Amortecimento
O amortecimento, ou atrito interno, é um fenômeno físico observado em sistemas mecânicos que experimentam a dissipação de energia mecânica sob a forma de calor, ruído, atrito viscoso, por histerese ou atrito seco.[1] A existência de pelo menos uma força não conservativa no sistema mecânico, realizando trabalho, implica uma perda de energia mecânica, portanto a ocorrência de amortecimento. É uma das propriedades mais sensíveis de materiais e estruturas, tanto em escala macro quanto microscópica, [2] sendo extremamente sensível à presença de trincas e micro-trincas.[3] O amortecimento determina a amplitude de vibração na ressonância em função do tempo e, o tempo de persistência da vibração após cessada a excitação.
A aplicação clássica do amortecimento está na construção civil, na análise de componentes e sistemas pertencentes à construção mecânica, como em automóveis e máquinas. É o amortecimento que garante a integridade de estruturas no caso de abalos sísmicos (sismo). Sua caracterização vem sendo utilizada também no estudo de concretos para avaliação do dano causado por choque térmico, por exemplo. [4] [5] A caracterização do amortecimento permite o monitoramento das trincas e micro-trincas que ocorrem no material e determinam sua vida útil. [6] [7]
Na engenharia mecânica, os efeitos indesejados das vibrações mecânicas por vezes é corrigido por um sistema de amortecimento permitindo a execução de um movimento das máquinas que não comprometa a curto prazo todos os componentes do projeto estrutural, garantindo a vida útil de peças, sobretudo daquelas que representam um custo mais elevado.
Tipos de amortecimento
editarO amortecimento de um sistema ou material pode ser classificado de três formas principais:
- Amortecimento viscoso: Amortecimento viscoso é o mecanismo de amortecimento mais comumente usado em análise de vibrações. Quando sistemas mecânicos vibram em um meio fluido como ar, gás, água e óleo a resistência oferecida pelo fluido ao corpo em movimento faz que a energia seja dissipada. Nesse caso, a quantidade de energia dissipada depende de muitos fatores como o tamanho e a forma do corpo em vibração, a viscosidade do fluido, a frequência de vibração e a velocidade do corpo em vibração. No amortecimento viscoso, a força de amortecimento é proporcional à velocidade do corpo vibratório.
- Amortecimento de Coulomb (atrito seco): Muitos sistemas mecânicos são modelados levando em conta o amortecimento de coulomb, comumente chamado de atrito seco, devido a sua simplicidade mecânica, além disso, muitas vezes em um sistema vibratório, os elementos entram em contato uns com os outros, reforçando a modelagem do atrito como interno ao sistema. Para este caso, a magnitude da força de amortecimento é constante e no sentido oposto ao movimento vibratório. Para um sistema com amortecimento de coulomb, temos as seguintes características: 1. A equação de movimento é não linear com amortecimento de coulomb, ao passo que é linear com amortecimento viscoso 2. A frequência natural do sistema permanece inalterada com a adição de amortecimento de Coulomb, ao passo que é reduzida com a adição de amortecimento viscoso. 3. O movimento é periódico com amortecimento de Coulomb, ao passo que pode ser não periódico em um sistema viscosamente amortecido (superamortecido). 4. O sistema entra em repouso após algum tempo com amortecimento de Coulomb, ao passo que teoricamente, o movimento continua para sempre (talvez com uma amplitude infinitesimalmente pequena) com amortecimento viscoso ou por histerese. 5. A amplitude é reduzida linearmente com amortecimento de Coulomb, ao passo que a redução é exponencial no amortecimento viscoso.
- Amortecimento histerético (sólido ou material): Quando um material é deformado, ele absorve e dissipa energia. O efeito deve-se ao atrito entre os planos internos, que deslizam ou escorregam enquanto as deformações ocorrem. Quando um corpo com amortecimento material é sujeito à vibração, o diagrama tensão-deformação mostra um ciclo de histerese. A área desse ciclo denota a energia perdida por unidade de volume do corpo por ciclo devido ao amortecimento.
Métodos de determinação
editarHá diversos métodos para determinação do amortecimento, os quais podem ser obtidos basicamente por dois caminhos:
- método do decremento logarítmico:
- método da largura de meia banda de potência
O método do decremento logarítmico leva em conta a duração da resposta do sistema a uma excitação transitória, uma excitação por impulso.
O decremento logarítmico é calculado a partir de um simples impulso provocado no sistema (em vibração livre) através da razão entre duas amplitudes sucessivas do sinal. O termo decremento logarítmico refere-se à taxa de redução logarítmica, relacionada com a redução do movimento após o impulso, pois a energia é transferida para outras partes do sistema ou é absorvida pelo próprio elemento. Este é o método mais utilizado para calcular o amortecimento. Quando um sistema oscilatório com um grau de liberdade, com amortecimento viscoso é excitado por um impulso, sua resposta vem na forma de decaimento no tempo.
Já o método da largura de meia banda de potência calcula o amortecimento através da análise da frequência do sinal oriundo da vibração, a partir da relação entre a largura de banda e a frequência central de uma ressonância.
Ambos os métodos consideram um modelo para os cálculos, normalmente o modelo de amortecimento viscoelástico. A escolha do método depende principalmente da faixa do amortecimento e da frequência de vibração. Equipamentos modernos utilizam softwares avançados em acordo com normas nacionais e internacionais para realizar os cálculos.
- ↑ Rao, Singiresu (2009). Vibrações Mecânica. [S.l.]: Pearson
- ↑ LAZAN, B.J. Damping of Materials and Members in Structural Mechanics. Oxford, USA: Pergamon Press, 1968.
- ↑ DIETERLE, R., BANCHMANN, H. Experiments and Models for the Damping Behaviour. International Association for Bridge and Structural Engineering Report of the Working Comissions, v. 34, p. 69-82, 1981.
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- ↑ KINERY, W.D. Factors Affecting Thermal Stress Resistance of Ceramic Materials. Journal of the American Ceramic Society, v. 38(1), p. 3-15, 1955.