¿Alguna vez se ha preguntado por qué vibran los puentes y los aviones en determinadas condiciones? Entender los distintos tipos de vibración -como la resonancia, el aleteo y el galopar- puede explicar estos fenómenos. Este artículo profundiza en siete tipos específicos, cada uno con causas y efectos únicos en las estructuras. Aprenderá cómo afectan estas vibraciones a los diseños de ingeniería y a las medidas de seguridad.
Cuando un sistema está sometido a una excitación externa, su amplitud de vibración forzada puede llegar a ser muy grande si la frecuencia de la excitación está próxima a una de las frecuencias naturales del sistema. Es lo que se denomina resonancia.
Los sistemas tienen muchas frecuencias naturales, pero solemos centrarnos en las frecuencias del rango inferior.
En física, la resonancia se refiere al fenómeno por el que dos objetos con la misma frecuencia de vibración provocan la vibración de un tercer objeto cuando uno de ellos vibra.
El término "resonancia" también se utiliza en mecánica para describir el fenómeno por el que un objeto produce sonido debido a la vibración en su frecuencia de resonancia.
Por ejemplo, cuando dos diapasones con la misma frecuencia se colocan uno cerca del otro, uno producirá sonido al vibrar y el otro también empezará a vibrar y a producir sonido.
La vibración de vórtice se refiere a la vibración causada por la alternancia del desprendimiento de vórtices tras el flujo alrededor de un cuerpo sólido bajo la influencia del viento medio.
El estudio de las vibraciones de vórtice en los puentes es un campo dentro de la aerodinámica.
La vibración de puentes inducida por vórtices es un tipo de vibración que presenta características de vibración autoexcitada y forzada, con amplitudes finitas.
Puede mantener constante la frecuencia inducida por el vórtice dentro de una amplia gama de velocidades del viento, lo que da lugar a un fenómeno de "bloqueo".
El cálculo de la amplitud finita de la resonancia inducida por vórtices de puente es un problema crucial pero difícil.
En la actualidad, no se ha desarrollado completamente una teoría exhaustiva para el análisis de las vibraciones de vórtice de los puentes, tanto a nivel nacional como internacional.
En la práctica, se utiliza una combinación de métodos semiteóricos y semiexperimentales para aproximar la amplitud de la resonancia inducida por vórtices.
El aleteo se refiere a un fenómeno de vibración autoexcitado causado por la interacción entre las fuerzas aerodinámicas y la elasticidad e inercia de la estructura. Es el resultado del acoplamiento entre el flujo y la estructura.
La amortiguación, por su parte, se refiere a la respuesta forzada de una estructura a fuerzas aerodinámicas periódicas causadas por condiciones de flujo no estacionario, como la separación del flujo y la interferencia de la capa límite de choque.
Por lo tanto, según la definición tradicional, el aleteo clásico es un tipo de vibración autoexcitada, mientras que el golpeteo es un tipo de vibración forzada.
También existe un fenómeno conocido como flameo en pérdida, que se produce con ángulos de ataque elevados.
Algunos expertos creen que este tipo de vibración estructural, que se caracteriza por fuertes condiciones de separación, coexiste con el flameo y las sacudidas.
La vibración en aeronaves se refiere a la vibración de los componentes de la aeronave debido a la excitación del flujo de aire separado o estela, haciendo que oscilen en su frecuencia natural.
Un ejemplo común de amortiguación es la amortiguación del ala de cola, que se produce cuando la cola se encuentra en la estela del ala, la junta del fuselaje u otros componentes. La perturbación en la estela hace que la cola vibre fuertemente.
Los ángulos de ataque elevados pueden hacer que un avión sea especialmente propenso al aleteo de cola, que ha sido la causa de graves accidentes en el pasado.
El ala también puede sufrir buffeting debido a la separación de su propio flujo de aire. En el rango transónico, la separación de la capa límite inducida por ondas de choque es otra causa importante de buffeting.
El buffeting impone límites al coeficiente de sustentación disponible y al número Mach de la aeronave. Para evitar el buffeting, se suele corregir la forma aerodinámica y se organiza adecuadamente la posición relativa entre la cola, el ala y el fuselaje.
El buffeting es una vibración aleatoria, pero es regular en el dominio de la frecuencia, y el pico principal de su espectro de potencia suele corresponder a la primera frecuencia natural.
Aunque las sacudidas no dañan inmediatamente la estructura de la aeronave, aumentan la tensión estructural, reduciendo la vida útil de la aeronave a la fatiga. También tiene un impacto negativo en el rendimiento aerodinámico, el sistema de armamento, los instrumentos y equipos mecánicos y electrónicos, así como en la comodidad de los pasajeros.
En casos graves, las sacudidas pueden hacer que el piloto pierda el control, poniendo en peligro la seguridad del vuelo y del piloto.
Por lo tanto, el buffeting se considera un factor importante en el diseño de aeronaves.
La sobretensión es una vibración anormal que se produce en un compresor de turbina, también conocido como compresor de paletas, cuando el caudal disminuye hasta un determinado nivel.
Los compresores centrífugos, que son un tipo de compresor de turbina, son especialmente vulnerables a las sobretensiones.
La aparición de sobretensiones está relacionada con las características de la maquinaria de fluidos y las tuberías. Cuanto mayor sea la capacidad del sistema de tuberías, más fuerte será la sobretensión y menor su frecuencia.
Las sobretensiones interrumpen el flujo regular del medio en el interior de la máquina, generan ruido mecánico, provocan fuertes vibraciones en sus componentes y aceleran el desgaste de rodamientos y juntas.
Si la sobretensión provoca resonancias en la tubería, la maquinaria y sus cimientos, puede tener graves consecuencias.
El galopamiento es un tipo de vibración que se produce en estructuras con secciones complejas e irregulares no lineales, como las cuadradas, rectangulares y otras formas similares.
La causa del galopamiento es que la curva de sustentación tiene una pendiente negativa, lo que crea un efecto de amortiguación negativo en la sustentación por aire, haciendo que la estructura absorba continuamente energía del exterior y forme una vibración divergente similar al aleteo.
En función del mecanismo de generación, el galopaje puede dividirse en dos tipos: galopaje de estela y galopaje de flujo cruzado.
El galopamiento de estela es una vibración inestable causada por la excitación de la estructura aguas abajo por el flujo que pasa por la fluctuación de la estructura delantera. Las estructuras como los cables de los puentes atirantados y los tirantes de los puentes colgantes son las más susceptibles al galopamiento de estela.
El galopamiento de flujo transversal es una vibración autoexcitada de flexión divergente causada por la pendiente negativa de la curva de sustentación. Esta pendiente negativa hace que el desplazamiento de la estructura se alinee con la dirección de la fuerza del aire durante la vibración, lo que provoca que la estructura absorba continuamente energía del exterior y provoque una vibración inestable.
El flujo transversal galopante suele producirse en estructuras ligeras flexibles con secciones angulares no lineales, como cables y tirantes en sistemas de puentes colgantes.
También existe la posibilidad de divergencia galopante en otras estructuras, como puentes de vigas de acero con una relación anchura-altura pequeña, puentes atirantados altos y flexibles de gran luz, torres de puentes colgantes y vigas principales de puentes de estructura continua de acero durante la fase de construcción en voladizo máximo.
La calle de vórtices es un fenómeno común en mecánica de fluidos que se observa a menudo en la naturaleza.
Cuando un flujo entrante constante pasa alrededor de objetos en determinadas condiciones, los vórtices con sentidos de rotación opuestos y disposición regular se desprenden periódicamente de ambos lados del objeto, formando una calle de vórtices Carmen tras una acción no lineal.
Por ejemplo, si el agua pasa junto a un muelle o el viento sopla junto a una torre, una chimenea o un cable eléctrico, se formará una calle de vórtices Carmen. El fenómeno debe su nombre a Carmen, que fue la primera en proponer su existencia.
Los destacados ingenieros mecánicos chinos Qian Xuesen, Guo Yonghuai y Qian Weichang han trabajado en el laboratorio de Carmen.
Si la frecuencia de desprendimiento alternativo de la calle del vórtice coincide con la frecuencia de la onda estacionaria acústica del objeto, se producirá la resonancia.
Muchos precalentadores y calderas industriales están compuestos por tubos circulares, y el fluido que fluye alrededor del tubo circular puede provocar el desprendimiento alternativo de la calle Carmen vortex para hacer vibrar la columna de gas en la caja del precalentador.
Si la frecuencia de desprendimiento alternativo de la calle del vórtice coincide con la frecuencia de la onda estacionaria acústica del objeto, puede provocar una resonancia acústica y hacer que la caja tubular vibre violentamente. En casos graves, el tambor de vibración de la caja tubular del precalentador puede volverse inestable o incluso romperse.
Para evitar daños en el equipo, las frecuencias naturales de la caja de tubos y del gas pueden ajustarse para escalonarlas con respecto a la frecuencia de desprendimiento de la calle Carmen vortex, evitando la resonancia.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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