Uma vibração é um movimento oscilatório mecânico em torno de uma posição de equilíbrio estável ou de uma trajetória média. A vibração de um sistema pode ser livre ou forçada.
Qualquer movimento vibratório pode ser definido pelas seguintes características:
Uma massa livre no espaço naturalmente tem seis graus de liberdade:
Nós distinguimos as vibrações:
Distingue-se em particular as vibrações:
Dependendo do tipo e natureza da vibração, e dependendo dos meios de medição, ela pode ser medida em amplitude (distância linear ou angular), potência ou valor efetivo em relação a uma referência ( decibel ), frequência ( hertz ), etc.
Muitos organismos vivos são sensíveis a vibrações graças a órgãos especializados ou sensores que lhes permitem se comunicar, para detectar congêneres, presas ou predadores em potencial, especialmente na água (em peixes , mamíferos marinhos , crustáceos , moluscos escavadores e outros bivalves ...) ou no ambiente noturno . A audição é uma das percepções dos corpos vibratórios do ambiente, mas muitas vezes a pele e todo o corpo contribuem para essa percepção. Seu instinto empurra, por exemplo, as minhocas ( minhocas ) a subirem à superfície no caso de vibrações repetidas do solo, talvez em resposta a terremotos ou quando um de seus predadores escavadores , como a toupeira ou o texugo .
Na indústria, estamos interessados na análise de vibração por dois motivos:
Excitação vibratória excessiva pode ser causada pela excitação dos modos próprios (frequências de ressonância ) da estrutura. Uma ou mais fontes geram vibrações em um modo específico de vibração da estrutura, a amplitude da vibração da estrutura é então muito maior do que a amplitude da excitação e pode, portanto, causar sua ruína por fadiga. A expertise aqui consiste em identificar os modos de vibração da estrutura.
Existem dois métodos para determinar as frequências naturais de um sistema:
A caracterização usando uma panela vibratória é usada principalmente para dimensionar ou qualificar equipamentos no laboratório antes do uso;
A análise do martelo de impacto é utilizada para uma caracterização in situ da estrutura.
A análise modal experimental (AME) permite determinar as deformações da estrutura em função da frequência.
A medição da forma de deflexão operacional em operação (DOF ou ODS: Forma de Deflexão Operacional ) permite determinar a real deformação da estrutura em operação.
Os cálculos por modelagem da estrutura por elementos finitos permitem avaliar os modos próprios da estrutura.
O choque do martelo permite excitar a estrutura em todas as frequências (até cerca de 10 kHz) com a mesma energia . Diferentes pontas estão disponíveis dependendo das frequências a serem excitadas (ponta suave: frequências baixas, ponta dura: frequências médias).
Uma vez que os modos limpos de estrutura são identificados, é:
A modelagem permite então dimensionar com precisão a adição de massa ou rigidez na estrutura;
Os cálculos de elementos finitos podem permitir calcular a vibração máxima admissível na estrutura, a fim de evitar o risco de ruína por fadiga vibratória.
A análise vibratória de máquinas rotativas agora é amplamente utilizada pelos fabricantes para diagnosticar falhas em suas máquinas antes que sofram um acidente: trata-se de manutenção condicional. Identificar o problema permite que ações curativas sejam tomadas, como ajuste ou substituição de uma peça com defeito antes que a máquina entre em colapso.
As vibrações são medidas por meio de acelerômetros instrumentados nos mancais da máquina (estrutura da máquina, e não na estrutura ou tampa de proteção). Sondas de proximidade (sensores de deslocamento indutivo ou lasers) também são usadas em máquinas de rolamentos deslizantes. Geralmente, a medição é feita nos 3 eixos.
Pode ser útil medir o nível geral de velocidade entre 10 e 1000 Hz para poder compará-lo com as normas ISO 10816 que fornecem critérios sobre o estado vibratório da máquina para diferentes tipos e potências de máquinas. Aumentar o nível geral de velocidade ao longo do tempo pode significar danos à máquina. Este é um indicador que dá uma aproximação do estado vibratório da máquina, mas que pode não ser suficiente no caso de vibrações de alta frequência.
A medição do espectro de vibração permite identificar as frequências das vibrações da estrutura e diagnosticar certos tipos de falhas, tais como:
A utilização de uma torre superior permite medir a velocidade de rotação.
A manutenção condicionada também permite acabar com o dispendioso sistema de manutenção sistemática que consiste na troca periódica de uma peça, esteja ela desgastada ou não.
Certos objetos rotativos (motores, rodas, pás de turbina, etc.) podem - em operação normal ou danificados - gerar vibrações desagradáveis para os ouvidos ou para o corpo, ou perigosas para a própria máquina.
Existem vários meios de medir essas vibrações.
O ideal (quando não devido ao desgaste de um cubo ou de uma peça) seria poder preveni-los ou corrigi-los "diretamente".
Em máquinas potentes (turbinas de aeronaves ou hélices, turbinas a gás, etc.), as pás são submetidas a tensões muito elevadas, devido à sua alta velocidade e à turbulência gerada pela pressão do ar, cisalhamento, etc.
Pesquisadores e alunos tiveram a ideia de aplicar uma tira fina de um material piezoelétrico ( piezocerâmico ) em lâminas submetidas a rotação rápida. Este material se expande ou se contrai sob demanda se submetido a um campo elétrico (este é o efeito piezoelétrico reverso ). Permite controlar os modos vibratórios das pás através do controle do campo elétrico aplicado ao material (podemos alinhar a frequência do material piezoelétrico com a da pá e compensar amplitudes vibratórias indesejadas). A lâmina também pode ser integrada dentro das lâminas para evitar desgaste. Esta solução está apenas na fase de laboratório , mas talvez possa melhorar o funcionamento, desgaste e consumo ou produção de turbinas utilizadas na aeronáutica, energia eólica, fábricas, etc.
As profissões que apresentam riscos de exposição significativa a vibrações estão sujeitas na França aos artigos R. 4441-1 a R. 4447-1 decorrentes do decreto n ° 2005-746 de 4 de julho de 2005do Código do Trabalho. Estes, nomeadamente, definem valores limite de exposição no contexto de vibrações que afetam todo o corpo:
O empregador é obrigado a avaliar os níveis de vibrações mecânicas a que os funcionários estão expostos e implementar medidas preventivas destinadas a eliminar ou reduzir os riscos decorrentes desta exposição (reduzir as vibrações na fonte, reduzir a vibração de transmissão para o trabalhador, reduzir o efeito de transmissão de vibração e operadores de trem).
Existem também valores para vibrações que afetam apenas certas partes do corpo, como pode ser o caso para trabalhadores da construção civil que usam certas ferramentas:
O Código do Trabalho também especifica as ações a serem tomadas se esses valores forem excedidos. Numerosas medidas permitem reduzir as vibrações a que estão sujeitos os operadores: melhoria do equipamento e das suas condições de utilização, formação de pessoal, estabelecimento de vigilância médica, etc.
No contexto de vibrações que afetam todo o corpo (por exemplo, para pessoas que usam a britadeira), as consequências são principalmente distúrbios musculoesqueléticos: lombalgias, hérnias de disco ... As vibrações que afetam apenas os membros superiores também podem causar problemas nas articulações de os punhos ou cotovelos, síndrome de Raynaud (problema com a circulação sanguínea nas extremidades) ou distúrbios neurológicos (diminuição da sensação de toque, calor e frio, ou mesmo perda de destreza e capacidade de agarrar objetos com facilidade).
A exposição a períodos regulares e limitados de "vibração de corpo inteiro" pode fornecer benefício terapêutico mínimo, mas significativo em certas doenças: diabetes tipo II , paralisia cerebral, obstrução pulmonar crônica, obesidade ... um estudo recente (2017) feito em ratos de laboratório geneticamente obesos .
Os benefícios metabólicos nesses casos seriam semelhantes aos obtidos caminhando em uma esteira para diabetes tipo II. Durante o experimento, os camundongos foram submetidos a 20 min de vibração corporal por dia, enquanto outro grupo correu em uma esteira 45 minutos por dia e um terceiro grupo (controle) não foi submetido a nenhuma atividade física específica.
O experimento durou 12 semanas. Nesse período (embora o estresse do esqueleto seja conhecido por estimular e fortalecer o tecido ósseo), a vibração do corpo inteiro não fortaleceu os ossos dos animais nem alterou sua densidade óssea. No entanto, os autores mediram um aumento no nível de osteocalcina (um hormônio envolvido na formação óssea ), o que poderia significar que, a longo prazo, benefícios esqueléticos seriam possíveis. Além disso, assim como os camundongos que corriam 45 min por dia, aqueles cujos corpos tinham vibrado 20 min por dia tinham menos gordura e mais músculos nas pernas e mostravam sinais de melhor metabolismo, principalmente a insulina . Benefícios têm sido observados no fígado: o diabetes tipo II induz um acúmulo de gordura no fígado, às vezes levando à disfunção desse órgão ou mesmo à morte. No entanto, os ratos que correram na esteira, como aqueles cujas gaiolas vibraram 20 minutos por dia, tinham cerca de 3 vezes menos gordura no fígado do que os ratos do grupo de controle.
As academias oferecem máquinas de vibração de corpo inteiro, e muitos atletas as encontram para melhorar seu desempenho.
No XX th século , o conceito de vibração é usado em várias correntes do New Age , geralmente associada com "bom" ou "ruim" (ver Good Vibrations dos Beach Boys ), para designar os fenômenos ambientais (onde a língua comum, como : "Há uma boa atmosfera aqui" ou "esta pessoa não me agrada", o seguidor da Nova Era dirá "há boas vibrações aqui" ou "esta pessoa emite vibrações ruins") ou a natureza do universo ( cosmos é o termo preferido) com o qual o indivíduo pode " ressoar ". A palavra onda é algumas vezes usada no mesmo sentido.