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¿Por qué una liga de caucho se calienta al estirarla y un metal no?

Categoría: Tecnología

Si estiras una liga de caucho, su temperatura sube. La mayoría de los materiales se enfrían ligeramente al ser estirados, por lo que el caucho es una excepción notable [8]. Tanto los resortes de metal como las ligas vuelven a su forma original si se sueltan, pero la fuente de esa fuerza de retorno es diferente en cada caso [1].

Esta diferencia explica por qué el caucho se comporta de manera tan peculiar con el calor. A continuación, exploraremos cómo la estructura interna de estos materiales determina sus propiedades.

1. La fuerza de retorno de un resorte y de una liga tiene orígenes distintos

Tanto el resorte de un bolígrafo como una liga de caucho vuelven a su longitud original si se estiran y se sueltan. Aunque el movimiento parece similar, los informes de investigación de la Universidad de Osaka explican que la elasticidad en los sólidos tiene dos orígenes diferentes [1]. Uno es la «elasticidad energética», que es la fuerza de recuperación que imaginamos en los resortes de metal. El otro es la «elasticidad entrópica», que es la elasticidad del caucho. Aquí, la entropía puede entenderse como una medida de la facilidad para desordenarse [1]. Los resortes de metal y el caucho representan los extremos opuestos de este espectro, y se considera que muchos otros materiales se encuentran entre ellos [1]. Entonces, ¿qué es lo que intenta devolver el resorte a su lugar?

2. En los metales, los átomos vuelven a su posición más estable

Cuando se tira de un metal, la distancia entre los átomos se desvía ligeramente de su posición más estable. La fuerza que intenta revertir esa desviación y devolverlos a su lugar es la verdadera naturaleza de la fuerza de retorno del resorte [1]. Si se cuelga un peso de un resorte helicoidal, el estiramiento aumenta en proporción al peso del objeto. Esto se conoce como la ley de Hooke: mientras la tensión no supere un valor determinado, la deformación (la proporción de estiramiento) es proporcional a la tensión [6]. El límite hasta el cual se mantiene esta proporción se llama límite de proporcionalidad; si se supera, la relación deja de ser proporcional [6]. Si se tira con más fuerza, los átomos se mueven a nuevas posiciones y no vuelven atrás. Esto es una deformación permanente, distinta de la deformación reversible anterior [7].

Sin embargo, el metal en sí mismo solo se deforma una cantidad muy pequeña dentro del rango elástico [7]. Aun así, si se forma en espiral, se estira y contrae mucho. Los materiales educativos de ingeniería explican que, al estirar un resorte helicoidal, las fuerzas de torsión y cizalladura actúan sobre el alambre [5]. Gracias a esta torsión del alambre, el resorte completo puede moverse mucho aunque el metal solo se deforme un poco. El resorte helicoidal se estira mucho gracias a su forma. ¿Gracias a qué se estira tanto el caucho?

3. En el caucho, las cadenas moleculares vuelven a su estado desordenado

El caucho consiste en moléculas largas en forma de cadena, enredadas complejamente en un estado desordenado. Al estirarlo, las cadenas se alargan y se alinean en la dirección del estiramiento, generando una tensión que intenta devolverlas al estado original desordenado [3]. Puedes imaginarlo como una bola de lana: si la desenredas, se vuelve larga y alineada, pero si la sueltas, tiende a volverse a enrollar. Eso sí, las cadenas reales del caucho son invisibles y no se mueven como la lana. Al estirar el caucho, el número de formas que las cadenas pueden adoptar disminuye. La fuerza que intenta devolver el caucho a su estado original, donde hay muchas formas posibles, es la fuerza de retorno del caucho [9]. A diferencia del resorte, que intenta restaurar la «posición de los átomos desplazados», el caucho intenta restaurar el «número de formas que las cadenas pueden adoptar» [1].

La mayoría de los productos de caucho se fabrican mediante un proceso llamado vulcanización, que une las moléculas con puentes de azufre [11]. Se explica que, gracias a estos puentes, las cadenas forman una red, por lo que no se separan al estirarlas y pueden volver a su lugar [3]. Si la fuerza proviene de fuentes diferentes, ¿qué diferencia hay cuando lo tocas?

4. Al acero le cuesta mucho más deformarse que al caucho, pero el caucho se estira mucho más

Para medir la dureza (resistencia a la deformación) de los materiales, se utiliza el módulo de Young. En las tablas de los datos, el acero tiene aproximadamente 201-216 GPa, el aluminio unos 70 GPa, y el caucho (en pequeñas deformaciones) entre 0.01 y 0.1 GPa [4]. Calculando con estos valores, el acero es unas 2,000 a 20,000 veces más duro que el caucho. Otra explicación indica que el módulo de Young del caucho a temperatura ambiente es de aproximadamente 1-10 MPa, lo que equivale a entre 1/10,000 y 1/100,000 del de los metales o el vidrio [3]. Dado que el caucho varía según el tipo y el estado, estos múltiplos deben leerse como una estimación que depende de las condiciones.

En cuanto al rango de estiramiento, el caucho puede estirarse varias veces su longitud sin romperse y vuelve rápidamente al quitar la fuerza [3]. En experimentos de la Universidad de Osaka, se midió que el caucho EP recuperaba su forma de manera reversible incluso al estirarse 3.8 veces [9]. Por el contrario, el rango de deformación elástica de los metales es muy pequeño [7]. Se puede resumir así: el resorte se estira mucho gracias a su forma (espiral), mientras que el caucho se estira mucho gracias a las cadenas dentro del material. Si la «facilidad de desordenarse» de las cadenas es la fuente de la fuerza, debería relacionarse con la temperatura.

5. El caucho estirado se calienta, y si se calienta estando tenso, se encoge

La mayoría de los materiales se enfrían ligeramente cuando se les aplica tensión. Sin embargo, los informes de investigación de la Universidad de Osaka señalan que el caucho es una excepción: su temperatura sube y el cambio es muy grande [8]. La razón es que, al estirarlo, el número de formas que las cadenas pueden adoptar disminuye, reduciendo la entropía. Como consecuencia, la temperatura aumenta [9]. Los cambios de temperatura al estirar o contraer coinciden dentro del margen de error de medición y son reversibles [9].

El caucho tiene otra propiedad inusual. Si se aumenta la temperatura mientras el caucho está bajo tensión, se encoge. Esto es lo opuesto a la mayoría de los materiales, que se expanden al calentarse [10]. También se dice que, a longitud constante, la fuerza es proporcional a la temperatura absoluta [10]. La fuerza cambia con la temperatura porque la fuerza de retorno del caucho proviene de la «tendencia a desordenarse». Esto contrasta claramente con la fuerza del resorte, que proviene principalmente de la posición de los átomos.

Los materiales que se encuentran entre estos dos extremos aún se están investigando. En un estudio de 2021 de la Universidad de Tokio, se mostró que en un gel polimérico, similar al caucho, la contribución de energía a la deformación puede ser significativamente negativa, lo que sugiere que la elasticidad del caucho y del gel no es la misma [2].

6. Cómo comprobar con tus propias manos que una liga se calienta al estirarla

Consigue una liga de caucho que no esté vieja. Sosténla lejos de tu cara y estírala lentamente con ambas manos. Luego, toca suavemente la parte estirada con el dorso de tu mano. No la acerques a los labios ni a la cara. Suelta la fuerza inmediatamente y vuelve a estirarla; es posible que notes una diferencia en la temperatura. Ten cuidado: si se rompe, puede saltar y ser peligroso, así que no la estires al máximo frente a tu cara. También puedes tirar del resorte de un bolígrafo y hacer lo mismo para comparar la sensación con la de la liga.

Si quieres saber más, los informes de investigación del laboratorio de calorimetría de la Universidad de Osaka están disponibles en japonés [1][8][9]. Contienen registros de mediciones experimentales del cambio de temperatura al estirar el caucho.

Fuentes

  1. Universidad de Osaka, Laboratorio de Calorimetría de Microescala, Informe de Investigación (2019) «Medición del calor de deformación plástica y efectos mecánico-caloríficos». https://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/micro/report/rctes/2019/2019res10.html.ja.pdf (Informe sobre los dos tipos de elasticidad y sus extremos.)
  2. Universidad de Tokio, Escuela de Ingeniería, «Negative Energy Elasticity in a Rubberlike Gel» (2021). https://www.t.u-tokyo.ac.jp/en/press/foee/press/setnws_202103081021329049941947.html (Estudio sobre la elasticidad de gomas y geles.)
  3. Wikipedia «Elasticidad del caucho» (sección «Estado del caucho»). https://ja.wikipedia.org/wiki/ゴム弾性 (Datos sobre cadenas enredadas, redes, módulo de Young y estiramiento.)
  4. Wikipedia «Módulo de Young», tabla. https://ja.wikipedia.org/wiki/ヤング率 (Valores de módulo de Young para acero, aluminio y caucho.)
  5. Wikibooks «Ingeniería Industrial de Bachillerato: Diseño de Máquinas / Elementos y Dispositivos / Resortes». https://ja.wikibooks.org/wiki/高等学校工業_機械設計/機械要素と装置/ばね (Explicación sobre la torsión del alambre en resortes helicoidales.)
  6. Kotobank «Ley de Hooke». https://kotobank.jp/word/%E3%81%B5%E3%81%A4%E3%81%8F%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87-3167195 (Explicación de la ley de Hooke y el límite de proporcionalidad.)
  7. Resumen de artículo en researchmap. https://researchmap.jp/xuxiao/published_papers/40132922 (Sobre el pequeño rango de deformación elástica de los metales.)
  8. Universidad de Osaka, Laboratorio de Calorimetría de Microescala, Informe de Investigación (2017) «Prototipo de dispositivo de medición de efectos mecánico-caloríficos». https://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/micro/report/rcst/2017/2017app01.html.ja.pdf (Sobre el aumento de temperatura al estirar.)
  9. Universidad de Osaka, Laboratorio de Calorimetría de Microescala, Informe de Investigación (2014) «Efectos mecánico-caloríficos en caucho EP». https://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/micro/report/rcst/2014/2014res09.html.ja.pdf (Sobre el número de formas de las cadenas, entropía y medición de 3.8 veces.)
  10. Wikipedia «Efecto Gough–Joule». https://en.wikipedia.org/wiki/Gough%E2%80%93Joule_effect (Sobre el encogimiento al calentar bajo tensión.)
  11. McMaster Synopsis «Vulcanización, Termodinámica y Bandas Elásticas». https://synopsis.mcmaster.ca/vulcanization-thermodynamics-and-elastic-bands-2/ (Sobre la vulcanización y los puentes de azufre.)