En este artículo te diremos cómo se puede medir el impacto entre dos esferas separadas por un plato con la ayuda del uso del vibrómetro láser Doppler, ya sea con o sin influencia de líquidos.

Durante un proyecto de investigación biomédico se investigó el cambio de una válvula biestable, el cambio era provocado por un impacto mecánico, por lo que se configuró una prueba para una investigación detallada de los impactos y la transmisión de impulsos deseada en la carcasa de la válvula. El objetivo de este experimento era desarrollar y entender el comportamiento físico fundamental del impacto. Además de validar modelos de simulación numérica con los resultados del experimento. El experimento se llevó a cabo con diferentes cuerpos de impacto, distintos materiales e incluso con fluidos.

Configuración e implantación del experimento

Imagen 1: Prototipo con dos actuadores

El montaje del experimento consistió en una estructura con una placa de sujeción con dos esferas en cada lado. Una de las esferas era impulsada para golpear la placa de sujeción perpendicularmente. Del otro lado, que representaba el lado de la carcasa de la válvula, la esfera estaba en reposo, tocando el plato. Adicionalmente, se montó un contenedor de fluidos en la estructura para sumergir la esfera. La esfera que realizaba el impacto era accionada por un mecanismo electromagnético que permitía una alta repetibilidad. Justo antes de tocar la placa la esfera alcanzaba una velocidad aproximada de V0 = 600 mm/s, golpeando la placa, provocando una deformación y una vibración que causaba una aceleración en la segunda esfera.

La evaluación experimental necesitaba determinar la velocidad y desplazamiento en ambas esferas, por lo que se utilizaron dos vibrómetros láser, que gracias a sus mediciones sin contacto no influyen en el experimento. Además, debido a su alta sensibilidad y alta resolución de las señales, el impacto de tan corto tiempo se puede registrar con gran detalle.

Uno de los principales retos durante el experimento era que el rayo láser registrara la esfera exterior justo antes del impacto y solo se puede alcanzar una medición útil si el láser es casi perpendicular a la superficie de la esfera.

Alternativamente, se puede montar un tanque de acrílico en la estructura con el fin de sumergir completamente la otra esfera y estudiar la influencia de diferentes fluidos. La superficie interna del plato está en contacto con el fluido, el cual puede ser agua o aceite.

Al llenar el tanque con un fluido, los resultados de la medición cambian considerablemente. Estos cambios se deben a la influencia que tienen el fluido en el impacto y en el movimiento de la esfera, así como influencias del índice de refracción óptica del fluido en la técnica de medición.

Imagen 2 y 3: Tanque acrílico y velocidad de señal de ambas esferas con una vibración superpuesta por el movimiento del fluido del tanque

Los vibrómetros láser Doppler se basan en el principio físico del efecto Doppler, medido con un interferómetro óptico. Un interferómetro puede ser usado para determinar el cambio de frecuencia del láser reflejado desde una superficie en movimiento, así como franjas de interferencia causadas por cambios en la longitud de la trayectoria óptica. Si se llevan a cabo mediciones en cualquier otro medio que no sea vacío o aire, el índice reflexivo de cualquier medio diferente se debe tomar en cuenta. Esta corrección debe aplicarse con el fin de determinar la velocidad de la esfera en el fluido. Sin embargo, el movimiento del fluido del tanque provoca un cambio en la longitud de la trayectoria óptica si se ocupan medios diferentes en ambos lados de la estructura, resultando en una vibración adicional superpuesta, tal y como se muestra en la imagen 3.

Resultados y conclusiones

Tomando en cuenta los diferentes índices refractivos (n), podemos medir en la presencia de fluidos y modificar las señales con la ecuación Vcorr = V/n. La medición demostró que podemos determinar de forma exitosa la velocidad de ambas esferas antes y después del impacto.

Referencia: Revista InFocus Issue 2015, Pág. 28-31 “Deep Impact. LDV measurements of impacts with fluids” [documento en línea: https://issuu.com/polytecgmbh/docs/om_infocus_2015_e_42345_web_sp/30 acceso: marzo 2017]