Comportamento de Vibração Íntrínseca das Molas

Em engenharia mecânica, as molas de tensão e compressão são uma parte importante do projeto de sistemas mecânicos, aplicações e usos. As propriedades das molas, como a sua força de retorno e constante de mola, influenciam o desempenho e a funcionalidade das máquinas. Para compreender estas propriedades e o comportamento de vibração dos sistemas de mola, analisamos neste artigo as relações físicas entre os sistemas de mola e a relação entre a frequência natural e a ressonância.

Propriedades físicas das molas

As molas de tensão e compressão, simplesmente denominadas "molas", são um dos elementos mais importantes nos sistemas mecânicos. Têm a capacidade de esticar e comprimir, permitindo-lhes armazenar energia cinética. Esta energia é libertada quando a mola regressa à sua forma original.

As propriedades físicas das molas dependem de vários fatores. O material a partir do qual as molas são feitas, a sua forma e tamanho, bem como a forma como são carregadas, são decisivos. Além disso, fatores externos como temperatura e humidade podem influenciar as propriedades das molas.

O comportamento de vibração intrínseca das molas é determinado pelas suas propriedades físicas. Estes incluem densidade, módulo de elasticidade, amortecimento da vibração e rigidez. O comportamento de vibração intrínseca das molas também é influenciado pelo tipo de aplicação.

Vibrações harmoniosas

As vibrações harmoniosas são vibrações não amortecidas nas quais a força de retorno é proporcional à deflexão da mola.

Quando uma mola é desviada da sua posição de equilíbrio e depois libertada, começa a vibrar. Estas vibrações são harmoniosas quando a força de retorno, ou seja, a força que atua na direção da posição de equilíbrio, é sempre proporcional à deflexão. As vibrações harmoniosas têm uma frequência fixa e não param sozinhas após o esforço externo inicial de uma força.

Vibrações amortecidas

Na realidade, a vibração das molas, por exemplo, é fundamentalmente amortecida porque diminuem ao longo do tempo devido a influências externas, como fricção ou resistência ao ar. Isto significa que a amplitude da vibração diminui gradualmente até a vibração parar finalmente. O período de oscilação é, assim, reduzido por amortecimento da mola, dependendo das suas propriedades físicas.

O amortecimento influencia o comportamento intrínseco da vibração da mola, causando perdas de energia durante a vibração. Quando uma mola vibra, liberta energia devido ao atrito e a outros fatores. Isto faz com que a vibração diminua gradualmente. O amortecimento altera o comportamento de vibração da mola reduzindo a frequência e amplitude da vibração. Isto significa que as vibrações amortecidas são significativamente menos suscetíveis à ressonância.

Para entender o comportamento de vibração intrínseca de uma mola amortecida, as propriedades de amortecimento da mola devem ser consideradas. O amortecimento pode ser influenciado por vários fatores, tais como a forma da mola, o material e o ambiente em que é utilizado.

Os amortecedores industriais também podem ser usados para amortecer vibrações, além de molas.

A constante de mola como parâmetro decisivo

A importância da frequência natural

A vibração intrínseca ou frequência natural de um sistema mecânico descreve a frequência com que o sistema vibra após uma única excitação do exterior. O comportamento de vibração intrínseca das molas é importante para compreender as características de vibração dos sistemas mecânicos.

Quando uma mola é integrada num sistema mecânico, pode afetar o comportamento de vibração do sistema. No caso de um pêndulo de mola (também oscilante de mola), a frequência natural depende da constante de mola k e do m de massa do corpo do pêndulo.

Com base na equação de vibração, a seguinte fórmula pode ser usada para calcular a frequência natural de uma mola:

Ressonância num sistema de mola

A ressonância é um fenómeno mecânico importante e pode ocorrer em muitas aplicações. É importante compreender como a ressonância se desenvolve e o impacto que tem na otimização do desempenho dos sistemas de molas. No projeto, frequências naturais e ressonâncias de sistemas de mola são de maior importância quando se trata das consequências resultantes para a estabilidade e segurança de uma aplicação.

Uma ressonância ocorre quando uma força externa que atua no sistema de mola corresponde à frequência natural (intrínseca) de uma mola. Quando esta frequência é alcançada, o sistema começa a vibrar com a maior amplitude possível. A isto chama-se ressonância.

Assumindo que uma aplicação consiste num alimentador de vibração que é montado em parafusos de macaco de pé com mola. Neste caso, pode ocorrer um efeito de ressonância se a frequência do alimentador de vibrações estiver próxima da frequência natural dos parafusos de macaco de pé acionados por mola. Este efeito de ressonância pode, em última análise, resultar no aumento da amplitude de vibração da aplicação e na sua estabilidade e segurança.

Os efeitos da ressonância no sistema de mola podem ser muito graves. Se o sistema de mola vibrar demasiado, pode causar danos na construção ou causar movimentos imprevisíveis.

Assim, pode-se afirmar que as ressonâncias na construção devem ser geralmente evitadas.

• Todas as frequências naturais não são iguais = BOM
• Todas as frequências naturais são iguais = MAU

Como a ressonância pode ser evitada

Já estabelecemos que a frequência natural é um fator importante para a ocorrência de ressonância indesejada numa aplicação. Como é que este conhecimento pode ser utilizado na prática?

1. Determine a frequência de vibração da aplicação planeada.

   A frequência de vibração da aplicação deve ser conhecida como parte do projeto (por exemplo, dados técnicos da aplicação). Como resultado, as molas adequadas podem ser selecionadas nas etapas a seguir.

2. Determine a frequência natural da mola pretendida.

   Ao inserir uma frequência natural adequada na equação de vibração (ver fórmula de cálculo para frequência natural), as constantes de mola podem ser determinadas que são adequadas em consideração à frequência de vibração da aplicação planeada.

3. Amortecimento adicional da vibração.

   Em alguns casos, pode ser necessário humedecer adicionalmente as vibrações de uma mola utilizando materiais de amortecimento (por exemplo, amortecedores PU) para reduzir ainda mais as vibrações ou ruído indesejados. Um sistema de molas amortecidas reduz as vibrações a um nível aceitável e aumenta a estabilidade e segurança da aplicação.

Que outras medidas existem para amortecer as vibrações?

Uma opção é usar uma mola adequada para amortecer a aplicação. Uma mola pode absorver um movimento vibratório e convertê-lo em energia de calor, amortecendo assim a vibração. Este princípio é frequentemente utilizado em veículos onde são utilizados amortecedores de choque feitos de molas para amortecer vibrações na estrada.

Os amortecedores são outro meio de amortecer vibrações. Ao contrário das molas, os amortecedores convertem a energia cinética diretamente em energia térmica, reduzindo assim a extensão do movimento consideravelmente mais rápido do que as molas.

Um exemplo mais moderno de um amortecedor eficaz é um amortecedor PU (poliuretano). Este tipo de material não só absorve vibrações devido às suas propriedades elásticas como outros materiais, como também tem excelentes propriedades de absorção de choques e uma elevada resistência à abrasão e desgaste em comparação com os materiais de borracha convencionais.