Damping
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Damping
Las vibraciones excesivas o los sonidos fuertes provocan sordera o reducción de la eficiencia de las personas, desperdicio de energía y fallas por fatiga de las máquinas/estructuras. Por lo tanto, las vibraciones no deseadas deben amortiguarse. El sonido es creado por las fluctuaciones de presión en el medio debido a la vibración (oscilación) de un objeto. La vibración es un fenómeno deseable ya que origina el sonido. Sin embargo, la vibración continua es dañina para las máquinas y las estructuras, ya que genera un desperdicio de energía y provoca fallas por fatiga. A veces, la vibración es una molestia, ya que crea ruido, y la exposición a un sonido fuerte provoca sordera o reduce la eficiencia de las personas. Por lo que es fundamental reducir el exceso de vibraciones y ruidos. Podemos imaginar lo ruidoso e irritante que sería arrastrar una silla de acero por el suelo. Pero cuando fijamos un pequeño casquillo de goma en cada pata de la silla, reduce el ruido y facilita el movimiento suave. De manera similar, los soportes del motor en los automóviles ayudan a reducir las vibraciones generadas por el motor. Varios componentes metálicos de los vehículos están unidos con caucho para cumplir el mismo propósito.Amortiguación viscosa y amortiguación histerética
En los ejemplos anteriores, la amortiguación en caucho reduce tanto la vibración como el sonido. El amortiguamiento reduce la amplitud de las oscilaciones o evita las oscilaciones en un sistema mediante un mecanismo que se opone a los cambios en él. Cuando se aplica una fuerza oscilante externa a un material/estructura, se produce amortiguamiento por disipación de energía mecánica, es decir, transformación de energía mecánica en otras formas de energía, como calor. Por tanto, el amortiguamiento representa la capacidad de absorción de energía. Existen diferentes tipos de amortiguamiento: amortiguamiento coulombiano, viscoso e histerético. El amortiguamiento de Coulomb es causado por la fricción cinética entre superficies deslizantes secas o insuficientemente lubricadas. Si el calor se disipa debido al movimiento de los cuerpos en un medio líquido, se denomina amortiguamiento viscoso en el que la fuerza de amortiguamiento es proporcional a la velocidad, por ejemplo, los amortiguadores de los automóviles. La capacidad de amortiguamiento viscoso se caracteriza por la relación de amortiguamiento. Pero cuando un sólido se deforma, el calor se disipa por fricción interna (histéresis). Esto se denomina amortiguamiento histerético (sólido), por ejemplo, productos de caucho de ingeniería utilizados para el aislamiento de vibraciones. En griego, histéresis significa 'deficiencia' o 'retraso'. Durante la carga cíclica de un sólido, la relación entre tensión y deformación es no lineal y diferente. El área del ciclo de histéresis resultante representa la pérdida de energía. Los materiales duros como los metales no muestran histéresis bajo una carga moderada, mientras que los materiales blandos como las gomas muestran una gran histéresis. El amortiguamiento histerético se caracteriza por la tangente de pérdidas, tan delta. Amortiguadores pasivos y activos: los metales necesitan un amortiguador para reducir la vibración del sistema.
Hay dos tipos de amortiguadores de vibraciones: pasivos y activos
Los absorbentes pasivos no controlan ni reaccionan a las vibraciones no deseadas. Estos pueden formarse de diferentes formas: por adición de una masa (masa amortiguadora), por propiedades de histéresis debidas a la estructura molecular (amortiguación del material), por fricción/rozamiento/impacto en las juntas y soportes estructurales (amortiguación estructural). Las vibraciones también se pueden cancelar como en el caso de un amortiguador dinámico montado en caucho. El absorbedor activo utiliza algunos medios externos, como un actuador para la amortiguación. Es más efectivo ya que monitorea las vibraciones y las reproduce fuera de fase para cancelar las vibraciones. Esto se puede lograr utilizando materiales piezoeléctricos inversos. La capacidad de amortiguamiento está influenciada por muchos factores, como la naturaleza del material, el módulo, la frecuencia, la temperatura y defectos como dislocaciones y límites de fase. En materiales elásticos (metales/cerámicas), el amortiguamiento se produce principalmente por defectos y fisuras. Pero el amortiguamiento es el indicador más sensible de transiciones moleculares y heterogeneidades estructurales en polímeros (plásticos y cauchos). Muchas propiedades mecánicas, como la vida a la fatiga, la tenacidad, el desgaste y el coeficiente de fricción, están íntimamente relacionadas con la amortiguación. Varios factores pueden influir en la amortiguación en los polímeros, a saber, la viscoelasticidad, el fenómeno de transición vítrea, la presencia de rellenos (ingredientes compuestos), etc.
Viscoelasticidad y la transición vítrea
La viscoelasticidad y la transición vítrea son dos factores importantes que influyen en la amortiguación de vibraciones de los polímeros. Entre los polímeros, los cauchos exhiben una mayor capacidad de amortiguación en comparación con los plásticos. Los cauchos reducen la vibración y el sonido, mientras que los metales irradian sonido. La propiedad de amortiguación de los cauchos se utiliza en productos como amortiguadores de vibraciones, amortiguadores, cojinetes de puente, amortiguadores sísmicos, etc. En un polímero bajo compresion, una parte del estrés se usa para almacenar energía (la parte elástica), mientras que la parte restante se disipa en calor (el efecto viscoso). La diferencia entre estas cantidades es la energía disipada, también llamada trabajo de histéresis. La histéresis, también se llama fricción interna del elastómero, significa la conversión de energía mecánica en térmica, cuando se carga y se descarga. Cuanto más blando sea el elastómero, menor será su eficiencia para absorber energía mecánica, a través de su conversión en energía térmica. La conversión de energía mecánica en energía térmica es menos eficiente a altas temperaturas. La histéresis es evidente en un diagrama de esfuerzo-deformación, que muestra un ciclo completo de carga y descarga.
En varios aspectos, la amortiguación es importante para las propiedades prácticas:
tensión: si ocurre a ciertas temperaturas y frecuencias, puede contribuir a una mejor resistencia al impacto.
- Es, por supuesto, una propiedad predominante en dispositivos de amortiguación de vibraciones
- La amortiguación es responsable de la disipación de calor en condiciones de fatiga: el aumento de temperatura puede causar cambios drásticos en las propiedades del material
- El consumo de energía durante la deformación repetida, por ejemplo en neumáticos, se rige por la amortiguación
- La fricción de un neumático en la carretera también depende en gran medida de las propiedades de amortiguación del caucho
El caucho de butilo tiene una amortiguación extremadamente alta; el rebote de una bola que cae no es más del 10 o 20%, mientras que con esta última se alcanza el 80 o 90%. Un neumático de automóvil con una banda de rodadura de caucho butílico tendría un agarre excepcionalmente bueno en la carretera, pero en muy poco tiempo alcanza una temperatura intolerablemente alta. Una banda de rodadura BR, por el contrario, apenas se calienta, pero hace que el automóvil sea prácticamente inmanejable. Al mezclar con otros cauchos (NR o SBR) se puede llegar a un compromiso. Casi siempre SBR se usa en bandas de rodadura de neumáticos para turismos; Este caucho muestra un equilibrio favorable entre la acumulación de calor (h.b.u.) y el agarre. Se están realizando esfuerzos continuos para obtener mejoras adicionales en ambas direcciones, lo que, a primera vista, parece implicar una contradicción. La clave para alcanzar una mejora es el hecho de que los dos mecanismos de amortiguación tienen lugar a frecuencias muy diferentes; la generación de calor se rige por la amortiguación en la frecuencia de rotación de la rueda, pero para la fricción son relevantes frecuencias mucho más altas, es decir, aquellas en las que los elementos de volumen en mm minuto vibran cuando están en contacto con la superficie de la carretera. El problema es, por lo tanto, influir en la amortiguación en estos dos rangos de frecuencia independientemente uno del otro.Las frecuencias de fricción son tan altas que ya nos acercamos al pico en la transición vidrio-caucho, Tg. Tg puede ser elegido a voluntad; para un SBR normal es de aproximadamente –65 ° C; Un SBR con un mayor contenido de estireno muestra una Tg más alta y, por lo tanto, una mayor amortiguación y una mejor fricción. Sin embargo, el cambio del pico también da como resultado un hbu más alto. La magnitud de tan δ a temperaturas considerablemente más altas que Tg, apenas depende de T, pero se rige principalmente por la perfección de la red, en particular por el número de holguras extremos de la cadena Estos no contribuyen a la coherencia de la red, pero su movilidad libre da lugar a la amortiguación. Por lo tanto, ambos objetivos podrían alcanzarse mediante un ligero aumento de Tg (por una mayor fracción de estireno), así como una reducción del número de extremos de la cadena. Esto último, en principio, se puede lograr mediante:[image:image-2]
- mayor masa molar, si es admisible para la procesabilidad
- distribución de masa molar más estrecha (mayor —Mn)
- cadenas sin ramificación alguna
- grupos finales con cierta interacción entre ellos
- grupos finales que reaccionan específicamente con azufre
Desarrollos recientes están en otra dirección, concretamente en la creación de diferentes transiciones de vidrio-caucho mediante la formación de bloques con diferente contenido de estireno y diferente estructura estérica de las partes de la cadena de butadieno.