Questa introduzione vuole essere una semplice guida per coloro che vogliono affrontare problemi di isolamento dalle vibrazioni senza essere degli esperti nel campo.
Una trattazione più tecnica ed approfondita è disponibile all'interno del nostro catalogo.
I Suoni ed i Rumori
Le Vibrazioni
Effetti delle Vibrazioni sul Corpo Umano
Frequenza Propria e Smorzamento
Frequenza Eccitante e Risonanza
La Trasmissione delle Vibrazioni
L'Isolamento delle Vibrazioni
I Supporti Antivibranti
Scelta di un Antivibrante
Applicazioni
Il suono è una variazione di pressione che si propaga in un ambiente "elastico", generalmente l'aria, e percepita dall'orecchio umano.
Un esempio di variazione di pressione nota a tutti è quella atmosferica, ma tali escursioni dell'aria sono troppo lente per essere udite. Tuttavia, se variassero almeno 20 volte al secondo, le percepiremmo come suoni. Infatti, l'uomo percepisce come suoni soltanto quelli compresi tra 20 e 20.000 Hz.
Queste variazioni al secondo sono dette "frequenze", e si misurano in Hertz (Hz). Variazioni al di sotto della soglia di 20 al secondo generano infrasuoni, al di sopra di 20.000 generano ultrasuoni. Un tamburo ed un fischietto sono esempi di suoni a bassa ed alta frequenza.
I suoni sono anche caratterizzati dalla loro "ampiezza": il ronzio di una zanzara ed un colpo di cannone sono esempi di piccola e grande ampiezza.
I rumori sono suoni sgradevoli ed indesiderati. Il grado di disagio è soggettivo, e può variare nella stessa persona a seconda delle circostanze. Un'esposizione eccessiva al rumore può causare danni specifici all'udito, come pure disturbi generali a livello somatico.
Un'onda sonora si propaga nel mezzo in cui si trova (aria = 34m m/sec., acqua = 1480 m/sec., acciaio = 4880 m/sec.) attraverso una serie di compressioni e rarefazioni. Nel vuoto non esiste trasmissione sonora.
L'unità di misura del suono è il decibel (dB), una unità di misura matematica che ricorre ad una scala logaritmica (20dB = fruscio delle foglie, 120dB = martello pneumatico) per rappresentare l'enorme estensione di sensibilità dell'orecchio umano: l'energia creata da dai suoni più forti che si possono sopportare è infatti circa 10.000 miliardi di volte superiore a quella di suoni appena percettibili.
La lunghezza d'onda dipende dalla frequenza: a 20 Hz è di 17 metri, a 200 Hz è di 1,7 m, a 2 KHz è 17 cm, e a 20 KHz di 1,7 cm.
Le Vibrazioni
La propagazione dei suoni e dei rumori trasmette energia sotto forma di onde di pressione nell'aria: nel caso delle vibrazioni, l'energia compare sotto forma di onde che si propagano in una struttura solida. Un corpo vibra quando descrive un movimento oscillatorio attorno ad una posizione di equilibrio statico.
Come i suoni, le vibrazioni sono caratterizzate dall'ampiezza dell'oscillazione e dalla frequenza, cioé dal numero di oscillazioni al secondo. Il diapason costituisce un esempio di oscillazione basata su di una sola frequenza, ma nella realtà sono presenti simultaneamente molte diverse frequenze.
Le vibrazioni rappresentano un caso particolare del vastissimo campo dei fenomeni oscillatori, che vanno dal moto del pendolo ai terremoti. Particolare interesse viene dato agli studi degli effetti fluidodinamici sulle strutture.
Un esempio delle conseguenze catastrofiche che le vibrazioni indotte dal vento possono causare alle strutture è quello del crollo del ponte Tacoma, avvenuto il 7 Novembre 1940 nello Stato di Washington. La velocità del vento era di soli 72 Km/h, ma le continue oscillazioni imposte alla struttura la fecero entrare in risonanza, aumentando enormemente l'ampiezza delle oscillazioni.
Le vibrazioni meccaniche, sono quel particolare tipo di vibrazioni provocate da mezzi meccanici. sorgenti molto comuni di tali disturbi sono le macchine alternative e rotanti (forze sbilanciate), le macchine da stampaggio (forze d'urto), i compressori e le pompe (forze di fluidi non stazionari).
Effetti delle Vibrazioni sul Corpo Umano
Gli effetti delle vibrazioni meccaniche sul corpo umano possono essere divise in tre gruppi :
a) Effetti delle vibrazioni con frequenze molto basse (1-2 Hz), che provocano la cinetosi, ossia il mal dei trasporti, come il mal di mare o il mal d'auto. I sintomi sono rappresentati da malessere generale, astenia, vertigini, pallore, sudoazione fredda e nausee. Le oscillazioni stimolano i recettori vestibolari, e le numerose connessioni esistenti con i centri neurovegetativi determinano la complessa sintomatologia del mal dei trasporti.
b) Effetti delle vibrazioni di bassa frequenza (2-20 Hz), causate da superfici, impianti e macchinari sul corpo umano. Si ha in generale una distorsione delle normali risposte biologiche e psicofisiologiche agli stimoli meccanici, quali alterazioni osteoarticolari, per esempio nei conducenti di veicoli pesanti, disturbi cardiocircolatori, ed affezioni all'apparato digerente.
c) Effetti delle vibrazioni di frequenza medio-elevata (20-1000 Hz), provocata da utensili elettrici o pneumatici. L'esposizione a tale tipo di sollecitazioni riguarda soprattutto il sstema mano-braccio, e determina l'insorgere di lesioni osteoarticlari con artrosi e turbe angioneuroriche con formicolii e torpore alle dita.
Frequenza Propria e Smorzamento
Anche se apparentemente rigido, ogni sistema meccanico presenta una certa elasticità, ed è quindi deformabile: può perciò essere schematizzato con una massa M ed una rigidezza K, rappresentata da una molla.
Se spostiamo la massa verso il basso e poi lasciamo libero il sistema, questo si mette in oscillazione con una ampiezza costante ed una frequenza - detta frequenza propria - che è direttamente proporzionale alla rigidezza, ed inversamente proporzionale alla massa. Tale frequenza è quella alla quale il sistema si adegua spontaneamente, in assenza di forze esterne. Essa è specifica per ogni sistema, e tanto più grande la massa e minore la rigidità, tanto più bassa sarà la frequenza propria.
La frequenza propria non dipende dall'intensità della forza eccitante, ma solo dalle caratteristiche fisiche del sistema, cioé massa e rigidità. Una corda di violino emette sempre la stessa nota, sia quando viene sfiorata, sia quando è fortemente pizzicata. Cambia l'ampiezza, ovvero l'entità della deformazione, ma la frequenza propria della corda è sempre la stessa.
L'esperienza ci dice però che le ampiezze dell'oscillazione diminuiscono finché il sistema si ferma: questo perché nei sistemi reali non si può prescindere dallo smorzamento dato dagli attriti interni, e posseduto in maggiore o minore misura da tutti i corpi.
Più precisamente, infatti, l'esempio precedente va indicato con uno schema dotato di massa M, rigidezza K e uno smorzatore S, dove quest'ultimo rappresenta la resistenza passiva offerta dal sistema.
La frequenza dell'oscillazione rimane praticamente uguale a quella del sistema libero, cioé senza smorzatore. Al contrario, l'ampiezza si riduce nel tempo fino ad annullarsi del tutto a causa della presenza dello smorzatore.
Frequenza Eccitante e Risonanza
Negli esempi finora illustrati, dopo essere stato messo in oscillazione, il sistema viene lasciato libero.
Vediamo ora cosa succede quando al sistema viene applicata una forza perturbatrice esterna che varia nel tempo, e quindi dotata di una certa frequenza eccitante, che può esser maggiore, minore, od uguale alla frequenza propria del sistema.
L'oscillazione del sistema ("oscillazione forzata") ha luogo indipendentemente dalla sua frequenza propria, e dipende solo dalla frequenza eccitante.
Queste forze esterne possono essere prodotte da innumerevoli fattori, quali effetti dinamici dovuti allo sbilanciamento di parti rotanti, disallineamento di giunti e cuscinetti, eccentricità, interferenze, trasmissioni a cinghia ed ad ingranaggi difettosi, variazioni di coppia, forze idrauliche, aerodinamiche od elettromeccaniche, attriti od allentamenti meccanici.
Se la frequenza esterna è maggiore di quella propria del sistema, l'ampiezza dell'oscillazione rimane piccola, al contrario, sarà maggiore con frequenze disturbanti minori.
La condizione di risonanza si verifica quando la frequenza esterna di eccitazione coincide con la frequenza propria del sistema, e le due agiscono in fase. In questo caso, l'ampiezza dell'oscillazione continua a crescere con tendenza all'infinito, e la struttura viene assoggettata a deformazioni via via crescenti che tendono a provocarne il collasso.
A volte si ha una condizione di risonanza solo nei transitori, cioé durante le fasi di avviamento o di arresto dei macchinari. Per quanto possibile, la risonanza va sempre evitata.
La Trasmissione delle Vibrazioni
Nella trasmissione di vibrazioni è fondamentale tenere presente che un elevato smorzamento garantisce ridotte ampiezze delle oscillazioni ed evita i rischi di pericolose risonanze, ma comporta un peggiore isolamento. Nei casi pratici si tratta di trovare il miglior compromesso tra il grado di isolamento e le ampiezze delle oscillazioni.
L'Isolamento delle Vibrazioni
L'isolamento delle vibrazioni è l'insieme delle tecnologie impiegate per impedire la propagazione del disturbo attraverso le strutture.
Non si possono rendere equilibrate macchine che presentano forze sbilanciate, si possono invece isolare rispetto al piano di appoggio, in modo da evitare la trasmissione delle vibrazioni.
Si ottiene l'isolamento quando la frequenza propria di un sistema è minore di quella che lo mette in eccitazione.
Essendo questa di solito costante (es., velocità di rotazione della macchina), si cerca di abbassare il più possibile il valore della frequenza propria: dato che essa dipende solo dalle caratteristiche fisiche del sistema, la massa e la rigidità, è su questa grandezze che si deve operare.
In particolare, tanto maggiore è la massa, e minore la rigidezza, tanto minore risulterà la frequenza propria. Ma non è sempre agevole aumentare la massa, perciò si preferisce di solito intervenire riducendo la rigidezza del sistema, aumentandone l'elasticità con l'uso di supporti elastici detti antivibranti.
L'effetto di isolamento che risulta dalla deformazione del supporto elastico protegge le strutture e l'ambiente circostante. La macchina sbilanciata continuerà a produrre vibrazioni, ma queste non si diffonderanno nelle vicinanze.
I Supporti Antivibranti
I supporti antivibranti sono particolari dispositivi che rendono il sistema meno rigido, aumentandone l'elasticità. Per potere essere efficaci, devono potersi deformare sotto il carico che devono sopportare. Se fossero troppo rigidi, non ci sarebbe isolamento dalle vibrazioni, e se invece fossero troppo cedevoli, provocherebbero una eccessiva oscillazione dei macchinari.
I supporti antivibranti trasformano l'energia delle vibrazioni in calore, tramite l'attrito interno di dissipazione. Per poter compiere questo processo, possono essere utilizzati varii materiali deformabili, come ad esempio molle metalliche, sughero o aria.
Gli elastomeri a base di mescole speciali di gomma, raggiungono il miglior compromesso tra le varie caratteristiche che sono tenuti a rispettare: grande efficacia, durata nel tempo, resistenza ai solventi ed agli agenti ambientali, costo contenuto.
I supporti antivibranti che impiegano elastomeri, possono lavorare a compressione, taglio e torsione e con sollecitazioni combinate. Per esigenze specifiche, (temperature estremamente basse od elevate, fluidi particolarmente aggresssivi), si possono realizzare elastomeri in grado di resistere ad applicazioni non convenzionali.
I supporti a molla metallica offrono generalmente una maggior deflessione sotto carico, ed inoltre sono molto resistenti agli olii, ai corrosivi, ed adatti ad impieghi con temperature estreme.
Scelta di un Antivibrante
Un primo elemento di scelta può riguardare il tipo di sistemazione a pavimento: esistono modelli di antivibranti da fissare al pavimento ed altri da semplice appoggio; questo anche nel caso di macchinari che vanno posizionati sospesi.
Tuttavia, il principale criterio di selezione viene definito dal peso che deve sopportare. Opportune tabelle permettono di conoscere il campo di applicazione, riportando la portata di ogni antivibrante.
Un maggiore approfondimento può essere conseguito attraverso la consultazione di diagrammi carichi/cedimenti, mentre altre importanti considerazioni riguardano la posizione del gruppo sospeso, la frequenza di eccitazione esterna, la ripartizione del carico e gli ingombri disponibili.
Il grado di isolamento dipende dal rapporto tra la frequenza di eccitazione esterna e la frequenza propria del sistema: per avere un buon isolamento, la prima deve essere maggiore della seconda.
In presenza di una frequenza di eccitazione esterna costante, l'isolamento cresce al diminuire della frequenza propria, e quindi all'aumento della deflessione sotto carico, con i limiti già detti della stabilità del sistema.
Applicazioni
I rumori e le vibrazioni sono componenti inscindibili di moltissime attività in cui operano macchinari con componenti in movimento.
L'interposizione di antivibranti fra tali macchinari e la loro struttura di sostegno agisce in qualità di isolante, senza ovviamente influire sull'equilibratura della macchina stessa.
Si realizza invece uno smorzamento delle vibrazioni, impedendone la propagazione per via strutturale. E' facile comprendere come quanti siano i campi di applicazione che beneficiano dell'impiego di antivibranti.
Tutti i macchinari che sono sedi di forze d'inerzia alternate o rotanti, come i motori a combustione interna od elettrici, oppure le pompe ed i compressori, riducono il disturbo provocato quando sono isolati tramite antivibranti, come pure i telai tessili, le macchine utensili, e quelle da stampa.
Largo impiego di antivibranti viene fatto nel mondo del condizionamento e della refrigerazione, dove spesso le macchine che trasmettono le vibrazioni si trovano nelle immediate vicinanze ambienti di lavoro ed abitazioni.
Anche le tubazioni ed i diffusori acustici possono venire isolati rispetto al soffitto, così come tutti gli impianti sospesi, quando si voglia effettuare un intervento integrale.
Altri tipi di macchinari posti generalmente su antivibranti comprendono ventilatori, frigorifreri e lavatrici; supporti elastici possono inoltre ridurre le sollecitazioni provocate da presse e magli.
Impieghi particolari sono quelli che vedono gli elastomeri impiegati al di sotto di rotaie ferroviarie, campate di ponti, e persino quali sistemazioni antisismiche per gli edifici.