Compreendendo a ressonância em sistemas mecânicos

Definição: O que é ressonância?

Ressonância é um fenômeno físico que ocorre quando um sistema é submetido a uma força periódica em uma frequência que corresponde a uma de suas próprias frequências naturais. Quando essa correspondência de frequência ocorre, o sistema começa a vibrar com amplitudes extremamente grandes. A energia da força de entrada é transferida para o sistema de forma muito eficiente, fazendo com que a vibração aumente drasticamente. O único fator que limita a amplitude na ressonância é a amortecimento.

A ligação entre frequência natural e ressonância

Para entender a ressonância, você precisa primeiro entender a frequência natural. Todo objeto físico possui um conjunto de frequências naturais nas quais vibrará se perturbado. Estas são determinadas por sua massa e rigidez. Ressonância é o que acontece quando você "empurra" continuamente o objeto exatamente na mesma taxa que uma de suas frequências naturais.

Uma analogia clássica é empurrar uma criança em um balanço:

• O balanço, com a criança nele, tem uma frequência natural específica baseada no comprimento das cordas (rigidez) e na massa da criança.
• Se você der um único empurrão no balanço, ele oscilará em sua frequência natural e eventualmente parará devido ao amortecimento (resistência do ar e atrito).
• Se você cronometrar seus impulsos para corresponder perfeitamente à frequência natural do swing, cada impulso adiciona mais energia ao sistema, e o swing fica cada vez mais alto. Isso é ressonância.
• Se você empurrar na frequência errada (muito rápido ou muito devagar), seus empurrões ficarão fora de sincronia com o movimento do swing, e você não conseguirá construir uma grande amplitude.

Por que a ressonância é um problema em máquinas?

Em máquinas rotativas, a ressonância é uma condição altamente destrutiva e perigosa. O "empurrão" é fornecido por qualquer força periódica gerada pela operação da máquina, como desequilíbrio, desalinhamento ou forças de passagem da lâmina. Se a frequência de uma dessas forças se alinhar com a frequência natural do rotor, fundação, estrutura de suporte ou tubulação conectada à máquina, as consequências podem ser graves:

• Níveis extremos de vibração: As amplitudes podem ser amplificadas 10, 50 ou até centenas de vezes, dependendo da quantidade de amortecimento.
• Altas tensões dinâmicas: As grandes deflexões causam imenso estresse nos componentes, levando à fadiga rápida.
• Falha catastrófica: A ressonância pode causar eixos rachados, rolamentos com defeito, soldas quebradas e falha estrutural completa em um período muito curto de tempo.
• Ruído excessivo: Os altos níveis de vibração irradiam como ruído alto e muitas vezes tonal.

Sintomas e Identificação de Ressonância

A ressonância tem um conjunto muito distinto de sintomas que ajudam no seu diagnóstico:

• Vibração altamente direcional: A vibração é normalmente muito maior em uma direção (por exemplo, horizontal) do que em outras.
• Pico acentuado de vibração vs. velocidade: A vibração só é alta dentro de uma faixa de velocidade muito estreita. À medida que a máquina acelera ou desacelera além desse ponto, a vibração cai drasticamente.
• Uma mudança de fase de 180 graus: À medida que a velocidade da máquina passa pela frequência de ressonância, a fase da vibração muda 180 graus. Esta é uma confirmação definitiva da ressonância.
• Difícil de equilibrar: Tentar balancear um rotor que está operando em ressonância costuma ser ineficaz ou pode até piorar o problema. Os pesos de correção de balanceamento serão anormalmente grandes ou pequenos, e a vibração pode se deslocar para um local diferente.

A ressonância é confirmada experimentalmente usando um teste de impacto (ou colisão) para identificar as frequências naturais da estrutura, ou realizando uma teste de aceleração/desaceleração para observar as mudanças de amplitude e fase à medida que a máquina passa pela ressonância suspeita.

Como resolver um problema de ressonância

Como a ressonância é um problema de correspondência de frequência, a solução sempre envolve a alteração da frequência do “empurrador” ou do “empurrado”:

1. Alterar a frequência de força: Isso geralmente significa alterar a velocidade de operação da máquina. Esta é a solução mais simples, se possível.
2. Alterar a frequência natural: Esta é a solução mais comum.
   • Para aumentar a frequência natural, você deve aumentar a rigidez do componente ressonante (por exemplo, adicionando uma cinta ou um reforço).
   • Para diminuir a frequência natural, você pode diminuir a rigidez ou adicionar massa para o componente.
3. Adicionar amortecimento: Em alguns casos em que as frequências não podem ser alteradas, adicionar amortecimento (por exemplo, com materiais viscoelásticos ou amortecedores especializados) pode reduzir a amplitude do pico ressonante a um nível aceitável.

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