Já se interrogou porque é que as pontes e os aviões vibram em determinadas condições? A compreensão dos diferentes tipos de vibração - como ressonância, vibração e galope - pode explicar estes fenómenos. Este artigo analisa sete tipos específicos, cada um com causas e efeitos únicos nas estruturas. Ficará a saber como estas vibrações afectam os projectos de engenharia e as medidas de segurança.
Quando um sistema é sujeito a uma excitação externa, a sua amplitude de vibração forçada pode tornar-se muito grande se a frequência da excitação estiver próxima de uma das frequências naturais do sistema. Esta situação é designada por ressonância.
Os sistemas têm muitas frequências naturais, mas normalmente concentramo-nos nas frequências da gama mais baixa.
Em física, a ressonância refere-se ao fenómeno em que dois objectos com a mesma frequência de vibração provocam a vibração de um terceiro objeto quando um deles vibra.
O termo "ressonância" é também utilizado em mecânica para descrever o fenómeno em que um objeto produz som devido à vibração na sua frequência de ressonância.
Por exemplo, quando dois diapasões com a mesma frequência são colocados perto um do outro, um deles produzirá som quando vibrar e o outro também começará a vibrar e a produzir som.
A vibração de vórtice refere-se à vibração causada pela alternância de derramamento de vórtice após o fluxo em torno de um corpo sólido sob a influência do vento médio.
O estudo da vibração de vórtices em pontes é um domínio da aerodinâmica.
A vibração de pontes induzida por vórtices é um tipo de vibração que tem características de vibração auto-excitada e forçada, com amplitudes finitas.
Pode manter constante a frequência induzida pelo vórtice numa vasta gama de velocidades do vento, resultando num fenómeno de "lock-on".
O cálculo da amplitude finita da ressonância induzida por vórtices de pontes é um problema crucial mas difícil.
Atualmente, não está ainda totalmente desenvolvida, tanto a nível nacional como internacional, uma teoria abrangente para a análise das vibrações de vórtice de pontes.
Na prática, é utilizada uma combinação de métodos semi-teóricos e semi-experimentais para aproximar a amplitude da ressonância induzida por vórtices.
Flutter refere-se a um fenómeno de vibração auto-excitado causado pela interação entre as forças aerodinâmicas e a elasticidade e inércia da estrutura. É o resultado do acoplamento entre o fluxo e a estrutura.
O amortecimento, por outro lado, refere-se à resposta forçada de uma estrutura a forças aerodinâmicas periódicas causadas por condições de escoamento instáveis, tais como a separação do escoamento e a interferência da camada limite de choque.
Por conseguinte, de acordo com a definição tradicional, a vibração clássica é um tipo de vibração auto-excitada, enquanto que a vibração de choque é um tipo de vibração forçada.
Existe também um fenómeno conhecido como "stall flutter", que ocorre em ângulos de ataque elevados.
Alguns peritos consideram que este tipo de vibração estrutural, que se caracteriza por fortes condições de separação, coexiste com a vibração e a turbulência.
O buffeting em aeronaves refere-se à vibração dos componentes da aeronave devido à excitação do fluxo de ar separado ou da esteira, fazendo-os oscilar na sua frequência natural.
Um exemplo comum de buffeting é o buffeting da asa da cauda, que ocorre quando a cauda está na esteira da asa, da junta da fuselagem ou de outros componentes. A perturbação na esteira faz com que a cauda vibre fortemente.
Ângulos de ataque elevados podem tornar uma aeronave particularmente propensa à vibração da cauda, que foi a causa de acidentes graves no passado.
A asa pode também sofrer turbulência devido à separação do seu próprio fluxo de ar. Na gama transónica, a separação da camada limite induzida por ondas de choque é outra causa importante de turbulência.
O buffeting impõe limites ao coeficiente de sustentação disponível e ao número Mach da aeronave. Para evitar o "buffeting", a forma aerodinâmica é normalmente corrigida e a posição relativa entre a cauda, a asa e a fuselagem é corretamente organizada.
O buffeting é uma vibração aleatória, mas é regular no domínio da frequência, e o pico principal do seu espetro de potência corresponde normalmente à primeira frequência natural.
Embora a turbulência não danifique imediatamente a estrutura da aeronave, aumenta a tensão estrutural, reduzindo a vida à fadiga da aeronave. Tem também um impacto negativo no desempenho aerodinâmico, no sistema de armas, nos instrumentos e equipamentos mecânicos e electrónicos, bem como no conforto dos passageiros.
Em casos graves, a turbulência pode fazer com que o piloto perca o controlo, pondo em risco a segurança do voo e do piloto.
Por conseguinte, a turbulência é considerada um fator importante na conceção de aeronaves.
A sobretensão é uma vibração anormal que ocorre num compressor de turbina, também conhecido como compressor de palhetas, quando o caudal diminui até um determinado nível.
Os compressores centrífugos, que são um tipo de compressor de turbina, são particularmente vulneráveis a sobretensões.
A ocorrência de sobretensões está relacionada com as características das máquinas e condutas de fluidos. Quanto maior for a capacidade do sistema de condutas, mais forte será a sobretensão e menor será a sua frequência.
A sobretensão perturba o fluxo regular do fluido no interior da máquina, cria ruído mecânico, provoca fortes vibrações nos seus componentes e acelera o desgaste dos rolamentos e vedantes.
Se a sobretensão provocar ressonância na conduta, na maquinaria e na sua fundação, pode ter consequências graves.
O galope é um tipo de vibração que ocorre em estruturas com secções complexas e irregulares não sujeitas a correntes, tais como formas quadradas, rectangulares e outras formas semelhantes.
A causa do galope é que a curva de elevação tem uma inclinação negativa, o que cria um efeito de amortecimento negativo na elevação do ar, fazendo com que a estrutura absorva continuamente a energia do exterior e forme uma vibração divergente semelhante à vibração.
Com base no mecanismo de geração, o galope pode ser dividido em dois tipos: galope de esteira e galope de fluxo cruzado.
O galope de esteira é uma vibração instável causada pelo facto de a estrutura a jusante ser excitada pelo fluxo que passa pela flutuação da estrutura da frente. As estruturas como os cabos das pontes estaiadas e os suspensores das pontes suspensas são as mais susceptíveis ao galgamento de esteira.
O galope de fluxo cruzado é uma vibração auto-excitada de flexão divergente causada pela inclinação negativa da curva de elevação. Esta inclinação negativa faz com que o deslocamento da estrutura se alinhe com a direção da força do ar durante a vibração, fazendo com que a estrutura absorva continuamente a energia do exterior e resulte em vibração instável.
O galope de fluxo cruzado ocorre tipicamente em estruturas leves flexíveis com secções angulares não alinhadas com a corrente, tais como cabos e suspensões em sistemas de pontes suspensas.
Existe também a possibilidade de divergência galopante noutras estruturas, tais como pontes metálicas de vigas com uma pequena relação largura/altura, pontes estaiadas de cabos de grande vão e flexíveis, torres de pontes suspensas e vigas principais de pontes contínuas de estrutura metálica durante a fase de construção de consola máxima.
A rua de vórtices é um fenómeno comum na mecânica dos fluidos que é frequentemente observado na natureza.
Quando um fluxo constante de entrada passa em torno de objectos sob certas condições, vórtices com direcções de rotação opostas e arranjos regulares serão periodicamente libertados de ambos os lados do objeto, formando uma rua de vórtices Carmen após ação não linear.
Por exemplo, se a água passar por um cais ou se o vento passar por uma torre, chaminé ou fio elétrico, forma-se uma rua de vórtice de Carmen. O fenómeno tem o nome de Carmen, que foi quem primeiro propôs a sua existência.
Os proeminentes engenheiros mecânicos chineses Qian Xuesen, Guo Yonghuai e Qian Weichang trabalharam todos no laboratório Carmen.
Se a frequência alternada da rua de vórtices coincidir com a frequência da onda acústica estacionária do objeto, ocorrerá ressonância.
Muitos pré-aquecedores industriais e caldeiras são compostos por tubos circulares, e o fluido que flui em torno do tubo circular pode causar o derramamento alternado da rua de vórtice de Carmen para vibrar a coluna de gás na caixa do pré-aquecedor.
Se a frequência alternada de derramamento da rua de vórtice coincidir com a frequência da onda estacionária acústica do objeto, pode causar ressonância acústica e fazer com que a caixa de tubos vibre violentamente. Em casos graves, o tambor de vibração da caixa de tubos do pré-aquecedor pode tornar-se instável ou mesmo partir-se.
Para evitar danos no equipamento, as frequências naturais da caixa de tubos e do gás podem ser ajustadas de modo a serem escalonadas em relação à frequência de derramamento da rua Carmen vortex, evitando ressonâncias.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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