Comportamiento de vibración intrínseca de los resortes

En ingeniería mecánica, los resortes de tensión y compresión son una parte importante del diseño de sistemas mecánicos, aplicaciones y usos. Las propiedades de los resortes, como su fuerza de retorno y constante de resorte, influyen en el rendimiento y la funcionalidad de las máquinas. Con el fin de comprender estas propiedades y el comportamiento de vibración de los sistemas de resortes, analizamos en este artículo las relaciones físicas entre los sistemas de resortes y la relación entre la frecuencia natural y la resonancia.

Propiedades físicas de los resortes

Los resortes de tensión y compresión, llamados simplemente “resortes”, son uno de los elementos más importantes en los sistemas mecánicos. Tienen la capacidad de estirarse y comprimirse, lo que les permite almacenar energía cinética. Esta energía se libera cuando el resorte vuelve a su forma original.

Las propiedades físicas de los resortes dependen de varios factores. El material a partir del cual se fabrican los resortes, su forma y tamaño, así como la forma en que se cargan son decisivos. Además, factores externos como la temperatura y la humedad pueden influir en las propiedades de los resortes.

El comportamiento de vibración intrínseca de los resortes está determinado por sus propiedades físicas, entre las que se incluyen densidad, módulo de elasticidad, amortiguación de vibraciones y rigidez. El comportamiento intrínseco de vibración de los resortes también se ve influido por el tipo de aplicación.

Vibraciones armoniosas

Las vibraciones armoniosas son vibraciones sin amortiguar en las que la fuerza de retorno es proporcional a la desviación del resorte.

Cuando un resorte se desvía de su posición de equilibrio y luego se libera, comienza a vibrar. Estas vibraciones son armoniosas cuando la fuerza de retorno, es decir, la fuerza que actúa en la dirección de la posición de equilibrio, siempre es proporcional a la desviación. Las vibraciones armoniosas tienen una frecuencia fija y no se detienen por sí solas después del esfuerzo externo inicial de una fuerza.

Vibraciones amortiguadas

En realidad, la vibración de los resortes, por ejemplo, se amortigua fundamentalmente porque disminuyen con el tiempo debido a influencias externas como la fricción o la resistencia al aire. Esto significa que la amplitud de la vibración disminuye gradualmente hasta que finalmente se detiene. Por lo tanto, el período de oscilación se reduce amortiguando el resorte, dependiendo de sus propiedades físicas.

La amortiguación influye en el comportamiento intrínseco de vibración del resorte al causar pérdidas de energía durante la vibración. Cuando un resorte vibra, libera energía debido a la fricción y otros factores. Esto hace que la vibración disminuya gradualmente. La amortiguación cambia el comportamiento de vibración del resorte reduciendo la frecuencia y amplitud de la vibración. Esto significa que las vibraciones amortiguadas son significativamente menos susceptibles a la resonancia.

Para comprender el comportamiento de vibración intrínseca de un resorte amortiguado, deben tenerse en cuenta las propiedades de amortiguación del resorte. La amortiguación puede verse influida por diversos factores, como la forma del resorte, el material y el entorno en el que se utiliza.

También se pueden utilizar amortiguadores industriales para amortiguar las vibraciones además de los resortes.

La constante de resorte como parámetro decisivo

La importancia de la frecuencia natural

La vibración intrínseca o frecuencia natural de un sistema mecánico describe la frecuencia a la que el sistema vibra después de una única excitación desde el exterior. El comportamiento de vibración intrínseca de los resortes es importante para comprender las características de vibración de los sistemas mecánicos.

Cuando un resorte está integrado en un sistema mecánico, puede afectar el comportamiento de vibración del sistema. En el caso de un péndulo de resorte (también oscilante de resorte), la frecuencia natural depende de la constante del resorte k y la masa m del cuerpo del péndulo.

Según la ecuación de vibración, se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular la frecuencia natural de un resorte:

Resonancia en un sistema de resorte

La resonancia es un fenómeno mecánico importante y puede ocurrir en muchas aplicaciones. Es importante comprender cómo se desarrolla la resonancia y el impacto que tiene en la optimización del rendimiento de los sistemas de resortes. En el diseño, las frecuencias naturales y resonancias de los sistemas de resorte son de mayor importancia cuando se trata de las consecuencias resultantes para la estabilidad y seguridad de una aplicación.

Se produce una resonancia cuando una fuerza externa que actúa sobre el sistema de resortes corresponde a la frecuencia natural (intrínseca) de un resorte. Cuando se alcanza esta frecuencia, el sistema comienza a vibrar con la mayor amplitud posible. Se denomina resonancia.

Suponiendo que una aplicación consiste en un alimentador de vibración que se monta en pernos de gato de pie accionados por resorte. En este caso, puede producirse un efecto de resonancia si la frecuencia del alimentador de vibración está cerca de la frecuencia natural de los pernos de gato de ajuste accionados por resorte. Este efecto de resonancia podría, en última instancia, hacer que la amplitud de vibración de la aplicación aumente aún más y ya no se dé su estabilidad y seguridad.

Los efectos de la resonancia en el sistema de resortes pueden ser muy graves. Si el sistema de resorte vibra demasiado, puede causar daños en la construcción o movimientos imprevisibles.

Por lo tanto, se puede afirmar que generalmente deben evitarse las resonancias en la construcción.

• Todas las frecuencias naturales no son iguales = BIEN
• Todas las frecuencias naturales son iguales = MAL

Cómo se puede prevenir la resonancia

Ya hemos establecido que la frecuencia natural es un factor importante para la aparición de resonancia no deseada en una aplicación. ¿Cómo se puede utilizar este conocimiento en la práctica?

1. Determine la frecuencia de vibración de la aplicación planificada.

   La frecuencia de vibración de la aplicación debe conocerse como parte del diseño (p. ej., datos técnicos de la aplicación). Como resultado, se pueden seleccionar resortes adecuados en los siguientes pasos.

2. Determine la frecuencia natural del resorte deseado.

   Al insertar una frecuencia natural adecuada en la ecuación de vibración (consulte la fórmula de cálculo para la frecuencia natural), se pueden determinar constantes de resorte que sean adecuadas en consideración de la frecuencia de vibración de la aplicación planificada.

3. Mayor amortiguación de la vibración.

   En algunos casos, puede ser necesario amortiguar adicionalmente las vibraciones de un resorte mediante el uso de materiales amortiguadores (p. ej., amortiguadores de PU) para reducir aún más las vibraciones no deseadas o el ruido. Un sistema de resorte amortiguado reduce las vibraciones a un nivel aceptable y aumenta la estabilidad y seguridad de la aplicación.

¿Qué otras medidas existen para amortiguar las vibraciones?

Una opción es utilizar un resorte adecuado para amortiguar la aplicación. Un resorte puede absorber un movimiento vibratorio y convertirlo en energía térmica, amortiguando así la vibración. Este principio se utiliza a menudo en vehículos en los que se utilizan amortiguadores hechos de resortes para amortiguar las vibraciones en la carretera.

Los amortiguadores son otro medio de amortiguar las vibraciones. A diferencia de los resortes, los amortiguadores convierten la energía cinética directamente en energía térmica, reduciendo así la extensión del movimiento considerablemente más rápido que los resortes.

Un ejemplo más moderno de un amortiguador eficaz es un amortiguador de PU (poliuretano). Este tipo de material no solo absorbe las vibraciones debido a sus propiedades elásticas como otros materiales, sino que también tiene excelentes propiedades de absorción de impactos y una alta resistencia a la abrasión y al desgaste en comparación con los materiales de caucho convencionales.