Fotoelasticidad

SESIÓN Nº 7

Introducción a la Fotoelasticidad
INTRODUCCIÓN A LA FOTOELASTICIDAD

7.1. Conceptos Fundamentales

¿Qué es la Fotoelasticidad?
La fotoelasticidad es un método de análisis de esfuerzos en el que se usa un modelo del elemento o estructura de interés. El modelo se hace de un plástico especial que posee las propiedades ópticas y de deformación convenientes. Puesto que el modeloes geométricamente similar a la estructura real, la distribución de esfuerzo en él indica los efectos de la configuración geométrica sobre la distribución del esfuerzo en la estructura real. Sin embargo, las propiedades mecánicas del material del modelo y de la estructura pueden diferir consi-derablemente, y es posible por consiguiente, que el modelo dé una falsa impresión del comporta-miento realde la estructura.

Este método difiere del extensométrico en que pro-porciona una determinación global de los esfuerzos en todos los puntos, tanto en la superficie como en el interior, y no sólo una medida del esfuerzo en un punto específico. La fotoelasticidad es principalmen-te un método bidimensional en el que los modelos utilizados tienen espesor constante. En técnicas más avanzadas losesfuerzos se “congelan” en modelos tridimensionales, y luego se analizan cortes de dos dimensiones.

Un modelo fotoelástico se analiza por medio de un aparato óptico llamado polariscopio. Consiste en una fuente de luz polarizada que pasa a través del modelo con medios para aplicar carga al mo-delo y para analizar el fenómeno resultante. En la fig. 2 se muestran las partes fundamentales de uno deestos equipos.



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Fig. 3. Esquema del paso de la luz en un polariscopio

Polarización de la Luz y Fotoelasticidad

Existen cuatro tipos de polarización de la luz:

a) Por absorción (Ley de Malus).
b) Por dispersión o “scattering”.
c) Por reflexión (Ley de Brewster).
d) Por birrefringencia o doble refracción.

Por razones de interés del curso, solo nos abocaremos al tipo d.

Labirrefringencia es un fenómeno complicado que se presenta en materiales como la calcita, en otros cristales no cúbicos y en algunos plásticos sometidos a tracción, como el celofán. En la mayoría de los materiales, la velocidad de la luz es la misma en todas direcciones, lo cual sucede solo en los isotrópicos; debido a su estructura atómica, los materiales birrefringentes son anisotrópicos.

Lavelocidad de la luz depende de su di-rección de propagación a través del mate-rial. Cuando un rayo de luz está incidiendo sobre estos materiales, puede separarse en dos rayos, denominados rayo ordinario (o) y rayo extraordinario (e). Estos rayos están polarizados en direcciones mutuamente per-pendiculares, y se propagan con diferentes velocidades. Dependiendo de la orientación relativa delmaterial y de la luz incidente, los rayos pueden propagarse también en direcciones diferentes.

Existe una dirección particular en un material

birrefringente en que ambos rayos se propagan con la misma velocidad. Esta dirección se denomina eje óptico del material. (Éste es realmente una dirección y no sólo una recta en el material). Cuando la luz se propaga a lo largo del eje óptico no ocurre nadainusual. Sin embargo, cuando la luz está incidiendo en ángulo con respecto al eje óptico como se ve en la fig. 4, los rayos se propagan en distintas direcciones y emergen separados en el espacio. Si se hace girar al material, el rayo extraordinario (rayo e en la figura) gira en el espacio.
Si la luz está incidiendo sobre una placa birrefringente de modo que sea perpendicular a su cara cristalina yperpendicular al eje óptico, los dos rayos se propagan en la misma dirección, pero con velocidades diferentes. Los rayos emergen con una diferencia de fase que depende del espesor de la placa y de la longitud de onda de la luz incidente. En una lámina de cuarto de onda, el espesor es tal que existe una diferencia de fase de 90° entre las ondas de una longitud de onda determinada cuando emergen,...