Entendiendo la frecuencia natural

Definición: ¿Qué es una frecuencia natural?

A frecuencia natural Es la frecuencia específica a la que un objeto o sistema oscilará si se le altera de su posición de reposo y luego se le permite vibrar libremente sin ninguna fuerza externa. Es una propiedad inherente y fundamental del objeto, determinada enteramente por sus características físicas: su masa y su rigidez. Cada objeto físico, desde una cuerda de guitarra hasta un puente o la estructura de soporte de una máquina, tiene una o más frecuencias naturales.

La relación entre masa, rigidez y frecuencia natural

La relación entre estas tres propiedades es simple e intuitiva:

• Rigidez: Un objeto más rígido tiene una frecuencia natural *más alta*. Piensa en una cuerda de guitarra: al tensarla (aumentando su rigidez), se eleva el tono (la frecuencia).
• Masa: Un objeto más masivo tiene una frecuencia natural *más baja*. Piense en una regla colgada del borde de un escritorio: una regla más larga y pesada oscilará más lentamente (menor frecuencia) que una más corta y ligera.

Para un sistema simple de un solo grado de libertad, esta relación se describe mediante la fórmula:

Frecuencia natural (f_n) ∝ √(Rigidez / Masa)

Esto significa que para cambiar la frecuencia natural de un objeto, debes cambiar su rigidez o su masa (o ambas).

Frecuencia natural y resonancia: una conexión crítica

El concepto de frecuencia natural es de vital importancia en la ingeniería y el análisis de vibraciones debido a su vínculo directo con el fenómeno de resonancia.

La resonancia se produce cuando se aplica una fuerza externa periódica a un sistema a una frecuencia igual o muy cercana a una de sus frecuencias naturales. Cuando esto ocurre, el sistema absorbe la energía de la fuerza externa de forma muy eficiente, lo que provoca un aumento drástico de la amplitud de su vibración. La amortiguación es el único factor que impide que la amplitud crezca infinitamente.

Por eso es tan crucial comprender las frecuencias naturales:

• Predicción de problemas: Si conoce la velocidad de funcionamiento de una máquina y conoce las frecuencias naturales de su estructura de soporte, puede predecir si es probable que se produzca una condición de resonancia.
• Solución de problemas: Si una máquina vibra excesivamente, identificar sus frecuencias naturales es un paso clave para determinar si la resonancia es la causa.

– Cómo evitar el fracaso: Operar una máquina en resonancia puede provocar vibraciones extremas, alta tensión y, en última instancia, una falla catastrófica. El famoso colapso del puente Tacoma Narrows en 1940 fue un ejemplo dramático de resonancia.

¿Cómo se identifican las frecuencias naturales?

Las frecuencias naturales de una máquina o estructura normalmente se identifican utilizando uno de los siguientes métodos:

1. Prueba de impacto (o prueba de impacto)

Este es el método experimental más común. La máquina (sin funcionar) se golpea con un martillo de impacto instrumentado y la vibración resultante se mide con un acelerómetro. El golpe del martillo introduce un amplio rango de energía, y la estructura vibrará naturalmente a sus frecuencias naturales. Estas frecuencias se muestran como picos claros en el espectro FFT resultante.

2. Prueba de aceleración y desaceleración

En una cinta de correr, una prueba de aceleración o desaceleración puede identificar frecuencias naturales. A medida que cambia la velocidad de la máquina, cualquier fuerza de rotación (como el desequilibrio) recorrerá un rango de frecuencias. Si una de estas frecuencias cruza una frecuencia natural, la amplitud de la vibración mostrará un pico distintivo a esa velocidad. Esta es una forma común de determinar la frecuencia de un sistema. velocidades críticas.

3. Análisis de elementos finitos (FEA)

Durante la fase de diseño, los ingenieros utilizan modelos informáticos para calcular las frecuencias naturales teóricas de un componente o estructura incluso antes de su construcción. Esto les permite diseñar la estructura para evitar problemas de resonancia desde el principio.

Al identificar y comprender las frecuencias naturales de un sistema, los ingenieros pueden garantizar que la maquinaria funcione de manera segura y confiable, lejos de condiciones de resonancia dañinas.

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