Control de vibraciones
Introducción
En la práctica, existen un gran número de situaciones en
las que es posible reducir, pero no eliminar las fuerzas de carácter dinámico
(variables en el tiempo) que excitan nuestro sistema mecánico (Fig. 28) dando
lugar a la aparición de un problema de vibraciones. En este sentido, existen
diferentes métodos o formas de plantear el control de las vibraciones; entre
todos ellos cabe destacar:
El conocimiento y control de las frecuencias naturales del
sistema de cara a evitar la presencia de resonancias bajo la acción de
excitaciones externas.
La introducción de amortiguamiento o de cualquier tipo de
mecanismo disipador de energía de cara a prevenir una respuesta del sistema
excesiva (vibraciones de gran amplitud), incluso en el caso de que se produzca
una resonancia.
El uso de elementos aislantes
de vibraciones que reduzcan la
transmisión de las fuerzas de excitación o de las propias vibraciones
Entre las diferentes partes que Figura 28 – Esquema de un
motor de constituyen nuestro sistema. Cuatro cilindros
La incorporación de absorbedores
dinámicos de vibraciones o masas auxiliares neutralizadoras de vibraciones,
llamados también amortiguadores dinámicos, con el objetivo de reducir la
respuesta del sistema.
Control de las frecuencias naturales
Sabemos que cuando la frecuencia de excitación coincide con
una de las frecuencias naturales del sistema, tiene lugar un fenómeno de resonancia.
La característica más importante de la resonancia es que da lugar a grandes
desplazamientos, al amplificar de manera importante las vibraciones del
sistema. En la mayor parte de los sistemas mecánicos, la presencia de grandes
desplazamientos es un fenómeno indeseable ya que provoca la aparición de
tensiones y deformaciones igualmente grandes que pueden ocasionar el fallo del
sistema.
En consecuencia, las condiciones de resonancia deben de
tratar de ser evitadas en el diseño y construcción de cualquier sistema
mecánico. No obstante, en la mayor parte de los casos, las frecuencias de
excitación no pueden controlarse al venir impuestas por los requerimientos de
carácter funcional del sistema (por ejemplo, velocidades de giro). En tal caso,
el objetivo será el control de las frecuencias naturales del sistema para
evitar la presencia de resonancias.
Tal y como se deduce de la definición vista para un sistema
de un grado de libertad (1 gdl), la frecuencia natural de un sistema puede
cambiarse variando tanto la masa (m) como la rigidez (k) del mismo. Aunque la
definición se haya establecido para un sistema de 1 gdl, la conclusión obtenida
es, en general, igualmente aplicable a sistemas de N grados de libertad. En
muchas situaciones en la práctica, sin embargo, la masa no resulta fácil de
cambiar, ya que su valor suele venir determinado por los requerimientos
funcionales del sistema (por ejemplo, la masa del volante de inercia de un eje
viene determinada por el valor de la energía que se quiere almacenar en un
ciclo). Por ello, la rigidez del sistema es el parámetro que se modifica de
forma más habitual a la hora de alterar las frecuencias naturales de un sistema
mecánico. Así, por ejemplo, la rigidez de un rotor puede modificarse cambiando
el número y colocación de los puntos de apoyo (cojinetes).
Ejemplo del daño de una frecuencia natural
El antiguo puente colgante de Tacoma Narrows, cerca de Seattle, es la prueba
visual más famosa del fenómeno físico llamado frecuencia de resonancia: en
1940, pocos meses después de haber sido inaugurado el puente un día de viento
éste comenzó a ondear como si se tratase de una bandera. Tras poco más de una
hora de sacudidas y vaivenes el puente de 1.600 metros de longitud se
derrumbaba y caía hecho pedazos al agua
La resonancia mecánica es un fenómeno que se
produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza
periódica cuyo periodo de vibración coincide con el periodo de vibración
característico de dicho cuerpo. En estas circunstancias el cuerpo vibra,
aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las
actuaciones sucesivas de la fuerza. Este efecto puede ser destructivo en
algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando un tenor canta.
El viento que provocó la caída del puente se movía a una
velocidad de 61 kilómetros por hora y tenía 5 segundos de frecuencia, que
resultó ser muy similar a la frecuencia natural del puente "con lo cual la
energía transferida al sistema era máxima y las ondas estacionarias producidas
en el puente empezaron a balancearlo y acabaron colapsándolo."
Pero también el método de construcción empleado en el
puente de Tacoma influyó en el incidente. La utilización de vigas de acero
formando una estructura de sustentación horizontal cerrada y maciza oponía
resistencia al viento, creando corrientes y turbulencias de aire por encima y
por debajo de la estructura.
Referencias
http://www.imem.unavarra.es/EMyV/pdfdoc/vib/vib_control.pdf
http://naukas.com/2012/03/26/la-resonancia-bien-entendida-el-puente-de-tacoma-narrows/
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