Resorte (dispositivo)

Los resortes se pueden clasificar según cómo se les aplique la fuerza de carga.

Muelle de tensión/extensión

El resorte está diseñado para funcionar bajo una carga de tensión , por lo que se estira a medida que se le aplica dicha carga.

Muelles helicoidales diseñados para soportar tensión.

Muelles de tensión en un dispositivo de reverberación de línea plegada.

Muelle de compresión

Diseñado para funcionar con una carga de compresión , por lo que el resorte se acorta a medida que se le aplica la carga.

Muelle de torsión

A diferencia de los tipos anteriores en los que la carga es una fuerza axial, la carga aplicada a un resorte de torsión es un par o fuerza de torsión, y el extremo del resorte gira un ángulo a medida que se aplica la carga. ^{[ 7 ]} Se utiliza frecuentemente en sistemas de suspensión de vehículos con barra de torsión .

Existen muchas otras formas de clasificar y subclasificar los resortes, como por ejemplo según su forma: los resortes helicoidales son comunes, al igual que los resortes de lámina . Los resortes de liga son resortes de arco con una curvatura específica; ambos se fabrican doblando un resorte helicoidal hasta alcanzar una determinada posición.

Los tipos de resortes más comunes son:

Muelle de equilibrio

También conocido como espiral. Un delicado muelle espiral utilizado en relojes , galvanómetros y en lugares donde se debe conducir electricidad a dispositivos parcialmente giratorios, como volantes, sin obstaculizar la rotación.

Muelle en voladizo

Un resorte plano está fijado solo en un extremo, como una viga en voladizo , mientras que el extremo que cuelga libremente soporta la carga.

Muelle en espiral

También conocido como resorte helicoidal. Un resorte (hecho enrollando un alambre alrededor de un cilindro) es de dos tipos.

• Los resortes de tensión o extensión están diseñados para alargarse bajo carga. Sus espiras (bucles) normalmente se tocan en la posición sin carga, y tienen un gancho, una argolla u otro medio de sujeción en cada extremo.
• Los resortes de compresión están diseñados para acortarse al ser sometidos a carga. Sus espiras (bucles) no se tocan en la posición sin carga y no necesitan puntos de fijación.

Muelle de arco

Un resorte de compresión helicoidal (en espiral) precurvado o en forma de arco, capaz de transmitir un par de torsión alrededor de un eje.

Liga primavera

Un resorte de arco donde el arco forma un círculo completo. Pueden ser resortes de compresión o de extensión.

Muelle en voluta

Un resorte de voluta . Bajo compresión, las espiras se deslizan unas sobre otras para permitir un mayor recorrido.

Muelles verticales en voluta de un tanque Stuart

Un muelle helicoidal con forma de cono , de manera que bajo compresión las espiras no se fuercen entre sí, permitiendo así un mayor recorrido.

Muelle de tubo hueco

Pueden ser resortes de extensión o de compresión. El tubo hueco se llena de aceite y se utiliza un mecanismo para modificar la presión hidrostática en su interior, como una membrana o un pistón en miniatura, para endurecer o relajar el resorte, de forma similar a como ocurre con la presión del agua en una manguera de jardín. Alternativamente, se elige una sección transversal del tubo con una forma que modifica su área al someterse a deformación torsional: este cambio en el área de la sección transversal se traduce en un cambio en el volumen interno del tubo y en el flujo de aceite dentro y fuera del resorte, que puede controlarse mediante una válvula, regulando así la rigidez. Existen muchos otros diseños de resortes de tubo hueco que pueden modificar su rigidez con cualquier frecuencia deseada, multiplicarla o funcionar como un actuador lineal, además de sus propiedades elásticas.

Ballesta

Un muelle plano utilizado en suspensiones de vehículos , interruptores eléctricos y arcos .

Muelle en V

También conocido como resorte Chevron. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Se utiliza en mecanismos de armas de fuego antiguas , como las cerraduras de rueda , de chispa y de percusión . También se utiliza como resorte de cerradura de puerta, como en mecanismos de pestillo de puerta antiguos. ^{[ 10 ]}

• 
  Un muelle de torsión en espiral, o espiral de resorte , en un despertador .
• 
  Un muelle helicoidal de alta resistencia diseñado para compresión.
• 
  El arco largo inglés , un resorte simple pero muy potente hecho de tejo , que mide 2 m (6 pies 7 pulgadas) de largo, con un peso de tensión de 470 N (105 libras) , donde cada rama funciona como un resorte en voladizo y todo el arco actúa como un resorte de arco de extensión .     
• 
  Selección de diversos resortes de arco y sistemas de resortes de arco (sistemas que constan de resortes de arco interior y exterior).
• 
  Muelle de ballesta en un camión

Otros tipos incluyen:

Lavadora de Belleville

Un resorte en forma de disco que se usa comúnmente para aplicar tensión a un perno (y también en el mecanismo de iniciación de minas terrestres activadas por presión ).

Resorte de fuerza constante

Una cinta enrollada firmemente que ejerce una fuerza casi constante al desenrollarse.

resorte de gas

Un volumen de gas comprimido.

Primavera ideal

Un resorte ideal, sin peso, masa, pérdidas por amortiguación ni límites, es un concepto utilizado en física. La fuerza que ejercería un resorte ideal es exactamente proporcional a su extensión o compresión. ^{[ 11 ]}

Muelle real

Un muelle en espiral con forma de cinta que se utiliza como reserva de energía en mecanismos de relojería : relojes , cajas de música , juguetes de cuerda y linternas mecánicas .

Muelle negativo

Una delgada banda metálica de sección transversal ligeramente cóncava. Al enrollarse, adopta una sección transversal plana, pero al desenrollarse recupera su curvatura original, generando así una fuerza constante durante todo el desplazamiento y eliminando cualquier tendencia a rebobinarse. Su aplicación más común es la cinta métrica retráctil de acero. ^{[ 12 ]}

Muelles helicoidales de tasa progresiva

Un resorte helicoidal con rigidez variable, que generalmente se logra al tener distancias desiguales entre las espiras, de modo que cuando el resorte se comprime, una o más espiras descansan contra su vecina.

Goma

Un resorte de tensión donde la energía se almacena al estirar el material.

arandela elástica

Se utiliza para aplicar una fuerza de tracción constante a lo largo del eje de un sujetador .

Muelle de onda

Diversos tipos de resortes compactados mediante el uso de ondas para crear un efecto de resorte.

Un resorte ideal actúa de acuerdo con la ley de Hooke, que establece que la fuerza con la que el resorte empuja hacia atrás es directamente proporcional a la distancia desde su longitud de equilibrio: $${\displaystyle F=-kx}$$ dónde

x es el vector de desplazamiento, la distancia desde su longitud de equilibrio.

F es el vector de fuerza resultante: la magnitud y la dirección de la fuerza restauradora que ejerce el resorte.

k es la constante elástica , constante de elasticidad o constante de fuerza del resorte, una constante que depende del material y la construcción del resorte. El signo negativo indica que la fuerza que ejerce el resorte está en la dirección opuesta a su desplazamiento.

La mayoría de los resortes reales siguen aproximadamente la ley de Hooke si no se estiran o comprimen más allá de su límite elástico .

Los resortes helicoidales y otros resortes comunes suelen obedecer la ley de Hooke. Sin embargo, existen resortes útiles que no la obedecen: por ejemplo, los resortes basados ​​en la flexión de vigas pueden generar fuerzas que varían de forma no lineal con el desplazamiento.

Si se fabrican con un paso constante (grosor del alambre), los resortes cónicos tienen una rigidez variable. Sin embargo, se puede lograr una rigidez constante fabricando un resorte con un paso variable. Un paso mayor en las espiras de mayor diámetro y un paso menor en las de menor diámetro obligan al resorte a contraerse o extenderse todas las espiras al mismo ritmo cuando se deforma.

Dado que la fuerza es igual a la masa, m , por la aceleración, a , la ecuación de fuerza para un resorte que obedece la ley de Fermi se ve así:

${\displaystyle F=ma\quad \Rightarrow \quad -kx=ma.\,}$

La masa del resorte es pequeña en comparación con la masa de la masa adjunta y se ignora. Dado que la aceleración es simplemente la segunda derivada de x con respecto al tiempo,

${\displaystyle -kx=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}.\,}$

Esta es una ecuación diferencial lineal de segundo orden para el desplazamiento.${\displaystyle x}$en función del tiempo. Reorganizando:

${\displaystyle {\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+{\frac {k}{m}}x=0,\,}$

cuya solución es la suma de un seno y un coseno :

${\displaystyle x(t)=A\sin \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right)+B\cos \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}}\right).\,}$

${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$son constantes arbitrarias que se pueden encontrar considerando el desplazamiento y la velocidad iniciales de la masa. La gráfica de esta función con${\displaystyle B=0}$(posición inicial cero con alguna velocidad inicial positiva) se muestra en la imagen de la derecha.

En el movimiento armónico simple de un sistema masa-resorte, la energía fluctuará entre energía cinética y energía potencial , pero la energía total del sistema permanece constante. Un resorte que obedece la ley de Hooke con constante elástica k tendrá una energía total del sistema E de: ^{[ 13 ]}$${\displaystyle E=\left({\frac {1}{2}}\right)kA^{2}}$$ Aquí, A es la amplitud del movimiento ondulatorio que se produce por el comportamiento oscilatorio del resorte.

La energía potencial U de dicho sistema se puede determinar a través de la constante elástica k y su desplazamiento x : ^{[ 13 ]}$${\displaystyle U=\left({\frac {1}{2}}\right)kx^{2}}$$ La energía cinética K de un objeto en movimiento armónico simple se puede encontrar utilizando la masa del objeto unido m y la velocidad a la que oscila el objeto v : ^{[ 13 ]}$${\displaystyle K=\left({\frac {1}{2}}\right)mv^{2}}$$ Dado que no hay pérdida de energía en dicho sistema, la energía siempre se conserva y por lo tanto: ^{[ 13 ]}$${\displaystyle E=K+U}$$

La frecuencia angular ω de un objeto en movimiento armónico simple, dada en radianes por segundo, se encuentra utilizando la constante elástica k y la masa del objeto oscilante m : ^{[ 14 ] [ 13 ]}

$${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}}$$

El período T , la cantidad de tiempo que tarda el sistema masa-resorte en completar un ciclo completo, de dicho movimiento armónico viene dado por: ^{[ 15 ] [ 13 ]}

$${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}}$$

La frecuencia f , el número de oscilaciones por unidad de tiempo, de algo en movimiento armónico simple se encuentra tomando el inverso del período: ^{[ 13 ]}

$${\displaystyle f={\frac {1}{T}}={\frac {\omega }{2\pi }}={\frac {\sqrt {k}}{2\pi {\sqrt {m}}}}}$$