• “La vibración se define como el movimiento oscilante que hace una partícula alrededor de un punto fijo. Este movimiento puede ser regular en dirección, frecuencia y/o intensidad; o aleatorio, que es lo más normal” (Águila Soto, 2002).
De manera general, se puede definir una vibración como un movimiento u oscilación periódico de tipo mecánico de un sistema elástico, alrededor de un punto de equilibrio o específico de referencia, en función del tiempo, que es transmitida al ser humano cuando existen elementos, máquinas, vehículos o herramientas que utilizan algún tipo de motor.
Este fenómeno se caracteriza por la amplitud o desplazamiento de la partícula, su velocidad y su aceleración. En este sentido, los términos para describir una vibración son:
• La Frecuencia.
• La Amplitud.
• La Aceleración.
1.3 DEFINICIÓN FÍSICA DE VIBRACIONES
El estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos oscilatorios de cuerpos y a las fuerzas asociadas con estos. La vibración, en general, es una forma de energía disipada y en muchos casos es inconveniente, especialmente en máquinas y equipos, debido a que las vibraciones en estos sistemas producen ruido, transmiten fuerzas y movimientos no deseados que pueden afectar el normal funcionamiento de equipos y, por supuesto, la salud de las personas.
A continuación, se definen algunas variables asociadas a las vibraciones de origen mecánico.
• Amplitud: está representada por la distancia entre el punto de equilibrio y la máxima distancia de alejamiento hasta el punto máximo superior y hasta el punto máximo inferior, es decir, es el valor máximo que puede alcanzar la perturbación en un punto. Esto también se define como la intensidad de la vibración.
• Frecuencia: es el movimiento que realiza el objeto desde que sale de su punto de equilibrio hasta que llega al punto más alejado superior, luego hasta el punto más elevado inferior y luego llega nuevamente a su punto de equilibrio, es decir, es el número de oscilaciones completas que realiza la vibración cada segundo, a este movimiento se le denomina ciclo. La frecuencia de vibración se expresa como la cantidad de ciclos por segundo (hertzios, Hz).
El contenido de frecuencia de la vibración puede verse en los espectros. En muchos tipos de vibraciones de cuerpo completo y de vibraciones transmitidas a las manos, los espectros son complejos, produciéndose algo de movimiento a todas las frecuencias.
• Aceleración: es la velocidad del objeto en movimiento que pasa de un valor cero en los puntos extremos (cambio de sentido del movimiento) a un valor máximo cuando pasa por el punto de equilibrio. La velocidad normalmente se expresa en m/s.
La aceleración es una medida de cuán rápido varía la velocidad el cuerpo en movimiento. La aceleración se mide en m/s2 y es habitual que esta sea la unidad medida cuando se trata de evaluar vibraciones.
Otras características físicas de las vibraciones que se deben tener en cuenta son:
• Magnitud: la magnitud es una oscilación puede expresarse como la distancia entre los extremos alcanzados por el movimiento (valor pico-pico) o como la distancia desde algún punto central hasta la desviación máxima (valor pico). La magnitud de la vibración se expresa como el valor promedio de la aceleración del movimiento oscilatorio.
• Dirección: las vibraciones pueden producirse en tres direcciones lineales y tres rotacionales. En el caso de personas sentadas, los ejes lineales se designan como eje x (longitudinal), eje y (lateral) y eje z (vertical). Las rotaciones alrededor de los ejes x, y y z se designan como rx (balanceo), ry (cabeceo) y rz (deriva), respectivamente. Las vibraciones suelen medirse en la interfase entre el cuerpo y las vibraciones.
• Duración: la respuesta humana a las vibraciones depende de la duración total de la exposición a las vibraciones.
Por otro lado, las vibraciones encontradas en la práctica poseen características que no son homogéneas, debido a los diferentes elementos que constituyen los sistemas que son generadores de las mismas y a la combinación de diversas cantidades de señales senoidales. Esta es una de las razones que originan la clasificación de las vibraciones según el tipo de oscilación.
Las oscilaciones se clasifican según:
• La parte del cuerpo a la que afectan
» Vibraciones globales (afectan al cuerpo en su totalidad).
» Vibraciones parciales (afectan al sistema mano brazo).
Figura 1. Componentes físicos de una vibración
Fuente: Elaboración propia.
• Las características físicas de la señal
» Vibraciones libres, periódicas o sinusoidales, cuando no existen fuerzas externas que modifiquen la amplitud de las sucesivas ondas.
» Vibraciones no periódicas (choques).
• Su origen
» Vibraciones producidas en procesos de transformación.
» Vibraciones generadas por el funcionamiento de la maquinaria.
» Vibraciones debidas a fallos de la maquinaria o los materiales.
• El concepto a estudiar
» Vibraciones lineales.
» Vibraciones no lineales.
Las oscilaciones de vibración de acuerdo a sus características físicas generan dos grandes grupos: oscilaciones con movimientos determinísticos y oscilaciones con movimientos aleatorios, estos grupos a su vez se subdividen en otros grupos como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Tipo de oscilaciones
Fuente: Elaboración propia.
Los tipos de movimientos oscilatorios vibrantes poseen características físicas que se pueden expresar de manera matemática. La forma de vibración más simple es una onda senoidal, que presenta un espectro con una sola frecuencia y con características de tiempo bien definidas.
La expresión matemática para una vibración simple representada por medio de una onda senoidal es:
Desplazamiento (m):
Velocidad (m/s):
Aceleración (m/s2):
Otros parámetros matemáticos que se pueden obtener en una vibración de tipo senoidal simple y que son de suma importancia para el análisis de las mediciones de las vibraciones son:
• Valor pico-pico: diferencia algebraica entre los valores máximos positivo y negativo.