Resorte (dispositivo)

El arco largo inglés : un resorte simple pero muy poderoso hecho de tejo , que mide 2 m (6 pies 7 pulgadas) de largo, con un peso de tracción de 470 N (105 lbf) , y cada extremidad es funcionalmente un resorte voladizo.

Fuerza (F) vs extensión (s). ^{[ cita necesaria ]} Características del resorte: (1) progresivo, (2) lineal, (3) degresivo, (4) casi constante, (5) progresivo con rodilla

Un resorte es un dispositivo que consiste en un material elástico pero en gran medida rígido (típicamente metal) doblado o moldeado en una forma (especialmente una bobina) que puede volver a su forma después de ser comprimido o extendido. ^[1] Los resortes pueden almacenar energía cuando se comprimen. En el uso diario, el término se refiere con mayor frecuencia a resortes helicoidales , pero existen muchos diseños de resortes diferentes. Los resortes modernos generalmente se fabrican con acero para resortes . Un ejemplo de resorte no metálico es el arco , fabricado tradicionalmente con madera de tejo flexible , que cuando se tensa almacena energía para impulsar una flecha .

Cuando un resorte convencional, sin características de variabilidad de rigidez, se comprime o estira desde su posición de reposo, ejerce una fuerza opuesta aproximadamente proporcional a su cambio de longitud (esta aproximación se descompone para deflexiones mayores). La velocidad o constante del resorte de un resorte es el cambio en la fuerza que ejerce, dividido por el cambio en la deflexión del resorte. Es decir, es el gradiente de la curva fuerza versus deflexión . La tasa de un resorte de extensión o compresión se expresa en unidades de fuerza dividida por la distancia, por ejemplo, N/m o lbf/in. Un resorte de torsión es un resorte que funciona girando; cuando se gira alrededor de su eje un ángulo, produce un par proporcional al ángulo. La tasa de un resorte de torsión está en unidades de torque divididas por el ángulo, como N·m / rad o ft·lbf /grado. Lo inverso de la velocidad del resorte es la elasticidad, es decir: si un resorte tiene una velocidad de 10 N/mm, tiene una elasticidad de 0,1 mm/N. La rigidez (o tasa) de los resortes en paralelo es aditiva , al igual que la elasticidad de los resortes en serie.

Los resortes están hechos de una variedad de materiales elásticos, siendo el más común el acero para resortes. Los resortes pequeños se pueden enrollar a partir de material pretemplado, mientras que los más grandes se fabrican con acero recocido y se endurecen después de la fabricación. También se utilizan algunos metales no ferrosos , incluidos el bronce fosforoso y el titanio para piezas que requieren resistencia a la corrosión, y cobre berilio de baja resistencia para resortes que transportan corriente eléctrica .

Historia

A lo largo de la historia de la humanidad se han utilizado resortes simples no helicoidales, por ejemplo, el arco (y la flecha). En la Edad del Bronce se utilizaban dispositivos de resorte más sofisticados, como lo demuestra la difusión de las pinzas en muchas culturas. Ctesibio de Alejandría desarrolló un método para fabricar resortes a partir de una aleación de bronce con una mayor proporción de estaño, endurecido martillando después de su fundición.

Los resortes en espiral aparecieron a principios del siglo XV, ^[2] en las cerraduras de las puertas. ^[3] Los primeros relojes accionados por resorte aparecieron en ese siglo ^[3]^[4]^[5] y evolucionaron hasta convertirse en los primeros relojes grandes en el siglo XVI.

En 1676 el físico británico Robert Hooke postuló la ley de Hooke , que establece que la fuerza que ejerce un resorte es proporcional a su extensión.

Tipos

Resortes de voluta verticales del tanque Stuart.

Resortes de tensión en un dispositivo de reverberación de línea plegada.

Clasificación

Los resortes se pueden clasificar según cómo se les aplica la fuerza de carga:

Resorte de tensión/extensión: El resorte está diseñado para funcionar con una carga de tensión , por lo que el resorte se estira cuando se le aplica la carga.
Resorte de compresión: Diseñado para funcionar con una carga de compresión, por lo que el resorte se acorta a medida que se le aplica la carga.
Muelle de torsión: A diferencia de los tipos anteriores en los que la carga es una fuerza axial, la carga aplicada a un resorte de torsión es un par o fuerza de torsión, y el extremo del resorte gira en un ángulo a medida que se aplica la carga.
primavera constante: La carga soportada permanece igual durante todo el ciclo de deflexión ^[6]
resorte variable: La resistencia de la bobina a la carga varía durante la compresión ^[7]
Muelle de rigidez variable: La resistencia de la bobina a la carga puede variarse dinámicamente, por ejemplo, mediante el sistema de control; algunos tipos de estos resortes también varían su longitud, lo que proporciona también capacidad de actuación ^[8]

También se pueden clasificar según su forma:

resorte plano: Hecho de acero para resortes plano .
resorte mecanizado: Se fabrican mecanizando barras con una operación de torno y/o fresado en lugar de una operación de bobinado. Al estar mecanizado, el resorte puede incorporar características además del elemento elástico. Los resortes mecanizados se pueden fabricar en los casos de carga típicos de compresión/extensión, torsión, etc.
primavera serpentina: Un zig-zag de alambre grueso, que se utiliza a menudo en tapicería y muebles modernos.
primavera de liga: Un resorte de acero en espiral que está conectado en cada extremo para crear una forma circular.

Tipos comunes

Los tipos de resorte más comunes son:

resorte voladizo: Un resorte plano fijado solo en un extremo como un voladizo , mientras que el extremo que cuelga libremente soporta la carga.
Muelle helicoidal: También conocido como resorte helicoidal. Un resorte (que se obtiene enrollando un alambre alrededor de un cilindro) es de dos tipos:

Los resortes de tensión o extensión están diseñados para alargarse bajo carga. Sus vueltas (bucles) normalmente se tocan en la posición descargada y tienen un gancho, ojo o algún otro medio de sujeción en cada extremo.
Los resortes de compresión están diseñados para acortarse cuando se cargan. Sus vueltas (bucles) no se tocan en la posición descargada y no necesitan puntos de fijación.
Los resortes de tubos huecos pueden ser resortes de extensión o resortes de compresión. Los tubos huecos se llenan con aceite y los medios para cambiar la presión hidrostática dentro del tubo, como una membrana o un pistón en miniatura, etc., para endurecer o relajar el resorte, de manera muy similar a lo que sucede con la presión del agua dentro de una manguera de jardín. Alternativamente, la sección transversal del tubo se elige de una forma que cambie su área cuando el tubo se somete a deformación torsional: el cambio del área de la sección transversal se traduce en un cambio del volumen interior del tubo y el flujo de aceite que entra/sale del resorte que puede ser controlado por una válvula controlando así la rigidez. Hay muchos otros diseños de resortes de tubos huecos que pueden cambiar la rigidez con cualquier frecuencia deseada, cambiar la rigidez de forma múltiple o moverse como un actuador lineal además de sus cualidades de resorte.

resorte de arco: Un resorte de compresión helicoidal precurvado o en forma de arco, que es capaz de transmitir un par alrededor de un eje.
resorte de voluta: Un resorte helicoidal de compresión en forma de cono para que, bajo compresión, las espiras no se fuercen entre sí, permitiendo así un recorrido más largo.
resorte de equilibrio: También conocida como espiral. Un delicado resorte en espiral utilizado en relojes , galvanómetros y lugares donde se debe llevar electricidad a dispositivos parcialmente giratorios, como volantes, sin obstaculizar la rotación.
Ballesta: Un resorte plano utilizado en suspensiones de vehículos, interruptores eléctricos y arcos .
Resorte en V: Se utiliza en mecanismos de armas de fuego antiguas , como cerraduras de rueda , de chispa y de percusión . También resorte de cerradura de puerta, como el que se utiliza en los mecanismos de pestillo de puertas antiguos. ^[9]

Otros tipos

Otros tipos incluyen:

Lavadora Belleville: Un resorte en forma de disco comúnmente usado para aplicar tensión a un perno (y también en el mecanismo de iniciación de minas terrestres activadas por presión )
Resorte de fuerza constante: Una cinta enrollada muy apretada que ejerce una fuerza casi constante al desenrollarse
Resorte de gas: Un volumen de gas comprimido.
primavera ideal: Un resorte perfecto idealizado sin peso, masa, pérdidas de amortiguación ni límites, un concepto utilizado en física. La fuerza que ejercería un resorte ideal es exactamente proporcional a su extensión o compresión. ^[10]
Muelle real: Un resorte en forma de cinta en espiral que se utiliza como almacén de energía para mecanismos de relojería : relojes , cajas de música , juguetes de cuerda y linternas accionadas mecánicamente .
resorte negativo: Una delgada banda de metal ligeramente cóncava en sección transversal. Cuando está enrollado adopta una sección transversal plana pero cuando está desenrollado vuelve a su curva anterior, produciendo así una fuerza constante durante todo el desplazamiento y anulando cualquier tendencia a rebobinarse. La aplicación más común es la regla de cinta de acero retráctil. ^[11]
Muelles helicoidales de velocidad progresiva: Un resorte helicoidal con una velocidad variable, que generalmente se logra teniendo una distancia desigual entre espiras de modo que cuando el resorte se comprime, una o más espiras descansan contra su vecina.
Banda elástica: Un resorte de tensión donde se almacena energía al estirar el material.
arandela de resorte: Se utiliza para aplicar una fuerza de tracción constante a lo largo del eje de un sujetador .
Muelle de torsión: Cualquier resorte diseñado para retorcerse en lugar de comprimirse o extenderse. ^[12] Utilizado en sistemas de suspensión de vehículos con barra de torsión .
Primavera ondulada: Varios tipos de resortes compactos mediante el uso de ondas para dar un efecto de resorte.

Física

ley de Hooke

Un resorte ideal actúa de acuerdo con la ley de Hooke, que establece que la fuerza con la que el resorte empuja hacia atrás es linealmente proporcional a la distancia desde su longitud de equilibrio:

F=-kx,\

dónde

x es el vector de desplazamiento: la distancia y dirección en la que se deforma el resorte desde su longitud de equilibrio.

F es el vector de fuerza resultante: la magnitud y dirección de la fuerza restauradora que ejerce el resorte

k es la velocidad , constante del resorte o constante de fuerza del resorte, una constante que depende del material y la construcción del resorte. El signo negativo indica que la fuerza que ejerce el resorte es en dirección opuesta a su desplazamiento.

La mayoría de los resortes reales siguen aproximadamente la ley de Hooke si no se estiran o comprimen más allá de su límite elástico .

Los resortes helicoidales y otros resortes comunes generalmente obedecen la ley de Hooke. Hay resortes útiles que no lo hacen: los resortes basados en la flexión de una viga pueden, por ejemplo, producir fuerzas que varían de manera no lineal con el desplazamiento.

Si se fabrican con paso constante (grosor del alambre), los resortes cónicos tienen una velocidad variable. Sin embargo, se puede hacer que un resorte cónico tenga una velocidad constante creando el resorte con un paso variable. Un paso mayor en las espiras de mayor diámetro y un paso menor en las espiras de menor diámetro obligan al resorte a colapsar o extender todas las espiras a la misma velocidad cuando se deforma.

Movimiento armónico simple

Dado que la fuerza es igual a la masa, m , multiplicada por la aceleración, a , la ecuación de fuerza para un resorte que obedece la ley de Hooke es la siguiente:

F=ma\quad \Rightarrow \quad -kx=ma.\,

El desplazamiento, x , en función del tiempo. La cantidad de tiempo que pasa entre picos se llama período .

La masa del resorte es pequeña en comparación con la masa de la masa unida y se ignora. Como la aceleración es simplemente la segunda derivada de x con respecto al tiempo,

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

Esta es una ecuación diferencial lineal de segundo orden para el desplazamiento en función del tiempo. Reorganizar: $x$

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

cuya solución es la suma de un seno y un coseno :

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

$A$ y son constantes arbitrarias que pueden encontrarse considerando el desplazamiento inicial y la velocidad de la masa. La gráfica de esta función con (posición inicial cero con alguna velocidad inicial positiva) se muestra en la imagen de la derecha. $B$ $B=0$

Dinámica energética

En el movimiento armónico simple de un sistema resorte-masa, la energía fluctuará entre energía cinética y energía potencial , pero la energía total del sistema sigue siendo la misma. Un resorte que obedece la ley de Hooke con una constante elástica k tendrá una energía total del sistema E de: ^[13]

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

Aquí, A es la amplitud del movimiento ondulatorio que se produce por el comportamiento oscilante del resorte.

La energía potencial U de dicho sistema se puede determinar mediante la constante del resorte k y su desplazamiento x : ^[13]

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

La energía cinética K de un objeto en movimiento armónico simple se puede encontrar usando la masa del objeto adjunto m y la velocidad a la que el objeto oscila v : ^[13]

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

Dado que no hay pérdida de energía en dicho sistema, la energía siempre se conserva y por lo tanto: ^[13]

$E=K+U$

Frecuencia y período

La frecuencia angular ω de un objeto en movimiento armónico simple, dada en radianes por segundo, se encuentra utilizando la constante elástica k y la masa del objeto oscilante m ^[14]:

$\omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}$ ^[13]

El período T , la cantidad de tiempo que tarda el sistema resorte-masa en completar un ciclo completo, de dicho movimiento armónico, viene dado por: ^[15]

$T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}$ ^[13]

La frecuencia f , el número de oscilaciones por unidad de tiempo, de algo en movimiento armónico simple se encuentra tomando el inverso del período: ^[13]

$f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k }{metro}}}$ ^[13]

Teoría

En física clásica , un resorte puede verse como un dispositivo que almacena energía potencial , específicamente energía potencial elástica , al tensar los enlaces entre los átomos de un material elástico .

La ley de elasticidad de Hooke establece que la extensión de una varilla elástica (su longitud distendida menos su longitud relajada) es linealmente proporcional a su tensión , la fuerza utilizada para estirarla. De manera similar, la contracción (extensión negativa) es proporcional a la compresión (tensión negativa).

En realidad, esta ley sólo se cumple aproximadamente y sólo cuando la deformación (extensión o contracción) es pequeña en comparación con la longitud total de la varilla. En caso de deformaciones más allá del límite elástico , los enlaces atómicos se rompen o se reorganizan, y un resorte puede romperse, doblarse o deformarse permanentemente. Muchos materiales no tienen un límite elástico claramente definido y la ley de Hooke no se puede aplicar de manera significativa a estos materiales. Además, para los materiales superelásticos, la relación lineal entre fuerza y desplazamiento es apropiada sólo en la región de baja deformación.

La ley de Hooke es una consecuencia matemática del hecho de que la energía potencial de la varilla es mínima cuando tiene su longitud relajada. Cualquier función suave de una variable se aproxima a una función cuadrática cuando se examina lo suficientemente cerca de su punto mínimo, como se puede ver al examinar la serie de Taylor . Por tanto, la fuerza –que es la derivada de la energía con respecto al desplazamiento– se aproxima a una función lineal .

Fuerza del resorte completamente comprimido

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

dónde

E - módulo de Young

d – diámetro del alambre del resorte

L – longitud libre del resorte

n – número de devanados activos

{\displaystyle\nu}

– Relación de Poisson

D – diámetro exterior del resorte

Resortes de longitud cero

Resorte de longitud cero es un término para un resorte helicoidal especialmente diseñado que ejercería fuerza cero si tuviera longitud cero; si no hubiera restricción debido al diámetro finito del alambre de dicho resorte helicoidal, tendría longitud cero en la condición no estirada. Es decir, en una gráfica lineal de la fuerza del resorte versus su longitud, la línea pasa por el origen. Obviamente, un resorte helicoidal no puede contraerse hasta una longitud cero, porque en algún momento las espiras se tocan entre sí y el resorte ya no puede acortarse más.

Los resortes de longitud cero se fabrican mediante la fabricación de un resorte helicoidal con tensión incorporada (se introduce una torsión en el alambre a medida que se enrolla durante la fabricación; esto funciona porque un resorte helicoidal se desenrolla a medida que se estira), por lo que si pudiera contraerse más, el punto de equilibrio del resorte, el punto en el que su fuerza restauradora es cero, se produce a una longitud de cero. En la práctica, los resortes de longitud cero se fabrican combinando un resorte de longitud negativa , hecho con aún más tensión para que su punto de equilibrio tenga una longitud negativa , con un trozo de material inelástico de la longitud adecuada para que el punto de fuerza cero ocurra en cero. longitud.

Un resorte de longitud cero se puede unir a una masa sobre un brazo articulado de tal manera que la fuerza sobre la masa esté casi exactamente equilibrada por la componente vertical de la fuerza del resorte, cualquiera que sea la posición del brazo. Esto crea un péndulo horizontal con un período de oscilación muy largo . Los péndulos de período largo permiten a los sismómetros detectar las ondas más lentas de los terremotos. La suspensión LaCoste con resortes de longitud cero también se utiliza en gravímetros porque es muy sensible a los cambios de gravedad. Los resortes para cerrar puertas a menudo se fabrican para que tengan una longitud aproximadamente nula, de modo que ejerzan fuerza incluso cuando la puerta está casi cerrada, de modo que puedan mantenerla cerrada firmemente.

Usos

pistola de aire comprimido
Aeroespacial
Bolígrafos retráctiles
Teclados con resorte pandeado
Relojes de cuerda , relojes y otras cosas.
Armas de fuego
Resorte hacia adelante o hacia atrás, un método para amarrar una embarcación a un elemento fijo en la costa.
Equipo industrial
Joyería : Mecanismos de cierre
La mayoría de las navajas plegables y navajas automáticas
Mecanismos de cerradura : Reconocimiento de llaves y coordinación de movimientos de distintas partes de la cerradura.
colchones de muelles
Dispositivos médicos ^[16]
Saltador
Dispositivos pop-open: reproductores de CD , grabadoras , tostadoras , etc.
reverberación de primavera
juguetes ; el juguete Slinky es solo un resorte
Trampolín
Muelles helicoidales para tapicería
Suspensión del vehículo , Ballestas

Ver también

Amortiguador
Juguete de resorte helicoidal Slinky .
resorte de voluta

Referencias

^ "primavera" . Diccionario de inglés Oxford (edición en línea). Prensa de la Universidad de Oxford . (Se requiere suscripción o membresía de institución participante). V. 25.
^ Springs Cómo se fabrican los productos, 14 de julio de 2007.
^ ab White, Lynn Jr. (1966). Tecnología medieval y cambio social . Nueva York: Universidad de Oxford. Prensa. págs. 126-27. ISBN 0-19-500266-0.
^ Usher, abad Payson (1988). Una historia de las invenciones mecánicas. Mensajero Dover. pag. 305.ISBN 0-486-25593-X.
^ Dohrn-van Rossum, Gerhard (1998). Historia de la hora: relojes y órdenes temporales modernos. Univ. de Prensa de Chicago. pag. 121.ISBN 0-226-15510-2.
^ Tecnología y productos de tuberías de Constant Springs (consultado en marzo de 2012)
^ Tecnología y productos de tuberías de soportes de resorte variable (consultado en marzo de 2012)
^ "Resortes con rigidez y capacidad de accionamiento dinámicamente variables". 3 de noviembre de 2016 . Consultado el 20 de marzo de 2018 , a través de google.com. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
^ "Resortes de cerradura de puerta". www.springmasters.com . Consultado el 20 de marzo de 2018 .
^ Edwards, Boyd F. (27 de octubre de 2017). El resorte ideal y el movimiento armónico simple (vídeo) . Universidad Estatal de Utah - a través de YouTube.Basado en Cutnell, John D.; Johnson, Kenneth W.; Joven, David; Stadler, Shane (2015). "10.1 El resorte ideal y el movimiento armónico simple". Física . Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 978-1-118-48689-4. OCLC 892304999.
^ Samuel, Andrés; Vertedero, John (1999). Introducción al diseño de ingeniería: estrategias de modelado, síntesis y resolución de problemas (2 ed.). Oxford, Inglaterra: Butterworth. pag. 134.ISBN 0-7506-4282-3.
^ Goetsch, David L. (2005). Dibujo técnico. Aprendizaje Cengage. ISBN 1-4018-5760-4.
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^ "movimiento armónico simple | Fórmula, ejemplos y hechos". Enciclopedia Británica . Consultado el 19 de abril de 2021 .
^ "Resortes de compresión". Resortes helicoidales directos .

Otras lecturas

Sclater, Neil. (2011). "Dispositivos y mecanismos de resorte y tornillo". Libro de consulta sobre mecanismos y dispositivos mecánicos. 5ª edición. Nueva York: McGraw Hill. págs. 279–299. ISBN 9780071704427 . Dibujos y diseños de diversos mecanismos de resorte y tornillo.
Parmley, Robert. (2000). "Sección 16: Resortes". Libro de consulta ilustrado de componentes mecánicos. Nueva York: McGraw Hill. ISBN 0070486174 Dibujos, diseños y discusión de varios resortes y mecanismos de resorte.
Guardián, Tim. (2021). "Saxofón alto Bundy 2". Este saxofón es conocido por tener los resortes de aguja tensados más fuertes que existen.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Spring (dispositivo).

Paredes, Manuel (2013). "Cómo diseñar resortes". insa de toulouse . Consultado el 13 de noviembre de 2013 .
Wright, Douglas. "Introducción a los manantiales". Apuntes sobre Diseño y Análisis de Elementos de Máquinas . Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, Universidad de Australia Occidental . Consultado el 3 de febrero de 2008 .
Silberstein, Dave (2002). "Cómo hacer resortes". Bamillones. Archivado desde el original el 18 de septiembre de 2013 . Consultado el 3 de febrero de 2008 .
Muelles con rigidez dinámicamente variable (patente)
Smart Springs y sus combinaciones (patente)