Qué es el esfuerzo
Una barra está siendo tirada desde los dos extremos. Desde fuera solo ves las dos fuerzas en los extremos. Dentro de la barra, cada sección transversal está cargando esa fuerza. Para verlo, imaginas cortar la barra una vez. En la cara cortada aparece la fuerza interna que unía los dos lados. El esfuerzo es la cantidad de esa fuerza interna que carga un trozo de área. No es la fuerza misma. Es la densidad de la fuerza. Este único punto de vista es donde empieza la mecánica de materiales. Es la razón de que la misma fuerza rompa primero el lugar delgado. La sección delgada llega primero a su límite bajo la misma fuerza. Ahí empieza el asunto.
Tira primero de la barra. Mueve P y la barra se alarga, y un tirón mayor la alarga más. Eso es tracción, el estado de tirar de los dos extremos en sentidos opuestos. La pared sujeta un extremo, así que la pared tira de vuelta con el mismo tamaño, y esa vuelta es la reacción. Por ahora solo importa el tacto. La fuerza está pasando por la barra, y la barra está aguantando. La escena siguiente abre el interior de ese aguante. El aguante ya vive dentro de la barra.
Ahora corta la barra en la mente. No la estás cortando de verdad. Preguntas qué se vería si la cortaras aquí. Mira solo el trozo derecho. P tira en el extremo, y aun así el trozo no sale volando. El trozo izquierdo lo sujetaba con la misma fuerza en la cara cortada. Esa fuerza que sujeta es la fuerza interna. Desliza el corte y, dondequiera que cortes, la fuerza interna es siempre igual a P. La fuerza externa atraviesa la barra en línea recta. Este corte imaginado es cómo ves el interior. Mueve el corte y la fuerza de dentro se queda igual. Esa igualdad es el punto, y el lugar del corte no la cambia.
La misma fuerza interna se siente distinta en una barra gruesa y en una delgada. Toda la sección comparte la fuerza interna P, así que un área más ancha deja una parte menor para un trozo. Esa parte es el esfuerzo, σ = PA. Mueve el área A. P se queda igual, y cuando A se ensancha el color va a un esfuerzo bajo, y cuando A se estrecha va a un esfuerzo alto. Tira igual y la parte delgada se vuelve peligrosa primero, porque solo allí sube el esfuerzo. Lo que decide una rotura no es la fuerza. Es el esfuerzo. El área reparte la parte de un trozo, y esa parte es lo que el color está mostrando.
También importa cómo la fuerza encuentra la cara cortada, y hay dos maneras. Si la fuerza es perpendicular a la cara, aparta la cara en línea recta o la aprieta, y eso es el esfuerzo normal σ. Tirar es tracción y empujar es compresión. Si la fuerza corre paralela a la cara, desliza la cara, y eso es el esfuerzo cortante τ. Cambia los dos con los botones. El normal abre el bloque, y el cortante empuja el bloque de lado. Los dos son fuerza dividida por área, pero la dirección difiere, así que la manera de aguantar y la manera de romperse difieren también. Cuando un perno o un pasador se parte, este cortante suele ser la causa. La dirección decide la forma de la rotura.
Ahora un sentido de la unidad. El esfuerzo es fuerza dividida por área, así que la unidad es N/m², y eso se llama pascal, Pa. Pa es demasiado pequeño, así que la ingeniería usa el megapascal, MPa, un millón de veces mayor. La relación que conviene guardar es 1 MPa = 1 N/mm². Eso es 1 newton en 1 milímetro cuadrado. Mueve P mientras tiras de una barra de acero y ves dónde se sienta el esfuerzo en la escala. La presión atmosférica es unos 0.1 MPa, el hormigón son decenas de MPa, y el acero cede alrededor de 250 MPa. Pega este sentido de lugar a los números y sabes enseguida si un resultado tiene sentido.