Círculo de Mohr y transformación de tensiones: problemas de práctica con soluciones paso a paso

También llamado: círculo de Mohr · esfuerzos principales · tensiones principales

Problemas gratis de Círculo de Mohr y transformación de tensiones con diagramas, pistas y soluciones completas. Valores nuevos cada vez, en tres niveles: tensiones principales, cortante máxima y dirección principal, tensión en un plano inclinado.

Problema de práctica gratisFácil
σx​ = 90σy​ = −20MPaelemento principal

En un punto de una pieza cargada las tensiones principales en el plano son σ₁ = 90 MPa y σ₂ = −20 MPa (tracción positiva). Halla la tensión normal σavg que actúa en los planos de tensión cortante máxima en el plano.

σ1 = 90 MPaσ2 = −20 MPa
MPa
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Qué practicas

  1. Fáciltensiones principales
  2. Mediacortante máxima y dirección principal
  3. Difíciltensión en un plano inclinado

Cómo resolver problemas de Círculo de Mohr y transformación de tensiones

  1. Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
  4. Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Errores frecuentes

  • Usar θ en lugar de 2θ en las ecuaciones de transformación.
  • Sumar (σx − σy)/2 y τxy en lugar de combinarlos con Pitágoras.
  • Equivocarse con el convenio de signos de la tensión tangencial.

Fórmulas clave

Centro
C = (σx + σy)/2
Radio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensiones principales
σ1,2 = C ± R
Dirección principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Aprende Círculo de Mohr y transformación de tensiones desde cero

Antes de esto: Tensión y deformación axial

1Por qué la tensión depende de la dirección

En la lección axial, la tensión era un único número: fuerza entre área. Pero la tensión en un punto depende de la dirección del corte que miras.

Tuerce un trozo de tiza hasta que se rompa. Se rompe siguiendo una espiral a 45°, no en línea recta. En ese plano de 45° la tracción es máxima, y la tiza es débil a tracción.

Para describir la tensión en un punto, los ingenieros dibujan un cuadradito, el elemento de tensión, con las tensiones sobre sus caras:

σx​σy​τxy​xy
  • σx y σy son tensiones normales, perpendiculares a las caras. Positivo significa tracción (flechas hacia fuera), negativo significa compresión.
  • τxy es la tensión cortante, a lo largo de las caras. Intenta convertir el cuadrado en un rombo.

Gira el cuadrado y las tensiones sobre sus caras cambian. Esta lección muestra cómo hallarlas para todas las direcciones y cuáles son las más peligrosas.

Autoevaluación En un punto, σx = −40 MPa. ¿Qué significa esto?
  1. Una compresión de 40 MPa en la dirección x
  2. Una compresión de 40 MPa en la dirección y
  3. Una tensión cortante de 40 MPa
  4. Una tracción de 40 MPa en la dirección x

Respuesta: Una compresión de 40 MPa en la dirección x. Con la regla de signos habitual la tracción es positiva, así que una σx negativa es compresión, que actúa sobre las caras normales a x.

2Círculo de Mohr

El círculo de Mohr es una imagen de todas las direcciones a la vez. Cada punto del círculo es un posible corte a través del punto de la pieza.

Dibuja la tensión normal σ hacia la derecha y la tensión cortante τ hacia arriba. Luego sitúa dos puntos:

  • el punto x en (σx, τxy): las tensiones sobre la cara normal a x,
  • el punto y en (σy, −τxy): las tensiones sobre la cara normal a y.

El círculo pasa por ambos puntos. Su centro C está sobre el eje σ, a medio camino entre ellos. Su radio R sale de Pitágoras:

C = (σx + σy) / 2 R = √( ((σx − σy)/2)² + τxy² )
στxyCσ1​σ2​R

Donde el círculo corta el eje σ, la tensión cortante es cero. Esos dos valores son las tensiones principales, la mayor y la menor tensión normal en el punto. La parte superior del círculo es la mayor tensión cortante en el plano:

σ1 = C + R σ2 = C − R τmax = R
Autoevaluación σx = 50 MPa, σy = 10 MPa y τxy = 15 MPa. ¿Cuánto vale σ1?
  1. 45 MPa
  2. 50 MPa
  3. 55 MPa
  4. 65 MPa

Respuesta: 55 MPa. C = 30 MPa y R = √(20² + 15²) = 25 MPa, así que σ1 = 55 MPa. 65 suma 20 + 15 en lugar de usar Pitágoras; 50 ignora la tensión cortante.

3Ángulos: el doble en el círculo

Girar el elemento un ángulo θ mueve su punto en el círculo de Mohr 2θ, en el mismo sentido. El sentido antihorario es positivo.

La dirección de σ1 es el ángulo θp desde el eje x, que se halla con:

tan 2θp = 2τxy / (σx − σy)

Cuidado con el cuadrante. Si σx − σy es negativo, suma 180° a 2θp cuando τxy > 0, o resta 180° cuando τxy < 0. Luego divide entre 2.

Los planos de cortante máximo están a 45° de las direcciones principales (90° en el círculo).

Para un plano cuya normal está girada θ respecto al eje x, las tensiones son:

σθ = C + (σx − σy)/2 · cos 2θ + τxy · sin 2θ
τθ = −(σx − σy)/2 · sin 2θ + τxy · cos 2θ
Autoevaluación En un punto, tan 2θp = 1 y σx − σy es positivo. ¿Cuánto vale θp?
  1. 22,5°
  2. 45°
  3. 90°
  4. −67,5°

Respuesta: 22,5°. 2θp = 45°, así que θp = 22,5°. Responder 45° olvida dividir entre 2 el ángulo del círculo. −67,5° es la dirección de σ2, a 90° de distancia.

4El método paso a paso

  1. Anota σx, σy y τxy con sus signos: tracción positiva, compresión negativa.
  2. Halla el centro C = (σx + σy)/2.
  3. Halla el radio R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  4. Tensiones principales: σ1 = C + R y σ2 = C − R. Mayor tensión cortante en el plano: τmax = R.
  5. Direcciones: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy), comprueba el cuadrante y luego divide entre 2.
  6. Para un plano θ dado: usa las ecuaciones de σθ y τθ con 2θ.

Un esbozo rápido del círculo, aunque sea tosco, te muestra los signos y cuál es el punto σ1.

5Un ejemplo resuelto

Sigue cada paso. Intenta adivinar el siguiente antes de abrirlo.

Ejemplo resuelto

Un punto tiene σx = 80 MPa, σy = 20 MPa y τxy = 40 MPa. Calcula las tensiones principales, τmax, la dirección θp de σ1 y la tensión normal en un plano girado 45° en sentido antihorario.

1

Mira el elemento

xy

Ambas tensiones normales son de tracción. La tensión cortante es positiva.

2

Centro y radio

C = (80 + 20) / 2 = 50 MPa
R = √(30² + 40²) = 50 MPa
3

Tensiones principales y cortante máximo

στxyCσ1​σ2​τmax​ = R
σ1 = 50 + 50 = 100 MPa σ2 = 50 − 50 = 0 MPa
τmax = R = 50 MPa
4

Dirección principal

tan 2θp = 2 · 40 / (80 − 20) = 1,333

σx − σy es positivo, así que no hace falta corrección: 2θp = 53,1° y θp = 26,6° en sentido antihorario desde x.

5

Plano girado 45°

Con θ = 45°, 2θ = 90°: cos 2θ = 0 y sin 2θ = 1.

σθ = 50 + 30 · 0 + 40 · 1 = 90 MPa
6

Comprueba la respuesta

La suma σx + σy = 100 MPa es igual a σ1 + σ2 = 100 MPa. Esta suma es la misma para cualquier giro, así que es una comprobación rápida.

Además, 90 MPa está entre σ2 = 0 y σ1 = 100 MPa, como debe ocurrir con toda tensión normal.

Respuesta

σ1 = 100 MPa, σ2 = 0, τmax = 50 MPa, θp = 26,6° y σ45° = 90 MPa.

6Errores frecuentes

  • Sumar directamente (σx − σy)/2 y τxy. El radio los combina con Pitágoras.
  • Usar θ en lugar de 2θ en las ecuaciones de transformación, o olvidar dividir entre 2 el ángulo leído en el círculo.
  • Perder un signo menos: una tensión de compresión debe entrar como número negativo.
  • Situar el punto y en (σy, +τxy). Está en −τxy, al lado opuesto del centro respecto de x.
  • Pasar por alto el cuadrante de 2θp cuando σx < σy.
Autoevaluación σx = 60 MPa, σy = 0 y τxy = 40 MPa. ¿Cuál es la tensión cortante máxima en el plano?
  1. 30 MPa
  2. 40 MPa
  3. 50 MPa
  4. 70 MPa

Respuesta: 50 MPa. τmax = R = √(30² + 40²) = 50 MPa. 70 suma 30 + 40; 30 ignora la tensión cortante; 40 es solo τxy.

7Cómo son las preguntas de examen

  • Fácil: tensiones principales. Dados σx, σy y τxy, halla σ1 o σ2. Variantes: cortante puro, o una barra axial cortada en ángulo.
  • Medio: cortante máximo y dirección principal. Halla τmax = R o el ángulo θp, entre −90° y 90°.
  • Difícil: tensión en un plano inclinado. Usa la ecuación de σθ o τθ con 2θ. Las variantes combinan carga axial y torsión, o usan las tensiones principales en una comprobación de fallo como von Mises o Tresca.

Anota primero C y R. Casi todas las preguntas de este tema se responden con esos dos números.

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Ejemplos resueltos

Ejemplo 1Fácil
σx​ = 30σy​ = 50τxy​MPa

En un punto σₓ = 30 MPa y σᵧ = 50 MPa, además de cierta tensión cortante. En un elemento girado 30° la tensión normal en la dirección girada x′ es 87 MPa. Halla la tensión normal σy′ en la dirección girada y′.

σx = 30 MPaσy = 50 MPaσx′ = 87 MPaθ = 30°

Calcula σy′ (MPa)

Mostrar pistas
  1. No necesitas τₓᵧ ni las ecuaciones de transformación.
  2. La suma de las tensiones normales en dos planos perpendiculares es la misma para cualquier orientación (el centro del círculo de Mohr no se mueve).
  3. σₓ + σᵧ = 80 MPa.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

Primer invariante de tensiones

Los puntos x′ e y′ están en extremos opuestos de un diámetro, así que su media es siempre el centro C.

σx′ + σy′ = σx + σy
σy′ = 30 + 50 − 87 = −7 MPa

Respuesta

σy′ = −7 MPa
Ejemplo 2Media
σx​ = 0σy​ = 20τxy​ = −30MPa

Un punto de una pieza cargada tiene σₓ = 0 MPa, σᵧ = 20 MPa y τₓᵧ = −30 MPa (tracción positiva). Halla el ángulo θp desde el eje x hasta la dirección de la tensión principal mayor, entre −90° y 90°.

σx = 0 MPaσy = 20 MPaτxy = −30 MPa

Calcula θp (°)

Mostrar pistas
  1. Dibuja el círculo de Mohr: el punto x en (σₓ, τₓᵧ), el punto y en (σᵧ, −τₓᵧ) y el centro C en el punto medio.
  2. tan 2θp = 2τₓᵧ/(σₓ − σᵧ). Atención al cuadrante.
  3. C = 10 MPa, R = 31,62 MPa.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R.

στxyCσ1​σ2​

Ángulo en el círculo

En el círculo de Mohr, el punto x está a un ángulo 2θp del eje σ; el cuadrante se deduce de los signos de σₓ − σᵧ y τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−30, 0 − 20) = −108,4°

Ángulo en el elemento

θp = −54,22°

Respuesta

θp = −54,22°

Los ángulos positivos son en sentido antihorario.

Ejemplo 3Difícil
60°D = 500 mm, t = 5 mm, p = 2,5 MPap

Un depósito cilíndrico de pared delgada, con un diámetro interior de 500 mm y un espesor de pared de 5 mm, contiene gas a una presión manométrica de 2,5 MPa. Está fabricado con chapa soldada a lo largo de una costura helicoidal a 60° del eje del cilindro. Halla el valor de la tensión cortante |τn| que actúa a lo largo de la costura de soldadura.

D = 500 mmt = 5 mmp = 2,5 MPaα = 60°

Calcula |τn| (MPa)

Mostrar pistas
  1. Tensión circunferencial σh = pr/t, tensión axial σa = pr/(2t). No hay cortante en los planos axial y circunferencial.
  2. Cortante a lo largo de la costura: |τn| = (σh − σa)·sin α·cos α.
  3. σh = 125 MPa, σa = 62,5 MPa.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Transformación de tensiones en estado plano: en un plano girado θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. El círculo de Mohr muestra todos los planos a la vez: su centro está en C = (σₓ + σᵧ)/2 y su radio es R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Las tensiones principales son C ± R, y la tensión cortante máxima en el plano es R. Cilindro de pared delgada: tensión circunferencial σh = pr/t y tensión axial σa = pr/(2t); son las tensiones principales en la pared.

Tensiones en la pared

r = 500/2 = 250 mm
σh = pr/t = 2,5·250/5 = 125 MPa
σa = pr/(2t) = 62,5 MPa

Transforma a la costura

Toma x a lo largo del eje (σa) e y en dirección circunferencial (σh). La normal de la costura forma 90° − α con el eje.

|τn| = (125 − 62,5)·sin 60°·cos 60° = 27,06 MPa

Respuesta

|τn| = 27,06 MPa

Preguntas y respuestas

Círculo de Mohr y transformación de tensiones: ¿qué es?

En la lección axial, la tensión era un único número: fuerza entre área. Pero la tensión en un punto depende de la dirección del corte que miras.

Tuerce un trozo de tiza hasta que se rompa. Se rompe siguiendo una espiral a 45°, no en línea recta. En ese plano de 45° la tracción es máxima, y la tiza es débil a tracción.

Círculo de Mohr y transformación de tensiones: ¿cómo se resuelven los ejercicios paso a paso?
  1. Calcula el centro del círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcula el radio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Las tensiones principales son C ± R y la tensión tangencial máxima en el plano es R.
  4. Los ángulos en el círculo son el doble que los ángulos en el elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Círculo de Mohr y transformación de tensiones: ¿cuáles son los errores más comunes?
  • Usar θ en lugar de 2θ en las ecuaciones de transformación.
  • Sumar (σx − σy)/2 y τxy en lugar de combinarlos con Pitágoras.
  • Equivocarse con el convenio de signos de la tensión tangencial.
Círculo de Mohr y transformación de tensiones: ¿qué se practica?
  • Fácil: tensiones principales
  • Media: cortante máxima y dirección principal
  • Difícil: tensión en un plano inclinado

Cada problema tiene valores nuevos, así aprendes el método y no una respuesta. ¿Te has atascado? Abre primero una pista pequeña y la explicación completa solo cuando la necesites.

Cómo funciona la práctica

  • Cada problema tiene valores nuevos, así aprendes el método y no una respuesta.
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  • Tu progreso, tus errores y tus problemas guardados se conservan para que puedas repasar antes del examen.

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