🏗️ Aula 04 - Tensão, Deformação e Elasticidade: Lei de Hooke e Tensor de Cauchy
Navegação Rápida & Integração Curricular
📍 Disciplina: 05 Mecânica dos Sólidos | ⚛️ Área: 02 Físicas e Ciências Básicas | 🏠 Hub Principal 📄 Apostila Base: Tensão e Deformação ⬅️ Aula Anterior: 03 - Vigas, DEC e DMF | ➡️ Próxima Aula: 05 - Propriedades Mecânicas e Ensaio de Tração
🎯 Objetivos de Aprendizagem
- Definir formalmente o conceito mecânico de tensão como limite diferencial de forças internas superficiais (), decompondo-o em tensão normal () e tensão cisalhante tangencial ().
- Compreender a formulação matemática matricial do Tensor de Tensões de Cauchy tridimensional, provando sua simetria intrínseca () a partir da conservação do momento angular de um elemento infinitesimal.
- Quantificar as deformações no contínuo elástico através da deformação linear específica () e da distorção angular de cisalhamento ( em radianos).
- Analisar o efeito lateral de contração expresso pelo Coeficiente de Poisson () e formular a variação volumétrica específica ().
- Aplicar a Lei de Hooke Generalizada para sólidos elásticos lineares e isotrópicos, deduzindo a relação fundamental entre as constantes elásticas () e incorporando o efeito acoplado de expansão e tensão térmica () em barramentos elétricos rígidos e condutores aéreos de alumínio.
📌 Sumário da Aula
- 1. Conceito Mecânico de Tensão e Vetor Tensão de Cauchy
- 2. O Tensor de Tensões de Cauchy em Três Dimensões
- 3. Cinemática das Deformações: Extensões e Distorções Angulares
- 4. Coeficiente de Poisson e Dilatação Volumétrica
- 5. Lei de Hooke Generalizada e Tensões Térmicas em Barramentos
- 6. Síntese Visual de Tensões e Relações Constitutivas
- 7. Exercícios Resolvidos de Concursos e Aplicações Práticas
- 8. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas
1. Conceito Mecânico de Tensão e Vetor Tensão de Cauchy
A intensidade mecânica da solicitação interna em um meio contínuo sólido não é quantificada pela força resultante bruta, mas sim pela distribuição dessa força sobre a unidade de área transversal:
1.1 O Postulado de Cauchy (1822)
Consideremos um corpo sólido em equilíbrio seccionado por um plano fictício com vetor unitário normal . Em um elemento de área infinitesimal ao redor de um ponto , atua uma força interna resultante . O Vetor Tensão de Tração () no ponto associado ao plano de orientação é o limite diferencial:
1.2 Decomposição Ortogonal: Tensão Normal e Tensão Cisalhante
O vetor tensão pode ser projetado em duas componentes perpendiculares canônicas:
- Tensão Normal (): Projeção escalar paralela ao vetor normal (perpendicular ao plano da seção):
- Se : Tensão de Tração (tende a separar a matéria).
- Se : Tensão de Compressão (tende a prensar a matéria).
- Tensão Cisalhante ou Tangencial (): Componente contida no plano da seção transversal, perpendicular a : Mede a tendência de deslizamento ou cisalhamento mútuo entre planos atômicos adjacentes.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de tensão é o Pascal:
2. O Tensor de Tensões de Cauchy em Três Dimensões
Para descrever o estado de tensão completo em um ponto do material em todas as infinitas direções espaciais possíveis, analisa-se um elemento de volume infinitesimal cúbico com faces orientadas segundo os eixos cartesianos :
Morfologia do Cubo Infinitesimal no Espaço Tridimensional
Um elemento de volume infinitesimal submetido ao tensor de Cauchy apresenta:
- Faces Perpendiculares ao Eixo : Tensão normal orientada em e tensões cisalhantes tangenciais (em ) e (em ).
- Faces Perpendiculares ao Eixo : Tensão normal orientada em e tensões cisalhantes tangenciais (em ) e (em ).
- Faces Perpendiculares ao Eixo : Tensão normal orientada em e tensões cisalhantes tangenciais (em ) e (em ).
2.1 Representação Matricial do Tensor
Em cada uma das três faces mutuamente ortogonais atuam 1 tensão normal e 2 tensões cisalhantes, totalizando 9 componentes escalares agrupadas na matriz do Tensor de Tensões de Cauchy ():
Regra de Nomenclatura dos Índices:
- O primeiro subíndice indica a direção do vetor normal à face em que a tensão atua.
- O segundo subíndice indica a direção em que a tensão atua.
2.2 Teorema da Reciprocidade das Tensões Cisalhantes (Simetria de Cauchy)
Aplicando a equação de equilíbrio rotacional de momentos em relação aos eixos que passam pelo centro do cubo infinitesimal ():
A matriz do tensor de tensões é estritamente simétrica, possuindo apenas seis componentes independentes ( tensões normais e tensões cisalhantes).
3. Cinemática das Deformações: Extensões e Distorções Angulares
Sob a ação do tensor de tensões, o corpo rígido fictício sofre deformação contínua real, caracterizada pela alteração das distâncias interatômicas e dos ângulos entre linhas de matéria:
3.1 Deformação Específica Linear ()
A variação relativa no comprimento de um segmento infinitesimal originalmente orientado na direção é a deformação linear específica:
Onde é o campo de deslocamentos na direção . A deformação é uma grandeza puramente adimensional (expressa em , ou porcentagem ).
- Se : Extensão / Alongamento longitudinal.
- Se : Contração / Encurtamento.
3.2 Deformação Específica Angular ou Distorção ()
A variação angular sofrida por dois segmentos infinitesimais originalmente perpendiculares entre si (formando ) é a distorção de cisalhamento:
Mede a alteração de forma (distorção rômbica) sem alteração primária de comprimento.
4. Coeficiente de Poisson e Dilatação Volumétrica
4.1 O Efeito de Siméon Denis Poisson (1829)
Quando uma barra cilíndrica de metal homogêneo e isotrópico (como cobre ou alumínio) é submetida a uma força de tração uniaxial na direção (), ela não apenas se alonga na direção longitudinal (), mas também contrai-se transversalmente e simultaneamente em todas as direções laterais ( e ). O Coeficiente de Poisson () é a razão adimensional negativa entre a deformação lateral e a deformação axial:
Valores experimentais típicos para materiais de engenharia:
- Cobre eletrolítico: .
- Alumínio estrutural 1350: .
- Aço carbono estrutural: .
- Concreto armado: .
- Borracha incompressível: .
4.2 Dilatação Volumétrica Específica ()
A variação relativa de volume de um elemento sujeito a deformações tridimensionais vale: Sob tração uniaxial ():
Como para os metais condutores , o termo , o que significa que o volume macroscópico do cabo tracionado aumenta ligeiramente sob tração pura.
5. Lei de Hooke Generalizada e Tensões Térmicas em Barramentos
Para materiais elásticos, lineares, homogêneos e isotrópicos submetidos a pequenos deslocamentos, o Princípio da Superposição permite correlacionar tensões e deformações tridimensionais:
5.1 Equações Constitutivas Tridimensionais (Com Efeito Térmico)
Quando um corpo é submetido tanto a um estado triaxial de tensões quanto a uma variação homogênea de temperatura , a deformação total é a soma da parcela mecânica com a parcela de dilatação térmica livre ():
Para as deformações angulares de cisalhamento puro:
Onde:
- : Módulo de Elasticidade Longitudinal (Módulo de Young), em ou .
- : Módulo de Elasticidade Transversal (Módulo de Cisalhamento), em ou .
- : Coeficiente de Dilatação Térmica Linear, em (, , ).
5.2 Relação de Compatibilidade Elástica Fundamental
Pela mecânica dos meios contínuos isotrópicos, as constantes e não são independentes, relacionando-se pela equação exata:
5.3 Tensões Térmicas em Barramentos Eletrolíticos com Vínculos Rígidos
Em subestações blindadas ou painéis elétricos industriais de alta corrente, barras rígidas de cobre eletrolítico conectam disjuntores e transformadores. Se as extremidades do barramento forem impedidas rigidamente de se expandir () ao longo de um comprimento :
O sinal negativo indica que um aquecimento () induz uma violenta tensão de compressão axial. Se em barra de cobre (): Essa compressão térmica colossal gera força axial suficiente para flambar o barramento ou arrancar os isoladores de porcelana de suporte, tornando obrigatória a inclusão de juntas de dilatação flexíveis laminadas de cobre.
6. Síntese Visual de Tensões e Relações Constitutivas
O diagrama técnico consolidado apresenta o tensor tridimensional de tensões de Cauchy, as deformações lineares e angulares acopladas ao efeito de Poisson e a Lei de Hooke generalizada:
Interpretação Prática do Diagrama
O Painel 1 formaliza a definição matemática de Cauchy e a simetria matricial . O Painel 2 mapeia as deformações normais e distorções , deduzindo o coeficiente de Poisson e a dilatação volumétrica. O Painel 3 expõe a Lei de Hooke tridimensional com expansão térmica e detalha as propriedades dos condutores de Cobre, Alumínio e Aço.
7. Exercícios Resolvidos de Concursos e Aplicações Práticas
Questão 01 (Marinha do Brasil - Corpo de Engenheiros / Engenharia Naval-Elétrica)
Enunciado: Uma barra condutora retangular de cobre eletrolítico (, seção transversal ) é submetida a uma força axial de tração de . Considere um plano de corte inclinado que intercepta a barra formando um ângulo de com a seção transversal reta perpendicular (o vetor normal ao plano inclinado forma um ângulo de com o eixo longitudinal da barra). Determine: a) A tensão normal média () atuante na seção reta perpendicular original. b) A área real da seção oblíqua inclinada (). c) As componentes de Tensão Normal () e Tensão Cisalhante () atuantes sobre o plano inclinado a em . d) Qual o ângulo para o qual a tensão cisalhante atinge seu valor máximo absoluto e qual é esse valor?
Resolução Detalhada:
Passo 1: Tensão normal na seção reta original ():
Passo 2: Área da seção oblíqua (): Geometricamente, a projeção da área inclinada sobre o plano reto é :
Passo 3: Tensões normal e cisalhante no plano inclinado: Decompondo a força axial nas direções normal () e tangencial () ao plano inclinado:
- Força Normal:
- Força Tangencial de Cisalhamento:
As tensões valem:
Substituindo e :
Passo 4: Ângulo de cisalhamento máximo: A função atinge valor extremo quando : Interpretação Física: Nos ensaios de tração de barras metálicas dúcteis, o escorregamento de planos atômicos e a estricção iniciam-se exatamente a em relação ao eixo de tração, onde o cisalhamento atinge seu valor máximo absoluto.
Questão 02 (Transmissora / ONS - Engenharia de Cabos Condutores e Catenária)
Enunciado: Um cabo condutor de alumínio puro para linha aérea de transmissão de possui diâmetro externo de e comprimento inicial de entre duas torres de ancoragem. Propriedades mecânicas da liga de alumínio:
- Módulo de Elasticidade:
- Coeficiente de Poisson:
- Área da seção transversal metálica:
Sob forte vento transversal e tração de catenária, a força axial de tração traciona o cabo com . Determine: a) A tensão normal longitudinal (, em ) e a deformação longitudinal específica (). b) O alongamento total do vão do cabo (, em centímetros). c) A contração lateral específica () e a redução no diâmetro do condutor (, em micrômetros). d) A variação volumétrica total do cabo (, em ).
Resolução Detalhada:
Passo 1: Tensão e deformação longitudinal:
Pela Lei de Hooke uniaxial:
Passo 2: Alongamento longitudinal ():
(O cabo alonga-se quase meio metro sob a ação da tração de vento!).
Passo 3: Contração transversal de Poisson e redução de diâmetro:
A variação no diâmetro é:
Passo 4: Variação volumétrica total (): O volume inicial do condutor no vão é:
A dilatação volumétrica específica sob tração uniaxial vale:
A variação absoluta de volume é:
Questão 03 (Petrobras - Engenharia de Equipamentos / Elétrica e Automação)
Enunciado: Em uma subestação de plataforma offshore, um barramento rígido de cobre eletrolítico OFHC possui seção retangular de () e comprimento de . O barramento foi instalado e parafusado rigidamente entre dois suportes fixos indeformáveis à temperatura ambiente de (, restrição axial total). Propriedades físicas do cobre:
- Módulo de Elasticidade:
- Coeficiente de Dilatação Térmica Linear:
- Limite de Escoamento do Cobre Eletrolítico:
Durante a operação de partida com carga plena de geradores turbogás, as perdas Joule por efeito de corrente elevam a temperatura do barramento para (). Determine: a) A tensão térmica axial de compressão induzida no barramento (, em ). b) A força axial total de empuxo (, em ) transmitida contra os suportes isoladores cerâmicos da subestação. c) Avalie a margem de segurança contra escoamento do cobre e recomende a medida preventiva de projeto necessária para evitar falha mecânica.
Resolução Detalhada:
Passo 1: Tensão térmica com restrição axial total: A deformação total do barramento é impedida pelos apoios rígidos:
Passo 2: Força axial transmitida aos suportes:
Passo 3: Margem de segurança e recomendação:
- Em relação ao escoamento do cobre ():
- Embora o cobre não atinja o escoamento plástico, uma força de empuxo horizontal de quase 10 toneladas atuando sobre isoladores pedestais cerâmicos (cuja resistência ao esforço cortante na base é limitada) causará a quebra frágil da porcelana ou flambagem lateral da barra de .
- Recomendação Obrigatória de Projeto: Inclusão de juntas de dilatação de expansão de tiras flexíveis de cobre (expansion joints) a cada 3 metros, permitindo a dilatação livre de e reduzindo as tensões térmicas a zero.
Questão 04 (Furnas - Engenharia de Subestações / Mecânica dos Fixadores)
Enunciado: O suporte de fixação de uma cadeia de isoladores de ancoragem de linha de a uma viga de aço de pórtico é realizado através de uma conexão de manilha com pino passante de aço de alta resistência de diâmetro . A conexão opera em cisalhamento duplo: a força de tração da cadeia de isoladores () é equilibrada por duas chapas laterais, seccionando o pino em dois planos de corte paralelos. Dados do pino de aço temperado:
- Tensão admissível ao cisalhamento: Determine: a) A área da seção transversal resistente de cada plano de corte do pino em . b) A tensão média de cisalhamento () atuante no pino sob a carga de . c) Verifique a conformidade da conexão segundo o critério de segurança admissível.
Resolução Detalhada:
Passo 1: Área de corte do pino:
Passo 2: Tensão média sob cisalhamento duplo: No cisalhamento duplo, a carga total é dividida igualmente entre os dois planos de corte:
A tensão média de cisalhamento em cada plano vale:
Passo 3: Verificação de conformidade: A conexão em cisalhamento duplo encontra-se plenamente aprovada e conforme os critérios de segurança da norma ABNT NBR 5422.
8. Referências Bibliográficas e Normas Técnicas
- HIBBELER, Russell C. Resistência dos Materiais. 10. ed. São Paulo: Pearson, 2018.
- BEER, Ferdinand P.; JOHNSTON, E. Russell; DEWOLF, John T.; MAZUREK, David F. Mecânica dos Materiais. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2015.
- TIMOSHENKO, Stephen P.; GERE, James M. Mecânica dos Sólidos. Rio de Janeiro: LTC, 1994.
- ABNT NBR 5422: Projeto de linhas aéreas de transmissão de energia elétrica.
- ABNT NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios.