Mecánica - Ingeniería mecánica

Un amortiguador de masa (en inglés, mass damper) es un sistema de absorción de vibraciones mediante el balanceo de un contrapeso colgante.

Se utiliza tanto en grandes construcciones como el rascacielos Taipéi 101 o en la mejora de adherencia mecánica al asfalto en vehículos de competición. Fue utilizado por la escudería Renault, Ferrari, McLaren-Mercedes y otros equipos durante las temporadas 2005 y 2006 de Fórmula 1 hasta que fue prohibido su uso por la FIA en agosto de 2006.¹​ Este sistema se basa en el sistema de amortiguación de vibraciones que poseen los edificios de las zonas con mayor peligro de terremotos, como Japón o Chile.

Un amortiguador de masa (en inglés, mass damper) es un sistema de absorción de vibraciones mediante el balanceo de un contrapeso colgante. Este sistema es utilizado por los edificios de las zonas con mayor peligro de terremotos, como Japón. Aunque el más impresionante pertenece a el rascacielos Taipei 101. 

El Taipei 101 es un edificio que cuenta con 106 plantas (5 pisos subterráneos y 101 por encima del nivel del suelo), ubicado en Taipéi (Taiwán). La aguja que corona sus 509 metros de altura, lo convierte en el octavo rascacielos más alto en el mundo.

Su amortiguador de masa le permite soportar terremotos de hasta 7 en la escala de Richter y vientos de más de 450 km/h.

 

El amortiguador de masa esta formado por una gigante bola dorada de acero de 680 toneladas de peso compuesta de planchas metálicas en el piso 92 que se suspende sobre tensores desde su parte alta y en su base sujeta con bombas hidráulicas, siendo el más grande y pesado a nivel mundial.

 

 

Cuando el edificio se mueve en una dirección el amortiguador lo hace en dirección contraria absorbiendo la energía de movimiento sirviendo de contrapeso mecánico contra las vibraciones limitándolas y estabilizando el edificio. Está dividido en 8 segmentos de 8 pisos, y es el único amortiguador que está a la vista del público en general.

 

 

 

Además 8 supercolumnas lo sujetan por la base; construidas en hormigón armado y acero, lo abrazan hasta el piso 26, mientras otras 32 columnas suben hasta la planta 62. Los cortes en las esquinas disminuyen la fuerza del viento y una compleja malla de acero lo abraza formando un cinturón que hace un estrechamiento en la parte baja del edificio y llega hasta la planta 34.

Un péndulo es un sistema físico constituido por hilo inextensible sujeto a un punto fijo del que cuelga una masa que puede oscilar libremente. Para pequeñas oscilaciones, la masa describe un movimiento armónico simple, y su posición angular en función del tiempo viene dada por:

Un dispositivo basado en la oscilación de un péndulo es el denominado amortiguador de masa, que se emplea para estabilizar edificios de muchas plantas frente a movimientos violentos causados por oscilaciones armónicas. Estas oscilaciones pueden estar producidas por terremotos, vientos, o cualquier otra fuente de vibraciones.

El amortiguador de masa es un péndulo de masa muy grande fabricado generalmente de hormigón o acero que se monta en el edificio que se quiere estabilizar.

El principio de funcionamiento del péndulo es bastante sencillo. Cuando el edificio empieza a oscilar por cualquiera de las causas mencionadas anteriormente, el oscilador de masa empieza a describir un movimiento oscilatorio en oposición a las oscilaciones de la estructura, con lo que éstas se amortiguan.

 amortiguación o amortiguamiento se define como la capacidad de un sistema o cuerpo para disipar energía cinética en otro tipo de energía. Típicamente los amortiguadores disipan la energía cinética en energía térmicay/o en energía plástica (e.g. atenuador de impactos), es decir, la función de un amortiguador es recibir, absorber y mitigar una fuerza tal, ya sea porque se ha dispersado o porque la energía se ha transformado de forma que la fuerza inicial se haya hecho menor. Cuanto mejor sea la amortiguación de la fuerza inicial, menor será la fuerza recibida sobre el punto final.

El amortiguamiento es un parámetro fundamental en el campo de las vibraciones, también en el desarrollo de modelos matemáticos que permiten el estudio y análisis de sistemas vibratorios, como lo son: estructuras metálicas, motores, maquinaria rotativa, turbinas, automóviles, etc. Esto va encaminado a la teoría de que todo sistema vibratorio (regularmente sistemas mecánicos) tiene la capacidad de disipar energía. Para el control de vibraciones e impactos en maquinaria se utiliza el concepto de amortiguamiento como una técnica para disipar energía del sistema, manipulando así la amplitud de vibración en el sistema y otros parámetros de estudio.

Existen muchos inventos que aplican los principios de las fuerzas mecánicas los cuales tienen el objetivo de anular o disipar un impacto.

También, amortiguación es la disipación de energía en una estructura mecánica y su conversión en calor. Hay varios mecanismos de amortiguación, los más importantes son la amortiguación Coulomb y la amortiguación viscosa.

Tipos de amortiguamiento[editar]

Un sistema mecánico que posea masa y elasticidad tendrá una frecuencia natural y además la particularidad de llegar a vibrar; si se le proporciona energía al sistema éste tenderá a vibrar, o si una fuerza externa actúa en el sistema con cierta frecuencia, el sistema podría entrar en un estado de resonancia y esto a su vez significaría una condición de alta vibración y el sistema se vuelve inestable y dispuesto a fallar. En todo esto se fundamenta la importancia del estudio del amortiguamiento, principalmente en ingeniería mecánica.

Existen diferentes mecanismos o tipos de amortiguamiento, según sea su naturaleza:

• Amortiguamiento fluido. Se produce por la resistencia de un fluido al movimiento de un sólido, siendo este viscoso o turbulento.
• Amortiguamiento por histéresis. Se ocasiona por la fricción interna molecular o histéresis, cuando se deforma un cuerpo sólido.
• Amortiguamiento por fricción seca. Es causado por la fricción cinética entre superficies deslizantes secas ( ${\displaystyle F=\mu N}$ ).

Fuerza de amortiguación en fluidos (régimen lineal)[editar]

Existen diversas modelizaciones de amortiguamiento, la más simple de ellas consta de una partícula o masa concentrada, que va perdiendo velocidad bajo la acción de una fuerza de amortiguamiento proporcional a su velocidad:

${\displaystyle F=C{\frac {{\rm {d}}x}{{\rm {d}}t}}}$

donde:

• F es la fuerza de oposición al movimiento medida en Newton.
• C es el amortiguamiento real del sistema medido en N/(m/s).
• dx/dt es la velocidad del sistema medida en m/s.

Este modelo es aproximadamente válido para modelizar la amortiguación por fricción entre superficies de sólidos, o el frenado de un sólido en el seno de un fluido en régimen laminar.

Otro modelo que generaliza al anterior es la amortiguación que se da en una edificación durante una sacudida sísmica u otra situación dinámica equiparable. En ese modelo sobre cada planta aparecerá una fuerza de atenuación dada por:

${\displaystyle F_{i}=\sum _{j}C_{ij}{\frac {{\rm {d}}x_{j}}{{\rm {d}}t}}}$

Donde:

${\displaystyle F_{i}\,}$ es la resultante de amortiguamiento sobre el forjado de la planta i-ésima.

${\displaystyle C_{ij}\,}$ es un elemento de la matriz de amortiguamiento ${\displaystyle \mathbf {C} }$ de la estructura.

${\displaystyle x_{j}\,}$ el desplazamiento global de la planta j-ésima.

De manera práctica, la matriz de amortiguamiento se aproxima por una matriz que sea combinación de la matriz de masa y la matriz de rigidez de la estructura:

${\displaystyle \mathbf {C} ={\frac {1}{\tau _{1}}}\mathbf {M} +\tau _{2}\mathbf {K} }$

Donde ${\displaystyle \scriptstyle \tau _{1},\tau _{2}}$ son dos tiempos característicos que deben ajustarse experimentalmente. Si se introducen las llamadas coordenadas normales entonces el coeficiente de amortiguamiento considerado en las normas sísmicas se relaciona con las frecuencias propias y los tiempos anteriores mediante la relación:

${\displaystyle \nu _{i}={\frac {1}{2}}\left({\frac {1}{\tau _{1}\omega _{i}}}+\tau _{2}\omega _{i}\right)}$

Amortiguamiento por histéresis[editar]

Además del lineal, existen otros modelos de amortiguamiento, por ejemplo, el llamado «modelo de amortiguamiento por histéresis» o «modelo de amortiguamiento estructural».

En una viga de metal vibrando, el amortiguamiento interno se puede describir por una fuerza proporcional al desplazamiento, pero en fase con la velocidad. La ecuación que describe el movimiento con un solo grado de libertad será:

${\displaystyle m{\ddot {x}}+hxi+kx=0,}$

donde h es la constante de amortiguamiento por histéresis, k es la «constante de resorte» del material e i es la unidad imaginaria. Otra forma común de escribir la ecuación anterior es

${\displaystyle m{\ddot {x}}+k(1+i\eta )x=0,}$

donde η es la razón de amortiguamiento por histéresis, es decir, la fracción de energía disipada en cada ciclo.

Vehículos[editar]

En la tecnología de los automóviles, unos de los inventos más conocidos son los amortiguadores y los neumáticos empleados en el sistema de la suspensión del vehículo para suavizar el camino en el transporte; hay otros elementos que tienen el mismo fin, como muelles y hasta el asiento para el piloto, pero otros se enfocan en la protección vital, tal es el caso de las bolsas de aire.

Amortiguación aplicada en los deportes[editar]

Mucho del equipo de protección empleado por atletas tiene la finalidad de ayudar a resistir un impacto, pues este podría llegar a ser mortal en algunos casos, ya sea un golpe por un puñetazo o por una patada, o un impacto resultante de una caída, o quizá un choque ocasionado por un objeto que ha sido lanzado.

Pero no nada sólo el equipo de protección presenta elementos que inducen a la amortiguación. Las propiedades de la superficie donde se practique el deporte también es un factor a ser considerado.

Atletismo[editar]

Muchas veces enfocado en el calzado ilustrado por el uso de zapatillas running, o en las rodillas y sobre la pista.

Béisbol[editar]

Presente en el peto del receptor del Umpire, o en el alcolchonamiento de los límites en los jardines.

Ciclismo[editar]

Los neumáticos, el terreno y resortes en una bicicleta de montaña, por ejemplo.

Fútbol americano[editar]

El fútbol americano es un deporte de constante choque.

• Casco. En el pasado, los cascos fueron hechos de cuero, pero hubo jugadores que sangraron por falta de mayor protección a la cabeza; así es que su diseño se fue transformando, y adquirieron mayor volumen además de que se empezaron a emplear mayor diversidad de materiales. En su interior, se incorporaron tiras de tela elástica (resorte) pero con el tiempo ese diseño fue sustituido por un sistema más eficiente de gajos, los cuales por ser colchones independientes mitigan mejor el impacto. Más aún, en años recientes, una capa más se ha añadido en la parte exterior de algunos cascos profesionales, y así ayudar a evitar que el jugador quede inconsciente.
• Hombreras. Las clavículas son protegidas por las hombreras, las cuales amortiguan los golpes durante tacleos y jugadas de bloqueo.
• Tablas. Las tablas son parte de la indumentaria deportiva del jugador de fútbol americano particulares a la zona de los muslos (cuatriceps).

Fútbol[editar]

La mayor cantidad del equipo de protección está situada en la parte inferior de cuerpo. Desde las espinilleras, hasta el calzado, el cual puede incluir costuras y diseños exteriores. Los porteros emplean guantes y rodilleras.

El amortiguamiento o (fricción interna) es una de las propiedades más sensibles de materiales y estructuras, tanto a nivel macro como microscópico, siendo particularmente sensibles a la presencia de grietas y microgrietas. Es el fenómeno por el cual se disipa energía mecánica en un sistema (principalmente para la generación de calor y/o energía). La amortiguación determina la amplitud de la vibración en la resonancia y el tiempo de persistencia de la vibración después que culmina la excitación (ver figura abajo).

Decaimiento de la amplitud de la vibración de un oscilador armónico amortiguado

Además de la aplicación clásica en el estudio de los metales y la industria de la ingeniería (debido a la importancia de la amortiguación a la integridad estructural en el caso de los terremotos), la caracterización de la amortiguación también se está utilizando en el estudio del hormigón para la evaluación de daños y perjuicios. Por ejemplo, en caso de daños por choque térmico, stress mecánico inducido por el gradiente de temperatura hace que la nucleación y propagación de micro-grietas y fisuras que degradan las propiedades mecánicas del material determinando en gran medida su vida útil. La nucleación y evolución de estos micro-grietas y fisuras se puede controlar con la caracterización de la amortiguación, que aumenta debido a la fricción entre las paredes de estas grietas.
Esta caracterización se utiliza también en el estudio de defectos en los materiales, control de la calidad y fortaleza de las soldaduras y de las juntas, en el análisis de daños a las máquinas industriales y motores así como para la adecuación de salas acústica.

El amortiguamiento de un sistema o material sub-amortiguado puede ser clasificado de tres formas principales: interno, estructural y de fluidos. El interno se asocia con defectos en la microestructura, granularidad e impurezas del material y a efectos termoelásticos causados gradientes locales de temperatura. Ya el estructural se asocia con pérdidas de energía debidas a la fricción en las juntas, tornillos y juntas semi-rígido. Por último, el de fluido ocurre por la resistencia de fluidos es por medio de arrastre del fluido, por ejemplo, la conversión de la energía cinética de un péndulo de energía térmica para el aire.

Hay varios métodos para determinar la amortiguación, que se puede lograr básicamente de dos maneras: a través de la duración de la respuesta a una excitación transitoria (por ejemplo, el método de decremento logarítmico empleados por las soluciones Sonelastic® rigiéndose por la norma ASTM E-1876), y en función de la respuesta del sistema en función de la frecuencia (ejemplo: método de la anchura de media banda de potencia). El método del decremento logarítmico calcula el amortiguamiento a partir de la atenuación de la respuesta acústica de los materiales o la estructura después de una excitación porimpulso. El método de la mitad de ancho de banda calcula la potencia de amortiguación mediante el análisis de la frecuencia de la señal de vibración derivada de la relación entre el ancho de banda y frecuencia central de una resonancia. Ambos métodos consideran un modelo para los cálculos, por lo general el modelo de amortiguamiento viscoelástico. La elección del método depende principalmente de la variedad de amortiguamiento y la frecuencia de la vibración.