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Vibraciones mecánicas

Desequilibrio rotatorio

Una masa excéntrica da F₀=m·e·ω² (crece con velocidad²); respuesta M·X/(m·e)=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²), a alta velocidad X→m·e/M, se corrige equilibrando

No hay un rotor perfectamente equilibrado. Una masa un poco fuera del centro, girando en un radio, lanza una fuerza hacia fuera F₀ = m·e·ω² que sacude la máquina. Lo que asusta es que la fuerza va con el cuadrado de la velocidad, así que un desequilibrio pequeño se vuelve una fuerza enorme a alta velocidad. Por eso una lavadora camina en el centrifugado y una rueda sin equilibrar tiembla.

Mira la masa un poco descentrada dentro del rotor. Sube la velocidad ω y la fuerza hacia fuera F₀ = m·e·ω² crece, y crece con el cuadrado de la velocidad. Ve 2 veces más rápido y la fuerza es 4 veces mayor. Un rotor de alta velocidad no puede dejar solo ni un desequilibrio diminuto. El mismo descentrado se pone más fiero cuando sube la velocidad.

Esa fuerza que gira sacude la máquina entera (masa M). Sube la razón de velocidad r = ωωₙ. Cuando es lenta la fuerza es pequeña y la máquina apenas se sacude. En r=1, la resonancia, se balancea con fuerza. Ve más rápido y la sacudida no desaparece. Se asienta en un tamaño fijo. Más rápido no quiere decir más quieto.

La curva de respuesta difiere de otra vibración de un modo decisivo. Mueve r y a baja velocidad se hincha como r². En r=1 se levanta un pico de resonancia. A alta velocidad no cae a 0. Se queda plana en M·X(m·e) → 1. La amplitud se vuelve fija, X → m·eM. A alta velocidad la máquina está girando alrededor de su centro de masa.

La cura es quitar el origen de la fuerza. Añade un contrapeso en el lado opuesto y cancela m·e. A medida que el contrapeso crece, la fuerza que gira y el temblor de la máquina encogen juntos. El pequeño trozo de plomo en una rueda es exactamente esto. Equilibra la rueda y lleva m·e a 0. Borra el origen y la fuerza se va con él.

La misma fuerza que gira hace problemas por todas partes. Su forma es m·e·ω². Pasa los ejemplos. El centrifugado de una lavadora, cuando la ropa se apelmaza, m·e↑ → camina al pasar la resonancia. Una rueda de coche, temblor a alta velocidad → equilibrado de rueda. Una turbina o un rotor, donde el equilibrado preciso es obligatorio. La receta es una de dos. Reduce m·e, o pasa la resonancia deprisa y gira a alta velocidad.

En la prácticaEl desequilibrio rotatorio es una clase de vibración forzada (A4), pero la fuerza no llega de fuera. Se hace sola. Una masa m apartada e del centro, girando a ω, da F₀ = m·e·ω², una fuerza rotatoria que crece con el cuadrado de la velocidad. La respuesta adimensional de la máquina (masa M) es M·X(m·e) = r²√((1−r²)²+(2ζr)²), con r = ωωₙ. Importan tres regiones. Baja velocidad (pequeña, ∝r²) → resonancia (pico r=1) → alta velocidad (→1, esto es X→m·eM, fija). La última es la diferencia con otra vibración. La amplitud no muere a 0. Se queda en un valor fijo, porque a alta velocidad la máquina gira alrededor de su centro de masa, un autocentrado. Dos curas. Reduce m·e, con un contrapeso, equilibrado, el plomo de una rueda, o pasa la resonancia deprisa y gira a alta velocidad. El arranque y la parada cruzan la resonancia una vez. Lavadoras, ruedas de coche, turbinas y rotores se sientan todos en esta sola fórmula. Esa es la lección entera.
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