Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Mechanické kmitání
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Mechanické kmitání

Mechanické kmitání nám zatím znepříjemňuje život a působí více škod než užitku. Jeho nepříznivé účinky jsou omezovány snižováním intenzity zdrojů kmitavého pohybu a zvyšováním účinnosti zábran jeho šíření. Využití mechanického kmitání ve prospěch člověka postupuje nyní podstatně rychleji než dříve.

Místo vyjádření aktuálního parametru mechanického kmitání je často užíván obecný pojem vibrace. O účincích mechanického kmitání se musíme vyjadřovat přesně: buď jde o dráhu, rychlost, nebo o zrychlení kmitavého pohybu. Souvislost těchto tří parametrů mechanického kmitání je zřejmá. Derivací dráhy kmitání podle času je určena rychlost, druhou derivací jeho zrychlení a třetí derivací tzv. gradient zrychlení s využitím v medicíně. Vhodným elektrickým snímačem můžeme s využitím jednoduchých derivačních a integračních obvodů měřit kterýkoliv parametr mechanického kmitání.

Měření parametrů mechanického kmitání

Pro měření parametrů mechanického kmitání byly vyvinuty snímače využívající nejčastěji piezoelektrický, induktivní, piezorezistentní a elektrodynamický princip. První tři uvedené principy jsou využívány v akcelerometrech (měřicí frekvenční rozsah je pod vlastní frekvencí jejich mechanické soustavy), které mají nejmenší hmotnost a měří zrychlení kmitavého pohybu v nejširším frekvenčním rozsahu. Elektrodynamický princip (jeho měřicí frekvenční rozsah je nad vlastní frekvencí jeho mechanické soustavy) generuje signál úměrný rychlosti kmitavého pohybu, úměrný dráze po jeho jednoduché integraci, úměrný zrychlení po jeho jednoduché derivaci.
Měření parametrů mechanického kmitání ve strojírenství zahrnuje zpravidla frekvenční rozsah řádu Hz až několika set Hz. V některých případech, např. u pohonů s tryskovými motory, až do 1000 Hz, i frekvencí vyšších. Dlouho bylo v odborné literatuře uváděno, že pro člověka je významné mechanické kmitání ve frekvenčním rozsahu od nejnižších frekvencí do 100 Hz, podle nejnovějších výzkumů je to však až do 1500 Hz. V převážné většině případů měří snímače příslušný parametr mechanického kmitání v jedné ose. Existují však akcelerometry pro měření vektoru zrychlení v prostoru prostřednictvím měření jeho složek v pravoúhlé soustavě os.
Ke značnému pokroku dochází v automatickém zpracování měřených signálů ze snímačů parametrů kmitavého pohybu. Jsou digitalizovány a vizualizovány např. ve formě čárového frekvenčního spektra, jednotlivé harmonické složky spektra jsou měřeny v závislosti na režimu funkce zkoumaného objektu. U kmitání stochastického průběhu je využíváno statistických metod zpracování dat. Např. měření počtu překročení řady nastavených hladin u výchylek zvoleného parametru kmitání za stanovených podmínek atd.

Mechanická rezonance

Mechanická rezonance nastává při shodě frekvence vlastních kmitů soustavy (např. mechanické konstrukce) vhodně spojené s budicím zdrojem této frekvence. Měníme-li frekvenci budicích kmitů, existuje stálý poměr budicích kmitů a tzv. vynucených kmitů buzeného objektu mimo interval frekvencí, kdy se kmitání buzeného objektu zvětšuje až do tzv. frekvence rezonanční a pak opět klesá na úroveň kmitů vynucených. Velikost rezonančního kmitání je omezena mechanickým tlumením buzeného objektu. Při konstruování strojů je dbáno, aby při provozních otáčkách stroje či v přechodových stavech jejich nastavování nedošlo k uvedení částí stroje do rezonančního kmitání.

Škodlivost lidem, strojům i budovám

Lidský organismus není ke všem frekvencím ve spektru mechanického kmitání stejně citlivý. Nepochybně je nejméně citlivý na mechanické kmitání přenášené do těla člověka otřesy při jeho chůzi či běhu.
Z empirických pozorování vyplynulo, že lidský organismus je ve směru podélné osy nejcitlivější na kmitání od 4 do 8 Hz. V příčných směrech je nejcitlivější na kmitání o frekvencích 1 až 2 Hz. Právě tyto nízké frekvence v příčných směrech byly příčinou nevolnosti lidí cestujících v některých typech automobilů, kde tyto nízkofrekvenční kmity byly buzeny. Mezi lesními dělníky, kteří pracují s motorovými pilami, jsou dobře známé tzv. "bílé prsty", což je postupná degenerace cévní a nervové tkáně způsobené kmitáním o frekvenci kolem 100 Hz. Působením prostorových zrychlení o frekvenci kolem 0,1 Hz při akrobacii sportovních letadel, které současně mění směr dráhy a rychlost, může nedostatečně trénovaný pilot ztrácet prostorovou orientaci a popřípadě i vědomí. Dlouhodobě působící vibrace na řidiče nákladních automobilů a traktorů poškozují některé jejich vnitřní orgány. To je důvod, proč je nyní ve světě věnována mimořádná pozornost odpružování jejich sedadel.
Existuje řada mezinárodních doporučení a uznávaných norem, které se zabývají vlivem zrychlení na lidský organismus a měřením tohoto zrychlení. Potíž často spočívá v tom, jak působící zrychlení správně změřit.
Mechanické rezonanční i vynucené kmitání už bylo příčinou stovek různých katastrof. Koncem padesátých let se např. zřítily dva dopravní letouny typu Caravelle. Po vytažení vraků z moře bylo dodatečně zjištěno, že příčinou byla rychle se šířící trhlina v draku letounu způsobená nedostatečně utlumeným lokálním rezonančním kmitáním. V regionech opakovaných zemětřesení byly pohřbeny už statisíce osob ve zbořených domech. Teprve v posledních desetiletích byl po experimentálním ověření rozšířen způsob dimenzování staveb ohrožených zemětřesením, který podstatně snížil při tektonických otřesech jejich destrukci. Mechanické kmitání přenášené např. zemí narušuje přesnost obrábění, přesnost různých měření atd., a proto bývají objekty s takovou činností mechanicky odpruženy vhodným uložením.

Mechanické kmitání slouží člověku

Na efektu mechanické rezonance je založena funkce řady strojů a zařízení, které spoří energii, protože nahrazují vynucené kmitání kmitáním rezonančním. Tohoto efektu je využito v ručních i strojních sbíječkách při dobývání hornin, při zhutňování zeminy atd. Významná je aplikace v elektrohydraulických a elektromechanických strojích, kde v režimu rezonance (při minimální spotřebě elektrické energie) jsou dynamicky zatěžovány mechanické konstrukce a jejich konstrukční uzly s cílem získat data o jejich únavové pevnosti a životnosti. Jsou známé rezonanční snímače otáček (frekvence) představované řadou na jedné straně vetknutých ocelových nosníčků naladěných na rezonanční kmitání např. po 0,5 Hz. Vhodným spojením tohoto snímače se strojem je možno přesně měřit jeho jmenovité otáčky a malé odchylky od těchto otáček. Moderní lékařství využívá mechanického kmitání k odstranění bolesti i únavy. Známá jsou anatomicky tvarovaná odpočinková křesla s vestavěným vibrátorem a účinné působení vířené vody v lázni.
K nejdokonalejšímu měření parametrů mechanického kmitání a důsledné minimalizaci příčin jeho vzniku a eliminaci následků jeho působení dochází v leteckém a automobilovém průmyslu. Právě v těchto oborech ohrožuje mechanické kmitání spolehlivost a životnost strojů a současně i komfort, zdraví a životy obsluhy a pasažérů.

Další články

Měření ve strojírenství
Elektrotechnika a regulace
Výzkum/ vývoj

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: