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Fisica

Módulo de Young: Definição, Fórmula e Exemplos de Materiais

Módulo de Young: Definição, Fórmula e Exemplos de Materiais

O módulo de Young, também conhecido como módulo de elasticidade longitudinal ou módulo de elasticidade, é uma propriedade mecânica dos materiais que descreve sua rigidez ou resistência à deformação elástica quando uma força externa é aplicada.

O módulo de Young é representado pela letra "E" e é definido como a razão entre tensão (força aplicada por unidade de área) e deformação (mudança relativa no comprimento original) na direção longitudinal do material.

O conceito de módulo de Young é válido apenas dentro da faixa elástica de deformação de um material, ou seja, quando a deformação é reversível e o material pode retornar à sua forma original assim que a força aplicada for removida. 

Fórmula

Matematicamente, é expresso da seguinte forma:

E = σ / ε

Onde:

  • E: módulo de Young (em pascal, Pa)

  • σ: Esforço (em pascal, Pa)

  • ε: Deformação (sem unidade)

O que significa um valor de módulo de Young alto ou baixo?

O módulo de Young é uma medida da rigidez do material.

Quanto maior o módulo de Young, mais rígido é o material e mais resistente à deformação elástica.

Por outro lado, quanto menor o valor, mais flexível será o material e deformará mais facilmente sob a mesma força aplicada.

Relação com a lei de Hooke

Existe uma relação entre a lei de Hooke e o módulo de Young (E): O módulo de Young é a constante de proporcionalidade que relaciona tensão e deformação em um material elástico.

Relação ao limite elástico

O limite elástico é a máxima tensão ou tensão que um material pode suportar sem sofrer deformação permanente ou plástica. É o ponto em que o material para de se comportar elasticamente e começa a se deformar permanentemente. Ou seja, acima do limite elástico, o material não retornará à sua forma original uma vez que a carga aplicada seja removida.

Por outro lado, o módulo de Young é uma medida da rigidez ou resistência à deformação elástica de um material. No entanto, ela só é válida enquanto a deformação for reversível.

Portanto, quando um material se deforma, se ultrapassar seu limite elástico, o módulo de Young não é mais aplicável, o material pode ser permanentemente deformado e seu comportamento é regido por diferentes leis, como módulo de rigidez ou plasticidade.

Aplicações do módulo de Young

O módulo de Young, como propriedade mecânica dos materiais, tem diversas aplicações e usos em diferentes campos da engenharia e da ciência. Aqui estão algumas das principais aplicações do módulo de Young:

  1. Projeto estrutural: permite calcular e prever como um material se deformará sob cargas aplicadas, o que ajuda a determinar a resistência e a estabilidade das estruturas.

  2. Seleção de material: permite comparar e avaliar a rigidez e a resistência de diferentes materiais para aplicações específicas.

  3. Análise de Elementos Finitos: Na análise de elementos finitos, uma técnica de modelagem computacional usada para simular o comportamento de estruturas complexas, o módulo de Young é usado para definir as propriedades elásticas de materiais em modelos numéricos.

  4. Previsão de deformação: o módulo de Young é usado para prever deformações em materiais e estruturas devido a cargas aplicadas. Isso é útil para avaliar a deformação elástica e o comportamento de materiais submetidos a diferentes condições de carregamento.

  5. Cálculos de Tensão e Tensão: Também usado para determinar a relação entre a força aplicada a um material e a deformação resultante usando a Lei de Hooke. Isso é essencial para entender o comportamento dos materiais e garantir a integridade estrutural.

  6. Desenvolvimento de materiais: Esta propriedade é útil no desenvolvimento de novos materiais com propriedades específicas.

Exemplos

Abaixo segue uma tabela com exemplos de alguns materiais com uma breve descrição de cada material e seu respectivo módulo de Young:

MaterialDescriçãoMódulo de Young (GPa)

aço estrutural

Liga de ferro com carbono e outros elementos, utilizada na construção de estruturas.

190-210

Alumínio

Metal leve de alta resistência e baixa densidade, utilizado em diversas aplicações industriais.

70

Vidro

Material sólido amorfo, transparente e frágil, utilizado em janelas e recipientes, entre outros.

60-90

Madeira (construção)

Material natural composto por tecido vegetal, utilizado na construção civil e carpintaria.

10-20

Concreto

Mistura de cimento, agregados e água, utilizada na construção de estruturas e pavimentos.

25-40

polímeros

Materiais orgânicos compostos por cadeias moleculares, amplamente utilizados em diversos produtos e aplicações.

Vários MPa - GPa

Cobre

Um metal que conduz calor e eletricidade, usado em cabos, tubulações e componentes eletrônicos.

110-130

Titânio

Um metal leve e resistente à corrosão usado em aplicações aeroespaciais e médicas.

100-120

Granito

Rocha ígnea dura e resistente, utilizada em construção e acabamentos arquitetônicos.

50-80

Asfalto

Material viscoso e pegajoso utilizado na construção de estradas e pavimentos.

1-5

Goma (borracha)

Material elástico e flexível, utilizado em pneus, vedações e produtos diversos.

0,01-0,1

Gelo

Água em estado sólido, usada em aplicações como armazenamento de alimentos e esportes no gelo.

9-15

Diamante

Forma cristalina do carbono, conhecida por sua extrema dureza, utilizada em joias e ferramentas.

1050-1220

cerâmica (geral)

Materiais inorgânicos não metálicos, amplamente utilizados na indústria e construção.

100-400

Plexiglass (PMMA)

Material plástico transparente e resistente, utilizado em aplicações como janelas e telhas.

2,7-3,5

Aço inoxidável

Liga de ferro com cromo e outros elementos, resistente à corrosão, utilizada em diversas aplicações industriais e estruturais.

190-210

Fibra de carbono

Material composto por fibras de carbono entrelaçadas, conhecido por sua alta resistência e baixo peso.

230-630

Autor:

Data de publicação: 15 de julho de 2023
Última revisão: 15 de julho de 2023