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 comprimirse o extenderse. [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 tasa de resorte es la elasticidad, es decir: si un resorte tiene una fuerza de 10 N/mm, tiene una elasticidad de 0,1 mm/N. La rigidez (o velocidad) 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 proliferación 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.
El 8 de marzo de 1850, John Evans, fundador de John Evans' Sons, Incorporated, abrió su negocio en New Haven, Connecticut, fabricando resortes planos para carruajes y otros vehículos, así como la maquinaria para fabricar los resortes. Evans fue un herrero y fabricante de resortes galés que emigró a los Estados Unidos en 1847. Los hijos de John Evans se convirtieron en "los fabricantes de resortes más antiguos de Estados Unidos" que continúan operando hoy. [6]
Tipos
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.
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 [7]
resorte variable
La resistencia de la bobina a la carga varía durante la compresión [8]
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 [9]
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.
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.
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.
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.
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 )
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. [11]
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. [12]
Muelles helicoidales de velocidad progresiva
Un resorte helicoidal con una velocidad variable, generalmente logrado teniendo una distancia desigual entre espiras de modo que cuando el resorte se comprime, una o más espiras descansan contra su vecina.
Cualquier resorte diseñado para retorcerse en lugar de comprimirse o extenderse. [13] 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:
dónde
x es el vector de desplazamiento – la distancia y h.
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 más pequeño 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:
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,
Esta es una ecuación diferencial lineal de segundo orden para el desplazamiento en función del tiempo. Reorganizar:
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.
Dado que no hay pérdida de energía en dicho sistema, la energía siempre se conserva y por lo tanto: [14]
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 [15] :
[14]
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: [16]
[14]
La frecuencia f , el número de oscilaciones por unidad de tiempo, de algo en movimiento armónico simple se encuentra tomando el inverso del período: [14]
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 .
Resorte de longitud cero es un término para un resorte helicoidal especialmente diseñado que ejercería fuerza cero si tuviera longitud cero. Es decir, en una gráfica lineal de la fuerza del resorte versus su longitud, la línea pasa por el origen. Un resorte helicoidal real no se contraerá hasta alcanzar una longitud cero porque en algún momento las espiras se tocan entre sí. "Longitud" aquí se define como la distancia entre los ejes de los pivotes en cada extremo del resorte, independientemente de cualquier porción inelástica intermedia.
Los resortes de longitud cero se fabrican mediante la fabricación de un resorte helicoidal con tensión incorporada (se introduce una torsión en el cable a medida que se enrolla durante la fabricación; esto funciona porque un resorte en espiral 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, la fabricación de resortes generalmente no es lo suficientemente precisa como para producir resortes con una tensión lo suficientemente consistente para aplicaciones que usan resortes de longitud cero, por lo que se fabrican combinando un resorte de longitud negativa , hecho con aún más tensión para que su punto de equilibrio esté en una longitud negativa , con un trozo de material inelástico de la longitud adecuada para que el punto de fuerza cero ocurra en una longitud cero.
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.
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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).
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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)