Estudio de un muelle real (qué es, funciones y tipos)

¿Qué es un muelle o resorte?

Un resorte, o bien un muelle de alambre o de metal, es un mecanismo que se comprime, se extiende o gira cuando una fuerza, igual o mayor, se les es aplicada.

Este mecanismo es capaz de ejercer presión, fuerza de rotación o fuerza de atracción en una variedad de maneras. Son elementos clásicos empleados en construcción y diseño. Su trabajo principal consiste en la acumulación y transformación de energía, aprovechando las características elásticas del material.

Funciones de un muelle

Entre sus funciones, las principales consisten en la absorción de golpes y vibraciones, la distribución y compensación de fuerzas. Además de actuar en la retención de tensiones previas y el mantenimiento de posiciones determinadas.

Son capaces de almacenar la energía y desprenderse de ella sin sufrir deformación permanente alguna cuando cesan las fuerzas o tensiones a las que son sometidos. Esto debido a que son fabricados con materiales muy diversos. Por ejemplo el acero al carbono, acero inoxidable, acero al cromo-silicio, cromo-vanadio, entre otros. Estos presentan propiedades elásticas y con una gran diversidad de formas y dimensiones.

Tipos de muelles o resortes

Compresión

Son tipos de resortes mecánicos que pueden ser utilizados en válvulas, suspensiones, bolígrafos, en los ejes, en un agujero redondo. Es decir, en cualquier lugar donde una fuerza de empuje o compresión necesita ser aplicada.

Torsión

Son muelles de acero mecánicos que ejercen fuerzas radiales cuando se gira. Un muelle de torsión, se coloca sobre un eje de sujeción a con una pierna o un extremo asegurada contra una placa o un pasador. De este modo la otra pierna o extremo puede girar y darle la fuerza de rotación. Los muelles de torsión aumentan en fuerza entre más se gire sobre su radio.

Tensión

Resortes o muelles de tensión se usan cuando ocupas tensión extendida o al estirar el resorte. Son muelles de alambre que pueden ser utilizados en trampolines, palancas, puertas de garaje, puertas de pantalla o en cualquier lugar donde una fuerza de tracción necesita ser aplicada.

Liga

Son resortes redondos mecánicas que son muelles helicoidales realizadas en un anillo o de un círculo continuo. Los resortes de liga se utilizan en sellos de goma, sellos de aceite y correas que requieren bandas antideslizante. Estos muelles de modo continúo dan fuerza radial hacia al exterior cuando se expande el muelle.

La ley de Hooke

La ley explica el desplazamiento o la deformación sufrida por un objeto sometido a una fuerza, será directamente proporcional a la fuerza deformante o a la carga. Es decir, que a mayor fuerza, mayor deformación o desplazamiento, o cómo lo formuló en latín el propio Hooke.

La Ley de Hooke es sumamente importante en diversos campos, como en la física y el estudio de resortes elásticos (su demostración más frecuente). Es un precepto fundamental para la ingeniería y la arquitectura, la construcción y el diseño. Es así porque permite prever la manera en que una fuerza prolongada o un peso altera las dimensiones de los objetos en el tiempo.

Estudio de un muelle real

Esta experiencia tiene como objetivo principal poder determinar la constante de elasticidad que posee un muelle a partir del estudio de las oscilaciones que tiene una masa colgada en el mismo.

En el momento en que una masa se cuelgue de un muelle, esta oscila con un movimiento armónico simple. Esto debido a la presencia de una fuerza recuperadora, y esta fuerza actuará siempre en el sentido contrario al desplazamiento respecto a la posición de equilibrio. 

En la descripción teórica que se plantea inicialmente, se considera nula la masa del muelle. Sin embargo debería demostrarse, con un estudio más realista de la situación, que esta masa no es nula. 

El tratamiento matemático de este problema resulta sencillo de resolver, pero se concluye que debe ser asociada al muelle una masa efectiva. De igual manera puede ser una masa equivalente, pero que sea igual a un tercio de su masa. 

Esta masa de ser añadida a la del cuerpo para que así el periodo de oscilación coincida realmente con el medido. La masa efectiva del muelle puede también calcularse si se reescribe la ecuación que relaciona T2 y m añadiendo a la masa del cuerpo la masa efectiva del muelle. La masa efectiva del muelle puede también calcularse si se reescribe la ecuación que relaciona T2 y m añadiendo a la masa del cuerpo la masa efectiva del muelle.

Medida elástica de un muelle

Procedimiento estático

Si el muelle se estira o se comprime una pequeña distancia x respecto de su estado de equilibrio (no deformado) la fuerza que hay que ejercer es proporcional a x. La constante de proporcionalidad k se denomina constante elástica del muelle. Esta expresión de la fuerza se conoce como ley de Hooke. Para medir la constante k, medimos la deformación x cuando aplicamos distintos valores de la fuerza F.

Procedimiento dinámico

Un muelle ejerce una fuerza F sobre una partícula de masa m  que es proporcional al desplazamiento x y de sentido contrario a éste, tal como podemos apreciar en las figuras. El desplazamiento x se mide desde la posición O de equilibrio en la que el muelle se encuentra sin deformar. Cuando el muelle está comprimido (x<0) ejerce una fuerza sobre la partícula dirigida hacia la derecha. Cuando el muelle está estirado (x>0) el muelle ejerce una fuerza hacia la izquierda. 

Si estiramos o comprimimos el muelle de constante k solidario con una partícula de masa m y lo soltamos veremos que el muelle empieza a oscilar. A partir de la medida del periodo de dichas oscilaciones, podemos determinar la constante elástica del muelle. Aplicamos la segunda ley de Newton al sistema formado por la partícula de masa m y el muelle de constante k.

 

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