Experimento da Viga Engastada

Os modos de vibrar são padrões específicos de oscilação que um sistema físico adota naturalmente quando é perturbado. Cada modo está associado a uma frequência natural. Estes modos são essenciais na análise dinâmica de estruturas e componentes, incluindo máquinas rotativas.

Na engenharia de máquinas rotativas, como turbinas, motores e bombas, a análise dos modos de vibrar é crucial. Essas máquinas operam a altas velocidades e estão sujeitas a forças dinâmicas que podem induzir vibrações. Conhecer os modos de vibrar e suas frequências naturais permite prever e evitar ressonâncias, que ocorrem quando a frequência de operação coincide com uma frequência natural, resultando em amplificações significativas das vibrações. Essas amplificações podem levar ao desgaste acelerado, falhas mecânicas e, em casos extremos, à destruição da máquina.

Além disso, a análise modal ajuda a identificar problemas estruturais e a otimizar o design para melhorar o desempenho e a segurança. Isso é particularmente importante em indústrias como a aeroespacial, automotiva e de geração de energia, onde a confiabilidade e a eficiência são críticas.

Experimento com Viga Engastada: Demonstração dos Três Primeiros Modos de Vibrar

Para demonstrar os princípios dos modos de vibrar, pode-se realizar um experimento com uma viga engastada, a qual é uma estrutura fixa em uma extremidade e livre na outra. Este experimento é uma maneira prática e visual de compreender como as estruturas vibram e como suas frequências naturais podem ser determinadas.

Montagem do Experimento

Segue-se a baixo as listas de equipamento/ materiais necessários para o experimento bem como os procedimentos a serem executados.

• Equipamentos necessários:

1. Uma viga de material adequado (por exemplo, aço ou alumínio).

2. Um suporte rígido para engastar uma extremidade da viga.

3. Sensores de deslocamento ou acelerômetros para medir a resposta da viga.

4. Um excitador (como um atuador eletromagnético) para aplicar forças variáveis na viga.

5. Um sistema de aquisição de dados para registrar as medições dos sensores.

• Procedimentos:

1. Engastar uma extremidade da viga no suporte rígido, garantindo que a outra extremidade fique livre.

2. Colocar os sensores de deslocamento ou acelerômetros em pontos estratégicos ao longo da viga.

3. Utilizar o excitador para aplicar forças variáveis na viga e induzir vibrações.

4. Registrar as respostas da viga usando o sistema de aquisição de dados.

Vídeo do Experimento da Viga Engastada

Análise dos Resultados

As medições obtidas dos sensores serão analisadas para determinar as frequências naturais e as formas modais da viga. Para este experimento, o foco será nos três primeiros modos de vibrar: 

• Primeiro Modo de Vibrar: Apresenta uma única curvatura suave ao longo da viga, com a maior amplitude na extremidade livre.

• Segundo Modo de Vibrar: Exibe uma forma de onda com um nó (ponto de oscilação zero) no meio da viga, dividindo a viga em duas seções vibrantes.

• Terceiro Modo de Vibrar: Apresenta dois nós, dividindo a viga em três seções vibrantes, com padrões de curvatura mais complexos. 

É possível comparar as medições experimentais com as previsões teóricas, permitindo a validação dos modelos matemáticos utilizados para descrever o comportamento vibracional da viga. Desta forma, garante-se a precisão das análises e a segurança no design de estruturas e máquinas.

Conclusão

Compreender os modos de vibrar e suas frequências naturais é vital para a análise e design de máquinas rotativas e outras estruturas. Experimentos como o da viga engastada proporcionam insights valiosos sobre o comportamento vibracional e ajudam a garantir que as estruturas sejam projetadas para evitar ressonâncias prejudiciais, resultando em sistemas mais seguros e eficientes.