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En esta última publicación sobre resortes, examinaremos la absorción de energía, la frecuencia natural y el fenómeno de sobretensión.
Cuando se aplica una carga en el resorte, se produce una deflexión (deformación) de acuerdo con la ley de Hooke. (Ver [Fig.1].) Cuando se libera rápidamente una carga de esta condición, el resorte volverá a su condición original por el movimiento oscilatorio. Esto significa que la energía por deflexión se acumula en el resorte mientras se aplica la carga.
La cantidad de energía acumulada en este resorte puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
| Energía acumulada en el resorte U = k · δ2 / 2 k: Constante del resorte δ: Deflexión |
Esta fórmula equivale al área del triángulo OAB mostrado de la [Fig.1].
Si el área de este triángulo OAB en la [Fig.1] es la capacidad de almacenamiento de energía de un resorte, se cumple lo siguiente:
| * | Cuando aumenta la deflexión, aumenta la acumulación de energía para los mismos resortes. |
| * | Para resortes diferentes, si aumenta la cantidad de deflexión, se produce una cantidad considerable de acumulación de energía, incluso cuando la constante del resorte es pequeña. |
Este principio se aplica a los amortiguadores para equipos de precisión y MechaLock ([Fig.2]).
Energía absorbida y acumulada
Algunas estructuras de resorte absorben y acumulan la energía generada durante la deflexión del resorte.
Un resorte de anillo ([Fig.3]) tiene una estructura formada por anillos internos y externos con una superficie cónica apilados alternativamente. Cuando se aplica una carga de presión en dirección axial, los anillos externos se dilatan y los internos se contraen. Entonces se produce fricción en la superficie cónica de los anillos internos y externos. Como esta fricción hace que se absorba una parte de la energía de deflexión, los resortes de anillo se utilizan para amortiguadores y equipos de tope. (Ver [Fig.4].) En el caso de la [Fig.4], la energía absorbida en una liberación de la deflexión es igual al área encerrada dentro de la curva de carga-deflexión mostrada en la [Fig.4].
Frecuencia natural de los resortes
Cuando se libera la carga de este bloque que estaba presionando el resorte hacia la dirección mostrada en la [Fig.1], la propiedad de almacenamiento de energía del resorte hace que el bloque siga oscilando en dirección vertical.
La frecuencia de oscilación en este momento es la frecuencia natural (f0) calculada mediante la siguiente fórmula:
El término “Frecuencia natural” se refiere a las propiedades de oscilación propias de un resorte, indicando cuántas veces se repite la vibración en un tiempo determinado.
El valor de la frecuencia natural se determina por dos variables: la masa (M) de una carga colocada y la constante del resorte (k). Por lo tanto, aunque se estire el resorte o se tire ligeramente de él antes de soltarlo, la frecuencia natural sigue siendo la misma.
La [Fig.2] explica el efecto de la masa (A), el efecto de la constante del resorte (B) y el efecto de la frecuencia de vibración (C), utilizando ejemplos reales.
Algunos ejemplos que utilizan la frecuencia natural de este resorte como propiedades efectivas.
Ejemplos de casos que utilizan eficazmente la frecuencia natural del resorte
| Máquina de prensado | } | Diseño a prueba de vibraciones y material a prueba de vibraciones |
| Automóvil |
[Ejemplo] Uso con un amortiguador para absorber el impacto del dispositivo.
Ej. Equipos semiconductores — diseño a prueba de vibraciones y material a prueba de vibraciones.
[Ejemplo] De acuerdo con la frecuencia de vibración transmitida desde el área circundante, se incorporan medidas antivibración, uso de caucho a prueba de vibraciones, resortes helicoidales y suspensión neumática, según corresponda, en equipos semiconductores (como equipos de posicionamiento de precisión) que son susceptibles incluso a vibraciones sutiles.
El término “Aislamiento de vibraciones” (control de vibraciones, absorción de vibraciones) se refiere a una medida que impide la propagación oscilatoria al área circundante mediante el soporte del equipo generador de vibraciones con material antivibratorio.
La eliminación de las vibraciones se refiere a una medida adoptada para que los equipos queden protegidos del efecto de las vibraciones transmitidas desde el exterior.
Elige un resorte cuya frecuencia natural (f0) no corresponda con la de toda la máquina (f). (Toda la máquina se considera aquí como el sistema de resortes). De lo contrario, la máquina debe diseñarse para tener una frecuencia natural distinta de la frecuencia del resorte. Cuando la frecuencia natural del resorte (f0) coincide con la de toda la máquina (f), se produce una resonancia, lo que maximiza la vibración de la máquina que puede desencadenar accidentes, incluidos daños en los equipos como marcas de vibración o fracturas.
El fenómeno de sobretensión
Cuando un resorte helicoidal absorbe un impacto, el alambre sufre una torsión que se transmite en forma de onda. Esta onda se denomina onda de choque.
La cantidad de tiempo (T) en la que esta onda de choque se desplaza a lo largo del alambre del resorte y viaja de vuelta se denomina tiempo de sobretensión. El tiempo y la velocidad de la onda de choque pueden calcularse utilizando la siguiente fórmula:
Cuando un resorte helicoidal está sometido a una oscilación forzada, se produce el fenómeno de resonancia de sobretensión si el ciclo corresponde al tiempo de sobretensión T o llega a ser la mitad o un tercio del tiempo de sobretensión T.
¿Cómo prevenir la sobretensión?
Cambiar la forma de la leva
- Cambiar el diseño de la leva para minimizar la amplitud de la vibración generada por la frecuencia natural del resorte y la velocidad de rotación de la leva en el rango de frecuencia de resonancia.
Adoptar un resorte de paso variable
- Los resortes de paso variable tienen la característica de que un cambio en la deflexión altera su frecuencia natural. Se puede evitar la sobrecarga adoptando un resorte de paso variable que no provoque resonancia.
Y así es como concluimos esta serie sobre resortes. No olvides leer las publicaciones anteriores.