sábado, 16 de julio de 2016

Butaca

Estuve mucho tiempo meditando que comprar.
Nunca imaginé otra cosa que no fuera "comprar" la butaca. Pero realmente ninguna de las que vi me entusiasmaron, obviamente todas de autos y muy pesadas claro está.
Vi las butacas de competición, de aluminio, de fibras....
Las de competición, aparte de ser extremadamente caras, tienen esas formas, esas curvas, que no se llevan bien con el estatus que planeo darle a mi avión. No es un avión de carreras ni es un acrobático.
Aparte de todo, quise una butaca sola, alargada, que ocupara todo el ancho de la cabina y no dos butacas separadas. Que fuera como las que conozco del Cessna 152 por ejemplo. 
Con los colores tenía otro tanto, ninguno me llamaba la atención. Para cuando me quise dar cuenta, descubrí que jamás iba a satisfacerme ninguna de las comerciales, de auto, camioneta, náuticas, etc.
Yo quería que fuera
  • Económica.
  • Liviana.
  • Cómoda.
  • Color y forma a gusto.
¿Mucho pedir? Si!...Excepto la haga yo mismo claro está. Entonces me agarré la cabeza, me odié un buen rato y comencé a diseñar mi propia butaca.



Dije liviana, entonces el primer paso fue pensar en aluminio y hete aquí mi primer error, no porque estuviera mal diseñada sino por que fallé en lo básico. La geometría del tubo de aluminio. Como se observa seleccioné tubos redondos cuando, para la misma sección (es decir igual peso) el tubo cuadrado me hubiera ofrecido mayor resistencia a flexión, por tener el cuadrado mayor momento de inercia que la circunferencia. Una pena haberme dado cuenta cuando ya había comprado los tubos. Muchas veces "las ideas" juegan mala pasada a "la razón". También me hubiera facilitado muchísimo el trabajo de remachado. Una pena, aunque no por eso tengo que descartar nada.


 Una vez finalizada la estructura, con un reticulado tipo "warren" en la parte inferior para soportar bien el peso más las cargas "G" definí no poner una tapa y un respaldo de madera, ya que una vez más quiero minimizar el peso. Pensé en un "sandwich" de lámina de aluminio y balsa, pero me pareció caro y demasiado trabajoso. Entonces me decidí por el entramado plástico usado en las reposeras.
Pero.....el problema de esto es que al sentarse sobre una base sólida, los esfuerzos son hacia abajo y el reticulado lo soporta perfectamente. Ahora me encuentro con que tengo esfuerzos hacia abajo y hacia adentro, con lo que tengo que reforzar también allí. En la foto se observa la goma espuma que recubrirá el entramado plástico.


Me recibí de costurero, se los aseguro. Creo que he cosido lo que no cosió mi abuela en su vida!.


Aquí tanto la estructura como el entramado plástico de reposera se encuentran terminados, con doble costura (como mostré arriba) y ya hecho el primer refuerzo en el medio (parte inferior, desde adelante hacia atrás) Posteriormente tendré que hacer otros dos para que no flexione ni se deforme. ¿El peso? realmente una pluma. pero el diseño pide más refuerzos, cuando me siento y la pruebo, observo que se siente el estar trabajando con tubos redondos de aluminio 6063 T5 y no de aluminio 6061 T6


Continúo con la goma espuma, que también queda cosida. Al ser el entramado cuadriculado es muy fácil la costura, aunque agotadora, con hilo de nylon y aguja gruesa. Me he aprendido varios puntos  de costura importantes para evitar que se descosa o que se vean los puntos (amo internet).
Posteriormente forro con cuerina con colores a mi gusto.


Una vez que ya no se puede coser desde abajo....como hago para que no se vea la costura?. Con el maravilloso punto "escondido".


Y como la ambición me puede, no pude evitar hacerle un bolsillo atrás. Claro, mi mujer se "peinó para la foto" pero ni una puntada dió esta vez! Arriba un elástico y cosido posteriormente en todos los lados.


Bolsillo terminado. A ver cuando estrenamos el libro de vuelo en este avión!


Trabajo terminado! con un refuerzo en aluminio en el costado para evitar que el respaldo se vaya hacia atrás al apoyar la espalda, claro está, forrado con la misma cuerina. Si lo hacemos, lo hacemos bien!.


Acá nadie es tapicero, ni costurero. Gente, solo revisen internet y tengan imaginación. Nada mas que eso. Había dicho que tenía que ser liviana y salió liviana (la goma espuma le subió mucho el peso!, increíble pero real) debía ser estéticamente linda y al menos a mi me gustó ya que la hice con los colores crema y madera que quería, alargada como la quería y ¿cómoda?

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A mi hermana y a mi señora les parece cómoda, están conformes, nunca se debe preguntar a nadie que no sea del sexo femenino si a comodidad se refiere


Posteriormente la llevamos al taller para presentarla en el fuselaje y de paso le dijimos a un par de amigos que nos vinieron a visitar que la probaran. Funciona. Trabajo terminado. Una cosa menos.

Compensador

Hola! ¿Tanto tiempo verdad?
Como alguna vez dije (y me he cansado de repetir) este no es solo un compendio de fotos, es en "tiempo real" la construcción de un avión experimental. Y sí que ha pasado tiempo, casi un año de mi última publicación. ¿Que pasó en todo este tiempo?.
Pasó la vida, ni más ni menos, que hizo que me mudara a un taller en el cuál nunca pude enchufar un equipo ya que no tenía electricidad, la empresa proveedora del servicio jamás vino a instalármelo, con lo cual perdí más de seis meses.
Junto con ese tiempo perdido, también he perdido dinero, ya que jamás recuperé el invertido en la mudanza ni en los gastos que representan alquilar el lugar. Incluso debí acudir a un abogado para que me devolvieran al menos el depósito....
Posteriormente debí alquilar otro taller (osea, mas gastos) un poco más lejos de mi casa pero MUCHO mas cerca del lugar donde tenía mis petates aeronáuticos al principio (¿50 Km recuerdan?).
Ya no está mi hijo para ayudarme, que vela por la construcción desde arriba, cerquita del Creador y de vez en cuando me ilumina con alguna idea, pero, como Dios se manifiesta de formas extrañas, si están mi hija y mi mujer para ayudarme!!!!.

A VER SI SE ACUERDAN. ¿Alguien dijo que era indispensable el apoyo de la familia? ¿alguien dijo que iba a hacer falta contar con algún dinero? ¿Alguien dijo que era necesario contar con el espacio?...Casi casi pareciera ser que en los inicios tuve ciertas premoniciones, no es pedantería berreta, es simplemente SENTIDO COMÚN y la honestidad con uno mismo. Si desde el principio me miento a mi mismo, estoy al horno!.

Por tanto espero, una vez más, que les sirva de experiencia, mi experiencia. A nadie le tienen que pasar las mismas cosas, pero sepan que PASAN. Por que no se trata de un avión, se trata de la vida misma.  

Ahora si, les presento el avance (Aleluya!).

El sistema de compensación o"Trim" que quise implementar, al principio pareció un tanto ambicioso para llevar a cabo, para un neófito como yo claro está. Pero como buen testarudo, fue el que me gustó para mi avión y por ende no me importó que me llevara meses de investigación y adaptación a mis posibilidades económicas y técnicas.
Económicas por que nunca pensé en la posibilidad de comprarlo íntegro (se venden los de PA 11 por ejemplo, en aleación de aluminio 7075 todo el sistema completo por una buena friolera de dólares).
Técnicas por que de los que iba viendo por la net o en vivo y en directo, debí descartar aquellos que cuentan con muchas partes móviles o piezas complejas para hacer, excepto las copie, dibuje y las mande a cortar y tornear. Entonces tuve que diseñar un sistemita, lo más simple posible, tal que yo pueda crearlo y que cuente con ciertas características:

1. Esto no es joda, es una parte en donde se "ancla" el estabilizador horizontal, por tanto debe ser robusto.
2. No por robusto tengo que trabajar con tubos de hierro de gran espesor, no puedo excederme en el peso, sin embargo no puedo copiar los sistemas de aluminio (no puedo soldar aluminio con mi equipo) y a la vez recuerdo que estoy trabajando con SAE 1025 y no en 4130
3. NADA que tenga que girar sobre su eje dentro de una guía (llámese un tubo dentro de otro tubo) me permito hacerlo de ese modo, un eje de acero gira SI O SI dentro de un buje de bronce.
4. El hecho de utilizar bujes me lleva a trabajar con ciertas tolerancias ya que si los bujes no son auto centrantes, me va a costar muchísimo alinear el eje para que gire sin rozamiento.

Ya había mostrado esto, pero vuelvo para que se vea el avance completo.



El cilindro de acero agujereado de abajo fue una de las tantas cosas que he descartado, por INCOHERENTE, ¿Como se me ocurre incluir algo de acero lleno en el avión? debió pesar tres kilos eso solo!. No se como en algún momento siquiera lo pensé.



El tornillo fue torneado para eliminar rosca de los extremos, posteriormente adquirí dos bujes que cupieran perfectamente en esos extremos. Las dos roscas que se observan también fueron torneadas para que puedan caber dentro del tubo que las contiene y que se desplaza arriba y abajo cuando el tornillo gira. La roldana fue dibujada y nace de un bloque de acero inoxidable, nuevamente, también torneada. La arandela de abajo, fue posteriormente descartada.



Este es el "triángulo" con las "pestañitas" el tubo vertical tiene dentro, en sus extremos, las tuercas soldadas....y desde aquí el primer GRAN problema, hacer que las roscas concuerden ya que es cuasi imposible lograr que el tornillo enrosque en la primera y posteriormente con naturalidad enrosque en las segunda. ¿Cuanto me costó lograrlo? UN HUEVO! como decimos en Argentina. Pero si yo lo hice, lo hacen todos. Posteriormente el tubo horizontal, con tapitas que corté y soldé para ganar prolijidad y que no se oxide por dentro. Finalmente las pestañitas agujereadas y soldadas. Claro que acá ya está todo pintado con anti óxido. Al soldar CON SUMO CUIDADO dándole muy de apoco, ya que si calienta se revira, se tuerce, se mueve y posteriormente NADA encaja NI nada gira. Como lo sé? POR QUE ME PASO!



Acá se ve el tubo que posee las "pestañitas" hembras que hermanan en el "macho" del triangulo. Claro que al soldarlas hay que presentar todo el conjunto, para evidenciar que entren perfectamente, puntear primero y luego soldar DESPACIO para que no se revire y posteriormente que NO encaje.



Presentado todo el sistema, como se observará decidí practicarle más agujeros a la roldana ya que me parecía muy pesada. Quiero aclarar que me parece importante el hecho de trabajar con tolerancias, esto significa por ejemplo que al dar vuelta el tubo con las pestañitas hembras, encajan de igual modo en el macho del triangulo. Nuestro trabajo de este modo gana en prolijidad y nos prepara cada vez más para hacer lo que estamos haciendo; un trabajo que merece ser calificado. Aquí no muestro en un video lo que afirmo con la escritura, pero voy a hacerlo. No me simpatiza cuando en un montante observo que le han escrito con marcador indeleble "derecha abajo" y en el otro montante "izquierda abajo"...¿¿Significa que si los cambio de lugar no encajan??? mmmmmm.....intentemos al menos lograr que eso no suceda!. No digo que este mal, pero convengamos que se puede intentar hacerlo mejor.

video

Les pido disculpas por mi cara de "salame" estaba tan contento de que el sistema funcionara como lo imaginé, que no pude evitar el gesto...no fue gratis lograrlo, me costó todo lo explicado!



Ahora se viene lo mas difícil, en la parte inferior comenzamos soldando los tubos en la cola para anclar el sistema...Pero, quien me está ayudando esta vez?? ese soy yo?



Aja...MI HIJA! soldando y muy bien! ya lo decía yo, Dios se manifiesta de formas extrañas.



Aca muestro la parte inferior terminada, con el buje insertado y pegado. Este "anclaje" del sistema es fijo ya que planeo hacerlo desmontable desde arriba, NO es una opción dejarlo fijo. Obviamente esto me va a llevar horas de "mala sangre" nivelando para lograr que el tornillo encaje en los dos bujes y gire sin rozamiento, que no se trabe ni halla que hacer fuerza para girarlo, una vez esté todo fijo y ajustado.



En la parte superior decidí hacerlo de este modo, una pieza desmontable con su buje y dos agujeros por donde con sendos tornillos ajusta a la parte fija. ¿Los bujes no son autocentrantes? Mierda! esto me va a costar!



Presentamos desde arriba. Claro que para soldar completo ya había presentado todo y AJUSTADO perfectamente para que el calor de la soldadura no me "revirara" nada! un ápice de desnivel o un ápice que se corriera en algún plano el tornillo con el buje superior y eso haría que ejerciera mucha resistencia con el inferior y por ende que no girara. CLARO QUE LO DIGO POR QUE FUE LO QUE ME SUCEDIÓ!. Vuelvo a aclarar; Eso sucede por que al estar ya fijo el buje inferior, al mínimo desplazamiento lateral del superior (hablo de un corrimiento de 0,5 mm) hace que ejerza resistencia al girar. 





"Despensa Granja" dice el vidrio, uno debe valerse de lo que sea para lograr el objetivo, lo que fue un almacén de alimentos, ahora es mi taller!
El sistema completo, con el estabilizador horizontal presentado y trabajando. ¿Lo logramos? 

video

Lo logramos!...en el lamentable vídeo (me disculpo por la pésima calidad del mismo) aparte de aclarar que también nos dedicamos a soldar los herrajes que ya había hecho hace tiempo y de agradecer el invaluable apoyo de mi señora que se "comió" cuatro horas en el taller alcanzándome herramientas (y girando la roldana por que desde el tubo es más complicado jiji) probamos el sistema con el estabilizador presentado. Ahora solo falta el anclaje del mismo en su parte trasera y podemos dar por finalizada esta etapa.  

sábado, 22 de agosto de 2015

ACEROS - ULTIMA PARTE -

Basta de "sanata" y vamos a calcular.

Como desconfío un poco de los datos que se presentan en internet, he intentado buscar en donde corresponde; en las normas. Pero por otro lado me tome el trabajo de realizar los ensayos de tracción a muestras de los tubos utilizados en el fuse, mas otros tubos en 4130 y otros en acero inoxidable para corroborar el tipo de acero que poseo o que se consigue en el mercado local. Ya que como mencioné antes, no es el mismo valor de tracción para un acero si está estirado en frío, que si está templado o que si no tiene nada hecho. 
Pesando los tubos de diversas aleaciones y rotulándoles, el objetivo es determinar su peso específico aproximado

Para determinar el peso específico de cada aleación es necesario tener el dato del volumen, aquí midiendo el largo para la fórmula

y aquí midiendo la sección (el diámetro y el espesor del tubo) para luego determinar el volumen con el dato del largo. Dividiendo el peso a este valor de de volumen, puedo conocer su peso específico.

Aquí las muestras rotuladas para enviarlas al laboratorio, allí se les realizará los ensayos de tracción pertinentes a cada tubo. Tenemos dos de SAE 1025, dos de SAE 4130 (uno soldado al cual le realizaré un análisis químico para determinar su pureza y para conocer si realmente me vendieron esta aleación) un último tubo en inoxidable 316L. Como se ve, no se puede conocer a simple vista cual es cual. Del tubo soldado me interesa conocer cuanto disminuye la soldadura su resistencia a la tracción
Una vez realizados los ensayos, comparo los resultados obtenidos con aquellos que he averiguado por internet, en algún caso dato confiable por ser de IRAM y en otro caso desconociendo la veracidad de la fuente. De igual modo comparo los cálculos obtenidos para el peso específico que obtuve de los teóricos buscados.


Aquí vemos según IRAM los valores para el acero 1025, IRAM obviamente "copia" la misma terminología de SAE, observamos que para el acero "estirado en frío" (recuadrado en rojo) posee un valor mínimo de límite elástico de 500 Mpa
 
Y aquí observamos el resultado del ensayo de un tubo de acero SAE 1025 el cual sé que se ha fabricado trefilando otro tubo de mayor envergadura. Por tanto el dato teórico coincide perfectamente con el práctico

Como no es mi intención reiterar lo ya escrito, solicito tengan a bien repasar las publicaciones anteriores, ya que puede resultar confuso a primera vista darse cuenta del por qué tomé datos de "Rp 0,2" comparándolo con otro de "Tensión de fluencia" etc .



Ahora presentamos los datos para el acero 4130 de IRAM, en recuadro rojo, el límite elástico para el acero estirado, obsérvese sobre lo que se exponía en la publicación anterior las marcadas diferencias en cuanto a los límites de tracción según sea el tratamiento del metal
Ahora comparándolo con el ensayo realizado al tubo en laboratorio, se observa que el dato teórico es inferior al real. Por tanto me quedo conforme, ya que si calculo la estructura con los datos teóricos estaría evaluando el "worst case" o peor caso, que es, en este caso, trabajar con el valor más pesimista, la menor resistencia a la tracción o mejor dicho, el menor límite elástico
Finalmente encuentro entre tanta información en la net, esta tabla para el acero AISI 316 L no es de norma, por tanto la tomo con pinzas y la comparo bien con los datos de laboratorio.
Para el caso del inoxidable, decido cambiar de laboratorio por otro que me brinda más confianza en cuanto a los resultados presentados. Observo que el resultado se encuentra perfectamente en línea con los datos teóricos hallados 
Una vez comparé todos los resultados, teóricos Vs prácticos, puedo con seguridad aseverar cuales son los límites que tengo que tomar para los cálculos.
En todos los casos lo haré respondiendo, una vez más, a los lineamientos establecidos por el "worst case".
Quiero aclarar que no es una frase inventada por mi, se maneja para las validaciones de procesos en la industria en general y significa que si tengo dos o mas valores o variables posibles con las que puedo contar para realizar mis ensayos o cálculos, deberé tomar aquella que represente el "peor caso" posible.  

Para el acero SAE 1025 tomaré 500 Mpa 

Para el acero SAE 4130 tomaré 725 Mpa

Para el acero inoxidable AISI 316 L tomaré el valor de 241 Mpa


Desde ahora mismo se puede apreciar que el acero inoxidable posee un límite elástico exactamente tres veces menor que el acero 4130. Por tanto voy siendo pesimista en suponer que es posible construir partes estructurales en esta aleación.
Pero planeo calcularlo y verificarlo:


El acero al carbono SAE 4130 tiene un límite elástico mínimo de 725 MPa y una peso específico calculado casi igual al determinado prácticamente de 7,9 gr/cm3
El acero AISI 316 L es respectivamente 241 MPa. y la mismo peso específico
En definitiva observo que los pesos específicos son casi iguales para todas las aleaciones.

La relación resistencia/peso entre ambos aceros es de:

De este simple cálculo de relaciones se desprende que cuanto más grande es el numerador (resistencia) y más chico el denominador (peso) dará un valor que, cuanto mayor sea, implica mucha resistencia para poco peso.

En la relación resistencia/peso el acero 4130 aventaja al acero  en exactamente un 300 %.
Esto lo determino ya que el valor “1” representa la igualdad entre ambos y el valor “3” representa el triple, es decir el 300%. Por tanto el “3” es exactamente el 300 %.

Para una estructura que originalmente pueda pesar 60 Kg realizada en 4130, su transformación a acero inoxidable no podrá acusar un peso menor a 180 Kg. (un 300% de aumento de peso) y son 120 Kg de “engorde”…pero esto por ahora es la apreciación por una formulita de relaciones, vamos a demostrarlo y a investigar esos cambios de aleación de la que tanto hablamos.

Ahora me planteo un problemita:

  • Supongamos que nuestro diseñador ha realizado su estructura en acero 4130 y en algunas partes los tubos de su avión tienen que tener un diámetro de 19,05 mm. (tres cuartos de pulgada) y un espesor de pared de 0,9 mm.
Yo quiero suplantar todos estos tubos de ACERO SAE 4130 por tubos de acero inoxidable 316 L para bajar los costos a más de un tercio del original evitar el agujereado de los tubos tener también que pintarlos.
Quiero averiguar que sección deberán tener estos tubos para que la resistencia sea la misma y evaluar si en definitiva resulta conveniente desde el punto de vista del peso.
Vemos que hay que cambiar 50 metros totales de tubos de 19,05 x 0,9 mm. a juzgar por los planos de nuestro supuesto avión.


Como primera medida hay que saber que la RESISTENCIA A LA TRACCION/COMPRESION o el LIMITE ELASTICO es una propiedad INTENSIVA de la materia, esto significa que no depende de la masa.

Por ejemplo; el color de la materia o de un material es una propiedad intensiva; Si yo agarro un anillo de oro y lo parto al medio, sigue siendo dorado.
Las propiedades extensivas son aquellas que dependen de la masa. El peso por ejemplo es una propiedad extensiva; de modo tal que si peso el anillo de oro partido, obviamente pesará menos que cuando estaba entero.
De este modo, la densidad, la resistencia a la tracción y otras propiedades físicas son intensivas.

Esto me sirve para darme cuenta que no importa cual sea el largo del tubo ni su sección, para el caso del acero SAE 4130, su límite elástico siempre será de 725 MPa y la del acero AISI 316 L indistintamente si es un tubo, una varra, si mide 1000 Km o un centímetro, siempre será de 241 MPa. y esto se debe a que esta propiedad física es intensiva.

Dicho esto, con todos los datos calculo el esfuerzo que es capaz de soportar el tubo de acero SAE 4130 a tracción/compresión:

Primero, la sección del tubo:


  
Siendo:

S: Sección
R: radio mayor del tubo
R: radio menor del tubo
Pi: 3,14159

Una vez se tiene la sección, se calcula el esfuerzo máximo que el tubo es capaz de soportar: 
Siendo:

T: Tensión del material
F: Fuerza

Ahora que sé que esta sección de acero me soporta 37.207 N puedo calcular que sección de acero inoxidable necesito para soportar lo mismo. 

Entonces calculo qué diámetro y espesor de tubo de inoxidable corresponden con los 154,39 mm2 recordando que conviene preferentemente dejar el espesor al mínimo aumentando su diámetro y de este modo aumentar la resistencia a la flexión debido a los momentos de inercia del tubo.
Verifico qué espesor necesito para un tubo de acero de inoxidable de 30 mm. de diámetro:


  
Ya sé que el radio menor debe ser de 13,25 mm con lo cual el diámetro menor es de:

13,25 mm x 2 = 26,50 mm

 y como su diámetro mayor es de 30 mm. el espesor de este tubo es de

(30 – 26,50) / 2 = 1,75 mm 

Con lo cual puedo cambiar un tubo de acero SAE 4130 de 19,05 x 0,9 por otro de acero AISI 316 L de 30 mm x 1,75 mm.

Ahora averiguo la ganancia de peso

Calculo el peso del tubo de acero 4130 por medio de su peso específico recordando que había que cambiar 50 m lineales, por tanto primero, busco el volumen de esta cantidad considerando la sección y lo calculo en centímetros para facilitar los cálculos: 



Ahora calculo el peso de los 50 m de tubos de acero inoxidable que tenían una sección de 154,39 mm2 



Y el aumento de peso, solo para los tubos de 19,05 mm originales es de 40,714 Kg

¿Y el valor que había que recordar de 3 para que era?

Bueno, era el valor de la relación inicial que se había calculado. Ahora si hacemos 20,27 Kg (peso del acero 4130) multiplicado a 3 nos da 60,81 Kg y es prácticamente el peso del acero inoxidable (el error de 150 gramos aprox se debe a los redondeos en los cálculos).
Tenemos instantáneamente (y verificamos con esto todos los cálculos) que el peso del inoxidable da correctamente y se puede calcular por medio de esta simple cuentita para saber a priori cuanto peso voy a agregar.

Determinamos que para una estructura diseñada en acero 4130 es IMPOSIBLE su transformación a inoxidable, ya que le estaríamos agregando 120 Kg.

También pudimos calcular como modificar las secciones de los tubos entre una aleación y otra para no perder resistencia.

Se podría realizar el mismo procedimiento para modificar tubos de 4130 a 1025. Cosa que ya sí resulta viable.

No habría que omitir que, al modificar el peso de la aeronave, deberíamos recalcular sus velocidades de diseño, pero esta es otra historia.

Para evitar realizar todos estos cálculos vistos arriba diseñé una simple planillita en excel que, basado en este procedimiento, calcula la sección del tubo necesaria para ser intercambiada por otra aleación, manteniendo la resistencia.
De la misma forma detallada arriba se puede determinar que sección de acero 1025 hay que poner, para intercambiar tubos entre SAE 4130 y SAE 1025, sería un poco redundante hacerlo ya que es el mismo procedimiento pero cambiando los valores de tensión y sección.



FIN ACEROS









viernes, 21 de agosto de 2015

ACEROS - TERCERA PARTE

Nos debatimos entre el  SAE 10XX, el SAE 41XX y el AISI 2XX/3XX dejando de lado la serie de inoxidables de la gama del 4XX por presentar menores características de "inoxidable" que el resto y por su dificultosa soldabilidad.

Restan todavía que compartamos algunas definiciones y conceptos que considero indispensables conocer antes de meternos de lleno en el cálculos.

FUERZAS ACTUANTES

Los tubos de nuestro flamante fuselaje se verán sometidos a diversos esfuerzos debidos a muchos factores, algunos de ellos inherentes al propio avión y otros externos a él.
No importa tanto conocer estas variables, pero sí conocer cuales son los esfuerzos que atacarán constantemente a nuestro pobre fuselaje.
Hablamos de cuatro fuerzas, las restantes son combinaciones de éstas cuatro;

  • TRACCIÓN: Tomo el tubo por los extremos y lo estiro


  • COMPRESIÓN: Tomo el tubo por los extremos y lo comprimo



  • CORTE: Tomo el tubo con ambas manos, una junto a la otra, dirigiendo una mano hacia mí y la otra hacia el lado opuesto



  • TORSIÓN: De igual modo que para el "corte" pero esta vez en vez de dirigir las manos, las giro en sentido opuesto una de otra



  • FLEXIÓN: Tomo el tubo por sus extremos y dirijo las dos manos hacia abajo o arriba simultáneamente como queriendo curvar el tubo. Cabe recalcar que la "Flexión" muchas veces mencionada como una fuerza independiente, en realidad es una composición de la fuerza de tracción y de compresión. Se verá que la parte superior quedará sometida a tracción mientras que la parte inferior quedará sometida a contracción.



De igual modo el PANDEO es un esfuerzo compuesto y no nos interesa en este caso, lo único recomendable para evitar el pandeo es no poner tubos demasiado largos sin que haya otros tubos perpendiculares soldados a este. El pandeo se produce cuando, erróneamente, eliminé esos tubos perpendiculares a otro que quedó demasiado largo.

Cada parte de la estructura puede o estará sometida a varias o todas estas fuerzas, ya sea por las características del propio avión en vuelo o por factores externos a él.
No interesa tanto cuales son estos factores, por que estudiarlos sería toda una materia y tampoco tengo los conocimientos necesarios para enseñárselo a nadie.
Lo importante es conocer al menos de nombre los esfuerzos producidos y entender que no se puede reemplazar un tubo con liviandad, corresponde respetar la carga que soporta este tubo original de plano, hasta asegurarnos que su reemplazante será capaz de soportar la misma carga.

Vamos desde el inicio a suponer que el diseñador proyectó y calculó el avión con cuyos planos contamos y por tanto podremos tener la capacidad de modificar la aleación original por otra, habiendo calculado y por ende respetando la resistencia original del tubo con el cual el diseñador eligió construir.
Ahora bien, me he tomado el trabajo (aparte de revisar las normas de los aceros) de realizar ensayos de tracción para asegurarme que estos datos son correctos, no por que considere que IRAM o SAE van a equivocarse sino porque son datos extraídos de internet y si se toman el trabajo de  averiguar por la net, por ejemplo, la resistencia a tracción del acero 1025 podrán hallar 10 valores diferentes y será complicado determinar cuál utilizar o cual es la más cercana a la realidad.
Estos valores también difieren (aparte de depender de la fuente) de acuerdo al tratamiento térmico que posee el acero en cuestión.
Es importante saber que un acero 1025 tratado térmicamente de manera adecuada, puede resistir más que un acero 4130 sin ningún tratamiento.
Veamos muy rápidamente este tema de los tratamientos térmicos, solo mención:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS AL ACERO



  • RECOCIDO
  • NORMALIZADO
  • TEMPLADO
  • REVENIDO

En todos ellos se trata de calentar el acero hasta una determinada temperatura (temperatura crítica, aunque no importa cual) y dejarlo enfriar.
El algún caso el enfriado es rápido, en otros es un enfriado lento.
La temperatura a la que se calienta el metal, la velocidad del enfriado y el fluido donde se produce, es lo que determina el tipo de tratamiento que se está realizando.
Lo importante es que estos procesos térmicos otorgan distintas características, como ya hemos dicho, al metal: Mayor o menor resistencia, mayor o menor dureza, mayor o menor flexibilidad, etc.
Obviamente dependiendo de para qué lo quiero utilizar, le corresponderá un determinado tratamiento térmico, o ninguno.
Por eso es muy importante conocer que tratamientos tienen hechos nuestros tubos para poder determinar qué resistencia posee de acuerdo a las tablas que se presentan.
Es también bueno saber que si yo quisiera, podría tranquilamente mandar a hacer un determinado tratamiento a mis tubos recién adquiridos para por ejemplo aumentarles su resistencia.
El tema es evaluar si el costo final no se acerca a la adquisición de otra aleación que me brinda por naturaleza esa resistencia sin necesidad de ningún tratamiento y por otro lado encontrar un lugar donde posean un horno del largo necesario para introducir un tubo de 4 metros como mínimo.
Pero podría hacerlo.

Otra característica importante, que a su vez no es un tratamiento térmico, es el estirado en frío y trefilado de los tubos. Ambos procesos son la misma cosa, pero realizado con distinta máquina y de forma diferente. Y en ambos casos se logra AUMENTAR CONSIDERABLEMENTE la resistencia de los tubos.

“CALIDAD” Y “ALEACIÓN” NO SON SINÓNIMOS

Uno de las cosas a las que estamos mal acostumbrados es a dirigirnos a las diversas aleaciones como una cuestión de “calidad” del acero.
Entonces uno se encuentra con que cuando lo va a adquirir le preguntan “¿qué calidad de acero?” a lo que yo contestaría “La mejor que puedas brindarme, preferentemente 100% puro!”
Cuando se refieren a “calidad” erróneamente lo hacen aludiendo al tipo de aleación que estamos buscando, entonces, el sentido común me dice que un SAE 1010 es de mucha menor calidad que un SAE 4140 y…EFECTIVAMENTE así lo consideran.
Ahora, capaz que ese tubito SAE 1010 está perfectamente trabajado y aleado con un grado de pureza máximo y rotulado y capaz que ese 4130 está todo oxidado y fabricado en una fundición en donde no tienen certificada ni la ISO 9001 de calidad…no importa; el 4130 es de “mejor” calidad.
Bueno…NO.
La calidad de un acero no tiene absolutamente nada que ver con la aleación. Puedo tener un tubo muy berreta 4130 o no y puedo tener un tubo muy berreta 1025 o no.
¿Como saberlo? y…habrá que mandarlo a analizar para saber si contiene elementos que son contaminantes o impurezas, cosas que no deberían estar allí.
Pero entre tanto, a no confundir los términos, es probable que en alguna parte del fuselaje resulte conveniente, para disminuir los costos, colocar un refuerzo en 1020 y no en 4130, sin embargo a un posible desprevenido puede que lo confunda esto de la “calidad” y opte por adquirir, fabricar y poner el refuerzo en 4130 realizando un gasto innecesario donde no hacía falta.
He escuchado decir a alguien importante que “los tubos 4130 de ciertos lugares que los vende NO SON DE CALIDAD ya que no son 4130N como se comercializan en USA o en otros lugares de Argentina  donde sí son 4130N.”
Mi aclaración es que la aparición del rótulito con la “N” como ustedes supondrán implica desembolsar varios salarios para la compra.
Esa “N” es de Normalizado.
El tubo contando con este tratamiento térmico, aumenta su resistencia del que no lo posee.
Pero, por todo lo dicho…
¿Eso significa que el 4130 sin la “N” es de menor calidad? Pues no mi amigo. Nada más lejos de la realidad.
Técnicamente significa que uno está normalizado y el otro no. A lo sumo se busca en tablas cuál es la resistencia de este 4130 sin la milagrosa “N” y listo, adecuo la estructura a mi tubito 4130 sin enes.
Aseguro que vuestros bolsillos van a agradecer el no haber adquirido los tubitos con la “N” y haber aprendido a calcular muy fácilmente si debemos tener que aumentar la sección para construir en 4130 sin enes. Voy a demostrarles que ni siquiera son necesarios.
Cuando entre varios comienzan a sonar las discordancias, yo hago muy fácil (antes que hablar sin saber) tomo un tubito, le hago un ensayito y listo el pollo! Luego, ya tengo la prueba irrefutable.
No es afán de menospreciar a nadie, pero considero que cuando se habla en charlas frente a un público en donde la mayoría va a aprender, hay que ser muy responsable con lo que se dice (uno de esos que iba a aprender era yo)

Llegó el momento del resumen:

  • Los esfuerzos que sufren los tubos del fuselaje por diversos factores son los de tracción, compresión, corte y flexión y deberemos respetar la resistencia de los tubos originales del plano porque sabemos que fueron calculados para resistir estos esfuerzos.
  • Tenemos procesos térmicos que se realizan a los aceros para otorgarles diversas características, lo que nos importa de aquí es saber qué proceso posee el tubo adquirido para poder buscar su resistencia en tablas. No será la misma resistencia de un tubo normalizado con la de uno templado con la de uno estirado en frío y la diferencia ES MUCHA.
  • El trefilado del tubo le otorga mayor resistencia, los tubos se trefilan para reducirles su sección, de este modo podemos solicitar diversas medidas en una fábrica que, por medio de este proceso, pueden de un tubo de gran diámetro y espesor, sacar otro adecuado a las medidas solicitadas por el comprador

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

Máquina con la cual se realizan ensayos de tracción a las probetas de acero. Se toma la probeta (o muestra) de los extremos y es la estira hasta la rotura, de aquí se extraen datos como el límite elástico, estiramiento y límite de tracción


Se relaciona directamente con los esfuerzos soportados por el tubo.
Las propiedades mecánicas dependen de la aleación y de los tratamientos térmicos o estirado en frío que pueda tener el acero.
Explícitamente nos referimos a su resistencia a la tracción y compresión, de su límite elástico y aquí paramos de contar, por que las restantes definiciones que pudieran surgir no nos interesan.
Hemos ya visto lo que implican estas fuerzas aplicadas a un tubo, como lo deforman en los grafiquitos con los dedos y la goma que se estira o contrae etc.
Y HETE AQUÍ LA CUESTION: ¡QUE NO LO DEFORMEN! Para ello el secreto es poner un tubo, donde corresponde, con la suficiente fortaleza para que los esfuerzos producidos allí sean de menor módulo que el módulo de su resistencia.
En otras palabras, que las propiedades mecánicas de ese tubo sean suficientes para contrarrestar los esfuerzos que tiene que soportar.
Ante esto es importante detenerse en un punto; ES MAS IMPORTANTE EVALUAR EL LIMITE ELASTICO QUE EL LIMITE DE TRACCION
Expliquemos esto con un grafiquito



Veamos un poco de que trata este gráfico.
Yo tomo un tubo, lo monto en una máquina especial que lo agarra de los dos extremos y lo estira realizando un esfuerzo para traccionarlo.
El estiramiento se expresa en el eje “X” (horizontal) y el esfuerzo en el eje “Y” (vertical).
Supongamos que la máquina realizó una fuerza equivalente a 3000 Kg y yo CORTO el trabajo de la máquina.
El tubo vuelve a su posición original, estaba un poquito estirado por la carga aplicada, luego, como si fuera un resorte, retoma a su forma original.
Alguna vez ya había hablado de la ley de Hooke sobre elasticidad y el acero obedece a esta ley por lo que se comporta como un resorte.
Estamos en la ZONA ELASTICA, cada vez que aplique una carga menor a 3000 Kg el acero se estirará para luego volver a su misma forma cuando la carga cese. No debo pasarme de los 3000 Kg y ese es el LIMITE ELÁSTICO
Pero ¿Qué pasa si la solicitación de esfuerzo es mayor?. Si yo me llegara a pasar de esos 3000 Kg entraría en la zona plástica. Aquí el acero se deformará y no volverá a su forma original, never. Nunca más.
Si sigo haciendo fuerza con la máquina que me está traccionando el tubo, habiendo pasado los 3000 Kg y con el tubo estirado y deformado, al llegar a los 5000 Kg, se partirá, romperá, quebrará o como quieran decirlo y ese es el LIMITE DE TRACCIÓN O DE ROTURA.

Como se imaginarán, el tubo no se estira como un elástico de tela, el estiramiento depende de la aleación pero está en el orden de los 0,3 mm o menos.
Obviamente no es muy apreciable a la vista.

EL LIMITE ELÁSTICO SIEMPRE ES MENOR AL LIMITE DE TRACCIÓN O DE ROTURA

Como imaginarán, cualquier cuerpo se deforma antes de romperse.

Ahora las preguntas por el millón:

¿Cabe realizar cálculos considerando el LIMITE DE TRACCIÓN que es aquel punto donde el acero se rompe?

¿O habrá que hacer los cálculos considerando el LIMITE ELÁSTICO que es aquel punto a partir del cual el acero se deforma sin poder volver a su forma original?

Lamentablemente, el punto que hay que tomar para los cálculos es el LIMITE ELÁSTICO, que es un valor de resistencia menor y por tanto recomendaría se olviden del famoso límite de rotura o de tracción del que tanto escucho hablar, cuando en realidad es el que menos importa.
No me interesa demasiado construir para que no se rompa, me interesa más construir para que no se rompa ni se deforme, ya que de deformarse, estaría en la misma situación crítica que si se hubiera roto.

Dato importante:

Puede que se pregunten por que hablamos tanto de “tracción” y que pasó con la compresión.
Gracias a Dios, para el acero al menos, los límites son casi los mismos si se lo somete a tracción que si se lo somete a compresión.
Por ende cuando nos referimos a propiedades mecánicas y tracción, también nos estamos refiriendo a la compresión.
Dijimos ya que la Flexión es una combinación de las dos fuerzas anteriores, por tanto también la incluye.
Veamos este grafiquito que lo demuestra y obsérvese qué le sucede a una viga en su parte superior e inferior cuando se la flexiona:

Se puede ver que al someter a la viga que posee dos apoyos en sus extremos (el izquierdo no esta dibujado) a flexión, sufre compresión en su parte superior y tracción en su parte inferior. La parte media denominada eje neutro, no sufre esfuerzos. Las partes superficiales tanto inferior como superior son las que sufren las solicitaciones máximas.


Llegó el momento del segundo resumen:

  • Las propiedades mecánicas de un acero se refieren a sus límites de tracción o rotura y a su límite elástico, también escucharán o leerán "Rp 0,2" y entonces nosotros consideraremos este valor como límite elástico. O leerán carga de fluencia (no nos interesa) o "Rm" (equivalente a límite de tracción) y otros a los que no daremos importancia (estricción, etc.).
  • El límite elástico expresado en general en mega pascales es el que debemos considerar, es siempre menor al límite de tracción o rotura.
  • Los límites de los esfuerzos de tracción o compresión para un acero son los mismos.

UN ÁPICE DE FÍSICA

Si me siguieron hasta acá, no me abandonen ahora!
Que esto me está costando y se me inflamaron los dedos de tanto tipear.
Espero que la mayoría tenga al menos unos vagos conocimientos de física (si, la del secundario o la de la facultad) por que la vamos a necesitar y vamos agradecer haberla aprendido.

FUERZA

La carga de las fuerzas se puede expresar en kilogramos fuerza “Kgf” o newtons “N” y utilizaré la que me resulte conveniente en el momento.

Sus unidades son: 1 Kgf son 9,8 N

SUPERFICIE

Para el caso que nos ocupa, con conocer solamente la de la circunferencia (la sección de un tubo) nos alcanza:

Sup: Pi x r2 (Pi: 3,14159 y r2 es el radio de la circunferencia al cuadrado, el radio a su vez es la mitad del diámetro)

Cabe aclarar que la sección de un tubo no es más que sacar la superficie de la parte sombreada de éste, como se ve en el gráfico:



Es ni mas ni menos que sacar la superficie del radio mayor y restarle la del radio menor, lo cual nos quedará todo lo sombreado menos el agujero.
Para esto usaremos la siguiente fórmula:

Sec: Pi x (R2 - r2) en donde “Sec” es la sección, “R” es el radio mayor y “r” es el radio menor

VOLUMEN

El volumen se mide, para nuestro caso en mm3 y será multiplicar la sección por el largo del tubo:

V = Sec x h (donde “V” es volumen y “h” es la altura o largo del tubo)

PRESION

P = F/S (Presión es igual a fuerza sobre superficie)

La superficie la expresaremos preferentemente en milímetros al cuadrado y la fuerza en “N” para este caso.

Por tanto las unidades de presión serán: 1 N/mm2 que es el equivalente a 1 Mpa.

Existen como 10 unidades más en las que se puede medir la presión. Pero estas son las que mas utilizaremos.

PESO ESPECÍFICO

El peso específico se mide en unidades de peso (el peso es una fuerza) sobre volumen. Este valor será dato en nuestro problema a resolver ya que utilizaremos el peso específico del acero, que indistintamente de la aleación, es igual a 7,85 grf/cm3

Pes = P/V (donde “Pes” es peso específico, “P” es peso y “V” es volumen)

Yo creo que conviene descansar, esto se hizo un poco largo y corresponde una cuarta y (ahora si) última parte donde nos metemos de lleno en el cálculo y determinar por medio de él, como intercambiar aleaciones en un fuselaje sin perder resistencia y ganando o disminuyendo peso, sin perder de vista el aspecto tanto económico como el aspecto de las performances del avión.
Ver en definitiva para que estructuras es factible utilizar un determinado tipo de acero y la pregunta de oro: ¿Será posible la construcción de partes estructurales en acero inoxidable?