Vibração

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Vibração ou oscilação é qualquer movimento que se repete, regular ou irregularmente dentro de um intervalo de tempo. Na engenharia estes movimentos se processam em elementos de máquinas e em estruturas quando submetidos a ações dinâmicas. Um exemplo universal de oscilações ocorre no movimento de um pêndulo simples, intercalando entre suas posições, suas diferentes formas de energia (cinética e potencial), alternando entre tais energias.

Para realizar uma análise de vibrações é importante verificar os graus de liberdade do sistema mecânico, que consiste em identificar o número mínimo de coordenadas independentes necessárias para descrever o movimento espacial de todas partículas de um sistema em qualquer instante de tempo.

Genericamente os sistemas de vibração são compostos por um meio para armazenar energia potencial (elementos de mola), energia cinética (elemento de massa) e de dissipação de energia (amortecedores). [1]

Grandezas físicas[editar | editar código-fonte]

Os sistemas mecânicos podem ser medidas em aceleração (unidade SI: metros por segundo ao quadrado), velocidade (unidade SI: metros por segundo) ou deslocamento (unidade SI: metros). Para a medição de vibrações em máquinas, são comuns as seguintes unidades:

aceleração: metros por segundo ao quadrado (m/s2), g (1g equivale a, aproximadamente, 9,8065 metros por segundo ao quadrado);

velocidade: metros por segundo (m/s), polegadas por segundo (ips);

deslocamento: micrômetros (1 micrometro equivale a 0,001mm), mils (1 mil equivale a 0,001").

O instrumento comumente utilizado na medição de vibrações é o coletor de dados de vibrações, que utiliza um sistema transdutor de vibrações mecânicas em sinais elétricos conhecido como acelerômetro.

Classificação das vibrações[editar | editar código-fonte]

Quanto à excitação[editar | editar código-fonte]

Vibrações livres[editar | editar código-fonte]

São aquelas que ocorrem sem a presença de um agente externo durante o movimento, é considerada uma vibração livre aquela que sofreu um impulso inicial e após ele, o sistema continua a vibrar livremente , por conta própria. Exemplos deste tipo de vibração: puxar uma criança em um balanço e depois soltar (note que se assemelha a ação em um pêndulo), bater um diapasão e deixá-lo tocar.

Vibração forçada[editar | editar código-fonte]

É aquela que ocorre quando o sistema sofre a ação de forças externas durante o movimento, majoritariamente forças repetitivas. Tem como exemplo máquinas em geral, atuadas por motores etc. Se essa força externa possuir mesma frequência que uma das frequências naturais do sistema, ocorre um fenômeno conhecido como ressonância, fenômeno esse responsável por grandes desastres, pois está relacionado com o aumento da amplitude do movimento ao longo do tempo.

Quanto ao amortecimento[editar | editar código-fonte]

Vibrações amortecidas[editar | editar código-fonte]

É quando qualquer energia é perdida e/ou dissipada na realização da oscilação, sendo por atrito ou qualquer outra força, com isso a energia da vibração se dissipa com o transcorrer do tempo, fazendo com que os níveis vibratórios diminuam progressivamente. Em muitos sistemas físicos, a quantidade de energia dissipada é muito pequena quando comparada a magnitude do sistema, e portanto é desprezada.

Vibrações não amortecidas[editar | editar código-fonte]

Nesse caso tal energia de vibração não se dissipa, isto é, não se perde energia e nem há dissipação da mesma por atrito ou outra resistência durante a vibração, de forma que o movimento vibratório permanece inalterado com o passar do tempo.

Quanto ao conhecimento da força[editar | editar código-fonte]

Vibração determinística[editar | editar código-fonte]

Ocorre quando o valor ou magnitude da excitação, seja ela força ou movimento, aplicada no sistema é conhecida em qualquer instante de tempo.

Vibração aleatória[editar | editar código-fonte]

É aquela que não pode ser prevista, os seus valores não são conhecidos. Como exemplos podemos citar a velocidade do vento e o movimento do solo durante um terremoto.

Quanto aos diversos elementos[editar | editar código-fonte]

Vibração linear

Ocorre quando todos os componentes básicos do sistema (massa, mola e amortecedor) se comportam de maneira linear, o que não ocorre com a mola depois de uma certa deformação, e portanto passa a possuir um comportamento não linear.

Vibração não linear

Quando qualquer elemento se comporta de maneira não linear no sistema, temos a vibração não linear, e portanto teremos que lidar com equações diferenciais mais complexas de se resolver e de análises melhor desenvolvidas, cujo principio da superposição não é válido como para o caso de vibrações do tipo linear. Todo sistema tende a comportar-se não linearmente com o aumento da amplitude, como no caso da mola já mencionado.

Forças de excitação[editar | editar código-fonte]

A análise de vibrações depende do tipo de força age sobre o sistema mecânico. As respostas de vibração podem ter características diferentes de acordo com a força atuante.

Força harmônica[editar | editar código-fonte]

Forma mais simples de força em sistemas mecânicos. É descrita pela função onde F corresponde à amplitude e a frequência de excitação em rad/s, sendo também usualmente escrita com a unidade do SI em Hz. A frequência em Hz é nomeada e descrita por . Um exemplo prático são rotores em balanço.

Força periódica[editar | editar código-fonte]

Excitação que se repete em certo período, porém com intensidades diferentes. Um exemplo prático são motores de combustão interna.

Força transitória[editar | editar código-fonte]

Tipo de excitação instantânea. Ocorre por uma liberação de energia em um curto espaço de tempo. Pode ser descrita pela função Delta de Dirac. Exemplos práticos são explosões e impactos.

Força aleatória[editar | editar código-fonte]

São excitações que não podem ser descritas por funções, devem ser tratadas com métodos estatísticos para facilidade de cálculos.

Um exemplo prático são cálculos de tensões e deformações em asas de aviões, que não apresentam um contato uniforme com o vento.

Exemplo de função harmônica
Exemplo de função periódica não harmônica
Exemplo de função de força transitória
Exemplo de força aleatória

Análise de vibração[editar | editar código-fonte]

Um sistema oscilatório é um sistema cujas variáveis de entrada e de saída dependem do tempo. Analisando portanto, as respostas de um sistema depende das condições iniciais impostas sobre ele. Na prática, os problemas encontrados de vibrações são muito complexos, necessitando de ferramentas computacionais para resolve-los e também ainda assim, fica difícil, detalhar completamente o modelo. Com isso, somente as características mais importantes são consideradas na análise. [2]

Os testes de vibração são realizados pela introdução de uma função de forças em uma estrutura, geralmente com algum tipo de agitador.[3]Em alternativa, um DUT (dispositivo sob teste) está ligado a "mesa" de um agitador. Para frequências relativamente baixas, forçando, são utilizados servo-hidráulicos (electro) agitadores são usados. Para frequências mais altas, são utilizados agitadores eletrodinâmicos. Geralmente um ou mais pontos de controle localizados no lado DUT de um dispositivo elétrico, são mantidos a uma aceleração especificada.[4]Outros pontos "de resposta" apresentam nível máximo de vibração (ressonância) ou nível mínimo de vibração (anti-ressonância). É normalmente preferível ativar anti-ressonância para evitar um sistema de se tornar muito ruidoso, ou para reduzir a tensão em certas partes de um sistema devido a modos de vibração causados por específicas frequência de vibração.[5] Dois tipos típicos de teste de vibração são os testes senoidais aleatórios . Os testes senoidais (uma frequência de cada vez) são realizados para examinar a resposta estrutural do dispositivo sob teste (DUT). Um teste aleatório (todas as frequências de uma só vez) é geralmente considerado para replicar mais de perto um ambiente do mundo real, tais como insumos caminhos para um automóvel em movimento. A maioria dos testes de vibração são conduzidos num único eixo DUT de cada vez, embora a maior vibração do mundo real ocorre em vários eixos simultaneamente. MIL-STD-810G, lançado no final de 2008, Test Method 527, exige testes de excitação múltipla. Dispositivos projetados especificamente para rastrear ou gravar vibrações são chamados vibroscópios.

Importância do estudo de vibrações[editar | editar código-fonte]

A maioria das atividades humanas envolve vibrações de uma forma ou de outra, como exemplo a respiração está associada a vibração dos pulmões, nas industrias o desbalanceamento de motores está associado com problemas de vibração, vibrações nas pás de turbinas que causam prejuízos abissais. Além disso a vibração causa o desgaste mais rápido do material, seja por fadiga ou outro tipo de mecanismo. Outro problema que pode ser causado por vibração seria o ruido de alguma máquina, que pode ocasionar em problemas sérios a saúde e as condições ergonômicas das pessoas.

Por outro lado, as vibrações podem também ser usadas a nosso favor, como em peneiras, máquinas de lavar, compactadores, esteiras transportadoras, relógios e também é empregada na análise de sistema de tremores sísmicos, onde com base nesses estudos é possível prever o grau de vibração de algum tremor.

A análise de vibrações tem fundamental importância para as mais diversas áreas da engenharia. A análise de vibrações pode ajudar na manutenção preditiva de máquinas, construção de grandes obras de engenharia civil, estudos de resistência de materiais e nas mais diversas áreas.

Preparação de OGO satélite para teste de vibração.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. Rao, Singiresu (2009). Vibrações Mecânica.
  2. DE ALMEIDA, Marcio Tadeu. Vibrações mecânicas para engenheiros. E. Blucher, 1990.
  3. Vibration Type Approval Guide Book (PDF)
  4. Tustin, Wayne. Where to place the control accelerometer: one of the most critical decisions in developing random vibration tests also is the most neglected, EE-Evaluation Engineering, 2006
  5. «Polytec InFocus 1/2007» (PDF) 
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