Mola (dispositivo) - Spring (device)

Molas helicoidais projetadas para tensão

Uma mola helicoidal de serviço pesado projetada para compressão e tensão

O arco longo inglês - uma mola simples, mas muito poderosa feita de teixo , medindo 2 m (6 pés 7 pol.) De comprimento, com um peso de tração de 470 N (105 lbf) , com cada membro funcionalmente uma mola cantilever.

Força (F) vs extensão (ões). Características da mola: (1) progressiva, (2) linear, (3) degressiva, (4) quase constante, (5) progressiva com joelho

Uma mola usinada incorpora vários recursos em uma peça de estoque de barras

Dispositivo militar de disparo de armadilha explosiva da URSS (normalmente conectado a um arame de disparo ) mostrando pino de disparo com mola

Uma mola é um objeto elástico que armazena energia mecânica . As molas são normalmente feitas de aço para molas . Existem muitos designs de molas. No uso diário, o termo geralmente se refere a molas helicoidais .

Quando uma mola convencional, sem características de variabilidade de rigidez, é comprimida ou esticada de sua posição de repouso, ela exerce uma força oposta aproximadamente proporcional à sua mudança no comprimento (esta aproximação quebra para deflexões maiores). A taxa ou constante de mola de uma mola é a mudança na força que ela exerce, dividida pela mudança na deflexão da mola. Ou seja, é o gradiente da curva de força versus deflexão . A taxa de uma extensão ou mola de compressão é expressa em unidades de força divididas pela distância, por exemplo ou N / m ou lbf / in. Uma mola de torção é uma mola que funciona por torção; quando é torcido em torno de seu eixo por um ângulo, ele produz um torque proporcional ao ângulo. A taxa de uma mola de torção é expressa em unidades de torque divididas pelo ângulo, como N · m / rad ou ft · lbf / grau. O inverso da taxa da mola é a complacência, ou seja: se uma mola tem uma taxa de 10 N / mm, ela tem uma complacência de 0,1 mm / N. A rigidez (ou taxa) das molas em paralelo é aditiva , assim como a flexibilidade das molas em série.

As molas são feitas de uma variedade de materiais elásticos, sendo o mais comum o aço para molas. As molas pequenas podem ser enroladas com material pré-endurecido, enquanto as maiores são feitas de aço recozido e endurecidas após a fabricação. Alguns metais não ferrosos também são usados, incluindo bronze de fósforo e titânio para peças que requerem resistência à corrosão e cobre-berílio para molas que transportam corrente elétrica (devido à sua baixa resistência elétrica).

História

Molas simples não enroladas foram usadas ao longo da história humana, por exemplo, o arco (e a flecha). Na Idade do Bronze, dispositivos de mola mais sofisticados foram usados, como mostrado pela disseminação de pinças em muitas culturas. Ctesibius de Alexandria desenvolveu um método para fazer bronze com características semelhantes às de mola, produzindo uma liga de bronze com uma proporção aumentada de estanho e, em seguida, endurecendo-a com um martelo depois de fundida.

As molas helicoidais surgiram no início do século XV, nas fechaduras das portas. Os primeiros relógios movidos a mola surgiram naquele século e evoluíram para os primeiros relógios grandes no século XVI.

Em 1676, o físico britânico Robert Hooke postulou a lei de Hooke , que afirma que a força que uma mola exerce é proporcional à sua extensão.

Tipos

Uma mola de torção em espiral, ou espiral , em um despertador .

Os contatos da bateria costumam ter uma mola variável

Uma mola voluta . Sob compressão, as bobinas deslizam umas sobre as outras, proporcionando assim um curso mais longo.

Molas volutas verticais do tanque Stuart

Seleção de várias molas de arco e sistemas de mola de arco (sistemas que consistem em molas de arco internas e externas).

A tensão surge em um dispositivo de reverberação de linha dobrada.

Uma barra de torção torcida sob carga

Folha de mola em um caminhão

As molas podem ser classificadas dependendo de como a força de carga é aplicada a elas:

• Mola de tensão / extensão - a mola é projetada para operar com uma carga de tensão , de modo que a mola estica conforme a carga é aplicada a ela.
• Mola de compressão - é projetada para operar com uma carga de compressão, de modo que a mola fica mais curta conforme a carga é aplicada a ela.
• Mola de torção - ao contrário dos tipos acima em que a carga é uma força axial, a carga aplicada a uma mola de torção é um torque ou força de torção e a extremidade da mola gira em um ângulo conforme a carga é aplicada.
• A carga sustentada por mola constante permanece a mesma durante todo o ciclo de deflexão
• Mola variável - a resistência da bobina à carga varia durante a compressão
• Mola de rigidez variável - a resistência da bobina à carga pode ser variada dinamicamente, por exemplo, pelo sistema de controle, alguns tipos dessas molas também variam seu comprimento, proporcionando capacidade de atuação também

Eles também podem ser classificados com base em sua forma:

• Mola plana - este tipo é feito de uma mola plana de aço .
• Mola usinada - este tipo de mola é fabricado pela usinagem de barra de aço com uma operação de torno e / ou fresamento em vez de uma operação de bobinagem. Por ser usinada, a mola pode incorporar recursos além do elemento elástico. As molas usinadas podem ser feitas nos casos de carga típicos de compressão / extensão, torção, etc.
• Mola serpentina - um zigue-zague de arame grosso - freqüentemente usada em estofados / móveis modernos.
• Mola liga - uma mola de aço em espiral conectada em cada extremidade para criar uma forma circular.

Os tipos mais comuns de mola são:

• Mola cantilever - uma mola plana fixada apenas em uma extremidade como um cantilever , enquanto a extremidade suspensa suporta a carga.
• Mola em espiral ou helicoidal mola - uma mola (feito por enrolamento de um arame em torno de um cilindro) pode ser de dois tipos:
  • As molas de tensão ou extensão são projetadas para se tornarem mais longas sob carga. Suas voltas (loops) normalmente se tocam na posição descarregada, e eles têm um gancho, olho ou algum outro meio de fixação em cada extremidade.
  • As molas de compressão são projetadas para ficarem mais curtas quando carregadas. Suas voltas (loops) não se tocam na posição descarregada e eles não precisam de pontos de fixação.
  • As molas de tubos ocos podem ser molas de extensão ou molas de compressão. O tubo oco é preenchido com óleo e os meios de alterar a pressão hidrostática dentro do tubo, como uma membrana ou pistão em miniatura, etc. para endurecer ou relaxar a mola, da mesma forma que acontece com a pressão da água dentro de uma mangueira de jardim. Alternativamente, a seção transversal da tubulação é escolhida de uma forma que muda sua área quando a tubulação é sujeita a deformação torcional - a mudança da área da seção transversal se traduz na mudança do volume interno da tubulação e o fluxo de óleo dentro / fora da mola que pode ser controlado por válvula, controlando assim a rigidez. Existem muitos outros projetos de molas de tubos ocos que podem alterar a rigidez com qualquer frequência desejada, alterar a rigidez em um múltiplo ou mover-se como um atuador linear, além de suas qualidades de mola.
• Mola em arco - uma mola de compressão helicoidal pré-curvada ou em forma de arco, que é capaz de transmitir um torque em torno de um eixo.
• Mola voluta - uma mola helicoidal de compressão em forma de cone para que sob compressão as bobinas não sejam forçadas umas contra as outras, permitindo assim um curso mais longo.
• Hairspring ou balance spring - uma delicada mola em espiral usada em relógios , galvanômetros e lugares onde a eletricidade deve ser transportada para dispositivos parcialmente giratórios, como volantes, sem prejudicar a rotação.
• Folha de mola - uma mola plana usada em suspensões de veículos, interruptores elétricose arcos .
• Mola em V - usada em mecanismos de armas de fogo antigos , como wheellock , pederneira e travas de percussão . Também mola de travamento de porta, como usado em mecanismos de trava de porta antigos.

Outros tipos incluem:

• Arruela Belleville ou mola Belleville - uma mola em forma de disco comumente usada para aplicar tensão a um parafuso (e também no mecanismo de iniciação de minas terrestres ativadas por pressão)
• Mola de força constante - uma fita firmemente enrolada que exerce uma força quase constante ao ser desenrolada
• Mola a gás - um volume de gás comprimido
• Ideal Spring - uma mola nocional usada em física - não tem perda de peso, massa ou amortecimento. A força exercida pela mola é proporcional à distância em que a mola é esticada ou comprimida de sua posição relaxada.
• Mainspring - uma mola em forma de fita em espiral usada como um reservatório de energia de mecanismos de relógio : relógios , relógios , caixas de música , brinquedos de cordae lanternas mecânicas
• Mola do negador - uma faixa de metal fina ligeiramente côncava na seção transversal. Quando enrolado adota uma seção transversal plana, mas quando desenrolado retorna à sua curva anterior, produzindo assim uma força constante ao longo do deslocamento e negando qualquer tendência para enrolar novamente. A aplicação mais comum é a régua de fita de aço retrátil.
• Molas helicoidais de taxa progressiva - Uma mola helicoidal com uma taxa variável, geralmente obtida por ter uma distância desigual entre as voltas de modo que, à medida que a mola é comprimida, uma ou mais bobinas repousam contra sua vizinha.
• Elástico - uma mola de tensão onde a energia é armazenada ao esticar o material.
• Mola anilha - usado para aplicar uma força de tensão constante ao longo do eixo de um fixador .
• Mola de torção - qualquer mola projetada para ser torcida em vez de comprimida ou estendida. Usado emsistemas de suspensão de veículos com barra de torção .
• Mola ondulada - qualquer uma das muitas molas em forma de onda, arruelas e expansores, incluindo molas lineares - todas geralmente feitas com arame plano ou discos que são marcados de acordo com termos industriais, geralmente por estampagem, em um padrão ondulado regular resultante em lobos curvilíneos. Também existem molas onduladas de arame redondo. Os tipos incluem arruela ondulada, mola ondulada de uma volta, mola ondulada multivoltas, mola ondulada linear, expansor marcel, mola ondulada entrelaçada e mola ondulada aninhada.

Física

Lei de Hooke

Desde que não seja esticada ou comprimida além de seu limite elástico , a maioria das molas obedece à lei de Hooke, que afirma que a força com a qual a mola empurra para trás é linearmente proporcional à distância de seu comprimento de equilíbrio:

${\ displaystyle F = -kx, \}$

Onde

x é o vetor de deslocamento - a distância e a direção em que a mola é deformada em relação ao seu comprimento de equilíbrio.

F é o vetor de força resultante - a magnitude e a direção da força de restauração que a mola exerce

k é a taxa , constante da mola ou constante de força da mola, uma constante que depende do material e da construção da mola. O sinal negativo indica que a força que a mola exerce está na direção oposta de seu deslocamento

As molas helicoidais e outras molas comuns geralmente obedecem à lei de Hooke. Existem molas úteis que não o fazem: molas baseadas na flexão da viga podem, por exemplo, produzir forças que variam de forma não linear com o deslocamento.

Se feitas com passo constante (espessura do fio), as molas cônicas têm uma taxa variável. No entanto, uma mola cônica pode ser feita para ter uma taxa constante criando a mola com um passo variável. Um passo maior nas bobinas de diâmetro maior e um passo menor nas bobinas de diâmetro menor força a mola a colapsar ou estender todas as bobinas na mesma taxa quando deformada.

Movimento harmônico simples

Uma vez que a força é igual à massa, m , vezes a aceleração, a , a equação da força para uma mola que obedece à lei de Hooke se parece com:

${\ displaystyle F = ma \ quad \ Rightarrow \ quad -kx = ma. \,}$

O deslocamento, x , em função do tempo. A quantidade de tempo que passa entre os picos é chamada de período .

A massa da mola é pequena em comparação com a massa da massa anexada e é ignorada. Uma vez que a aceleração é simplesmente a segunda derivada de x em relação ao tempo,

${\ displaystyle -kx = m {\ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}}. \,}$

Esta é uma equação diferencial linear de segunda ordem para o deslocamento em função do tempo. Reorganizando: ${\ displaystyle x}$

${\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} x} {dt ^ {2}}} + {\ frac {k} {m}} x = 0, \,}$

cuja solução é a soma de um seno e cosseno :

${\ displaystyle x (t) = A \ sin \ left (t {\ sqrt {\ frac {k} {m}}} \ right) + B \ cos \ left (t {\ sqrt {\ frac {k} { m}}} \ direita). \,}$

${\ displaystyle A}$e são constantes arbitrárias que podem ser encontradas considerando o deslocamento inicial e a velocidade da massa. O gráfico desta função com (posição inicial zero com alguma velocidade inicial positiva) é mostrado na imagem à direita. ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle B = 0}$

Dinâmica de energia

No movimento harmônico simples de um sistema de massa de mola, a energia irá flutuar entre a energia cinética e a energia potencial , mas a energia total do sistema permanece a mesma. Uma mola que obedece à Lei de Hooke com constante de mola k terá uma energia total do sistema E de:

${\ displaystyle E = \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) kA ^ {2}}$

Aqui, A é a amplitude do movimento ondulatório que é produzido pelo comportamento oscilante da mola.

A energia potencial U de tal sistema pode ser determinada através da constante da mola k e da massa anexada m :

${\ displaystyle U = \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) kx ^ {2}}$

A energia cinética K de um objeto em movimento harmônico simples pode ser encontrada usando a massa do objeto anexado m e a velocidade na qual o objeto oscila v :

${\ displaystyle K = \ left ({\ frac {1} {2}} \ right) mv ^ {2}}$

Uma vez que não há perda de energia em tal sistema, a energia é sempre conservada e, portanto:

${\ displaystyle E = K + U}$

Frequência e período

A frequência angular ω de um objeto em movimento harmônico simples, dada em radianos por segundo, é encontrada usando a constante de mola k e a massa do objeto oscilante m :

${\ displaystyle \ omega = {\ sqrt {\ frac {k} {m}}}}$

O período T , a quantidade de tempo para o sistema de massa da mola completar um ciclo completo, de tal movimento harmônico é dado por:

${\ displaystyle T = {\ frac {2 \ pi} {\ omega}} = 2 \ pi {\ sqrt {\ frac {m} {k}}}}$

A frequência f , o número de oscilações por unidade de tempo, de algo em movimento harmônico simples é encontrada tomando o inverso do período:

${\ displaystyle f = {\ frac {1} {T}} = {\ frac {\ omega} {2 \ pi}} = {\ frac {1} {2 \ pi}} {\ sqrt {\ frac {k } {m}}}}$

Teoria

Na física clássica , uma mola pode ser vista como um dispositivo que armazena energia potencial , especificamente energia potencial elástica , esticando as ligações entre os átomos de um material elástico .

A lei da elasticidade de Hooke afirma que a extensão de uma haste elástica (seu comprimento distendido menos seu comprimento relaxado) é linearmente proporcional à sua tensão , a força usada para esticá-la. Da mesma forma, a contração (extensão negativa) é proporcional à compressão (tensão negativa).

Essa lei realmente é válida apenas aproximadamente e apenas quando a deformação (extensão ou contração) é pequena em comparação com o comprimento total da haste. Para deformações além do limite elástico , as ligações atômicas são quebradas ou reorganizadas, e uma mola pode quebrar, entortar ou deformar permanentemente. Muitos materiais não têm limite elástico claramente definido e a lei de Hooke não pode ser aplicada de forma significativa a esses materiais. Além disso, para os materiais superelásticos, a relação linear entre força e deslocamento é apropriada apenas na região de baixa deformação.

A lei de Hooke é uma consequência matemática do fato de que a energia potencial da haste é mínima quando ela tem seu comprimento relaxado. Qualquer função suave de uma variável se aproxima de uma função quadrática quando examinada perto o suficiente de seu ponto mínimo, como pode ser visto examinando a série de Taylor . Portanto, a força - que é a derivada da energia em relação ao deslocamento - se aproxima de uma função linear .

Força da mola totalmente comprimida

${\ displaystyle F_ {max} = {\ frac {Ed ^ {4} (L-nd)} {16 (1+ \ nu) (Dd) ^ {3} n}} \}$

Onde

E - Módulo de Young

d - diâmetro do fio da mola

L - comprimento livre da mola

n - número de enrolamentos ativos

${\ displaystyle \ nu}$- coeficiente de Poisson

D - diâmetro externo da mola

Molas de comprimento zero

Suspensão LaCoste simplificada usando uma mola de comprimento zero

Comprimento da mola L vs gráfico da força F de molas comuns (+), de comprimento zero (0) e de comprimento negativo (-) com o mesmo comprimento mínimo L ₀ e constante de mola

"Mola de comprimento zero" é um termo para uma mola helicoidal especialmente projetada que exerceria força zero se tivesse comprimento zero; se não houvesse restrição devido ao diâmetro finito do fio de tal mola helicoidal, ela teria comprimento zero na condição não esticada. Ou seja, em um gráfico de linha da força da mola versus seu comprimento, a linha passa pela origem. Obviamente, uma mola helicoidal não pode se contrair até o comprimento zero, porque em algum ponto as bobinas se tocam e a mola não pode encurtar mais.

As molas de comprimento zero são feitas fabricando-se uma mola helicoidal com tensão incorporada (uma torção é introduzida no fio conforme ele é enrolado durante a fabricação. Isso funciona porque uma mola helicoidal "desenrola" à medida que se estica.), Portanto, se ela pudesse se contrair além disso, o ponto de equilíbrio da mola, o ponto em que sua força restauradora é zero, ocorre em um comprimento zero. Na prática, molas de comprimento zero são feitas pela combinação de uma mola de "comprimento negativo", feita com ainda mais tensão, de modo que seu ponto de equilíbrio seria em um comprimento "negativo", com um pedaço de material inelástico de comprimento adequado para o ponto de força zero ocorreria em comprimento zero.

Uma mola de comprimento zero pode ser fixada a uma massa em uma lança articulada de tal forma que a força na massa seja quase exatamente equilibrada pelo componente vertical da força da mola, qualquer que seja a posição da lança. Isso cria um "pêndulo" horizontal com período de oscilação muito longo . Pêndulos de longo período permitem que os sismômetros detectem as ondas mais lentas de terremotos. A suspensão LaCoste com molas de comprimento zero também é usada em gravímetros porque é muito sensível às mudanças na gravidade. As molas para fechar portas costumam ser feitas com comprimento aproximado de zero, de modo que exercem força mesmo quando a porta está quase fechada, para que possam mantê-la fechada com firmeza.

Usos

Veja também

• Amortecedor

Referências

Leitura adicional

• Sclater, Neil. (2011). "Dispositivos e mecanismos de mola e parafuso." Manual de Recursos de Mecanismos e Dispositivos Mecânicos. 5ª ed. Nova York: McGraw Hill. pp. 279–299. ISBN  9780071704427 . Desenhos e designs de vários mecanismos de mola e parafuso.
• Parmley, Robert. (2000). "Seção 16: Molas." Guia ilustrado de componentes mecânicos. Nova York: McGraw Hill. ISBN  0070486174 Desenhos, projetos e discussão de várias molas e mecanismos de mola.
• Diretor, Tim. (2021). “Bundy 2 Alto Saxophone.” Este saxofone é conhecido por ter as molas agulha tensionadas mais fortes que existem.

links externos

• Paredes, Manuel (2013). “Como projetar molas” . insa de toulouse . Página visitada em 13 de novembro de 2013 .
• Wright, Douglas. "Introdução às molas" . Notas sobre projeto e análise de elementos de máquina . Departamento de Engenharia Mecânica e de Materiais, University of Western Australia . Página visitada em 3 de fevereiro de 2008 .
• Silberstein, Dave (2002). "Como fazer molas" . Bazilhão. Arquivado do original em 18 de setembro de 2013 . Página visitada em 3 de fevereiro de 2008 .
• Molas com rigidez dinamicamente variável (patente)
• Smart Springs e suas combinações (patente)