Na mecânica, vibração, do latim vibrāre, "sacudir", é uma oscilação mecânica da matéria em torno de uma posição de equilíbrio. Embora os termos estejam relacionados, oscilação tem sentido mais amplo e também pode designar a variação repetitiva de grandezas que não correspondem ao movimento mecânico da matéria. Neste artigo, vibração é usada nesse sentido mecânico. A vibração pode ser determinística quando o movimento pode ser caracterizado com precisão, como no movimento periódico de um pêndulo, ou aleatória quando é analisado estatisticamente, como no movimento de um pneu sobre uma estrada de cascalho.
A vibração pode ser desejável. É o caso do movimento de um diapasão, da palheta de um instrumento de sopro de madeira ou de uma harmônica, do mecanismo de alerta de um telefone celular ou do cone de um alto-falante. Em muitos casos, porém, a vibração é indesejada, pois pode aumentar a dissipação de energia e produzir som indesejado. Os movimentos vibratórios de motores, motores elétricos e outras máquinas em funcionamento podem resultar de desequilíbrios nas partes giratórias, de atrito irregular ou do engrenamento dos dentes de uma engrenagem. Um projeto adequado procura reduzir essas vibrações.
O estudo do som e o da vibração têm aplicações em comum na acústica. Estruturas que vibram, como as cordas vocais, podem produzir som. No ar, ele se propaga por ondas longitudinais de pressão, que também podem fazer outras estruturas vibrarem, como a membrana timpânica. Por isso, a redução de ruído frequentemente envolve o controle de vibrações.
As vibrações de usinagem são comuns em processos de usinagem e outros métodos de fabricação subtrativa.
Tipos Vibração livre ou vibração natural ocorre quando um sistema mecânico recebe uma perturbação inicial e depois se move sem uma excitação externa que sustente o movimento. Exemplos são puxar uma criança para trás em um balanço e soltá-la, ou golpear um diapasão e deixá-lo soar. Sem amortecimento, um sistema linear ideal oscila em suas frequências naturais sem perder amplitude. Com amortecimento, sua energia diminui e a resposta livre tende ao repouso.
Vibração forçada ocorre quando uma perturbação variável no tempo, como uma força ou um movimento imposto ao suporte, é aplicada a um sistema mecânico. A perturbação pode ser periódica, transitória ou aleatória. Uma entrada periódica pode ser harmônica ou não harmônica. Exemplos são uma máquina de lavar que treme devido a um desequilíbrio, a vibração durante o transporte causada por um motor ou por uma estrada irregular e a vibração de um edifício durante um terremoto. Em um sistema linear com parâmetros constantes, a resposta em regime permanente a uma excitação harmônica tem a mesma frequência da excitação. Sua amplitude e sua fase dependem das características do sistema.
Vibração amortecida ocorre quando há dissipação de energia por atrito ou outros mecanismos. Na resposta livre oscilatória, a amplitude diminui. Isso não exige uma mudança contínua da frequência, que permanece constante no modelo linear com amortecimento viscoso e parâmetros fixos. Sob excitação externa, um sistema amortecido pode manter uma vibração de amplitude constante porque recebe energia da fonte. Um exemplo de aplicação do amortecimento é a suspensão automotiva, que utiliza amortecedores para reduzir as oscilações.
Outras classificações As classificações de uma vibração não são mutuamente exclusivas. Um mesmo sistema pode, por exemplo, ser amortecido, não linear e submetido a uma excitação aleatória. Entre outras divisões usadas na engenharia estão vibrações lineares e não lineares, determinísticas e aleatórias, e sistemas com um, múltiplos ou infinitos graus de liberdade.
Em uma vibração linear, as equações que governam o sistema são lineares e o princípio da superposição pode ser aplicado. Em uma vibração não linear, as equações do movimento contêm termos não lineares e a superposição em geral não se aplica.
Além das vibrações livres e forçadas, há sistemas com vibração autoexcitada, nos quais o próprio movimento regula a transferência de energia de uma fonte para o sistema. Na vibração paramétrica, a excitação decorre da variação temporal de um parâmetro, como a rigidez do sistema ou o comprimento de um pêndulo.
Isolamento miniatura|upright|Suspensão de automóvel. Molas e amortecedores alteram a transmissão das irregularidades da via à carroceria. O controle de vibrações faz parte da engenharia acústica, da engenharia automotiva e da engenharia mecânica.
O isolamento de vibração procura reduzir a transmissão de vibração entre uma fonte e outras partes de um sistema, como ocorre em edifícios e equipamentos mecânicos. As vibrações podem se propagar por ondas mecânicas, e as propriedades das ligações entre componentes alteram sua transmissão.
O isolamento passivo utiliza a elasticidade, a inércia e, quando apropriado, o amortecimento de seus componentes. Sua eficácia depende da frequência de excitação em relação às frequências naturais do conjunto. O isolamento ativo emprega sensores, um sistema de controle e atuadores para reduzir a vibração transmitida.
Medição miniatura|Medição da vibração da carroceria de um automóvel causada por irregularidades da via, realizada pelo FKFS em Stuttgart, Alemanha.
A vibração pode ser medida por meio do deslocamento, da velocidade ou da aceleração do ponto observado. As três grandezas estão relacionadas por derivação ou integração em relação ao tempo. No Sistema Internacional de Unidades, suas unidades são, respectivamente, metro, metro por segundo e metro por segundo ao quadrado.
Os sistemas de medição empregam um transdutor para transformar o movimento mecânico em um sinal que possa ser registrado e analisado. O acelerômetro mede diretamente a aceleração. Em condições apropriadas, a velocidade e o deslocamento podem ser obtidos por integração desse sinal. Os resultados podem ser apresentados como séries temporais, espectros de frequência ou valores de pico e valor eficaz, também chamado RMS, que é a raiz quadrada do valor médio do quadrado do sinal.
Exposição humana A avaliação da vibração transmitida ao corpo humano costuma separar a vibração de corpo inteiro, recebida por superfícies de apoio como o assento ou os pés, da vibração transmitida às mãos e aos braços. A ISO 2631-1 estabelece métodos gerais para avaliar a exposição do corpo inteiro, enquanto a ISO 5349-1 trata da medição e avaliação da vibração transmitida pelas mãos.
A exposição regular a ferramentas ou máquinas que transmitem vibração às mãos e aos braços pode causar a síndrome da vibração mão-braço, que pode afetar nervos, vasos sanguíneos, músculos e articulações. Entre os sintomas estão formigamento, dormência, redução da força de preensão e alterações da circulação. A vibração de corpo inteiro pode ocorrer em operadores de veículos e máquinas que se deslocam por superfícies irregulares. Ela pode aumentar o risco de problemas lombares, para os quais a postura e outros fatores ocupacionais também podem contribuir.
Ensaios Os ensaios de vibração são realizados aplicando-se uma excitação controlada a uma estrutura, normalmente por meio de algum tipo de excitador. O dispositivo sob ensaio, ou DUT, do inglês device under test, pode ser preso à mesa do excitador. O ensaio examina sua resposta a um ambiente vibratório definido. Entre os aspectos avaliados estão a capacidade de funcionamento, a vida em fadiga, as frequências de ressonância e a produção de sons de rangido e trepidação, estudada em ruído, vibração e aspereza. Ensaios voltados à detecção desses ruídos podem utilizar excitadores silenciosos, para que o som do próprio equipamento não prejudique a medição.
Excitadores servo-hidráulicos são empregados em ensaios de baixa frequência, enquanto excitadores eletrodinâmicos permitem trabalhar em faixas de frequência mais altas. A faixa utilizável depende do equipamento, da carga e do deslocamento exigido. Ensaios automotivos podem abranger, por exemplo, frequências de 5 Hz a 2.000 Hz, sem que esses valores sejam limites universais dos excitadores.
Em geral, um ou mais pontos de controle, próximos da interface entre o dispositivo e sua fixação, são usados para regular a aceleração aplicada. A escolha desses pontos altera o resultado do ensaio. Outros pontos podem apresentar respostas maiores, por ressonância, ou menores, por amortecimento ou antirressonância. A antirressonância pode ser explorada para reduzir a resposta em um ponto ou componente e em uma frequência escolhida, como ocorre com um absorvedor de vibrações sintonizado. Isso não significa que toda a estrutura fique sem movimento.
Entre os ensaios realizados por laboratórios de vibração estão o senoidal e o aleatório. Os ensaios senoidais aplicam uma frequência de cada vez e permitem examinar a resposta estrutural ao longo de uma faixa de frequências. Os primeiros controladores ofereciam possibilidades mais limitadas de excitação, e o desenvolvimento de controladores analógicos e digitais ampliou o uso de ensaios aleatórios. Neles, o sinal contém componentes distribuídos por uma faixa de frequências. Esse tipo de ensaio pode reproduzir melhor excitações aleatórias, como as irregularidades da estrada sobre um automóvel, desde que o sinal de teste seja adequado ao ambiente que se pretende reproduzir.
Muitos ensaios são feitos em um único eixo do DUT de cada vez, embora a vibração em serviço possa ocorrer em mais de um eixo simultaneamente. A norma MIL-STD-810G, publicada em 31 de outubro de 2008, incluiu o Método 527 para ensaios com múltiplos excitadores.United States Department of Defense. MIL-STD-810G: Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests. 31 de outubro de 2008. Método 527, "Multi-Exciter Testing".
O dispositivo de fixação que prende o DUT à mesa do excitador precisa ser projetado para a faixa de frequências do ensaio. É difícil reproduzir a resposta dinâmica, ou impedância mecânica, da montagem usada em serviço. Procura-se evitar que ressonâncias da fixação distorçam a excitação aplicada ao dispositivo, mas uma fixação muito rígida também pode diferir da montagem real.
Em fixações menores e faixas de frequência mais baixas, pode ser possível manter as primeiras ressonâncias da fixação acima da faixa do ensaio. Isso se torna mais difícil à medida que o DUT cresce e a frequência do teste aumenta. Nesses casos, estratégias de controle multiponto e a caracterização dinâmica da fixação podem reduzir os efeitos das ressonâncias sobre o ensaio.
Alguns métodos de ensaio limitam o movimento transversal, isto é, o movimento de um ponto de resposta em uma direção perpendicular ao eixo testado, que a fixação pode apresentar. Instrumentos projetados especificamente para traçar ou registrar vibrações são chamados de vibróscopios.
Análise
A análise de vibração, aplicada em ambientes industriais ou de manutenção, procura reduzir custos de manutenção e períodos de indisponibilidade de equipamentos por meio da detecção de falhas.Crawford, Arthur R. e Crawford, Steve. The Simplified Handbook of Vibration Analysis: Introduction to Vibration Analysis Fundamentals. Computational Systems, 1992.Eshleman, Ronald L. e Nagle-Eshleman, Judith. Basic Machinery Vibrations: An Introduction to Machine Testing, Analysis, and Monitoring. VIPress, 1999. ISBN 978-0-9669500-0-7. Ela integra programas de monitoramento de condição e de manutenção preditiva.Mobius Institute. Vibration Analyst Category 2 - Course Notes, 2013. É usada para procurar falhas em equipamentos rotativos, como ventiladores, motores, bombas e caixas de engrenagens. Entre os problemas investigados estão desequilíbrio, desalinhamento, defeitos em rolamentos e condições de ressonância.