LAS VIBRACIONES MECANICAS: HISTORIA, ESTUDIO E IMPORTANCIA.
Desde que aparecieron los primeros instrumentos musicales, en especial los de cuerda, la gente ya mostraba un interés por el estudio del fenómeno de las vibracio vibraciones nes,, por ejemplo, ejemplo, Galileo Galileo encontr encontró ó la relación relación existen existente te entre entre la longitud de cuerda de un pendido y su frecuencia de oscilación, además encontró la relación entre la tensión, longitud y frecuencia de vibración de las cuerdas. Estos estudios y otros posteriores ya indicaban la relación que existe entre el sonido y las vibraciones mecánicas. Podemos mencionar entre otros, Taylor, Vernoulli, D' Alember, Lagrange, Fourier, etc. La ley de Hooke en 1876 sobre la elasticidad, Coulomb dedujo la teoria teoria y la experime experimenta ntación ción de oscilac oscilacion iones es torcion torcionales ales,, Rayleigh Rayleigh con su método de energías, etc. Fueron grandes físicos que estructuraron las bases de las vibraciones como ciencia. El buen buen funcio funciona nami mien ento to de los amort amortigu iguad adore oress de un auto automóv móvil. il. El mal aislamiento de maquinaria que pueda dañar la infraestructura de la misma y zona zona ale aleda daña, ña, ruido ruido causa causada da por por maqui maquina naria ria.. Son Son eje ejemp mplos los de algun algunos os ejem ejempl plos os.. Un fenó fenóme meno no de la cual cual las las maqu maquin inas as teme temen n es la llam llamad ada a resonancia, cuyas consecuencias pueden ser serias. Por otro lado el buen funcionamiento de la maquinaria industrial es un fen fenómen ómeno o que que requ requie iere re de una cons consta tan nte insp inspec ecci ción ón,, es deci decir, r, el mantenimiento predictivo; este juega un papel importante en el crecimiento econó económic mico o de una una em empre presa sa,, ya que que predec predecir ir una una falla falla es sinón sinónimo imo de programación de eventos que permite a la empresa decidir el momento adecuado para detener la máquina y darle el mantenimiento.
El análisis de vibración juega un papel importante importante en el mtto predictivo, este consiste en tomar medida de vibración en diferentes partes de la máquina y analizar su comportamiento.
LAS VIBRACIONES MECANICAS DEFINICIONES, CLASIFICACIONES.
El estudio de las vibraciones mecánicas también llamado, mecánica delas vibraciones, es una rama de la mecánica, o más generalmente de la ciencia, estudia los movimientos oscilatorios de los cuerpos o sistemas y de las fuerzas asociadas con ella. Definición (a)
Vibración: es el movimiento de vaiven que ejercen las partículas de un cuerpo debido a una exitación.
Existe una relación entre el estudio de las vibraciones mecánicas del sonido, si un cuerpo sonoro vibra el sonido escuchado esta estrechamente relacionado con la vibración mecánica, por ejemplo una cuerda de guitarra vibra produciendo el tono correspondiente al # de ciclos por segundo de vibración.
Para que un cuerpo o sistema pueda vibrar debe poseer características potenciales y cinéticas. Nótese que se habla de cuerpo y sistema si un cuerpo no tiene la capacidad de vibrar se puede unir a otro y formar un sistema que vibre; por ejemplo, una masa y resorte donde la masa posee características energéticas cinéticas, y el resorte, características energéticas potenciales.
Otro ejemplo de un sistema vibratorio es una masa y una cuerda empotrada de un extremo donde la masa nuevamente forma la parte cinética y el cambio de posición la parte potencial. Definición 1.2 (b
Vibración mecánica: es el movimiento de vaiven de las moléculas de u cuerpo o sistema debido a que posee características energéticas cinéticas y potenciales. En cualquiera que sea el caso, la excitación es el suministro de energía. Como ejemplos de excitación instantánea tenemos el golpeteo de una placa, el rasgueó de las cuerdas de una guitarra el impulso y deformación inicial de un sistema masa resorte, etc.
Como ejemplo de una excitación constante tenemos el intenso caminar de una persona sobre un puente peatonal, un rotor desbalanceado cuyo efecto es vibración por desbalance, el motor de un automóvil, un tramo de retenedores es una excitación constante para el sistema vibratorio de un automóvil, etc.
Vamos a ver varias formas de clasificar el estudio de las vibraciones mecánicas. Vibración libre: es cuando un sistema vibra debido a una excitación instantánea.
Vibración forzada: es cuando un sistema vibra debida a una excitación constante. Esta importante clasificación nos dice que un sistema vibra libre mente solo y solo si existen condiciones iniciales, ya sea que suministremos la energía por medio de un pulso (energía cinética) o debido a que posee energía potencial, por ejemplo deformación inicial de un resorte. Esta energía es disipada por el fenómeno llamado amortiguación, en ocasiones es despreciable.
Aun cuando la energía es disipada durante la vibración, en el caso de la vibración forzada esta descompensada por la excitación constante. Vibración amortiguada: es cuando la vibración de un sistema es disipada. Vibración no amortiguada: es cuando la disipación de energía se puede disipar para su estudio. El amortiguamiento es un sinónimo de la perdida de energía de sistemas vibratorios. Este hecho puede aparecer como parte del comportamiento interno de un material, de rozamiento, o bien, un elemento físico llamado amortiguador. Vibración lineal: si los componentes básicos de un sistema tienen un comportamiento lineal la vibración resultante es lineal. Vibración no lineal: se produce si alguno de sus componentes se comporta como no lineal. El comportamiento lineal de un elemento facilita su estudio, en la realidad todo elemento de comporta como no lineal pero los resultados de su estudio no difieren, en su mayoría, a los realizados si se consideran como elementos lineales. Un ejemplo de ello es el resorte, donde según la ley de Hooke el comportamiento fuerza-deformacion es lineal
Cuando el comportamiento vibratorio de un sistema se puede representar por medio de una ecuación matemática entonces se dice que la vibración es determinística, pero si se tiene que determinar por ecuaciones probabilísticas entonces la vibración es probabilística o random. (fig 3.1) Si el comportamiento determinístico se repite de igual forma después de cierto tiempo entonces la vibración es periódica, de la contrario es no periódica.
Si las características de señal de la vibración de un sistema se asemejan a una señal senoide, entonces se dice que la vibración es senoide.
Este descubrimiento de Fourier adquiere importancia ya que el análisis de los armónicos de una señal nos puede revelar posibles fallas en una maquinaria. Frecuencia natural.- es la frecuencia propia de un cuerpo o sistema al poseer elementos elásticos e inerciales. Es la frecuencia resultante de la vibración libre. Resonancia.- es cuenco la excitación es de frecuencia igual a la frecuencia natural
El efecto de resonancia en la guitarra se debe cuando está afinada y al colocar el dedo en el quito trasto en la sexta cuerda y se hace vibrar, la quinta cuerda vibra sola por el efecto de resonancia, ya que el tono de la sexta cuerda en el quinto trasto es de MI, la cual es la nota de la quinta cuerda.
Grado de libertad.- es el mínimo número de coordenadas requeridas e independientes para determinar completamente la posición de todas las partes de un sistema en un instante.
SISTEMAS DE 1 GRADO DE LIBERTAD Definición 1.3.B Modelo matemático: es la representación de todas las características importantes de un sistema con el propósito de derivar las ecuaciones matemáticas que determinen su comportamiento. El modelo matemático debe incluir los mínimos detalles del sistema tal que dicho comportamiento pueda ser representado por una ecuación. El modelo matemático puede ser lineal o no lineal. Un modelo matemático permite soluciones rápidas y simples, sin embargo los modelos no lineales, revelan algunas veces ciertas características del sistema que los modelos lineales no proporcionan. Algunas veces, durante el procedimiento del análisis, el modelaje se realiza en forma gradual, esto dependiendo de los componentes. (Fig. 14.7)
2 ELEMENTOS DE SISTEMAS VIBRATORIOS
Para que un sistema pueda vibrar debe poseer elementos que puedan adquirir energía cinética y elementos capaces de almacenar energía cinética. El análisis cinético es el procedimiento que le sigue al modelaje matemático, es por eso que el estudio de sistemas dinámicos se vuelve esencial para el estudio de las vibraciones mecánicas. Un sistema vibra si posee energía cinética y potencial, la carencia de uno de ellos anula la posibilidad, es por eso que en esta unidad se hace un estudio a los sistemas dinámicos desde el punto de vista de la 2da ley de Newton y de la conservación de la masa. También se hace un estudio a la ley de Hooke y del cálculo de la constante elástica equivalente de sistemas que posean diferentes elementos elásticos.
Son tres los elementos básicos de un sistema vibratorio: la masa, elementos elásticos y elementos absorbedores de energía.
Vamos a analizar estos tres elementos desde el punto de vista cinético, tanto por medio de la ecuación de la segunda ley de Newton como de la conservación de la energía. 2.1 MASAS
2.1.1 La segunda ley de Newton. La primera y la tercera ley de Newton se utilizan para analizar sistemas elásticos, para sistemas dinámicos la segunda ley de Newton resulta apta. Un cuerpo de masa "m" puede poseer diferentes tipos de movimiento de los cuales tenemos: Movimiento rectilíneo: un cuerpo de masa "m" sometido a un sistema de fuerzas S F poseerá una aceleración rectilínea x T.Q. (Fig. 2.1 Movimiento Rotacional Centroidal: Un cuerpo con un movimiento de inercia de masa con respecto a su centro de gravedad `JG' y aceleración angular queda determinado como (fig. 2.2)
Movimiento Rotacional Excentroidal: un cuerpo con este tipo de movimiento (fig 2.2) es idéntico al centroidal, porque el análisis es el pivote
Movimiento Combinado: cuando un cuerpo posee movimiento rectilíneo y angular se dice que su movimiento es combinado, en ocasiones el análisis se puede sustituir por uno solo. Energía un cuerpo de masa `m' con movimiento puede poseer energía potencial y/o cinética.
Energía cinética de traslación: un cuerpo de masa `m' con movimiento de traslación a velocidad `x' posee una energía cinética igual:
ECT=1/2 mx2 Ec. 2.4
Energía cinética de rotación: un cuerpo de masa `m' y un momento de inercia de masa c respecto al pivote `p' Jp y una velocidad angular “”
ECR=1/2 Jp 2 Ec. 2.5
Energía potencial gravitacional: un cuerpo de masa `m' que está a una altura `h' de una referencia poseerá una energía potencial igual. EPG= mgh Ec. 2.6
El análisis de sistemas con movimiento combinado se facilita con el método de energías.
2.2 ELEMENTOS ELASTICOS
2.2.1 Resortes y la Ley de Hooke
Los resortes son uno de los elementos elásticos utilizados en sistemas vibratorios, estos pueden ser lineales o no lineales.
Si la causa-efecto se conserva, entonces el resorte es lineal, o bien se dice que es perfectamente elástico, cosa que se puede suponer en muchos problemas de la técnica.
Aun cuando se tenga un resorte no lineal, este se puede utilizar sobre un punto de operación tal que sobre ese punto `p' el resorte es lineal (Fig. 2.4) Un ejemplo de un elemento no lineal es el caucho, cuyo material es usado con frecuencia y donde la relación F - X tiene una variación no lineal.
El estudio de resortes o elementos no lineales no corresponde a este capítulo, mas sin embargo vamos a ver unos ejemplos.
El primer ejemplo de un sistema mecánico es el mostrado en la figura 2.5, donde la contante elástica equivalente `Keq' no es contante La linealidad se rompe al entrar en acción el resorte K3 o K4.
Otro caso muy ilustrativo es el de un Resorte estirado entre dos puntos fijos A y B y en donde la masa `m' está atada a un punto del resorte.
Si se aparta m lateralmente y se deja Oscilar, se encuentra que F(x) no es lineal. (Fig. 2.6).
Otro caso interesante y que posteriormente va a ser muy estudiado es el de un péndulo (Fig. 2.7)
Si se consideran oscilaciones pequeñas la ecuación diferencial que determina el movimiento es:
L + = 0 è Ec, Dif. Lineal.
Si consideramos el caso del resorte lineal, la ley de Hooke nos dice que la fuerza aplicada es directamente proporcional a la deformación, o sea:
Fax
Donde F= fuerza x= deformación, para eliminar la proporcionalidad agregamos una constante proporcional agregamos una constante K
F= -K x
En términos funcionales la ecuación correcta es:
F(x)= K x
La ecuación gráfica de la Ley de Hooke a saber es una pendiente (fig. 2.8) donde la constante es el valor de la pendiente.
Definición 2.2.A.-
Resortes en serie: 2 o más resortes están en serie si la fuerza se transmite en la misma proporción en cada uno de ellos.
2.2.2 ENERGÍA
cuando se estira o se comprime un resorte elástico una distancia x de su posición no deformada, la energía potencial Epr elástica de puede expresar:
Epr= ½ K x2
en este caso la fig 2.12 la energía es siempre positiva ya que en lo posición deformada la fuerza del resorte tiene la capacidad de hacer trabajo al regresar a su posición no deformada.
2.3 ELEMENTOS ABSORVEDORES DE ENERGÍA La ley de conservación de la energía establece que la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma. La fricción es un ejemplo de pérdida de energía. El amortiguamiento es un sinónimo de absorción de energía en los sistemas vibratorios.
1-. Sistemas:
se puede observar que el desplazamiento transversal de la viga en cantiliver K2 es igual a la del resorte K1 por lo tanto están en paralelo.
2.- sistema : Aquí el desplazamiento en cada uno de ellos es diferente, tal vez es más fácil ver por la fuerza transmitida ya que se transmite en la misma proporción por lo tanto están en serie. 3.- sistema: Aquí tenemos una combinación el elemento K1 y K2 están en paralelo y todo el conjunto esta en serie con K3.
Por lo tanto en el caso en que los resortes estén en paralelo tenemos:
Xt = X1 = X2
Sin embargo la fuerza se distribuye, en cada uno de:
Fr = F1 + F2
Nuevamente, como:
FT = KT XT
F1 = K1 X1
F2 = K2 X2
Sustituyéndolo en la ecuación 2.10 tenemos
KT XT = K1X1 + K2X2
Pero como XT = X1 = X2
KT = K1 + K2
En resumen tenemos:
Definición 2.2.B Si dos o más resortes están conectados en paralelo él se puede sustituir por uno equivalente de la forma:
Keq = K1+ K2 + K3 + ..... Kn
Es fácil identificar si 2 o más resortes están pero cuando se tienen otros elementos, por ejemplo, se torna un poco más difícil identificarla. Dependiendo del empotramiento y de las dimensiones, peso de las vigas será su constante elástica. Por otro lado el desplazamiento total es igual a la suma de cada uno de ellos, de tal forma que:
XT = X1 + X2 Vamos a ver cómo podemos representar 2 o más resortes en serie por uno equivalente Ft = Xt Kt Xt = Ft/Kt
F1 = X1 K1 X1 = F1/K1
F2 = X2 K2 X2 = F2/K2 Sustituyendolo en la Ec 2.9 Ft = F1 + F2
Kt K1 K2
Como Ft = F1 = F2 tenemos que:
1=1=1
Kt K1 K2
Llamando Keq a los Kt resumimos:
Definición 2.2.D
Dos o más resortes conectados en serie, la constante elástica equivalente al efecto de todas queda determinada como Keq K1 K2 Kn
Vamos a analizar el caso en Que se tenga 2 o más resortes
En paralelo. (Fig. 2.11)
Definición 2.2.C
Resortes paralelo: 2 o más resortes Están conectados en paralelo si el Desplazamiento en cada uno de ellos Es el mismo.
Con viscosidad, la fuerza es directamente proporcional, mientras que en la turbulenta la fuerza es proporcional al cuadrado de velocidad. En la amortiguación sera (o de Coulomb) la fuerza es constante, el amortiguamiento solido es debido a las fuerzas internas.
Amortiguamiento viscoso F a x
Amortiguamiento turbulento F a x2
Amortiguamiento seco F = cte
Amortiguamiento solido
Uno de los amortiguadores más presentes en sistemas vibratorios es el viscoso. En los resortes existe la contante elástica K que elimina la proporcionalidad de F a X. En los amortiguadores del tipo viscoso existe otra constante llamada coeficiente de amortiguamiento y generalmente se denota como `C'.
De tal forma que la fuerza de un amortiguador `Fd' queda determinada como:
Fd = -cx (Ec. 2.12)
3 VIBRACIÓN LIBRE
Aunque los sistemas vibratorios generalmente trabajan como sistemas forzados el análisis de sistemas libres adquiere importancia debido a que uno de los problemas a los que "las maquinas temen" es la resonancia.
Según la definición 1.2 H la resonancia se presenta cuando la frecuencia de excitación es igual a la frecuencia de resonancia.
Según la definición 1.2 G la frecuencia natural es la frecuencia de los sistemas vibratorios en la vibración libre, de aquí que el cálculo de frecuencias naturales es importante.
En este capítulo se expondrán diferentes métodos para el cálculo de frecuencia natural, sus ventajas y demás, a partir de un modelo típico.
Consideremos el caso general en que el existe un amortiguamiento, y luego se analizara para diferentes valores de amortiguamiento incluyendo el despreciable.
3.1 Movimiento armónico El movimiento armónico es importante de estudiar ya que tiene similitud con muchos movimientos de sistemas vibratorios, todo movimiento periódico debe satisfacer:
x (t) = X (t + t ) Ec 3.1
Vamos a ver qué significa esto. Un movimiento periódico es un movimiento que se repite a intervalos de tiempo llamados periodos `t '.
La frecuencia se define como el número de ciclos por unidad de tiempo, de tal forma que se relaciona con el periodo dela forma Las unidades de la ecuación 3.2 son ciclos/seg ó Hertz
La figura 3.1 muestra un ejemplo de un movimiento periódico en donde la grafica de la posición de una partícula `P' en función del Angulo se muestra.
Ahora si no se conociera el centroide existe una forma sencilla de calcularlo y es aprovechando el equilibrio estático ya que cuando el cuerpo esta estático el centro de gravedad esta por una línea imaginaria vertical al pivote.
En este apartado se estudiara el modelo más simple de tal modo que una ecuación matemática denotara su comportamiento.
Este modelo lo llamaremos el modelo típico, y la ecuación diferencial que determina su comportamiento lo llamaremos la forma canónica de un sistema libre no amortiguado.
2.3 METODOS PARA EL CALCULO DE ECUACIONES DIFERENCIALES DE SISTEMAS LIBRTES NO AMORTIGUADOS
Algunos sistemas vibratorios pueden ser expresados a la forma canonica (def 3.2.B) y posteriormente calcular su frecuencia natural y/o respuesta en el tiempo.
Existen tres métodos básicos para el cálculo para el cálculo de ecuaciones diferenciales de sistemas vibratorios libres no amortiguados, cada uno de ellos presenta ventajas dependiendo del movimiento.
Movimiento rectilíneo 1° método de Newton F = ma
Movimiento angular 2° método de Newton (momentos)
Movimiento rect y/o angular è método de energía.
Por lo tanto el primer tipo es identificar el tipo de movimiento para ver el método apropiado para calcular la ecuación diferencial.
Si el sistema posee movimiento rectilíneo utilizar el análisis cinético S fy = S fy efect = mx es apropiado solo hay que llegar a la ecuación diferencial del movimiento.
Ejemplo3.1
Un resorte de constante elástica `K' es empotrado de un extremo mientras que el otro extremo se coloca una masa de 4.53 kg logrando tener un periodo natural de 0.45 seg. Posteriormente el resorte se parte justo a la mitad empotrándose de los extremos y colocando la masa en el punto medio. Calcule el periodo natural nuevo.
Dinámica Explicar por qué un cuerpo entra en resonancia; escribir las condiciones de oscilamiento del cuerpo para un cuerpo con geometría definida; deben determinarse los efectos externos.
Todos los cuerpos que poseen masa y elasticidad son capaces de vibrar. La mayoría de las máquinas y estructuras experimentan vibración hasta cierto grado y, su diseño, requiere generalmente consideración de su conducta oscilatoria. Los sistemas oscilatorios pueden clasificarse, como lineales o no lineales. Para los sistemas lineales rige el principio de la superposición y las técnicas matemáticas para su tratamiento están bien desarrollas. Por el contrario las técnicas para el análisis de sistemas no lineales son menos conocidos y difíciles de aplicar. Sin embargo algún conocimiento de sistemas no lineales es deseable puesto que todos los sistemas tienden a volverse no lineales cuando crece la amplitud de la oscilación. Hay dos clases generales de vibraciones, libres y forzadas. La vibración libre es la que ocurre cuando un sistema oscila bajo la acción de fuerzas inherentes al mismo y, cuando las fuerzas externamente aplicadas son inexistentes. El sistema bajo vibración libre vibrara a una o mas de sus
frecuencias naturales que, son propiedades del sistema dinámico que dependen de su distribución de masa y de rigidez. La vibración que tiene lugar bajo la excitación de fuerzas externas es una vibración forzada. Cuando la excitación es oscilatoria, el sistema es obligado a vibrar a la frecuencia de excitación, si esta coincide con una de las frecuencias naturales del sistema, se produce una situación de resonancia y ocurren oscilaciones peligrosamente grandes. Las vibraciones más importantes desde el punto de vista de las aplicaciones de ingeniería son las vibraciones forzadas de un sistema. Estas vibraciones ocurren cuando un sistema está sujeto a una fuerza periódica o cuando está unido elásticamente a un soporte que tiene un movimiento alternativo. Consideremos el caso de un cuerpo de masa m suspendido de un resorte unido a un soporte. La vibración obtenida en este sistema consiste en dos vibraciones superpuestas. Una es una vibración libre del sistema. La frecuencia de esta vibración es llamada frecuencia natural del sistema. Esta vibración libre es llamada también vibración transitoria ya que en realidad será amortiguada rápidamente por las fuerzas de rozamiento. La otra vibración superpuesta es la vibración del estado estacionario producido y mantenido por la fuerza aplicada o por el movimiento aplicado por el soporte. Esta frecuencia es la frecuencia forzada generada por esta fuerza o movimiento y, su amplitud xm, depende de la razón de frecuencia ð/p. La razón de amplitud xm de la vibración de estado estacionario a la deformación estática Pm/k causada por una fuerza Pm, o a la amplitud δm del movimiento de soporte se llama factor de amplificación. Factor de amplificación = xm/(Pm/k) = xm/δm = 1/(1-(ð/p)2
Cuando ð = p, la amplitud de la vibración forzada se vuelve infinita. La fuerza aplicada o el movimiento aplicado por el soporte se dice que está en resonancia con el sistema dado. La resonancia se define como un fenómeno que presenta un sistema físico influido por una fuerza de excitación periódica externa, en la que la amplitud resultante de la oscilación del sistema resulta grande cuando la frecuencia de la fuerza de excitación se aproxima a una frecuencia de oscilación libre natural de un sistema. En realidad, la amplitud de vibración permanece finita a causa de las fuerzas de amortiguamiento; sin embargo tal situación debe evitarse si la frecuencia forzada no debe escogerse muy cercana a la frecuencia natural del sistema. En el caso de ð < p, la vibración forzada está en fase con la fuerza aplicada o el movimiento aplicado por el soporte, mientras que para ð > p, la vibración forzada se encuentra 180º fuera de fase. Cuando la excitación es oscilatoria, el sistema es obligado a vibrar a la frecuencia de excitación. Si ésta coincide con una de las frecuencias naturales del sistema, se produce una situación de resonancia y ocurren situaciones realmente graves. La falla de estructuras mayores como puentes, edificios o alas de aviones, es una horrible posibilidad, bajo resonancia. Así el cálculo de las frecuencias naturales es de importancia capital en el estudio de las vibraciones.
El movimiento oscilatorio puede repetirse a sí mismo regularmente, como en el caso de un balancín de reloj o, desplegar considerable irregularidad, como en el caso de los movimientos sísmicos. Cuando el movimiento se repite a intervalos de tiempo ð, se le llama periódica. El tiempo de repetición ð es el período de la oscilación y su recíproco, f = 1/ð es la frecuencia. Si se designa el movimiento por x(t), todo movimiento periódico debe satisfacer la relación: x(t) = x(t + ð)
¿Qué métodos se pueden aplicar para disminuir las vibraciones?
Una vibración mecánica es el movimiento de una partícula o de un cuerpo que oscila alrededor de una posición de equilibrio. La mayor parte de las vibraciones en máquinas y estructuras son indeseables porque aumentan los esfuerzos y las tensiones y por las pérdidas de energía que las acompañan. Deben por lo tanto eliminarse o reducirse lo más que sea posible con diseños apropiados. El análisis de las vibraciones se ha vuelto cada vez más importante en los últimos años en virtud de la tendencia actual de emplear máquinas de alta velocidad y estructuras más ligeras. Existe una evidencia para esperar que esta tendencia continúe y que se tenga una necesidad mayor de desarrollar en el futuro el análisis de las vibraciones. Una vibración mecánica se produce casi siempre cuando un sistema es desplazado desde un posición de equilibrio estable. El sistema tiende a regresar a esa posición bajo la acción de fuerzas de restitución (ya sean fuerzas elásticas, como en el caso de la masa unida a un resorte, o fuerzas gravitacionales en el caso del péndulo). Cuando el movimiento es mantenido únicamente por las fuerzas de restitución se dice que la vibración es una vibración libre. Cuando se aplica una fuerza periódica al sistema, el movimiento resultante se describe como una vibración forzada. Cuando los efectos del rozamiento pueden despreciarse se dice que las vibraciones son no amortiguadas. Pero en realidad todas las vibraciones son amortiguadas hasta cierto grado. Si una vibración libre es sólo ligeramente amortiguada, su amplitud decrece lentamente hasta que después de cierto tiempo el movimiento se detiene. Pero el amortiguamiento puede ser lo bastante grande para impedir cualquier vibración real; el sistema regresa entonces lentamente a su posición inicial. Una vibración forzada amortiguada dura tanto como dura la aplicación de la fuerza periódica que produce la vibración. Pero la amplitud de la vibración se modifica por la magnitud de las fuerzas de amortiguamiento. 3. ¿Qué métodos existen para determinar las propiedades de los materiales que se encuentran sometidos a esfuerzos dinámicos (ensayos de fatiga)?
En las máquinas, la mayoría de los elementos están sometidos a esfuerzos variables, producidos por cargas sucesivas y repetidas. Los elementos sujetos a este tipo de esfuerzos se rompen o fallan, frecuentemente, para un valor de
esfuerzo mucho menor que el de ruptura correspondiente, determinado por el clásico ensayo estático de tensión. Este tipo de falla se denomina ruptura por fatiga. Para el diseño correcto de elementos sometidos a esfuerzos alternados, es necesario conocer el esfuerzo que puede aplicarse, sin que el elemento se rompa, un número indefinido de veces, o el esfuerzo (algo más alto) que puede quedar aplicado a un cierto número limitado de veces, caso que es importante ya que a veces se diseñan máquinas o elementos que sólo se utilizan ocasionalmente y que pueden tener, por tanto, una vida larga sin que el número de veces que se hayan aplicado las cargas sea demasiado grande. El ensayo para determinar estos valores se llama ensayo de fatiga. El procedimiento más sencillo consiste en la flexión alternada. Una probeta de sección circular se monta sobre unos cojinetes y su parte central queda sometida a un momento flexionante puro bajo la acción de una carga. Al girar la varilla mediante un motor, una fibra que inicialmente estuviera en la parte superior y, por tanto, comprimida, pasa a la parte inferior y queda sometida a tensión, de nuevo a compresión y así sucesivamente, de manera que en cada vuelta se produce una inversión completa de esfuerzos. También se llevan a cabo pruebas de fatiga en muestras tensiles cargadas axialmente, en muestras flexionadas o en otras colocadas bajo torsión, posiblemente el tipo más común de carga sea el que se produce al aplicar una carga a una viga en rotación. Lo más probable es que esta última se sostenga en ambos extremos, aplicando la carga entre los soportes. Las cargas para vigas en rotación se aplican por medio de chumaceras, que permiten que la viga gire libremente.
