Comportamento di vibrazione intrinseca delle molle

Nell’ingegneria meccanica, le molle di tensione e a compressione sono una parte importante della progettazione di sistemi meccanici, applicazioni e usi. Le proprietà delle molle, come la loro forza di ritorno e la loro costante elastica, influenzano le prestazioni e la funzionalità delle macchine. Per comprendere queste proprietà e il comportamento vibrazionale dei sistemi a molle, in questo articolo esamineremo le relazioni fisiche tra i sistemi a molle e la relazione tra la frequenza naturale e la risonanza.

Proprietà fisiche delle molle

Le molle di tensione e a compressione, chiamate semplicemente “molle”, sono uno degli elementi più importanti nei sistemi meccanici. Hanno la capacità di allungarsi e comprimersi e quindi di immagazzinare energia cinetica. Questa energia viene rilasciata quando la molla torna alla sua forma originale.

Le proprietà fisiche delle molle dipendono da vari fattori. Il materiale da cui sono realizzate le molle, la loro forma e dimensione, nonché il modo in cui sono caricate, sono decisivi. Inoltre, fattori esterni come temperatura e umidità possono influenzare le proprietà delle molle.

Il comportamento a vibrazione intrinseca delle molle è determinato dalle loro proprietà fisiche. Queste includono densità, modulo di elasticità, smorzamento delle vibrazioni e rigidità. Il comportamento a vibrazione intrinseca delle molle è influenzato anche dal tipo di applicazione.

Vibrazioni armoniche

Le vibrazioni armoniche sono vibrazioni non smorzate in cui la forza di ritorno è proporzionale alla deflessione della molla.

Quando una molla viene deviata dalla sua posizione di equilibrio e poi rilasciata, inizia a vibrare. Queste vibrazioni sono armoniche quando la forza di ritorno, vale a dire la forza che agisce nella direzione della posizione di equilibrio, è sempre proporzionale alla deflessione. Le vibrazioni armoniche hanno una frequenza fissa e non si fermano da sole dopo l’iniziale sforzo esterno di una forza.

Vibrazioni smorzate

In realtà, la vibrazione delle molle, per esempio, è sostanzialmente smorzata perché diminuisce nel tempo a causa di influenze esterne come l’attrito o la resistenza all’aria. Ciò significa che l’ampiezza della vibrazione diminuisce gradualmente fino a quando la vibrazione non si arresta. Il periodo di oscillazione viene pertanto ridotto smorzando la molla, a seconda delle sue proprietà fisiche.

Lo smorzamento influenza il comportamento di vibrazione intrinseca della molla causando perdite di energia durante la vibrazione. Quando una molla vibra, rilascia energia a causa dell’attrito e di altri fattori. Ciò fa sì che la vibrazione diminuisca gradualmente. Lo smorzamento modifica il comportamento vibratorio della molla riducendo la frequenza e l’ampiezza della vibrazione. Ciò significa che le vibrazioni smorzate sono significativamente meno suscettibili alla risonanza.

Per comprendere il comportamento a vibrazione intrinseca di una molla smorzata, è necessario tenere conto delle proprietà di smorzamento della molla. Lo smorzamento può essere influenzato da vari fattori, come la forma della molla, il materiale e l’ambiente in cui viene utilizzata.

Per smorzare le vibrazioni oltre alle molle è possibile utilizzare anche gli ammortizzatori industriali.

La costante elastica come parametro decisivo

L’importanza della frequenza naturale

La vibrazione intrinseca o la frequenza naturale di un sistema meccanico descrive la frequenza alla quale il sistema vibra dopo una singola eccitazione dall’esterno. Il comportamento delle vibrazioni intrinseche delle molle è importante per comprendere le caratteristiche delle vibrazioni dei sistemi meccanici.

Quando una molla è integrata in un sistema meccanico, può influire sul comportamento delle vibrazioni del sistema. Nel caso di un pendolo a molla (anche oscillatore a molla), la frequenza naturale dipende dalla costante elastica k e dalla massa m del corpo del pendolo.

In base all’equazione di vibrazione, è possibile utilizzare la seguente formula per calcolare la frequenza naturale di una molla:

Risonanza in un sistema a molla

La risonanza è un fenomeno meccanico importante e può verificarsi in molte applicazioni. È importante comprendere come si sviluppa la risonanza e l’impatto che essa ha sull’ottimizzazione delle prestazioni dei sistemi a molla. Nella progettazione, le frequenze naturali e le risonanze dei sistemi a molla sono di maggiore importanza quando si tratta delle conseguenze risultanti per la stabilità e la sicurezza di un’applicazione.

Una risonanza si verifica quando una forza esterna che agisce sul sistema a molla corrisponde alla frequenza naturale (intrinseca) di una molla. Una volta raggiunta questa frequenza, il sistema inizia a vibrare con la massima ampiezza possibile. Questa è chiamata risonanza.

Ipotizzando che un’applicazione sia costituita da un alimentatore a vibrazione montato su piedini regolabili a molla. In questo caso, può verificarsi un effetto di risonanza se la frequenza dell’alimentatore a vibrazione è vicina alla frequenza naturale dei piedini regolabili a molla. Questo effetto di risonanza potrebbe infine causare un ulteriore aumento dell’ampiezza delle vibrazioni dell’applicazione e la sua stabilità e sicurezza non vengono più fornite.

Gli effetti della risonanza nel sistema a molla possono essere molto gravi. Se il sistema a molla vibra troppo, può causare danni alla struttura o movimenti imprevedibili.

Si può quindi affermare che le risonanze nella costruzione dovrebbero essere generalmente evitate.

• Tutte le frequenze naturali non uguali = BUONA
• Tutte le frequenze naturali uguali = NON BUONA

Come si può prevenire la risonanza

Abbiamo già stabilito che la frequenza naturale è un fattore importante per il verificarsi di una risonanza indesiderata in un’applicazione. In che modo questa conoscenza può essere utilizzata nella pratica?

1. Determinare la frequenza delle vibrazioni dell’applicazione pianificata.

   La frequenza delle vibrazioni dell’applicazione deve essere nota come parte del progetto (ad es. dati tecnici dell’applicazione). Di conseguenza, è possibile selezionare molle idonee nei seguenti passaggi.

2. Determinare la frequenza naturale della molla desiderata.

   Inserendo una frequenza naturale idonea nell’equazione di vibrazione (si veda la formula di calcolo per la frequenza naturale), è possibile determinare costanti elastiche che sono idonee in considerazione della frequenza di vibrazione dell’applicazione pianificata.

3. Ulteriore smorzamento della vibrazione.

   In alcuni casi, può essere necessario smorzare ulteriormente le vibrazioni di una molla usando materiali di smorzamento (per esempio smorzatori in PU) per ridurre ulteriormente vibrazioni o rumori indesiderati. Un sistema a molla smorzata riduce le vibrazioni a un livello accettabile e aumenta la stabilità e la sicurezza dell’applicazione.

Quali altre misure esistono per smorzare le vibrazioni?

Un’opzione è quella di utilizzare una molla adatta per smorzare l’applicazione. Una molla può assorbire un movimento vibrante e convertirlo in energia termica, smorzando così la vibrazione. Questo principio viene spesso utilizzato nei veicoli in cui gli ammortizzatori realizzati con molle vengono utilizzati per ammortizzare le vibrazioni sulla strada.

Gli ammortizzatori sono un altro mezzo per smorzare le vibrazioni. A differenza delle molle, gli ammortizzatori convertono l’energia cinetica direttamente in energia termica, riducendo così l’estensione del movimento notevolmente più velocemente delle molle.

Un esempio più moderno di smorzatore efficace è uno smorzatore in PU (poliuretano). Questo tipo di materiale non solo assorbe le vibrazioni grazie alle sue proprietà elastiche come altri materiali, ma ha anche eccellenti proprietà di assorbimento degli urti e un’elevata resistenza all’abrasione e all’usura rispetto ai materiali in gomma convenzionali.