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A força de um atuador linear é a quantidade de força que ele pode entregar. É tipicamente visto em termos de Newtons (N) para unidades métricas e libras (lbs) para unidades imperiais. Existem dois tipos de especificações de força que os fabricantes de atuadores lineares fornecerão: Dinâmico e Estático.
Força Dinâmica (ou carga dinâmica) é a força máxima que o atuador pode aplicar para mover um objeto.
Força estática (ou carga estática) é o peso máximo que o atuador pode segurar quando não está se movendo.
Essas especificações de força são geralmente fatores chave para determinar qual atuador linear você precisa para seu projeto. Se você não sabe quais outros fatores você pode querer considerar ao selecionar um atuador linear, confira nosso post sobre isso aqui.
Ao tentar mover um objeto com um atuador linear, você precisará determinar qual é a força dinâmica mínima que seu atuador linear pode ter. Essa força dependerá mais do que apenas da quantidade de peso que você está tentando mover, mas também do número de atuadores envolvidos e da geometria física de seu projeto. Para determinar o requisito exato de força em qualquer aplicação, você precisará aplicar a primeira lei de movimento de Newton. Esta lei estabelece que um objeto em repouso tende a permanecer em repouso a menos que seja acionado por uma força de desequilíbrio. Para nós, isso significa que a força de nosso atuador linear precisa ser maior do que a soma de todas as forças atuando contra nossa direção de movimento desejada. Este guia irá orientá-lo através de como calcular as forças envolvidas usando alguns exemplos básicos.
Lado RápidoOs diagramas de corpo livre são diagramas simplificados de objetos que são usados para visualizar as forças que estão sendo aplicadas a ele. Utilizar esses diagramas são boas práticas para visualizar todas as forças envolvidas e sua orientação.
Movimento unidimensional
O caso mais simples de utilizar um atuador linear para fornecer movimento é usar um atuador para mover um objeto ao longo de um eixo. Como mostrado no diagrama do corpo livre ao lado deste parágrafo, a força aplicada pelo atuador linear é rotulada como F e o peso do objeto é rotulado como W. Para determinar a força dinâmica necessária para o atuador linear, basta subtrair a soma das forças nas direções negativas da soma das forças na direção positiva, que precisa ser maior que zero para resultar em motio\n. Para este exemplo, torna-se F – W > 0. Então você precisa resolver para F, que se torna F > W. Isso significa que a exigência de força dinâmica do atuador linear precisa ser maior do que o peso do objeto.
Em um caso em que você está utilizando mais de um atuador linear, como no corpo livre
diagrama mostrado aqui, você segue o mesmo processo como acima. Para este exemplo, a soma de forças torna-se F + F – W > 0 ou 2*F – W > 0. Então resolver para F torna-se F > ½*W. Isso significa que a força aplicada por um atuador pode ser menor do que o peso do objeto, mas a força total de ambos precisa ser maior.
Fricção
Os casos acima ignoraram o atrito em seus cálculos de equilíbrio de força, o que pode ou não ser o caso em sua aplicação. A quantidade de força de atrito (f) é igual ao coeficiente de atrito (u) vezes uma força normal (N). O coeficiente de atrito é tipicamente entre 0 e 1 (embora possa ser maior do que 1) e dependerá de quais materiais estão deslizando passar uns pelos outros, bem como se a lubrificação é usada ou não.
O coeficiente de atrito também mudará uma vez que um objeto está em movimento e muitas vezes são dados como valores estáticos e dinâmicos. O valor estático sempre será maior do que o valor dinâmico (devido à primeira lei de Newton) e como estamos tentando mover um objeto, você vai querer usar o valor estático do coeficiente de atrito. A força normal é a força resultante utilizada para suportar um objeto em outro objeto ou superfície. Por exemplo, se você está em pé em um chão em sua casa, o seu piso irá apoiá-lo aplicando uma força ascendente sobre você igual ao seu peso, esta é uma força normal. A força normal sempre agirá perpendicularmente à força de atrito e a força de atrito atuará sempre contra a sua direção desejada de movimento.
Em situações, como os casos acima, em que o objeto que você está se movendo não é deslizante ao longo de uma superfície, o atrito pode ser ignorado. Enquanto tecnicamente, os componentes que suportam o seu objeto, sejam eles movimentos lineares suportes como trilhos deslizantes ou o próprio atuador linear, terá algum atrito interno que você precisará superar para começar a se moviar, mas será relativamente pequeno.
Se você estiver movendo um objeto ao longo de uma superfície, a fricção precisará ser considerada em seus cálculos de força. O diagrama de corpo livre acima mostra um exemplo de uma gaveta sendo empurrada por um atuador linear. Cada um slide de gaveta terá uma quantidade perceptível de atrito, uma vez que estão suportáveis uma carga perpendicular (W). Como há duas lâminas de gaveta, a força normal (N) aplicada por um dos slides da gaveta será igual a metade da carga (W). Somar as forças e resolver para F neste exemplo resultará em:
F> u * (0,5 *W) + u * (0,5 *W) = u *W
Assim, a força que você exige do atuador linear precisa ser maior do que a força total de atrito. A parte complicada nesses casos é determinar o coeficiente de atrito. Se você é capaz de determinar o coeficiente exato de atrito em sua aplicação, então você pode simplesmente usar a fórmula acima para resolver para sua força dinâmica mínima. Se não for possível determinar coeficiente de atrito, pode-se presumir que ele seja igual a 1. Isso provavelmente será maior do que o coeficiente real de atrito, portanto, é uma suposição segura de usar para determinar a quantidade de força que você exige do seu atuador linear.
Movimento Bidimensional
Até o momento, só olhamos para mover um objeto ao longo de um eixo, mas você pode requerer movimento em dois eixos ou em ângulo. Nesses casos, você ainda pode usar a somatória de força para determinar a força dinâmica necessária mas precisaremos considerar múltiplos eixos e fazer uso de alguma trigonometria. No exemplo abaixo de empurrar um objeto para cima de uma rampa, a direção de movimento encontra-se em ângulo (theta). Para simplificar nossos cálculos, você pode optar por ter o eixo único ser paralelo à direção de movimento e o outro eixo será então perpendicular, como mostrado.
Agora que os eixos são deslocados, você precisará dividir o peso do objeto em dois componentes de força, utilizando trigonometria e a inclinação da rampa (theta). Uma dessas forças atuará contra a nossa direção de movimento e uma vai agir perpendicularmente à superfície da rampa. A força normal, usada para determinar a força de atrito, será igual à componente perpendicular do peso do objeto. Resolver a somatória de forças para determinar F resultará em:
F> W*sin (theta) + u *N = W*sin (theta) + u * W* cos (theta)
Movimento Rotacional
Enquanto os atuadores lineares fornecem movimento linear, eles também podem ser usados para fornecer rotação em aplicações como abrir uma tampa ou hatch. A força dinâmica necessária para proporcionar rotação precisará resultar em um torque desequilibrado em vez de uma força desequilibrada. Um torque é uma força de viragem que causa rotação e é igual à força aplicada vezes a distância perpendicular até o ponto de rotação. Assim, para causar rotação, um atuador linear deve fornecer um torque maior do que a soma de todos os torques trabalhando contra a direção de rotação desejada.
A quantidade de torque que seu atuador linear aplica dependerá de dois fatores, a força aplicada e a distância do ponto de rotação. Nos exemplos acima, a soma dos torques parece a mesma:
F*y*cos(alpha) - W*x*cos(alpha) > 0
A distância do ponto de rotação à força do atuador linear é y, e a distância do ponto de rotação ao centro de gravidade da escotilha é x. Como a escotilha está em um ângulo (alfa), podemos determinar a distância perpendicular a cada força por vezes a distância pelo cosseno do ângulo. A resolução da força dinâmica do atuador linear F resulta em:
F > (W*x)/y
No caso à esquerda, a força dinâmica do atuador linear, F, pode ser menor ou igual ao peso da escotilha, W, porque atua mais longe do ponto de rotação (y > x). Enquanto no caso à direita, F terá que ser maior que W porque F age mais perto do ponto de rotação, (y < x).
Em algumas aplicações, a força aplicada pelo atuador linear precisará estar em um ângulo como na imagem acima. Isso torna os cálculos um pouco mais complicados, pois a força aplicada pelo atuador linear precisará ser quebrada em componentes verticais e horizontais. O diagrama de corpo livre para a imagem acima é mostrado abaixo:
A soma dos torques para este exemplo é:
((F*cos(beta))*(L*sin(alfa))) + (F*sin(beta))*(L*cos(alfa)) - W*(x*cos(alfa) > 0
Como a força do atuador linear (F) é aplicada em um ângulo (beta), ele precisa ser dividido em componente vertical (F*sin(beta)) e componente horizontal (F*cos(beta)), como mostrado no exemplo de rampa acima. O componente vertical da força causa um torque sobre a dobradiça, pois há uma distância horizontal entre a força e a dobradiça; da mesma forma, o componente horizontal da força também causa um torque sobre a dobradiça, pois há uma distância vertical entre a força e a dobradiça. Você pode determinar essas distâncias com base no comprimento da escotilha (L) e no ângulo da escotilha (alfa), como mostrado no exemplo anterior da escotilha. Para determinar a força dinâmica necessária, você precisa resolver a equação acima para F. Infelizmente, a força do atuador linear (F) será uma função dependente do ângulo da escotilha (alfa). Como esse ângulo mudará à medida que você abrir a escotilha, a força mínima exigida do atuador linear também mudará. Isso significa que você precisará resolver a equação acima em vários ângulos para encontrar a força mínima mais alta necessária para usar para sua especificação de força dinâmica. Isso pode ser ainda mais difícil se o ângulo em que a força é aplicada (beta) também mudar à medida que a escotilha se abre, o que significa que será uma função do ângulo de escotilha (alfa) também. Se você conhece bem sua matemática, você pode determinar a exigência exata de força dinâmica que você precisa de seu atuador linear. Mas se não, você pode usar a nossa mão Calculadora de Atuador Linear, que é projetado apenas para estas situações difíceis.
Situações estáticas
Em uma situação estática, a soma de forças e a soma de torques será igual a zero, pois não há força desequilibrada ou torque causando movimento. Se você quiser garantir que seu projeto seja estável para uma determinada carga ou garantir que seu atuador linear segure uma determinada carga, você ainda pode usar as técnicas acima para garantir que todas as forças e torques estejam balanceados. Ao verificar situações estáticas, você usará a especificação de força estática para seu atuador linear em vez da especificação de força dinâmica.
Agora que você sabe como determinar o quão forte seu atuador linear precisa ser, você pode encontrar o certo para suas necessidades em nosso site. selecção em Firgelli Automatizações.
