O que é a rigidez de torção?
A rigidez de torção é a capacidade de um material ou estrutura suportar a deformação por torção ou rotação quando exposto a um binário, que é uma força de rotação. Mede a rigidez ou resistência de um componente a forças de torção, designadas por torção. Um material ou estrutura torcerá menos sob um determinado binário se a sua rigidez à torção for maior.
A rigidez de torção (KtK_tKt) tem a seguinte definição técnica:
Onde:
- TTT é o binário aplicado,
- θ\thetaθ é a deslocação angular resultante (em radianos).
Factores que afectam a rigidez à torção de um material
Módulo de cisalhamento (G)
O módulo de cisalhamento mede a resistência de um material à deformação por cisalhamento. Quando o módulo de cisalhamento é elevado, os materiais são mais resistentes à torção, acrescentando rigidez à torção.
Momento de inércia polar (J)
O momento de inércia polar é uma propriedade geométrica que depende da forma e do tamanho da secção transversal de um objeto. Aumentar o diâmetro de uma secção transversal circular melhora drasticamente a rigidez de torção, muitas vezes mais do que alterar o próprio material. Por exemplo, duplicar o diâmetro pode reduzir o ângulo de torção por um fator de 16.
Forma da secção transversal
A rigidez à torção é determinada pela forma da secção transversal. As formas não circulares torcem mais do que as formas circulares sob as mesmas condições, mantendo-se todos os outros factores iguais.
Comprimento do objeto
Quanto mais comprido for o objeto, mais se torce. O encurtamento do objeto aumenta a sua rigidez de torção.
Propriedades dos materiais
Para além do módulo de cisalhamento, outras propriedades do material, como o limite de elasticidade e a ductilidade, podem afetar o modo como um material se comporta sob cargas de torção1.
Qualidade de fabrico
As variações nos processos de fabrico podem levar a discrepâncias entre os valores de rigidez de torção previstos e reais. Um controlo de qualidade adequado durante a produção é essencial para manter as especificações do projeto.
Importância da rigidez de torção
Quando se trata de garantir a segurança, a funcionalidade e o desempenho de materiais e estruturas, a rigidez de torção é essencial – especialmente para aplicações de engenharia. Eis porquê:
- Integridade estrutural: A rigidez de torção ajuda as estruturas a resistir à torção, mantendo-as fortes e fiáveis sob cargas de torção.
- Desempenho e durabilidade: Ajuda a determinar o desempenho dos componentes, a sua resistência e a sua duração antes de serem utilizados em diferentes aplicações.
- Manuseamento do veículo e conforto de condução: Os veículos com maior rigidez de torção têm melhor manuseamento, melhor condução e respondem melhor ao condutor, porque a suspensão pode funcionar de forma mais eficaz (ou “eficiente”). Um chassis de automóvel mais rígido também proporciona mais estabilidade em estradas irregulares e é mais silencioso porque vibra menos.
- Precisão posicional: Nos projectos em que a precisão posicional é importante, os materiais com maior rigidez de torção são úteis.
- Conceção do chassis: A rigidez de torção tem um grande impacto na forma como um veículo se comporta e se comporta. Um chassis mais rígido significa que o veículo se comporta de forma mais previsível.
Como melhorar a rigidez à torção de um material？
Escolha do material
Selecionar materiais com elevado módulo de cisalhamento. O módulo de cisalhamento mede a resistência de um material à deformação sob força de cisalhamento. O aço tem um módulo de cisalhamento de 80 Gga Pascals, o que o torna ideal para aplicações de torção. Os polímeros torcem mal devido ao seu baixo módulo de cisalhamento. Os compósitos permitem-nos misturar a fibra e a matriz e variar as caraterísticas com base nos seus tipos e fracções de volume.
Otimização Geométrica
A geometria tem um impacto significativo na rigidez de torção.
- Momento de inércia polar: O momento de inércia polar pode ser aumentado através do aumento do diâmetro da secção transversal. A rigidez à torção melhora consideravelmente à medida que o diâmetro da secção transversal aumenta.
- Forma da secção transversal: As secções circulares são mais resistentes à torção do que as rectangulares. A rigidez à torção das secções rectangulares é ditada pelas suas relações de aspeto lateral.
- Comprimento: Reduzir o comprimento do objeto para diminuir o ângulo de torção sob binário.
Processo de fabrico
Assegurar a consistência e homogeneidade do material durante o processo de produção. Os materiais anisotrópicos podem ter uma rigidez de torção variada, dependendo da direção do binário aplicado.
Reforços estruturais
A rigidez à torção pode ser melhorada através da utilização de aços de maior módulo, soldadura adicional e adesivos de ligação de elevada resistência. Os suportes das torres de suporte que se ligam ao firewall podem ajudar a aumentar a rigidez do chassis.
Desvantagens de uma elevada rigidez de torção
Embora uma rigidez de torção considerável possa ser benéfica em muitas aplicações, existem algumas desvantagens potenciais que devem ser consideradas:
Aumento de peso
Para atingir uma rigidez torsional elevada, são normalmente necessários materiais maiores ou mais duráveis, o que pode aumentar o peso dos componentes. Isto pode ser indesejável em aplicações em que o peso é uma questão fundamental, como nas indústrias aeronáutica e automóvel, onde a redução do peso pode melhorar o desempenho e a eficiência do combustível.
Flexibilidade reduzida
A rigidez de torção mostra que o material ou a estrutura é menos flexível. Quando é necessário algum grau de flexibilidade (como nos sistemas de absorção de choques ou de amortecimento), uma rigidez excessiva pode levar a um mau desempenho ou a uma falha prematura devido a concentrações de tensões ou à falta de capacidade de absorver a deformação.
Custo mais elevado
Os materiais com maior rigidez torsional (como os metais de alta resistência e os materiais compósitos) são normalmente mais dispendiosos. Além disso, alcançar a rigidez máxima através de modificações no projeto (como diâmetros maiores ou formas mais complexas) pode aumentar os custos de produção.
Risco de falha frágil
Os materiais com uma rigidez torsional extraordinariamente elevada podem ser mais susceptíveis à rotura frágil. Quando um material se torna demasiado rígido, pode perder a sua capacidade de se deformar ou absorver energia antes de fraturar. Em casos extremos, a estrutura pode falhar abruptamente sob torção porque é incapaz de dissipar a tensão através da deformação.
Complexidade na conceção
Para alcançar uma elevada rigidez à torção, podem ser necessários projectos complicados e especializados, o que complica o processo de produção. As construções maiores ou reforçadas, por exemplo, podem necessitar de ferramentas, métodos e controlo de qualidade especializados, resultando num aumento do tempo e esforço de fabrico.
Declaração do problema e objectivos-alvo
Declaração do problema
É difícil obter o equilíbrio correto da rigidez de torção em componentes expostos a forças de torção. Uma rigidez excessiva aumenta o peso, as despesas e a fragilidade, enquanto uma rigidez inadequada provoca deformações e falhas. Para garantir um desempenho fiável, a rigidez de torção deve ser optimizada sem comprometer outros aspectos.
Objectivos visados
- Otimizar a rigidez: Para resistir a determinadas cargas sem demasiada deformação, aumentar a rigidez torcional.
- Equilibrar o peso: Atingir a rigidez necessária sem ondular indevidamente o peso.
- Seleção de materiais: Selecionar materiais que proporcionem o melhor compromisso entre custo, resistência e rigidez.
- Melhorar a durabilidade: Certifique-se de que os componentes podem resistir ao esforço de torção sem se partirem ou desgastarem.
- Manter a flexibilidade/amortecimento: Manter a flexibilidade ou o amortecimento necessários para absorver os choques, conforme necessário.
- Reduzir custos e complexidade: Conceber soluções a preços razoáveis e de fácil produção que reduzam a complexidade e as despesas.
Conclusão
A conceção de componentes que estejam constantemente sujeitos a forças de torção exige a consideração e a otimização da rigidez de torção. Escolhendo cuidadosamente os materiais, projectando geometricamente e considerando as técnicas de produção, os engenheiros podem obter o equilíbrio pretendido entre a rigidez e outros critérios de desempenho. As utilizações técnicas desta tecnologia garantem a integridade estrutural, a vida útil e a economia de custos.
