Vibraciones mecánicas. Amortiguamiento por fricción seca

Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos

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Vibraciones mecánicas

Investigacion

Unidad 2

Apolinar Castillo Heriberto

22081445

6to semestre AC

19 – Marzo - 2025

INTRODUCCION

En el ámbito de la ingeniería y la industria, el control de las vibraciones y la disipación de energía no deseada es un aspecto clave para garantizar la estabilidad, la seguridad y el correcto funcionamiento de sistemas mecánicos y estructurales. Los sistemas de amortiguamiento desempeñan un papel fundamental en este proceso, ya que permiten reducir las oscilaciones generadas por fuerzas externas, minimizar el desgaste de componentes y mejorar la eficiencia operativa de diversas aplicaciones.

El amortiguamiento se presenta en múltiples formas, dependiendo del mecanismo mediante el cual se disipa la energía. Entre los tipos más relevantes se encuentran el amortiguamiento por fricción seca, el amortiguamiento material o sólido (histéresis) y el amortiguamiento por fluido. Cada uno de estos métodos posee características particulares que los hacen más adecuados para ciertos usos industriales, desde sistemas de suspensión en automóviles hasta la absorción de vibraciones en estructuras de gran escala.

El objetivo de esta investigación es explorar los principios fundamentales de los distintos tipos de amortiguamiento, analizando su funcionamiento, características y aplicaciones prácticas en distintos sectores. Comprender estos mecanismos permite a los ingenieros diseñar soluciones optimizadas que mejoren la vida útil de las estructuras y maquinarias, garantizando un desempeño eficiente y seguro.

AMORTIGUAMIENTO POR FRICCIÓN SECA

Concepto

El amortiguamiento por fricción seca es un tipo de disipación de energía mecánica que ocurre cuando dos superficies sólidas en contacto se deslizan o intentan deslizarse entre sí, generando una resistencia debida a la fricción. Este mecanismo convierte la energía mecánica en calor, reduciendo la amplitud de las vibraciones en sistemas mecánicos.

Definición

El amortiguamiento por fricción seca se define como el fenómeno de disipación de energía en el que la fuerza de fricción entre dos superficies en contacto se opone al movimiento relativo, atenuando la oscilación y estabilizando el sistema. Se caracteriza por una fuerza de amortiguamiento constante e independiente de la velocidad de desplazamiento.

Características

• No depende de la velocidad: A diferencia de otros tipos de amortiguamiento, la fuerza de fricción seca permanece constante y no varía con la velocidad del movimiento relativo.
• Generación de calor: La energía mecánica se disipa en forma de calor debido al roce entre las superficies en contacto.
• Puede producir desgaste: Con el tiempo, el contacto continuo entre las superficies puede generar desgaste y afectar la eficiencia del sistema.
• Respuesta no lineal: En muchos casos, la fricción seca introduce no linealidades en el comportamiento del sistema, lo que puede hacer más complejo su análisis matemático.
• Presente en conexiones mecánicas: Se encuentra en mecanismos donde existen piezas en contacto directo, como bisagras, pernos y cojinetes sin lubricación.

Ejemplos de Aplicación[pic 2]

1. Frenos de automóviles: El principio de fricción seca es la base del funcionamiento de los frenos de disco y tambor, donde las pastillas o zapatas presionan contra un rotor o tambor, generando resistencia y disipando la energía en forma de calor. 

1. Amortiguadores en estructuras: Algunas edificaciones y puentes utilizan dispositivos de amortiguamiento por fricción para reducir los efectos de vibraciones sísmicas y cargas dinámicas. [pic 3]
2. Sistemas de suspensión en maquinaria: Se utilizan en conexiones mecánicas de equipos industriales y vehículos todoterreno para reducir oscilaciones no deseadas. [pic 4]
3. Pernos y juntas en estructuras metálicas: En construcciones como torres y puentes, la fricción entre los pernos y placas contribuye a disipar la energía y reducir la transmisión de vibraciones.
4. Amortiguadores de puertas y muebles: En mecanismos de cierre lento, la fricción seca ayuda a controlar el movimiento para evitar impactos bruscos.

Este tipo de amortiguamiento es esencial en diversas aplicaciones mecánicas e industriales donde es necesario controlar el movimiento y reducir la transmisión de energía no deseada.

Amortiguamiento Material o Sólido (Histerésis)

Concepto

El amortiguamiento material, también conocido como amortiguamiento por histéresis, es el fenómeno en el que un material disipa energía mecánica en forma de calor cuando se somete a ciclos de carga y descarga. Esto ocurre debido a la deformación interna del material, que presenta una pérdida de energía durante cada ciclo de esfuerzo y relajación.

Definición

El amortiguamiento por histéresis se define como la disipación de energía dentro de un material debido a la repetición de cargas y descargas, lo que genera una curva de histéresis en la relación esfuerzo-deformación. Esta pérdida de energía se manifiesta en forma de calor, reduciendo la amplitud de las oscilaciones en estructuras y sistemas mecánicos.

Características

• Depende del material: La capacidad de amortiguamiento varía según la composición del material, su estructura interna y su capacidad de absorber deformaciones cíclicas.
• Energía disipada en cada ciclo: Durante cada ciclo de carga y descarga, el material no recupera toda la energía almacenada, lo que se traduce en una reducción progresiva de la vibración.
• No requiere contacto entre superficies: A diferencia del amortiguamiento por fricción seca, la disipación de energía ocurre dentro del material mismo y no por el roce entre piezas.
• Influye en la durabilidad del material: En algunos casos, la repetida disipación de energía puede generar fatiga en el material, afectando su vida útil.
• Se observa en materiales viscoelásticos y metálicos: Materiales como gomas, polímeros, aceros y aleaciones presentan amortiguamiento por histéresis en diferentes grados.

Ejemplos de Aplicación

1. Neumáticos de vehículos: La goma de los neumáticos experimenta amortiguamiento por histéresis al deformarse y recuperar su forma con cada giro, disipando energía y afectando la resistencia al rodado. [pic 5]

1. Sistemas de aislamiento sísmico: Algunos amortiguadores estructurales emplean materiales con alta histéresis para disipar energía sísmica y reducir el impacto de los terremotos en edificaciones. [pic 6]
2. Pavimentos y suelas de calzado: Los materiales poliméricos de pavimentos especiales y calzado deportivo absorben impactos mediante histéresis, proporcionando confort y reduciendo la transmisión de vibraciones.

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1. Componentes de maquinaria industrial: Piezas como engranajes y elementos estructurales de máquinas absorben parte de las vibraciones y cargas cíclicas mediante amortiguamiento interno, evitando daños prematuros.
2. Materiales en aeronáutica y automoción: Algunas aleaciones metálicas y compuestos avanzados se diseñan con propiedades de histéresis controladas para mejorar la resistencia a la fatiga y absorber impactos mecánicos.

El amortiguamiento por histéresis es crucial en el diseño de estructuras y mecanismos que requieren disipación de energía sin la necesidad de elementos externos de fricción o fluidos, mejorando la estabilidad y durabilidad de los sistemas.

Amortiguamiento por Fluido

Concepto

El amortiguamiento por fluido es un tipo de disipación de energía que se basa en la resistencia ejercida por un fluido cuando un objeto se mueve a través de él o lo desplaza dentro de un sistema cerrado. Este mecanismo se utiliza para reducir la velocidad de oscilaciones y movimientos, controlando la disipación de energía en sistemas mecánicos y estructurales.

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