Você já se perguntou por que as pontes e as aeronaves vibram sob determinadas condições? A compreensão dos diferentes tipos de vibração - como ressonância, vibração e galope - pode explicar esses fenômenos. Este artigo se aprofunda em sete tipos específicos, cada um com causas e efeitos exclusivos nas estruturas. Você aprenderá como essas vibrações afetam os projetos de engenharia e as medidas de segurança.
Quando um sistema é submetido a uma excitação externa, sua amplitude de vibração forçada pode se tornar muito grande se a frequência da excitação estiver próxima de uma das frequências naturais do sistema. Isso é chamado de ressonância.
Os sistemas têm muitas frequências naturais, mas geralmente nos concentramos nas frequências da faixa inferior.
Na física, a ressonância refere-se ao fenômeno de dois objetos com a mesma frequência de vibração que causam a vibração de um terceiro objeto quando um deles vibra.
O termo "ressonância" também é usado em mecânica para descrever o fenômeno em que um objeto produz som devido à vibração em sua frequência de ressonância.
Por exemplo, quando dois diapasões com a mesma frequência são colocados próximos 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 campo da aerodinâmica.
A vibração induzida por vórtice de pontes é um tipo de vibração que tem características de vibração autoexcitada e forçada, com amplitudes finitas.
Ele pode manter a frequência induzida pelo vórtice constante em uma ampla faixa de velocidades de vento, resultando em um fenômeno de "travamento".
O cálculo da amplitude finita da ressonância induzida pelo vórtice da ponte é um problema crucial, mas desafiador.
Atualmente, uma teoria abrangente para a análise de vibrações de vórtices de pontes ainda não foi totalmente desenvolvida, tanto em nível nacional quanto internacional.
Na prática, uma combinação de métodos semi-teóricos e semi-experimentais é usada para aproximar a amplitude da ressonância induzida por vórtice.
Flutter refere-se a um fenômeno de vibração autoexcitado 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 fluxo instáveis, como a separação do fluxo e a interferência da camada limite de choque.
Portanto, de acordo com a definição tradicional, a vibração clássica é um tipo de vibração autoexcitada, enquanto o buffeting é um tipo de vibração forçada.
Há também um fenômeno conhecido como stall flutter, que ocorre em altos ângulos de ataque.
Alguns especialistas acreditam que esse tipo de vibração estrutural, caracterizado por fortes condições de separação, coexiste com a vibração e o buffeting.
O buffeting em aeronaves refere-se à vibração dos componentes da aeronave devido à excitação do fluxo de ar separado ou da esteira, fazendo com que eles oscilem em seus 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. O distúrbio na esteira faz com que a cauda vibre fortemente.
Altos ângulos de ataque podem tornar uma aeronave particularmente propensa à vibração da cauda, que foi a causa de acidentes graves no passado.
A asa também pode sofrer buffeting devido à separação de seu próprio fluxo de ar. Na faixa transônica, a separação da camada limite induzida por ondas de choque é outra causa importante de buffeting.
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 adequadamente organizada.
O buffeting é uma vibração aleatória, mas é regular no domínio da frequência, e o pico principal de seu espectro de potência geralmente corresponde à primeira frequência natural.
Embora o buffeting não danifique imediatamente a estrutura da aeronave, ele aumenta o estresse estrutural, reduzindo a vida útil da aeronave. Ele também tem um impacto negativo no desempenho aerodinâmico, no sistema de armas, nos instrumentos e equipamentos mecânicos e eletrônicos, bem como no conforto dos passageiros.
Em casos graves, o buffeting pode fazer com que o piloto perca o controle, colocando em risco a segurança do voo e do piloto.
Portanto, o buffeting é considerado um fator importante no projeto da aeronave.
Surto é uma vibração anormal que ocorre em um compressor de turbina, também conhecido como compressor de palhetas, quando o fluxo diminui até um determinado nível.
Os compressores centrífugos, que são um tipo de compressor de turbina, são particularmente vulneráveis a surtos.
A ocorrência de surtos está relacionada às características do maquinário e das tubulações de fluido. Quanto maior for a capacidade do sistema de tubulação, mais forte será o surto e menor será sua frequência.
O surto interrompe o fluxo regular do meio dentro da máquina, cria ruído mecânico, causa forte vibração de seus componentes e acelera o desgaste de rolamentos e vedações.
Se o surto causar ressonância na tubulação, no maquinário e em sua fundação, isso pode resultar em consequências graves.
O galope é um tipo de vibração que ocorre em estruturas com seções complexas e irregulares sem linha de fluxo, como quadradas, retangulares 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 fato de a estrutura a jusante ser excitada pelo fluxo que passa pela flutuação da estrutura dianteira. Estruturas como os cabos de pontes estaiadas e os suspensores de pontes suspensas são mais suscetíveis ao galope de esteira.
O galope de fluxo cruzado é uma vibração autoexcitada de flexão divergente causada pela inclinação negativa da curva de elevação. Essa 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 normalmente em estruturas leves e flexíveis com seções angulares sem linha de fluxo, como cabos e suspensões em sistemas de pontes suspensas.
Há também a possibilidade de divergência galopante em outras estruturas, como pontes de aço com viga com uma pequena relação largura/altura, pontes estaiadas de cabo de longo alcance altas e flexíveis, torres de pontes suspensas e vigas principais de pontes contínuas de estrutura de aço durante o estágio de construção de cantilever máximo.
A rua de vórtices é um fenômeno comum na mecânica de fluidos que é frequentemente observado na natureza.
Quando um fluxo de entrada constante passa ao redor de objetos sob certas condições, vórtices com direções rotacionais opostas e arranjos regulares serão periodicamente liberados de ambos os lados do objeto, formando uma rua de vórtices Carmen após uma ação não linear.
Por exemplo, se a água passar por um píer ou o vento soprar em uma torre, chaminé ou fio elétrico, será formada uma rua de vórtice de Carmen. O fenômeno recebeu esse nome em homenagem a Carmen, que foi a primeira a propor sua existência.
Os proeminentes engenheiros mecânicos chineses Qian Xuesen, Guo Yonghuai e Qian Weichang trabalharam no laboratório Carmen.
Se a frequência alternada de derramamento da rua de vórtices coincidir com a frequência da onda estacionária acústica do objeto, ocorrerá a ressonância.
Muitos pré-aquecedores e caldeiras industriais são compostos de tubos circulares, e o fluido que flui ao redor do tubo circular pode fazer com que o desprendimento alternado da rua de vórtices de Carmen vibre 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, isso pode causar ressonância acústica e fazer com que a caixa de tubos vibre violentamente. Em casos graves, o tambor de vibração da caixa tubular do pré-aquecedor pode se tornar instável ou até mesmo quebrar.
Para evitar danos ao equipamento, as frequências naturais da caixa de tubulação e do gás podem ser ajustadas para se distanciarem da frequência de derramamento da rua Carmen vortex, evitando ressonância.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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