Amortiguación de Coulomb

El amortiguamiento de Coulomb es un tipo de amortiguamiento mecánico constante en el que la energía cinética del sistema se absorbe a través de la fricción deslizante (la fricción generada por el movimiento relativo de dos superficies que se presionan entre sí). El amortiguamiento de Coulomb es un mecanismo de amortiguamiento común que se produce en la maquinaria.

El amortiguamiento de Coulomb recibió ese nombre porque Charles-Augustin de Coulomb realizó investigaciones en mecánica. Más tarde, en 1781, publicó un trabajo sobre la fricción titulado "Teoría de máquinas simples" para un concurso de la Academia de Ciencias. Coulomb ganó entonces mucha fama por su trabajo con la electricidad y el magnetismo.

La amortiguación de Coulomb absorbe energía con la fricción, que convierte esa energía cinética en energía térmica, es decir, calor. La fricción de Coulomb considera esto bajo dos modos distintos: estático o cinético.

La fricción estática se produce cuando dos objetos no están en movimiento relativo, por ejemplo, si ambos están estacionarios. La fuerza F_s ejercida entre los objetos excede, en magnitud, el producto de la fuerza normal N y el coeficiente de fricción estática μ_s:

${\fnMicrosoft Sans Serif}$.

La fricción cinética, por otra parte, se produce cuando dos objetos experimentan un movimiento relativo, al deslizarse uno contra el otro. La fuerza F_k ejercida entre los objetos en movimiento es igual en magnitud al producto de la fuerza normal N por el coeficiente de fricción cinética μ_k:

${\fnMicrosoft Sans Serif}$.

Independientemente del modo, la fricción siempre actúa para oponerse al movimiento relativo de los objetos. La fuerza normal se toma perpendicularmente a la dirección del movimiento relativo; bajo la influencia de la gravedad, y en el caso común de un objeto sostenido por una superficie horizontal, la fuerza normal es simplemente el peso del objeto mismo.

Como no hay movimiento relativo bajo fricción estática, no se realiza trabajo y, por lo tanto, no se puede disipar energía. Un sistema oscilante (por definición) solo se amortigua mediante la fricción cinética.

Considere un bloque de masa ${\displaystyle m}$ que se desliza sobre una superficie horizontal rugosa bajo la restricción de un resorte con una constante de primavera ${\displaystyle k}$. La primavera se adjunta al bloque y se monta a un objeto inmóvil en el otro extremo permitiendo que el bloque sea movido por la fuerza de la primavera

${\displaystyle F=kx!$,

Donde ${\displaystyle x}$ es el desplazamiento horizontal del bloque desde cuando la primavera no se estira. En una superficie horizontal, la fuerza normal es constante e igual al peso del bloque por la tercera ley de Newton, es decir.

${\displaystyle N=mg.$.

Como se indicó anteriormente, ${\displaystyle F_{\rm {}}}$ actúa frente al movimiento del bloque. Una vez en movimiento, el bloque oscilará horizontalmente de ida y vuelta alrededor del equilibrio. La segunda ley de Newton establece que la ecuación del movimiento del bloque es

${\displaystyle m{\ddot {x}\ - Sí.$.

Arriba, ${\displaystyle {\dot {x}}$ y ${\displaystyle {\ddot {x}}$ respectivamente denota la velocidad y aceleración del bloque. Tenga en cuenta que el signo del término de fricción cinética depende de ${\displaystyle \operatorname {sgn} {\dot {x}}$El dirección el bloque está viajando, pero no el velocidad.

Un ejemplo real de amortiguamiento de Coulomb se da en estructuras grandes con uniones no soldadas, como las alas de los aviones.

El humedecimiento de Coulomb disipa la energía constantemente debido a la fricción deslizante. La magnitud de la fricción deslizante es un valor constante; independiente de superficie, desplazamiento o posición, y velocidad. El sistema sometido a amortiguación Coulomb es periódico o oscilante y restringido por la fricción deslizante. Esencialmente, el objeto en el sistema está vibrando de ida y vuelta alrededor de un punto de equilibrio. Un sistema de amortiguación de Coulomb no es lineal porque la fuerza friccional siempre se opone a la dirección del movimiento del sistema como se indicó anteriormente. Y porque hay fricción presente, la amplitud del movimiento disminuye o decae con el tiempo. Bajo la influencia de la humedad de Coulomb, la amplitud se encuentra linealmente con una pendiente de${\displaystyle \pm 2\mu mg\omega _{\rm {n}/(k\pi)}$ Donde ⋅_n es la frecuencia natural. La frecuencia natural es el número de veces que el sistema oscila entre un intervalo de tiempo fijo en un sistema no conectado. También se debe saber que la frecuencia y el período de vibración no cambian cuando el amortiguamiento es constante, como en el caso de amortiguación de Coulomb. Período τ es la cantidad de tiempo entre la repetición de fases durante la vibración. A medida que avanza el tiempo, el objeto deslizante disminuye y la distancia que recorre durante estas oscilaciones se vuelve más pequeña hasta llegar a cero, el punto de equilibrio. La posición donde el objeto se detiene, o su posición de equilibrio, podría potencialmente estar en una posición completamente diferente que cuando inicialmente se descansa porque el sistema no es lineal. Los sistemas lineales tienen un solo punto de equilibrio.

• Fricción seca
• Humedad viscosa

• Ginsberg, Jerry (2001). Vibraciones mecánicas y estructurales: Teoría y Aplicaciones (1a edición). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-37084-3.
• Inman, Daniel (2001). Vibración de ingeniería (2a edición). Prentice Hall. ISBN 0-13-726142-X.
• Walshaw, A.C. (1984). Vibraciones mecánicas con aplicaciones (1a edición). Ellis Horwood Limited. ISBN 0-85312-593-7.

• Friction (Archived 2009-10-31) - Microsoft Encarta Enciclopedia Online 2006
• Coulomb Damping - Ciencia e Ingeniería Enciclopedia