicación de la car!a -sta %ariable debe ser considerada al interpretar los resultados de los ensayos de dureza
Ensayo de dure0a de ;rinell
-n los ensayo de dureza de brinell asE como en las dureza de 0oc12ell, se fuerza un penetrador duro esf$rico en la supercie del metal a ensayar -l diámetro del penetrador de acero endurecido (o bien de carburo
de
tun!steno)
es
de
*,**mm(*,:H6pul!)/as
car!as
normalizadas están comprendidas entre 8**y :***1! en incremento de8**1!?durante un ensayo ,la car!a se mantiene constante durante un tiempo especicado (entre * y :*s)/os materiales más duros requieren car!as mayores -l numero de dureza brinellF=, es una función de tanto la ma!nitud de la car!a como del diámetro de la 'uella resultante (%$ase la tabla 56)-ste diámetro se mide con una lupa de pocos aumentos ,que tienen una escala !raduada en el ocular
-l diámetro medido entonces con%ertido a un n"mero F= aproimado usando una tabla. en esta t$cnica solamente se utiliza una escala /os requerimientos de espesor de la muestra, de posición de la 'uella (relati%a a los bordes de la muestra) y de separación mEnima entre 'uellas son los mismos que en los ensayos 0oc12ell +demás, se necesita una 'uella bien denida, lo cual ei!e que la supercie sobre la cual se realiza la 'uella sea perfecta lisa
Ensayo de micro dure0a vic9ers y 9noo$
Otra dos t$cnicas de ensayo son la dureza 1noop y la dureza %ic1ers (tambi$n a %eces denominas pirámide)-n estos ensayos, un penetrador de diamante muy pequeño y de !eometrEa piramidal es forzado en la supercie de la muestra /as car!as aplicadas, muc'o menores que en las t$cnicas =rinell y 0oc12ell ,están comprendidas entre y ***!/a marca resultante se obser%a al microscopio y se mide. esta medida entonces con%ertidas en n"meros de dureza (tabla 56)es necesario que la supercie de la muestra 'aya sido preparada cuidadosamente (mediante desbaste y pulido) para poder ase!urarse una 'uella que pueda ser medida con eactitud /as durezas 1noop y %ic1ers se desi!nan por F1 y FI, respecti%amente, y las escalas de dureza para ambas t$cnicas son aproimadamente equi%alente /as t$cnicas 1noop y %ic1ers se consideran ensayos de micro dureza debido + la ma!nitud de la car!a y al tamaño del indentador +mbas son muy con%enientes para la medida de dureza de pequeñas re!iones seleccionadas en la supercie de la muestra. además ambas t$cnicas 1noop y %ic1ers son utilizadas para el ensayo de materiales frá!iles ,tales como las cerámicas
Conversión de la dure0a
-s muy con%eniente disponer de m$todos para con%ertir la dureza de unas escalas a otra 3in embar!o, puesto que la dureza no es una propiedad del material muy bien denida ,y debido a las diferencias eperimentales de cada t$cnicas , no se 'a establecido un m$todo !eneral para con%ertir las durezas de una escala a otra /os datos de
con%ersión 'an sido determinados eperimentalmente y se 'an encontrado que son dependientes del tipo de material y de las caracterEsticas /a escala de con%ersión más able que eiste es la que corresponde a aceros -stos dato se presentan en la !ura 5;para las durezas de 1noop y brinell y de las dos escalas de 0oc12ell.tambi$n se incluye la escala de &o's, como resultado de lo que se 'a dic'o anteriormente debe tenerse muc'o cuidado al etrapolar estos datos a otras sistemas de aleaciones
Correlación entre dure0a y la resistencia ala tracción
Aanto la resistencia a la tracción como la dureza son indicadores de la resistencia de un metal a la deformación plástica Gor consi!uiente, estas propiedades son, a !randes ras!os, proporcionales, tal como se muestra en la !ura 9 para la resistencia ala tracción en función de la F= en el caso de la fundición, aceros y latones Aal como se indica en la !ura 59, la relación de proporcionalidad no es la misma para todos los metales >omo re!la !eneral, para la mayorEa de los aceros, el n"mero F= y la resistencia ala tracción están relacionados de acuerdo con?
As (psi)J8**K'b
(5Ha)
As (&Ga) J:,68K'b
(5Hb)
/os ensayos de dureza se realizan con muc'a mayor frecuencia que cualquier otro ensayo por %arias razones?
•
3on sencillo y baratos, y ordinariamente no es necesario preparar una muestra especial
3.11 MÁQUINAS DE
MEDICIÓN
POR
COORDENADAS Las primeras maquinas
de coordenadas en realidad
fueron las maquinas de
trazos, que son instrumentos
con tres ejes mutuamente
perpendiculares
alcanzar
coordenadas
volumétricas en un sistema
cartesiano para localizar
un punto en el espacio sobre
una
dimensiones. Se conoce que
pieza
con
tres
a
fin
de
a finales del ano 1962, la firma italiana D! constru"o la primera maquina de medicion cerca de #urin, $talia. %osteriormente en 19&' la compania (arl )eiss creo una maquina, equipada con un palpador, un ordenador " un control numerico. Desde entonces *an sur+ido muc*as marcas " modelos de maquinas de coordenadas, que se distin+uen entre si por sus materiales de fabricacion utilizados, softare utilizado, versatilidad, alcances de medicion, etc. La -aquina de -edicion por (oordenadas (--/ puede ser definida como 0una maquina que emplea tres componentes moviles que se trasladan a lo lar+o de +uias con recorridos orto+onales, para medir una pieza por determinacion de las coordenadas , " ) de los puntos de la misma con un palpador de contacto o sin el " sistema de medicion del desplazamiento escala/, que se encuentran en cada uno de los ejes0, fi+ura 3.1&.(omo las mediciones estan representadas en el sistema tridimensional, la (-- puede efectuar diferentes tipos de medicion como4 dimensional, posicional, desviaciones +eometricas " mediciones de contorno.
-5 uina de medicin
denad
Los procedimientos de medicin " procesamiento de datos de las (--, poseen una serie de caracter7sticas que se describen a continuacin4 %rimeramente se tiene un sistema de posicionamiento que provoca que el palpador, fi+ura 3.13, alcance cualquier posicin en , o )8 este sistema de posicionamiento puede ser accionado a través de unos motores, que a su vez, poseen unos codificadores pticos rotatorios, los que producir5n una seal adecuada para activar un contador que incrementar su n:mero en relacin a la posicin del eje con respecto de su ori+en.
%alpador de una (--
n este sistema como en otros
es de primordial importancia
la e;istencia de un ori+en
para
posicin.
poder
determinar
la
l sistema dispondr5 adem5s de un palpador que al ser accionado, *ar5 que los datos del contador del sistema de posicionamiento sean trabajados por la unidad principal de la (-- " sean transformados en coordenadas , " ) " adem5s se apliquen las frmulas pro+ramadas para después desple+ar los datos en una pantalla de cristal l7quido. Los softares comerciales b5sicos de (-- cuando menos, manejan los elementos +eométricos re+ulares como son el punto, la l7nea, el plano, el c7rculo, la esfera, el cilindro " el cono.
!plicaciones de las m5quinas de medir por coordenadas
Las m5quinas de medir por coordenadas (--/ se utilizan para las si+uientes aplicaciones4 < (ontrol de la correspondencia entre un objeto f7sico con sus especificaciones tericas e;presadas en un dibujo o en un modelo matem5tico/ en términos de dimensiones, forma, posicin " actitud. < Definicin de caracter7sticas +eométricas dimensionales dimensiones, forma, posicin " actitud/ de un objeto, por ejemplo un molde cu"as caracter7sticas tericas son desconocidas.
$nstalacin de una (--4 !tencin al entorno
Los costes asociados a una m5quina de medir por coordenadas van +eneralmente m5s all5 de la propia m5quina. n efecto, la ubicacin de la misma " las condiciones de su entorno deben cumplir diversos requisitos para que los resultados de la medicin sean fiables. =na (-- puede ser instalada en distintos ambientes de trabajo, que en ma"or o menor medida estar5n bajo la influencia de los si+uientes factores e;ternos4 1. Suciedad a. !mbientes limpios b. !mbientes contaminados4 part7culas en suspensin *umedad, aceite, polvo, otras part7culas/
2. #emperatura > *umedad a. ?radientes térmicos temporales b. ?radientes térmicos espaciales
c. @umedad relativa '. Aibraciones a. Brecuencia b. !mplitud
n funcin de estas tres variables puede actuarse de distintas maneras. =na de ellas es utilizar una m5quina adecuada, pensada para que su comportamiento sea inerte frente a al+uno de estos par5metros. La otra, acondicionar el ambiente para dejar la m5quina a salvo de estos factores perturbadores.
(-- en las instalaciones adecuadas
Las arquitecturas de las (-La arquitectura de una (-- cambia se+:n una serie de par5metros, el m5s importante es el volumen de medicin. !l+unos tipos de arquitectura se disearon en un principio para controlar las m5quinas manualmente. %or tanto, intentar crear (--s +randes con esos
tipos de estructura ser7a imposible o il+ico, debido a consideraciones er+onmicas " de prestaciones. Ctro aspecto mu" importante es la accesibilidad a la pieza que se tiene que medir. o seria conveniente utilizar una (-- de puente vertical para una pieza en la que la ma"or parte de caracter7sticas se tienen que medir en direcciones perpendiculares al eje de ) . !dem5s, la tendencia es ma;imizar la Eri+idezF de la estructura reduciendo a la vez la EmasaF, para conse+uir la ma"or aceleracin " deceleracin/ posible.
Los par5metros din5micos de la (-- se pueden malinterpretar f5cilmente8 por tanto es mu" importante mirar las cifras que e;presan estos valores " saberlas entender.
Las arquitecturas mas utilizadas son las si+uientes4
L (antilever con mesa fija L %uente mvil L ?antr" L %uente en forma de ELF L %uente fijo L (antilever con mesa mvil L (olumna L Grazo mvil, brazo *orizontal L -esa fija brazo *orizontal L Grazo articulado
#odos estos tipos de arquitecturas no tienen la misma difusin, por varias razones, por ejemplo, al+unas son adecuadas para (--s de +randes dimensiones " por tanto, que no se usan con tanta frecuencia. Ctras, simplemente no aportan nin+una ventaja comparado con arquitecturas que son m5s f5ciles " baratas de producir. %or tanto, slo se describen las que tienen una ma"or difusin en la industria.
! continuacin se describen las arquitecturas de (-- m5s utilizadas, el lector que desee tener una visin +eneral sobre ese tema puede consultar la publicacin $SC 1H'6HI1.
Cantilever con mesa i!a s un tipo de arquitectura que actualmente no se usa muc*o " que en un principio se aplic a (--s manuales. se tipo de arquitectura se describe en la $SC 1H'6HI1 del si+uiente modo4 Es una (-- que utiliza tres componentes que se mueven por +u7as de forma perpendicular entre ellos, el sensor se encuentra en el primer componente, que se mueve de forma vertical en relacin con el se+undo. La combinacin del primer componente con el se+undo se mueve *orizontalmente al tercero. l tercer componente est5 a+arrado slo por un e;tremo. (antilever se mueve *orizontalmente respecto a la base de la m5quina donde se encuentra la piezaF.
Se *a de tener en cuenta " eso servir5 para todo el art7culo/ que $SC inclu"e la si+uiente nota a todos los tipos de arquitectura4 ELas direcciones que se indican son a modo de informacin. ;isten otros modosF.
l movimiento de los ejes de una (-- cantilever manual se consi+ue co+iendo la punta " a traves de ella mover los ejes de la maquina a la posicion que se desee. (omo todas las maquinas de medicion por coordenadas manuales, incluso las que se basan en el tipo de arquitectura en cuestion, dependen en +ran medida de la *abilidad del operario, sin embar+o, un operario que *a"a recibido la formacion necesaria puede alcanzar un nivel de medicion mu" bueno " repetible. Sin embar+o, trabajar con la punta para acelerar " decelerar la masa de las partes moviles de la maquina puede llevar a la defle;ion de la propia maquina. so puede cambiar las caracter7sticas metrolo+icas del sistema.
%uente mvil Se trata sin lu+ar a dudas del tipo de (--s mas utilizadas. Se *a perfeccionado con el paso de los aos. sta arquitectura *a permitido alcanzar un equilibrio perfecto entre la perfeccion estructural " la eficiencia funcional.
