Força F em função do alongamento s. A curva 1 é progressiva, a 2 é linear e a 3 é degressiva. A curva 4 tem força quase constante e a 5 é progressiva com mudança acentuada de inclinação.Uma mola usinada reúne características diferentes em uma única peça produzida a partir de uma barra.Contatos de pilhas frequentemente empregam molas de geometria variável.
Uma mola é um dispositivo constituído de um material elástico, mas relativamente rígido, geralmente metálico, dobrado ou moldado em uma forma, sobretudo helicoidal, capaz de recuperar sua forma após ser comprimido, alongado ou torcido. As molas podem armazenar energia quando comprimidas, alongadas ou torcidas. No uso cotidiano, o termo costuma designar as molas helicoidais, mas abrange outros tipos. As molas modernas geralmente são fabricadas com aço para molas. Um exemplo de mola não metálica é o arco, tradicionalmente feito de madeira flexível de teixo, que, ao ser retesado, armazena energia para impulsionar uma flecha.
Uma mola de resposta linear, sem pré-carga, exerce uma força restauradora aproximadamente proporcional ao alongamento ou à compressão em relação ao comprimento sem carga. Essa aproximação vale apenas na faixa em que a resposta permanece linear. A rigidez de uma mola é a variação da carga aplicada dividida pela variação de sua deflexão. É a inclinação da curva de carga em função da deflexão. Quando essa inclinação é constante, recebe o nome de constante elástica. A rigidez de uma mola de tração ou de compressão é expressa em unidades de força dividida por distância, como N/m. Uma mola de torção recebe uma carga que tende a girar suas extremidades uma em relação à outra e exerce um torque de oposição. Em uma mola de torção linear, esse torque é proporcional ao ângulo de rotação. Sua rigidez é expressa em unidades de torque dividido por ângulo, como N·m/rad. O inverso da rigidez é a flexibilidade: uma mola com rigidez de 10N/mm tem flexibilidade de 0,1mm/N. Para molas lineares, as rigidezes de molas em paralelo são aditivas, e as flexibilidades de molas em série também são aditivas.
As molas são feitas de materiais elásticos, dos quais o mais comum é o aço para molas. Molas pequenas podem ser enroladas a partir de material previamente endurecido, enquanto as maiores são produzidas com aço recozido e endurecidas após a fabricação. Também se utilizam alguns metais não ferrosos, como bronze fosforoso e titânio, em peças que exigem resistência à corrosão, e cobre-berílio, de baixa resistência elétrica, em molas que conduzem corrente elétrica.
Há também molas de compressão feitas de polímeros e compósitos. Esses materiais permitem produzir peças não magnéticas e eletricamente isolantes. A resistência à corrosão depende da compatibilidade do material com as substâncias às quais ficará exposto.
Etimologia
A palavra "mola", no sentido mecânico, vem do italiano molla.
História
Molas simples, não helicoidais, têm sido utilizadas ao longo da história humana, como no arco e flecha. Na Idade do Bronze, já se empregavam dispositivos de mola mais sofisticados, como mostra a disseminação das pinças em culturas de diferentes regiões. Ctesíbio de Alexandria desenvolveu um método de fabricação de molas com uma liga de bronze de maior teor de estanho, endurecida por martelamento após a fundição.
Molas enroladas já eram utilizadas em fíbulas antigas, como uma peça etrusca dos séculos VI–V a.C. cuja mola também forma a cauda de um leão decorativo. No início do século XV, molas enroladas eram empregadas em fechaduras de portas. Os primeiros relógios movidos a mola apareceram nesse mesmo século e deram origem aos primeiros relógios portáteis, ainda de grandes dimensões, no século XVI.
Em 1676, o físico britânico Robert Hooke enunciou a lei de Hooke, segundo a qual a força exercida por uma mola é proporcional ao seu alongamento.
Em 8 de março de 1850, John Evans, fundador da John Evans' Sons, Incorporated, abriu seu negócio em New Haven, Connecticut, produzindo molas planas para carruagens e outros veículos, além das máquinas utilizadas em sua fabricação. Evans era um ferreiro e fabricante de molas galês que emigrou para os Estados Unidos em 1847. A John Evans' Sons tornou-se conhecida como "a mais antiga fabricante de molas dos Estados Unidos" e permanece em atividade.
Tipos
Classificação
Diferentes formas de aplicação de uma carga.
As molas podem ser classificadas de acordo com a maneira pela qual a carga é aplicada.
Mola de tração ou de extensão
Projetada para trabalhar sob uma carga de tração, alongando-se à medida que a carga é aplicada.
Molas em forma de hélice, projetadas para trabalhar sob tração.
Molas de tração em um dispositivo de reverberação com linha dobrada.
Mola de compressão
Projetada para trabalhar sob uma carga de compressão, encurtando-se à medida que a carga é aplicada.
Ao contrário dos tipos anteriores, nos quais a carga é uma força axial, a carga aplicada a uma mola de torção é um torque, ou momento de torção, e a extremidade da mola gira por determinado ângulo à medida que a carga é aplicada. É frequentemente empregada em suspensões de veículos com barras de torção.
Uma barra de torção torcida sob carga.
Mola de flexão
Trabalha pela flexão de uma lâmina, barra ou viga, como nas molas em balanço e nas molas de lâminas.
A maneira de aplicar a carga não determina, por si só, o esforço predominante no material. Em uma mola helicoidal de compressão ou de tração, o fio trabalha principalmente sob torção. Já o fio de uma mola helicoidal de torção trabalha principalmente sob flexão.
A forma fornece outra classificação. As molas helicoidais e as molas de lâminas são formas comuns. Há também molas em arco, com o eixo da hélice curvado, e molas anulares, cujas extremidades são unidas para formar um anel que exerce força radial.
Também conhecida como espiral ou cabelo. É uma mola espiral delicada, utilizada em relógios e galvanômetros. Em volantes, o conector espiral, chamado de clockspring em inglês, é um componente distinto, com uma fita condutora enrolada que mantém a conexão elétrica durante a rotação.
Mola em balanço
Mola plana fixada em apenas uma extremidade, como um cantiléver, cuja extremidade livre recebe a carga.
Mola produzida pelo enrolamento de um fio em forma de hélice. Pode trabalhar sob tração, compressão ou torção.
As molas de tração ou de extensão são projetadas para se alongar sob carga. Suas espiras normalmente se tocam quando não há carga, e cada extremidade apresenta um gancho, um olhal ou outro meio de fixação. Podem ter uma tensão inicial incorporada na fabricação, que precisa ser vencida para que as espiras comecem a se separar.
As molas de compressão são projetadas para encurtar sob carga. Suas espiras ativas ficam separadas quando não há carga. Em geral, a força é transmitida por superfícies de apoio nas extremidades, sem os ganchos utilizados nas molas de tração.
As molas helicoidais de torção têm extremidades que recebem um torque e giram uma em relação à outra, armazenando energia pela flexão do fio.
Mola helicoidal com as extremidades unidas em um círculo. Pode ser construída como mola de tração ou de compressão, exercendo força radial para dentro ou para fora do anel.
Mola de compressão feita de uma fita metálica de seção retangular enrolada em forma de cone. Suas espiras se sobrepõem e deslizam umas sobre as outras durante a compressão, permitindo um curso longo em relação ao comprimento comprimido.
Uma mola de voluta. Sob compressão, as espiras deslizam umas sobre as outras, permitindo maior curso.
Mola constituída de camadas de borracha e metal dispostas em V, utilizada em sistemas de suspensão ferroviária. Não se confunde com a mola metálica em V dos mecanismos anteriores.
Mola helicoidal reforçada, projetada para trabalhar sob compressão.
O arco longo inglês: uma mola simples, mas muito potente, feita de teixo, com 2 m de comprimento e força de puxada de aproximadamente 470 N. Cada lâmina se flexiona como uma mola em cantiléver quando o arco é retesado.
Molas em arco e sistemas formados por molas em arco internas e externas.
Mola em forma de disco, normalmente utilizada para aplicar tensão a um parafuso e também em mecanismos de acionamento de minas terrestres ativadas por pressão.
Fita pré-tensionada que tende a permanecer enrolada. Ao ser desenrolada, exerce uma força de oposição aproximadamente constante ao longo do curso útil.
Emprega ar comprimido em um invólucro flexível, como um fole de borracha. É usada em suspensões a ar de caminhões e ônibus e pode receber ar para ajustar o suporte à carga e a altura da suspensão.
Mola ideal
Conceito utilizado na física para representar uma mola perfeita, sem peso, massa, perdas por amortecimento ou limites de deformação. A força exercida por uma mola ideal é exatamente proporcional ao seu alongamento ou à sua compressão.
Outro nome para a mola de força constante, feita de uma fita metálica fina. A força resulta da tendência da fita a recuperar sua curvatura enrolada. É empregada em mecanismos de contrabalanço e de recolhimento de cabos.
Mola helicoidal de rigidez progressiva
Mola helicoidal de rigidez variável, normalmente obtida por meio de espaçamentos desiguais entre as espiras, de modo que, à medida que a mola é comprimida, uma ou mais espiras se apoiam nas adjacentes.
Pode trabalhar sob tração ou compressão. Projetos de Philip Bogrash propõem preencher o tubo com fluido e controlar sua pressão ou seu escoamento para alterar a resposta da mola. Em algumas versões, a seção transversal do tubo muda durante a deformação, modificando seu volume interno. Membranas, pistões ou válvulas controlam a interação entre o fluido e o tubo. Os projetos também preveem variantes capazes de produzir movimento como atuadores. Essas possibilidades dependem da construção proposta, não são propriedades gerais de toda mola tubular.
Tubo metálico curvo, de seção transversal oval, utilizado como elemento elástico em manômetros. O aumento da pressão interna tende a tornar a seção mais circular e a abrir a curvatura do tubo. O deslocamento da extremidade é transmitido ao ponteiro do instrumento.
Mola ondulada
Designação de tipos de mola que utilizam ondulações para produzir o efeito elástico em uma configuração compacta.
Uma mola ideal linear obedece à lei de Hooke, segundo a qual a força restauradora é proporcional à variação de seu comprimento em relação ao comprimento natural, sem carga:
em que:
x é a variação de comprimento, positiva no alongamento e negativa na compressão.
F é a força restauradora exercida pela mola, com seu sinal indicando o sentido.
k é a rigidez, constante elástica ou constante de força da mola, que depende de seu material e de sua construção.
O sinal negativo indica que a força exercida pela mola tem sentido oposto à deformação. O limite elástico, além do qual pode haver deformação permanente, não se confunde com o limite de proporcionalidade. Uma mola pode recuperar sua forma e, mesmo assim, ter uma relação não linear entre força e deslocamento.
Molas helicoidais cilíndricas e molas baseadas na flexão de vigas podem ter resposta aproximadamente linear em sua faixa de trabalho. Mudanças de geometria, grandes deflexões ou contato entre espiras podem alterar essa relação, mesmo sem deformação permanente do material.
Quando fabricadas com passo constante, isto é, com distância axial constante entre espiras consecutivas, as molas cônicas podem apresentar uma região inicialmente linear e outra de rigidez crescente, à medida que as espiras deixam de se deformar ao atingir o fim do curso. Uma mola cônica telescópica pode ser projetada com passo variável para manter uma resposta aproximadamente linear até a compressão total. Nesse projeto, o passo é maior nas espiras de maior diâmetro, de modo que todas atinjam o fim do curso sob a mesma carga.
Em uma mola não linear, a rigidez varia ao longo do curso. Ela aumenta em uma curva progressiva e diminui em uma curva degressiva. Uma curva quase horizontal corresponde a uma força que pouco varia com o deslocamento.
Molas lineares podem ser substituídas, em um modelo mecânico, por uma mola de rigidez equivalente. Desprezando a massa das conexões, molas em série transmitem a mesma força e seus deslocamentos se somam. Em paralelo, sofrem o mesmo deslocamento e suas forças se somam.
Considere uma massa m que se move horizontalmente sem atrito, ligada a uma mola ideal cuja outra extremidade está fixa. Sem amortecimento nem força externa aplicada na direção do movimento, a força resultante é a força da mola. Pela segunda lei de Newton, ela é igual ao produto da massa pela aceleração a:
O deslocamento, x, em função do tempo. O intervalo entre dois máximos consecutivos é denominado período.
A massa da mola é considerada pequena em comparação com a massa do corpo preso a ela e, por isso, é desprezada. Como a aceleração é a segunda derivada de x em relação ao tempo,
Essa é uma equação diferencial linear de segunda ordem para o deslocamento em função do tempo. Reorganizando os termos,
cuja solução é a soma de uma função seno e de uma função cosseno:
As constantes arbitrárias e podem ser determinadas a partir do deslocamento e da velocidade iniciais do corpo. O gráfico à direita apresenta essa função para e , isto é, posição inicial nula e velocidade inicial positiva.
Em uma montagem vertical, o peso alonga a mola até uma nova posição de equilíbrio. A mesma equação do movimento vale quando é medido a partir dessa posição, pois a força resultante do peso e da mola é .
Dinâmica da energia
No movimento harmônico simples do sistema ideal sem amortecimento, a energia alterna entre energia cinética e energia potencial, mas a energia mecânica total permanece constante. Para o modelo horizontal, com uma mola que obedece à lei de Hooke e tem constante elástica k, a energia total E é:
Aqui, A representa a amplitude do movimento oscilatório da mola.
A energia potencial U desse sistema pode ser determinada a partir da constante elástica k e do deslocamento x:
A energia cinética K de um corpo em movimento harmônico simples pode ser calculada a partir de sua massa m e de sua velocidade instantânea v:
Como esse modelo não inclui perda de energia, a energia é conservada:
Frequência e período
A frequência angular de um corpo em movimento harmônico simples, expressa em radianos por segundo, é determinada pela constante elástica k e pela massa m do corpo oscilante:
O período T, ou tempo necessário para que o sistema massa-mola complete um ciclo, é dado por:
A frequênciaf, correspondente ao número de oscilações por unidade de tempo, é o inverso do período:
Amortecimento
Uma mola ideal armazena energia e a devolve ao sistema. Um amortecedor dissipa energia mecânica. No modelo de amortecimento viscoso linear, sua força é proporcional à velocidade e tem sentido oposto a ela. Para uma massa ligada a uma mola e a um amortecedor em paralelo, a equação do movimento é:
em que é o coeficiente de amortecimento, em N·s/m, e é a força externa aplicada. Sem força externa, o amortecimento reduz a energia mecânica do sistema.
Teoria
Na física clássica, uma mola metálica armazena energia potencial, especificamente energia potencial elástica, por meio de mudanças nas distâncias e nos arranjos entre os átomos de um material elástico. Na borracha, a força restauradora depende sobretudo das mudanças de conformação das cadeias poliméricas e de sua entropia, não apenas da deformação das ligações atômicas.
A lei de Hooke da elasticidade estabelece que o alongamento de uma barra elástica, isto é, a diferença entre seu comprimento distendido e seu comprimento em repouso, é proporcional à tração, a força utilizada para alongá-la. De maneira semelhante, a contração, ou alongamento negativo, é proporcional à compressão, ou tração negativa.
Essa lei é uma aproximação válida na faixa de resposta linear do material. Acima do limite elástico, pode haver deformação permanente. A ruptura é outro limite de resistência e não deve ser confundida com a perda de proporcionalidade entre força e deformação. Uma mola comprimida também pode sofrer flambagem, uma instabilidade lateral que depende de suas proporções e de seus apoios e que pode ocorrer sem que o material ultrapasse o regime elástico.
A lei de Hooke decorre matematicamente do fato de que a energia potencial da barra apresenta um mínimo em seu comprimento de repouso. Perto de um mínimo em que o termo quadrático não é nulo, uma função suave de uma variável pode ser aproximada por uma função quadrática, como se verifica por meio da série de Taylor. A força, dada pelo negativo da derivada da energia em relação ao deslocamento, aproxima-se então de uma função linear.
Rigidez de uma mola helicoidal
Para uma mola helicoidal cilíndrica de fio circular, com pequeno ângulo de hélice e deformação elástica, a rigidez é aproximadamente:
em que é o módulo de cisalhamento, é o diâmetro do fio, é o número de espiras ativas e é o diâmetro médio da hélice. Para um diâmetro externo , vale .
O comprimento livre é medido sem carga. O comprimento sólido corresponde à mola comprimida até que suas espiras se encostem. As espiras das extremidades podem atuar apenas como apoio, sem participar plenamente da deformação, de modo que o número de espiras ativas pode ser menor que o total.
Se é o comprimento livre e o comprimento sólido, a extrapolação do modelo linear fornece a seguinte estimativa da carga na compressão total:
Para um material elástico isotrópico, , e a expressão também pode ser escrita como:
em que é o módulo de Young e é o coeficiente de Poisson. O comprimento sólido deve ser determinado a partir do número total de espiras e da geometria das extremidades. Ele não pode ser substituído, em geral, por , pois conta apenas as espiras ativas.
A carga é uma estimativa nominal, não a carga máxima admissível. Perto da compressão total, o contato progressivo entre espiras pode aumentar a rigidez e afastar a resposta do modelo linear. A carga de trabalho deve respeitar os limites de resistência e estabilidade e deixar margem para evitar choques entre espiras.
Fabricação e durabilidade
Molas submetidas a carregamentos repetidos podem falhar por fadiga. Defeitos superficiais e corrosão facilitam o início de trincas e podem reduzir a vida útil. Em molas helicoidais, a superfície interna das espiras exige atenção por estar sujeita a tensões mais elevadas.
Após o enrolamento e o tratamento térmico, algumas molas passam por uma pré-deformação controlada que produz tensões residuais favoráveis ao carregamento de serviço. Outro processo é o jateamento com granalha, no qual pequenas partículas atingem a superfície e introduzem tensões residuais de compressão. Esse tratamento pode aumentar a resistência à fadiga.
A relaxação de tensões pode reduzir gradualmente a força de uma mola mantida sob deformação constante. Temperaturas de operação elevadas aceleram esse processo. Cargas aplicadas bruscamente também podem distribuir os esforços de forma desigual entre as espiras e favorecer choques e desgaste.
Molas de comprimento nulo
Suspensão de LaCoste simplificada, com uma mola de comprimento nulo.Comprimento L em função da força F para molas comuns (+), de comprimento nulo (0) e de comprimento negativo (−), com o mesmo comprimento mínimo L0 e a mesma constante elástica. As linhas tracejadas prolongam os trechos lineares.
Mola de comprimento nulo é uma mola cuja relação linear entre força e comprimento, extrapolada além do curso físico, passa pela origem. Na faixa de trabalho, o módulo da força é proporcional ao comprimento total, . Isso não significa que uma mola helicoidal real possa se contrair até comprimento zero, pois suas espiras entram em contato antes disso. O comprimento relevante é a distância entre os pontos de fixação do conjunto, incluindo eventuais conectores praticamente inextensíveis.
Molas helicoidais desse tipo podem ser fabricadas com uma tensão inicial incorporada, por exemplo torcendo o fio durante o enrolamento. Outra construção combina uma mola de comprimento negativo, cuja relação força-comprimento extrapolada se anula em um comprimento negativo, com um conector praticamente inextensível de comprimento adequado. O conjunto passa então a ter comprimento nulo extrapolado. O comprimento negativo é um parâmetro dessa extrapolação, não uma dimensão física da peça.
Na suspensão de LaCoste, a mola é ligada a um braço articulado que sustenta uma massa. A geometria permite equilibrar o torque do peso com o torque da mola ao longo do movimento do braço. No modelo ideal ajustado para equilíbrio exato, o torque restaurador se anula e o equilíbrio é indiferente. Um pequeno afastamento dessa condição permite obter um período de oscilação muito longo.
Essa montagem permite construir sismógrafos sensíveis a movimentos verticais de baixa frequência. A suspensão também é utilizada em gravímetros, nos quais pequenas variações da gravidade alteram o equilíbrio do braço.
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Leitura adicional
Sclater, Neil (2011). «Spring and screw devices and mechanisms». Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook (em inglês) 5 ed. Nova Iorque: McGraw-Hill. pp.279–299. ISBN978-0-07-170442-7. OCLC692290500 Desenhos e projetos de mecanismos de molas e parafusos.
Parmley, Robert O. (2000). «Section 16: Springs». Illustrated Sourcebook of Mechanical Components (em inglês) 1 ed. Nova Iorque: McGraw-Hill. ISBN978-0-07-048617-1 Desenhos, projetos e discussão de molas e mecanismos de mola.
Ligações externas
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Paredes, Manuel (2013). «How to design springs» (em inglês). INSA de Toulouse. Consultado em 13 de novembro de 2013. Arquivado do original em 10 de junho de 2015
Silberstein, Dave (2002). «How to make springs» (em inglês). Bazillion. Consultado em 3 de fevereiro de 2008. Arquivado do original em 18 de setembro de 2013