Fuerza de cohesión

La cohesión se refiere a la resistencia interna de un material a separarse o aglutinarse por fuerzas internas. Esta resistencia surge de las fuerzas de atracción entre partículas, moléculas o átomos similares de la misma sustancia (como enlaces intermoleculares, enlaces de hidrógeno o enlaces metálicos). Esta propiedad difiere de la adhesión, que describe la unión entre diferentes materiales o superficies.

La fuerza cohesiva desempeña un papel vital en la física, la química, la ciencia de los materiales, la ingeniería geotécnica, la ciencia de los alimentos y la tecnología de adhesivos. Sus principales aplicaciones incluyen:

• En líquidos y fenómenos superficiales: La fuerza cohesiva (a menudo llamada simplemente cohesión) describe las fuerzas de atracción entre moléculas de la misma sustancia. Es responsable de fenómenos como:
• Tensión superficial: Permite a los insectos caminar sobre el agua o a las gotas formar figuras esféricas.
• La tendencia de los líquidos a adherirse entre sí en lugar de extenderse.

Por ejemplo, el agua tiene una alta cohesión debido a los fuertes enlaces de hidrógeno, lo que provoca que la lluvia caiga en forma de gotas en lugar de niebla. Cuando las fuerzas cohesivas superan a las fuerzas adhesivas (atracción hacia otra superficie), los líquidos forman gotas en lugar de mojar una superficie. Esto difiere de la adhesión, donde las moléculas de diferentes sustancias se atraen entre sí.

• Materiales sólidos y mecánica de fractura (ciencia de los materiales): En los sólidos, la resistencia cohesiva representa la tensión máxima teórica necesaria para separar planos atómicos o romper enlaces internos sin defectos. Es la resistencia ideal basada en las fuerzas interatómicas. Los materiales reales suelen fracturarse a tensiones mucho menores debido a defectos (grietas, dislocaciones), pero la resistencia cohesiva teórica proporciona un límite superior. En los metales, se relaciona con la resistencia del enlace metálico.

En los modelos de fractura (por ejemplo, los modelos de zona de cohesión), aparece como un parámetro que controla la propagación de grietas en materiales viscoelásticos o con comportamiento de fluencia. En recubrimientos o depósitos (por ejemplo, en la proyección en frío), la resistencia cohesiva mide los enlaces dentro de la capa depositada, y suele evaluarse mediante ensayos de tracción.

• En ingeniería de suelos y geotécnica (mecánica de suelos): Aquí, la resistencia cohesiva es un componente de la resistencia al corte independiente de la tensión normal o la fricción. Refleja qué tan bien se adhieren las partículas del suelo entre sí debido a:
• Fuerzas electrostáticas
• Enlaces de hidrógeno en minerales arcillosos
• Cementación
• Efectos de la humedad

Los suelos cohesivos (por ejemplo, las arcillas) poseen una cohesión significativa. Los suelos sin cohesión (por ejemplo, las arenas limpias y las gravas) carecen de ella y son principalmente resistentes a la fricción. La cohesión permite que los suelos ricos en arcilla se mantengan erguidos (durante un breve periodo) en las excavaciones o resistan el deslizamiento y el vuelco en los cimientos.

• Polvos utilizados en alimentos y adhesivos:
• Tecnología de polvos: La resistencia a la cohesión mide la resistencia de un polvo al flujo bajo consolidación (importante para su manipulación, almacenamiento y procesamiento).
• Reología/textura de los alimentos: Se refiere a la capacidad de un producto alimenticio (por ejemplo, geles, masas, quesos) para resistir la deformación o la separación durante la compresión o la masticación. Se mide mediante el análisis del perfil de textura.
• Adhesivos sensibles a la presión: Su alta cohesión impide que el adhesivo se escurra o deje residuos (resistencia interna de la capa adhesiva). Se evalúa mediante pruebas de fluencia/deslizamiento.

Una mayor resistencia a la cohesión significa que el material está fallando en otro lugar antes de fracturarse internamente.

En conclusión, la cohesión mide esencialmente qué tan bien se mantienen unidas cosas similares. Su valor e importancia varían según el contexto.

• Líquidos: Tensión superficial y formación de gotas.
• Sólidos: límite de fractura teórico y enlaces internos
• Suelos: Resistencia al deslizamiento sin fricción.
• Polvos, adhesivos, alimentos: fluidez, textura y estabilidad.

Comprender la fuerza de cohesión ayuda a los ingenieros a diseñar estructuras estables, optimizar el procesamiento de materiales, formular mejores productos y explicar fenómenos cotidianos como por qué el agua permanece en gotas sobre un coche pulido.

Los métodos de ensayo utilizados para medir la fuerza de adhesión varían según el material o el agente de unión (suelos, adhesivos, recubrimientos, polvos, alimentos u otras sustancias sólidas o líquidas). La fuerza de adhesión generalmente mide las uniones internas dentro del mismo material o la resistencia a la separación, y se determina mediante ensayos de fallo mecánico, donde el fallo se produce por adhesión dentro del material, en lugar de en la interfaz.

Los métodos de prueba que se llevan a cabo dentro de este marco son los siguientes:

• Suelos e ingeniería geotécnica (cohesión en la resistencia al corte): La resistencia cohesiva en los suelos (especialmente en las arcillas) es la resistencia al corte independiente de la tensión normal y generalmente se estima de forma aproximada a partir de ensayos no drenados.
• Ensayo de resistencia a la compresión sin límites: Este es el método más común y sencillo para suelos cohesivos. Una muestra cilíndrica de suelo (inalterada o remodelada) se comprime axialmente sin restricción lateral y se ensaya hasta la fractura. Se sigue la norma ASTM D2166.
• Ensayos de compresión triaxial (no consolidado-no drenado o consolidado-no drenado): La muestra se somete a compresión límite y carga axial. Cumple con los parámetros de resistencia al corte completos (c y φ). Se cumplen las normas ASTM D2850 y ASTM D4767.
• Ensayo de corte directo: El suelo se somete a corte a lo largo de un plano predeterminado bajo carga normal. La curva de fluencia proporciona la cohesión. Se sigue la norma ASTM D3080.
• Ensayo de corte con paletas: Se coloca una paleta de cuatro paletas en un suelo blando y cohesivo y se hace girar para medir la resistencia al corte no drenada. Este procedimiento sigue la norma ASTM D8121.
• Adhesivos, recubrimientos y adhesivos sensibles a la presión: La resistencia a la cohesión es la resistencia interna de la capa adhesiva (la diferencia entre la fractura dentro del adhesivo y la fractura en la interfaz).
• Ensayos de resistencia al corte/fluencia/mantenimiento: Miden la resistencia al corte continuo (por ejemplo, corte por superposición o peso suspendido estático).
• Análisis reológico/mecánico dinámico: Las pruebas de cizallamiento oscilatorio miden el módulo de almacenamiento. Los experimentos de fluencia evalúan directamente la resistencia cohesiva.
• Pruebas de relajación de la tensión o de retención de la fuerza: Los métodos especializados (por ejemplo, el analizador de tejidos) miden la disminución de la fuerza a lo largo del tiempo para calcular la resistencia cohesiva.
• Ensayos de desarrollo de la resistencia a la cohesión (p. ej., para adhesivos de madera): Se evalúa la formación rápida de la unión en condiciones controladas (seca/húmeda). Se sigue la norma ASTM D7998.
• Ensayos de tracción/térmicos (para recubrimientos/aerosoles térmicos): Se aplica una fuerza de tracción perpendicular a un molde adherido al recubrimiento. Se produce una fractura cohesiva dentro del recubrimiento. Se siguen las normas ASTM C633 y ASTM D4541.
• Polvos y materiales granulares: La resistencia a la cohesión mide la atracción entre partículas que resiste el flujo (importante para la manipulación y los silos).
• Ensayo de celda de corte: El polvo se consolida bajo tensión normal y luego se somete a una operación de corte. Se sigue la norma ASTM D6128.
• Medición de la reología/energía de flujo del polvo: Una cuchilla giratoria que atraviesa un lecho de polvo mide la energía de flujo.
• Alimentos, geles y semisólidos (análisis de textura): La cohesión se obtiene normalmente a partir del análisis del perfil de textura.
• Ensayos de compresión, extrusión inversa o con sonda cilíndrica: La muestra se comprime o extruye, y la relación de fuerzas determina la cohesión. También se utilizan métodos como la medición del peso por caída, la dispersión en agua o la correlación sensorial.
• Sondas de análisis de tejidos (por ejemplo, placas esféricas o de compresión): Miden la fuerza que provoca la fractura intrínseca.

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