O Efeito Gough-Joule

 

Nos metais o módulo  de Young  diminui com um aumento da temperatura.  Com a borracha, ocorre precisamente o contrário, e este facto tem de ser considerado pelo técnico projectista. Este efeito tem a sua expli­cação na constituição atómica dos metais e na constituição macro­molecular dos elastómeros.

Com efeito, nos metais a força que liga os átomos depende da distância entre eles. Quanto maior for essa distância, menor será a força que liga os átomos.  A distância entre os átomos depende do seu estado  energético e este depende da temperatura. Assim, quanto mais elevada for a temperatura, maior será o nível energético  dos átomos, maior a  distância  entre eles e, portanto, menor será a força de ligação. Isto significa também uma maior facilidade de deformação ou, o que é equivalente, um módulo de Young mais baixo.

Como os elastómeros são constituídos, como se sabe, por cadeias moleculares, mais ou menos longas, que formam verdadeiros emaranhados. Um aumento da temperatura contribui para um  aumento do grau de desordenamento molecular. Quando a borracha sofre  um alongamento, as cadeias moleculares sofrem um ordenamento,  e orientam-se de acordo com a direcção da força que originou a deformação. Pode  dizer-se que a temperatura e a força de tracção provocam na borracha efeitos opostos, de modo que a força necessária para provocar um determinado alongamento aumenta quando aumenta a temperatura. Se a borracha se encontra sob uma determi­nada  tensão e a temperatura aumenta, então manifesta-se um fenómeno de retracção. Pode dizer-se que o módulo aumenta proporcionalmente  com a elevação da temperatura absoluta. Este fenómeno é conhecido como o efeito GOUGH-JOULE.

Este efeito pode demonstrar-se facilmente, aquecendo uma banda elástica, submetida a um alongamento superior a 200%, mediante l colocação de uma massa na sua extremidade. Observa-se que a massa sobe uns milímetros, em resultado  da  retracção da banda elástica. Uma outra forma de  por em evidência o efeito Gough-Joule consegue-se quando se distende bruscamente uma tira de borracha; como há liberação de calor, a sua temperatura sobe. Fazendo cessar bruscamente a força deformadora, a tira de borracha retoma a sua forma inicial, absorvendo calor, pelo que a sua temperatura baixa.

Ora, tal  como acontece com os restantes  materiais, a borracha sofre dilatações com o aumento da temperatura, isto é, aumentam  as suas dimensões. Este comportamento parece estar  em contradição com o que atrás foi dito. Todavia, não está; a expansão térmica verifica-se nos elastómeros  sob tensão ou mesmo na sua ausência; o efeito Gough-Joule  verifica-se apenas quando a borracha está submetida a qualquer forma de tensão (tractiva,  compressiva ou tangencial). Este efeito é tanto mais pronunciado quanto mais elevada for a deformação; em determinado momento, neutraliza a expansão térmica. Isto ocorre, à temperatura ambiente, para deformações da ordem de 6%; neste ponto, a relação força/deformação é praticamente independente da temperatura. Para alongamentos superiores a 6%, o efeito Gough-Joule domina o comportamento dos elastómeros.

Convém salientar que este efeito manifesta-se  em condições de equilíbrio, portanto nos casos de solicitações progressivas e se estas forem suficientemente lentas. Em solicitações de carácter dinâmico, com frequências mais ou menos  elevadas, tais condições de equilíbrio não são atingidas, pelo que o efeito não se manifesta. Assim, o módulo dinâmico aumenta com a diminuição da temperatura, tal como acontece nos restantes materiais.

As representações esquemáticas das Figuras 30, 31 e 32 mostram a relação entre forças e deformações para solicitações, respectivamente, em tracção, em compressão e em corte, para três temperaturas To, T1 e T2, sendo que: T2 > To > T1.

Fig. 30: Efeito Gough-Joule em tracção (esquemático)
Fig. 31: Efeito Gough-Joule em compressão (esquemático)
Fig. 32: Efeito Gough-Joule em corte (esquemático)