INTRODUCCIONEn los últimos veinte años los estudios de fotoelasticidad han pasado de técnicas basadas en cálculos manuales a técnicas basadas en el procesamiento de imágenes, permitiendo de esta manera realizar la descripción de la distribución de esfuerzos sobre la superficie de un material birrefringente de forma semiautomática. La importancia que presentan los estudios de fotoelasticidad en el campo ingenieril da cabida a este trabajo, en el cual se presenta un artículo de revisión en esta temática, se describe de manera general el fenómeno óptico, los montajes implementados para la observación, las técnicas desarrolladas para la descripción de la distribución de los esfuerzos, los estudios desarrollados en fotoelasticidad digital, y finalmente se presentan algunas aplicaciones desarrolladas desde este tema de trabajo. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Visualizar la distribución de los esfuerzos de tensión, compresión, el concepto de flexión en vigas, zona de tensión, zonas de compresión y ejes neutros mediante la utilización de modelos fotoelásticos. OBJETIVOS ESPECIFICOS MARCO TEORICO Esfuerzo y deformación Los Conceptos fundamentales de esfuerzo y deformación pueden ejemplificarse, si se considera una barra prismática cargada con fuerzas axiales P en los extremos como se muestra en la figura 1. Una barra prismática es un miembro estructural recto con sección transversal constante en toda su longitud. En este ejemplo, las fuerzas producen un alargamiento uniforme de la barra, por lo que se dice que se encuentra en tensión. Se distinguen dos direcciones para las fuerzas, las que son normales al área en la que se aplican y las que son paralelas al área en que se aplican. Si la fuerza aplicada no es normal ni paralela a la superficie, siempre puede descomponerse en la suma vectorial de otras dos que siempre resultan ser una normal y la otra paralela. Polímeros Todos estos análisis y deducciones de esfuerzos y deformaciones también se pueden aplicar a los polímeros. Sus propiedades mecánicas reales y características, es decir, qué polímeros son resistentes, cuáles son duros, etc. Refracción La luz se propaga en línea recta con velocidad constante en un medio uniforme; si cambia el medio, cambiara la velocidad y la luz se propagará en línea recta a lo largo de una nueva trayectoria. La desviación o cambio de dirección de un rayo de luz, cuando pasa oblicuamente de un medio a otro, se conoce como refracción. La refracción es la responsable de la distorsión o deformación de imágenes. VIDRIO ÓPTICO La mayoría de las lentes que se utilizan en gafas (anteojos), microscopios, telescopios, cámaras y otros instrumentos ópticos se fabrican con vidrio óptico. Éste se diferencia de los demás vidrios por su forma de desviar (refractar) la luz. POLARIZACION Algunos materiales absorben selectivamente una de las componentes transversales del campo eléctrico de una onda. Esta propiedad se denomina dicroísmo. La luz experimenta una absorción en ciertos estados de polarización. El término dicroísmo proviene de las observaciones realizadas en épocas muy tempranas de la teoría óptica sobre ciertos cristales, tales como la turmalina. En estos cristales, el efecto del dicroísmo varía en gran medida con la longitud de onda de la luz, haciendo que aparezcan diferentes colores asociados a la visión de diferentes colores con diferentes planos de polarización. TIPOS DE CARGAS QUE ACTUAN EN UNA VIGA. Sobre una viga pueden actuar fuerzas o pares situados en un plano que contiene a su eje longitudinal. Se supone que las fuerzas actúan perpendicularmente al eje longitudinal, y que el plano que las contiene lo es de simetría de la viga. EFECTOS DE LAS CARGAS. Los efectos de las cargas y pares que actúan en una viga son: Producir deformaciones perpendiculares al eje longitudinal de la barra Originar esfuerzos normales y cortantes en cada sección de la viga perpendicular a su eje. NATURALEZA DE ACCIÓN DE LAS VIGAS Es útil suponer que una viga esta compuesta por infinitas fibras longitudinales delgadas y quecada una de estas actúa independiente de todas las demás, esto es, que no hay presiones laterales o tensiones cortantes entre ellas. Por ejemplo, las vigas representadas anteriormente se deformaran hacia abajo y las fibras de su parte inferior sufrirán un alargamiento (tensión) y las fibras de de la parte superior experimentaran un acortamiento (compresión). Además de esto establecemos como convención que cuando una viga experimenta deformación hacia abajo se hablara de curvatura positiva y si se deforma hacia arriba se hablaría de una curvatura negativa establecer esta convención también es útil para orientarse en el instante que se hallan los diagramas de momento flector. SUPERFICIE NEUTRA. Siempre existe una superficie en la viga que contiene fibras que no sufren ni alargamiento ni reducción, por lo que no están sometidas a ningún esfuerzo de tensión o de compresión. Esta superficie es la que se conoce como superficie neutra de unja viga. EJE NEUTRO. La intersección de la superficie neutra con cualquier sección de la viga perpendicular al eje longitudinal se llama eje neutro. Todas las fibras situadas a un lado del eje neutro están en estado de tensión mientras que el lado opuesto están en compresión. FOTOELASTICIDAD La fotoelasticidad es una técnica experimental que permite el análisis y la descripción de la distribución de los esfuerzos en materiales birrefringentes sometidos a carga, para ello parten de los patrones de las franjas isocromáticas (describen la diferencia de tensiones principales), y de los patrones de franjas isoclínicas (describen la dirección de los esfuerzos principales). Con el desarrollo de nuevas herramientas computacionales y aprovechando la versatilidad en configuración de los instrumentos ópticos para la observación del fenómeno, los trabajos en fotoelasticidad han pasado de técnicas manuales para el conteo de las franjas a técnicas semiautomáticas que logra la identificación y conteo a partir de técnicas para el procesamiento de imágenes En resumen se puede decir que los estudios de fotoelasticidad parten del efecto óptico que crea el retardo de fase generado cuando un rayo de luz polarizada viaja a través de un material birrefringente sometido a carga, observado a través de un montaje óptico de polarización Hasta el momento el panorama de trabajo en estudios de fotoelasticidad se ha dado generalmente por la forma o métodos en que las técnicas implementadas se ocupan de los problemas asociados de la medición de la intensidad de la luz, del cálculo del retardo de fase y del conteo de las franjas para lograr la descripción de la distribución de los esfuerzos en materiales birrefringentes, con espesor constante bajo la aplicación de cargas fijas La fotoelasticidad es útil principalmente para el estudio de objetos de forma irregular y tensiones localizadas, como piezas de maquinaria con muescas o curvas, componentes estructurales con ranuras o agujeros y materiales con hendiduras. Proporciona un medio visual de observar sobre todo las características de las tensiones del objeto por medio de diagramas de luz proyectados sobre una pantalla o sobre una película fotográfica. Por simple observación se determina en general las regiones en que se concentran los esfuerzos. Sin embargo se necesita una técnica mas complicada para un análisis de precisión sobre la tensión, compresión, fuerzas de cizalladura y deformaciones en cualquier punto del objeto con tensiones en tres direcciones espaciales (triaxial). Para estudios biaxiales, con una lámina de sustancia transparente especial se construye un modelo geométricamente análogo al objeto que se va analizar y se coloca en lugar de éste De la revisión bibliográfica se logra inferir que al momento no hay una estandarización de las técnicas y mucho menos una técnica completamente automática en estudios de fotoelasticidad, cada situación de análisis requiere de un conjunto específico de pasos que llevan a la descripción de la distribución de los esfuerzos en materiales birrefringentes sometidos a carga; teniendo en cuenta lo anterior, en este documento se presenta una revisión bibliográfica desde las técnicas implementadas para lograr la descripción de los esfuerzos principales en muestras birrefringentes. Finalmente se presenta una discusión y las conclusiones del trabajo. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO ÓPTICO EN ESTUDIOS DE FOTOELASTICIDAD La observación a través de un montaje de polarización de un material birrefringente sometido a carga, revela la formación de patrones de franjas de color asociadas a los esfuerzos principales en el material. De manera general en la Figura 1 se presentan los conceptos y técnicas necesarias para el entendimiento del fenómeno óptico utilizado en estudios de fotoelasticidad. En un montaje de polarización la fuente de iluminación emite rayos de luz no polarizada, las componentes de campo eléctrico de la luz pueden ser representadas a través de (1), donde la amplitud de la onda, el tiempo y la frecuencia angular. Representación de un rayo de luz FIG 1. REPRESENTACION DE UN RAYO DE LUZ FIG2. REPRESENTACION DE LA POLARIZACION LINEAL DE LA LUZ FIG 3.REPRESENTACIÓN DE LA LUZ A TRAVÉS DE UN MATERIAL BIRREFRINGENTE En esta FIGURA se presenta un esquema del comportamiento del rayo de luz polarizado al entrar al material birrefringente, cuan sale de él y cuando sus componentes polarizadas son alineadas nuevamente en el segundo polarizador, creando entre ellas un retardo de fase que da origen a la formación de las franjas de color asociadas al espesor, a los índices de refracción y a los esfuerzos aplicados sobre el material. Existen materiales que experimentan birrefringencia al ser sometidos a esfuerzos y deformaciones mecánicas, que al ser analizados con la ley de tensión óptica se logra hacer una asociación entre los esfuerzos del material, con los índices de refracción y el coeficiente de esfuerzo óptico FIG 4. ESQUEMA DE UN MONTAJE DE POLARISCOPIO PLANO En la Figura 4 se presenta un esquema de un polariscopio plano, y en (6) se presenta la expresión de la intensidad de la luz en el montaje, donde se representa la intensidad máxima transmitida por la fuente de iluminación, es el ángulo de rotación entre los ejes de los polarizadores. MATERIALES OPTICOS Los materiales ópticos 6 Se puede considerar entre los materiales de interés en óptica, tres tipos de materiales transparentes. Los materiales de índice de refracción y coeficiente de absorción isotrópicos como el vidrio. Los materiales que tienen índices de refracción anisotrópicos. La velocidad con que se propaga la luz en estos materiales depende de la orientación del campo electro-magnético relativa a las direcciones preferenciales del material. Se nota una dirección de polarización rápida y una dirección de polarización lenta del material. Estos son los materiales birrefringentes. Para algunos de ellos, el índice de refracción depende de la tensión mecánica. Estos materiales llegan a ser birrefringentes cuando se les aplica esfuerzo mecánico. Los materiales que presentan esta característica son llamados fotoelásticos. Los materiales que presentan coeficiente de absorción anisotrópico. Estos materiales absorben selectivamente la componente de la onda electromagnética en una orientación específica. A estos materiales se les llama polarizadores. Los materiales birrefringentes y algunos valores de los índices de refracción Aplicaciones Las aplicaciones en estudios de fotoelasticidad tienen que ver con la identificación y descripción de la distribución de tensiones en materiales sólidos y estructuras de soporte; para ello se describen los esfuerzos principales bajo la aplicación de recubrimientos hechos a partir de materiales birrefringentes. En se presentan trabajos orientados a la medición de las tensiones y grietas en estructuras de edificaciones aplicando técnicas para el estudio de las propiedades fotoelásticas en un material traslucido o polimérico, el sistema consiste en adherir el material birrefringente sobre la estructura y luego analizar las propiedades fotoelásticas del material y los patrones de las franjas, con ello se logra la descripción de la distribución de los esfuerzos. las técnicas aun son susceptibles al ruido introducido por la luz del fondo o del ambiente, y a los parámetros de configuración de los instrumentos ópticos y de la cámara de captura de las imágenes; lo anterior se debe a que los algoritmos desarrollados parten del valor de la intensidad del pixel en la imagen, la cual es susceptible a cualquiera de los parámetros antes mencionados. Las franjas asociadas a los esfuerzos del material birrefringente sometido a carga, observadas por medio de la imagen, no solo contienen información relacionada con la intensidad de la luz, también se observan otras características que aún no son contempladas en trabajos de fotoelasticidad, por ejemplo, estudio de formas, comportamiento de la saturación, análisis de tamaños, entre otras características que podrían en alguna medida disminuir el problema de calibración de la intensidad del pixel. Existen materiales que experimentan birrefringencia al ser sometido a esfuerzos mecánicos y que presentan dificultades para mantener un espesor constante (Deformación de películas plásticas), casos donde la aplicación de las técnicas presentadas hasta el momento en estudios de fotoelasticidad no permiten la descripción de la distribución de los esfuerzos, donde el fenómeno óptico al igual que en estudios de fotoelasticidad es observable a través de montajes de polarización, casos que requieren de otro tipo de técnicas no implementadas para la descripción de los parámetros fotoelásticos FRANJAS ISOCROMÁTICAS Para condiciones de esfuerzos de en un plano en un material isotrópico, un medio para determinar experimentalmente la distribución de esfuerzos o la concentración de los mismos dentro del rango de comportamiento elástico, es el análisis fotoelastico. el modelo en el cual la distribución de esfuerzos se ha de estudiar, se encuentra en un haz paralelo de luz polarizada. La luz proveniente de la fuente ha sido polarizada por el polarizador. El dispositivo polarizador puede ser un prisma NICOL O POLAROID. Los rayos que atraviesan el polarizador y el modelo se hacen paralelos por medio de un sistema de lentes. Al abandonar el modelo, la luz atraviesa otra unidad polarizadora llamada analizador, el plano de polarización del analizador se coloca perpendicular al plano del polarizador. Cuando el haz de luz atraviesa el solido esforzado se puede observar un patrón de bandas o franjas claras y oscuras; cada banda oscura llamada franja es el lugar geométrico de los puntos que tienen la misma diferencia de esfuerzo principal. Si se usa luz blanca, cada banda se compone de una secuencia de colores del espectro; las líneas del mismo color se llamam líneas ISOCROMATICAS La utilización de luz de arco de mercurio produce un campo polarizado. En donde las franjas isoclinicas se desvanecen, cuando el arco de mercurio con filtros monocromáticos se usa en ves de una luz blanca. El color brillante del patrón de las franjas monocromáticas con luz de mercurio, aparece ahora como líneas gravadas finamente que son llamadas isocromáticas. A cada línea se le puede asignar un valor máximo de corte por inspección. Un eje neutral o coordenada puede estar presente donde los esfuerzos cambian de signo, este es un punto de referencia rápidamente determinado por inspección. Así pues los patrones de franja obscura o brillante pueden ser rápidamente enumerados con valores de corte, comenzando en los puntos conocidos y/o puntos de referencia. Los esfuerzos de frontera son leídos directamente, mientras la separación de los esfuerzos principales de una información de corte máximo está envuelta en el interior de la probeta, la componente normal desaparece y solamente el esfuerzo tangencial existe. El esfuerzo tangencial principal es igual al máximo valor de corte asignado a una línea isocromática donde la intercepta la frontera. Gradiente de esfuerzos de frontera son rápidamente ploteados de esta importación y son extremadamente importante cuando el impacto de distribución de carga está envuelto. Franjas isóclinas experimentalmente derivadas de una viga de plástico reforzada con fibra de carbono. EQUIPOS Y MATERIALES Instrumento que sirve para comprobar si una luz se halla o no polarizada Con el equipo FL 200 se realizan ensayos de fotoelasticidad en modelos de polímeros planos, transparentes. En este sentido, los modelos se someten a una carga por aplicación de fuerzas externas y se iluminan con luz polarizada circularmente. La luz que atraviesa el cuerpo se observa con un analizador. El montaje experimental consta de los siguientes componentes: fuente de luz, dos filtros de polarización lineales, como polarizador y analizador, dos filtros de cuarto de onda y un bastidor en el que se fijan y someten a carga los modelos. La fuente de luz permite obtener imágenes de tensiones en color si se trabaja con luz blanca o bien una representación en claro-oscuro si se trabaja con luz monocromática. PLACAS DE ACRILICO FOTO ELASTICAS La placa de acrílico se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que se encuentra en la industria del plástico es en gránulos o en placas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las placas para termo formado o para mecanizado. PROCEDIMIENTO FUENTES CINSULTADAS http://132.248.9.34/hevila/Revistapolitecnica/2013/no16/3.pdf http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0507_M.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica#Pola rizaci%C3%B3n_de_ondas_planas http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/handle/11059/6723/62011295P153 .pdf?sequence=1