فهم التخميد في الاهتزازات الميكانيكية

التعريف: ما هو التخميد؟

التخميد التخميد هو الظاهرة التي تتبدد بها طاقة الاهتزاز أو تتحول إلى أشكال أخرى، أهمها الحرارة، داخل نظام ديناميكي. إنها الآلية التي تُسبب تراجع الاهتزازات وتوقفها في النهاية بعد إزالة مصدر الإثارة. ببساطة، التخميد هو مقاومة الحركة التي تعمل ضد الاهتزاز. يمتلك كل نظام ميكانيكي في العالم الحقيقي مستوىً من التخميد؛ فبدونه، سيهتز الهيكل، بمجرد إثارته بتردده الطبيعي، بسعة هائلة لا نهائية.

الدور الحاسم للتخميد في ديناميكيات الماكينة

التخميد خاصية أساسية وهامة للغاية في الهندسة الميكانيكية وتحليل الاهتزازات. دوره الرئيسي هو: التحكم في سعة الاهتزاز عند الرنينعندما تقترب سرعة تشغيل الآلة من أحد تردداتها الطبيعية (السرعة الحرجة)، يكون التخميد هو العامل الوحيد الذي يحد من تزايد الاهتزاز إلى مستويات مدمرة. يستطيع النظام المُخمّد جيدًا تجاوز سرعة حرجة مع ذروة اهتزاز قابلة للتحكم، بينما قد يواجه النظام المُخمّد بشكل سيء عطلًا كارثيًا.

تشمل الفوائد الرئيسية للتخميد الكافي ما يلي:

• يمنع الرنين الكارثي: إنه الضمان الأساسي ضد الاهتزازات الجامحة عند السرعات الحرجة.
• تحسين استقرار النظام: في ديناميكيات الدوار، يساعد التخميد على منع الاهتزازات الذاتية مثل الدوامة الزيتية والاهتزازات.
• يقلل من وقت الاستقرار: إنه يسمح للنظام بالعودة إلى حالة التوازن بشكل أسرع بعد صدمة أو حدث عابر.
• يقلل من الضوضاء والتعب: من خلال تقليل مستويات الاهتزاز الإجمالية، يعمل التخميد على خفض إشعاع الضوضاء ويقلل من إجهاد التعب على المكونات الميكانيكية.

أنواع آليات التخميد

يمكن تبديد الطاقة بعدة طرق، مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من التخميد:

1. التخميد اللزج

هذا هو أكثر أنواع التخميد شيوعًا. يحدث عندما يتحرك جسم عبر سائل، وتتناسب قوة التخميد طرديًا مع سرعة الجسم. المثال الكلاسيكي على ذلك هو ممتص الصدمات في نظام تعليق السيارة. في الآلات الدوارة، طبقة زيتية في محامل الغشاء السائل يعد مصدرًا أساسيًا للتخميد اللزج وهو ضروري لاستقرار الدوارات عالية السرعة.

2. التخميد الهيكلي (التخميد الهستيري)

يحدث هذا النوع من التخميد نتيجة الاحتكاك الداخلي داخل المادة نفسها أثناء تشوهها. عند تعرض المادة لإجهاد دوري، تُفقد بعض الطاقة على شكل حرارة خلال كل دورة. ورغم صغر حجم هذا التخميد الداخلي، إلا أنه خاصية متأصلة في جميع المواد، ويمكن أن يكون له تأثير كبير في الهياكل المبنية ذات الوصلات والمثبتات المتعددة.

3. التخميد الكولومبي (الاحتكاك الجاف)

ينتج هذا التخميد عن الاحتكاك بين سطحين جافين يحتكان ببعضهما. قوة التخميد ثابتة وتعاكس اتجاه الحركة دائمًا. مثال على ذلك احتكاك وسادة الفرامل بدوارها.

4. التخميد الديناميكي الهوائي

هي المقاومة التي يُوفرها الهواء أو أي غاز آخر لجسم متحرك. وهي مهمة عادةً فقط للهياكل الكبيرة سريعة الحركة، مثل شفرات التوربينات أو مراوح الدفع.

كيف يتم قياس التخميد وتحديد كميته؟

غالبًا ما يكون من الصعب حساب التخميد من المبادئ الأولية، وعادةً ما يُحدَّد تجريبيًا. ويُقاس كميًا باستخدام عدة مصطلحات ذات صلة:

• نسبة التخميد (ζ – زيتا): أكثر المقاييس عديمة الأبعاد شيوعًا. وهي نسبة التخميد الفعلي في نظام ما إلى مقدار التخميد اللازم لتحقيق التخميد الحرج (العودة إلى حالة التوازن دون تذبذب). قد تتراوح نسبة التخميد في هيكل ميكانيكي نموذجي بين 0.01 و0.05 (1% إلى 5% من التخميد الحرج).
• عامل الجودة (Q): مقياس لمدى نقص التخميد في نظام ما. وهو يمثل تضخيم الاهتزاز عند الرنين. معامل Q المرتفع يعني انخفاض التخميد وذروة رنين حادة جدًا وعالية السعة. (Q ≈ 1 / 2ζ).
• التناقص اللوغاريتمي: طريقة لحساب نسبة التخميد من معدل اضمحلال الاهتزاز الحر، كما هو الحال أثناء اختبار "الرنين لأسفل" أو "الصدمة".

يعد تحديد وفهم مصادر التخميد في الآلة أمرًا بالغ الأهمية لاستكشاف مشكلات الرنين وضمان الاستقرار التشغيلي على المدى الطويل.

← العودة إلى الفهرس الرئيسي