Cos'è la velocità critica?

Si dice che un oggetto raggiunga la velocità critica quando la velocità della sua rotazione corrisponde a una delle sue frequenze naturali. La velocità critica è studiata in una branca della fisica nota come rotordinamica, che si occupa del movimento rotazionale o angolare. Un oggetto rotante, come un'elica o una pompa centrifuga, deve spesso passare attraverso una o più delle sue velocità critiche mentre accelera o decelera. Durante il funzionamento a velocità critica, questi oggetti vibrano ad un'ampiezza elevata, il che può causare danni.

Tutti gli oggetti composti da un materiale elastico hanno una o più frequenze naturali. La frequenza naturale di un oggetto è il numero di volte che si sposta avanti e indietro dopo che è stato messo in movimento. Quando un oggetto vibra a una delle sue frequenze naturali, si dice che abbia risonanza o una grande ampiezza vibrazionale. In uno strumento musicale, ad esempio, questa risonanza è desiderabile perché provoca un'amplificazione naturale del suono dello strumento. Nella rotordinamica, tuttavia, questa risonanza è indesiderabile perché fa vibrare fortemente i pezzi meccanici coinvolti, il che può danneggiare il sistema.

Esistono numerosi stimoli che possono causare risonanza, uno dei quali è il movimento rotatorio. Quando il movimento di rotazione di un oggetto, chiamato anche velocità angolare, provoca risonanza, è a velocità critica. Gli oggetti meccanici rotanti devono essere progettati per passare rapidamente attraverso queste velocità critiche in modo che la vibrazione amplificata che si verifica a questa velocità non provochi danni.

Una pompa centrifuga o un'elica si muoveranno attraverso diverse velocità angolari mentre accelera o decelera. Mentre un sistema in movimento come questo avrà naturalmente delle vibrazioni, la vibrazione amplificata alla velocità critica deve essere evitata o attraversata rapidamente se il sistema deve reggere nel tempo. La rotordinamica è quindi molto interessata a risolvere le varie velocità critiche che possono influire sulla vita di una macchina rotante.

La frequenza di rotazione più bassa che fa vibrare un oggetto ad una delle sue frequenze naturali è conosciuta come la sua prima velocità critica. Un oggetto può avere un numero infinito di velocità critiche, ma la velocità critica più importante che gli ingegneri devono considerare è la prima. Alcuni oggetti rotanti sono progettati per funzionare al di sotto della loro prima velocità critica, ma molti ruotano al di sopra di questa velocità. Fintanto che la velocità di rotazione passa rapidamente attraverso la velocità critica, ciò non dovrebbe avere un effetto significativo sulla durata della macchina rotante. Tuttavia, possono verificarsi problemi se un oggetto è progettato per ruotare alla sua velocità critica, poiché le vibrazioni risultanti potrebbero causare la rottura della macchina.

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