Alfaconnection
By Lucien Silvano Alhanati

  Física

Energias mecânicas EMC

Osciladores mecânicos EMC06

Oscilações forçadas, amortecidas e ressonância EMC0603

 O que é uma oscilação amortecida? EMC060301

Consideramos até então um oscilador mecânico simples ideal, isto é, um oscilador onde não atuam forças dissipativas, atritos, resistência do ar etc e portanto um oscilador onde há conservação da energia.
Nos osciladores reais existem forças dissipativas que realizando trabalhos reduzem a energia mecânica total, acarretando uma redução na amplitude do movimento. Estas oscilações são denominadas oscilações amortecidas.

O que é uma oscilação amortecida subcrítica? EMC060302

É uma oscilação amortecida onde as amplitudes sofrem uma redução de acordo com uma curva exponencial. Nestas oscilações a freqüência do movimento é mantida constante.
A figura mostra o gráfico de uma oscilação amortecida subcrítica, onde a curva exponencial está representada tracejada em azul.
É importante verificar pela grade que o período do movimento é mantido constante.

O que é uma oscilação amortecida crítica? EMC060303

É uma oscilação amortecida onde o oscilador para na posição de equilíbrio sem ter realizado nenhum ciclo.
A figura mostra o gráfico de uma oscilação amortecida crítica.

Esta oscilação ocorre quando a força de atrito é viscosa e muito forte. A força de atrito viscosa é produzida por líquidos e/ou gases sobre pressão elevada, como ocorre por exemplo nos amortecedores usados em veículos.

O que é uma oscilação amortecida supercrítica? EMC060304

É uma oscilação amortecida onde o oscilador para antes de atingir a posição de equilíbrio sem ter realizado nenhum ciclo.
A figura mostra o gráfico de uma oscilação amortecida supercrítica.

Esta oscilação ocorre quando a força de atrito é muito forte e produzida em superfícies sólidas, como se fosse um freio.

O que é uma oscilação forçada? EMC060305

Muitas vezes na prática é importante a manutenção do movimento do oscilador apesar da existência das forças dissipativas. Para este fim são introduzidas forças externas que realizando trabalhos suprem o oscilador da energia consumida pelas forças dissipativas, neste caso temos as chamadas oscilações forçadas.
Um exemplo simples são os mecanismos oscilantes dos relógios, onde através de forças produzidas por uma corda ou por um sistema elétrico (fontes excitadoras) é possível manter as oscilações.
Outro exemplo é a manutenção do movimento dos balanços por crianças, que utilizam os movimentos de seu corpo (fonte excitadora) para dar pequenos impulsos a cada ciclo.

O que é uma ressonância? EMC060306

É o fenômeno que ocorre quando a freqüência da fonte excitadora é igual a freqüência natural do oscilador.
A ressonância produz a máxima transferência de energia da fonte excitadora, produtora das oscilações forçadas, para o sistema oscilante. Esta máxima transferência de energia acarreta um grande aumento da amplitude do movimento do oscilador, que pode levar o sistema oscilante ao colapso.
O estudo da ressonância é de grande importância para a física e a engenharia.
Vejamos alguns exemplos marcantes.

Ressonância nas pontes:

  • A mais antiga história de ressonância em pontes ocorreu na França quando uma ponte caiu durante a marcha cadenciada de  um batalhão de soldados que atravessava a ponte. A ponte entrou em ressonância com a cadência da marcha. Este acidente ficou marcado na história militar e até hoje o comandante da tropa ordena o rompimento da cadência da marcha ao atravessar uma ponte.
  • O tráfico na ponte Rio - Niterói já foi interrompido algumas vezes quando a estrutura do vão central, que é metálica, entra em ressonância com o vento de rajadas. Numa das vezes o vento de rajadas chegou de surpresa causando pânico entre os motoristas que abandonaram os seus veículos correndo devido ao grande aumento da amplitude da oscilações da estrutura.
  • As pontes pênseis (pontes onde a pista de rolamento fica pendurada em cabos de aço) são muito sensíveis à ressonância com o vento de rajadas. Perto de uma dez pontes pênseis já entraram em colapso em virtude deste fenômeno.
    O mais recente acidente deste tipo ocorreu numa ponte pênsil em Tacoma nos Estados Unidos. A ponte de grande estrutura e recém inaugurada foi destruída pela ressonância com o vento.

Ressonância dos navios com as ondas:

  • Os comandantes dos navios tomam sempre muito cuidado com a ressonância das embarcações com a ondas do mar. Sempre que as oscilações naturais do jogo do navio entra em ressonância com os ondas, as amplitudes das oscilações crescem de tal maneira que é colocada em risco a estabilidade da embarcação. Os comandantes sempre ordenam uma alteração do rumo do navio e/ou de sua velocidade para alterar a freqüência do impacto das ondas de modo a evitar a ressonância.

Ressonância dos navios com a vibração de sua máquina de propulsão:

  • Um navio cargueiro brasileiro (eu viajava neste navio) ao navegar no canal de acesso ao porto de Le Havre na França sofreu uma paralisação de alguns de seus cilindros do motor principal que começou a vibrar. A estrutura do navio entrou em ressonância com as vibrações do motor causando aumentos perigosos na amplitude das vibrações, que poderiam causar ruptura de parte de sua estrutura. Para evitar o acidente o experiente comandante ordenou a alteração da velocidade de rotação da máquina e conseqüentemente foi alterada a freqüência de sua vibração, fazendo cessar a ressonância.

Ressonância das fundações de apoio de máquinas industriais com a sua vibração natural:

  • Sempre que um engenheiro calcula a fundação de uma máquina industrial pesada ele leva em conta o peso da máquina e as vibrações que ocorrem durante o seu funcionamento, de maneira a evitar a  ressonância em suas fundações.

Energias mecânicas