Determinação da Curva Força x Deslocamento de Molas Helicoidais e a Gás

[Alberto José]

Em julho de 2014, iniciei alguns estudos para elaborar um dispositivo para obter a Curva Força x Descolamento de molas (helicoidais ou a gás), com o objetivo de obter alguns parâmetros para melhor compreender a balística interna de carabinas de ar acionadas por ação de molas.

Recomendo a leitura dos tópicos abaixo, aos que tiverem dúvidas quanto ao embasamento teórico formal sobre o assunto.

Link do Tópico - Como determinar a "Força" Nominal de uma mola a gás

Link do Tópico - Dispositivo para medir a força de compressão de Gás RAM e Molas

Após alguns ensaios, com relativo sucesso, devido às limitações impostas pelos tipos de balança e "compressor de molas" utlizado, o estudo ficou em "estado de hibernação".

De volta a prancha de desenhos, e com o upgrade de equipamentos mais adequados, estamos de volta:

Nota do autor: este dispositivo caseiro, tem por objetivo auxiliar, através de modo comparativo, o comportamento das molas de ação, não se tratando portanto de verdade absoluta e principalmente por ser encarado como um hobby.

Dispositivo para medir a força de compressão de Gás RAM e Molas - Nova versão

Equipamentos utilizados:

Dinamômetro DD300 - 100 kgf

Macaco elétrico automotivo 1500 kgf acionado por bateria automotiva 12 volts

Paquímetro Digital 150mm de fibra

Adicionalmente foram "desenvolvidos" novos acessórios para conter e centralizar as molas, durante o processo de compressão, descompressão

Molas Helicoidais

Tubos de PVC roscáveis - externo de 1 polegada (simulando o cilindro da carabina) e interno de 3/4 de polegada (simulando o êmbolo), suportados por um CAP soldável de 50mm e mantidos centralizador por 4 parafusos allen 6mm. Para alguns modelos de carabina, é possível utilizar o êmbolo original, como será visto mais tarde no ensaio da B19S.

Na foto abaixo, o setup utilizado no ensaio da mola helicoidal original da carabina CBC B19S com o contra peso (top hat) e o guia de mola traseiro.

Êmbolo original da carabina CBC B19S (o retentor usado é maior para prover melhor centralização) buscando uma maior similaridade com a situação real (embora o diâmetro interno do tubo de PVC de 1 polegada seja ligeiramente superior ao diâmetro do tubo da carabina)

Para comprimir a mola helicoidal foi utilizada uma mola a gás sem pressão

Fotos do dispositivo configurado para molas a gás

 

Curva Força x Deslocamento - Mola Helicoidal CBC B19S Original

Equação do ciclo de compressão

Força (kgf) = 0,7051 . Deslocamento (mm) - 0,9555

Curva Força x Deslocamento - Mola a gás QUICKShot 270mm 35 kgf

Equação do ciclo de compressão

Força (kgf)  0,1181 . Deslocamento (mm) + 37,612

Curva Força x Deslocamento - Mola a gás QUICKShot 270mm 40 kgf

Equação do ciclo de compressão

Força (kgf) = 0,113 . Deslocamento (mm) + 41,631

Curva Força x Deslocamento - Mola a gás QUICKShot 270mm 45 kgf

Equação do ciclo de compressão

Força (kgf) = 0,157 . Deslocamento (mm) + 48,589

Curva Força x Deslocamento - Mola a gás QUICKShot 270mm 50 kgf

Equação do ciclo de compressão

Força (kgf) = 0,1663 . Deslocamento (mm) + 53,987

Uma vez obtida a Curva Força x Deslocamento para cada mola, podemos determinar a Curva de Energia Potencial Elástica de cada mola, para uma determinada carabina.

Necessitamos dois valores: a medida da pré compressão de cada mola e o curso do êmbolo da carabina em questão.

A Energia Potencial Elástica será a área do trapézio compreendida entre as coordenadas da pré compressão e da pré compressão somado ao curso do êmbolo.

Fator de conversão: 1 kgf = 9,80665 N (Newton)

Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal CBC B19S Original

Curva de Energia Potencial Elástica B19S com Mola a gás QUICKShot 270mm 35 kgf

Curva de Energia Potencial Elástica B19S com Mola a gás QUICKShot 270mm 40 kgf

Curva de Energia Potencial Elástica B19S com Mola a gás QUICKShot 270mm 45 kgf

Curva de Energia Potencial Elástica B19S com Mola a gás QUICKShot 270mm 50 kgf

Cálculo da Eficiência do conjunto CBC B19S, molas (helicoidais e a gás) e projéteis utilizados

O embasamento teórico formal pode ser lido no Tópico - The Airgun From Trigger to Muzzle - Tradução Parte II

Capítulo 9 – Eficiência

"A eficiência mecânica de toda a máquina é a razão entre o trabalho útil obtido, em comparação com o trabalho introduzido, a saber, e o trabalho gasto para o funcionamento da máquina. Esta proporção é normalmente expressa como uma percentagem, da seguinte forma:

(Trabalho produzido / Trabalho empregado) x 100 = Eficiência (%)

Neste livro temos considerado o trabalho empregado em um rifle de ar, como sendo a quantidade de energia que está contida na mola depois a arma foi engatilhada, e não a energia que é necessária para comprimir a mola na posição engatilhada. Esta energia é maior do que a da mola, uma vez que existe sempre uma perda por atrito no eixo e nas superfícies que estão em contato entre si. Não fizemos um estudo das perdas no sistema de ligação mecânica, tais como alavancas e travas, uma vez que os vários fabricantes empregam mecanismos ligeiramente diferentes entre si, e, por conseguinte, a eficiência mecânica varia de acordo com o modelo.

O trabalho produzido é igual à quantidade de energia contida pelo projétil quando sai pela boca do cano (energia cinética). Isso é chamado de "energia na boca do cano", e assim como a energia da mola é medido em ft.lbf (pés.libra-força) no sistema internacional, é medida em N.m (Newton.metros – conhecida também como Joule)."

Uma vez determinadas as curvas de Força x Deslocamento e efetuados as medições de velocidade em cronógrafo, temos condições de calcular a eficiência do conjunto utilizado.

Os resultados obtidos em cronógrafo podem ser vistos no Tópico - CBC B19S 4,5mm - Mola a Gás QUICKShot Chrony Test

Resultados

GAMO Big CAT 1000 4,5mm

Curva Força x Deslocamento - Mola Helicoidal Gamo Big CAT 1000 Original 4,5mm

Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal Gamo Big Cat 1000 Original

Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Original e projéteis utilizados

Nota do autor: os resultados obtidos em cronógrafo, para cada chumbo, podem ser vistos no seguinte tópico:

Gamo Big CAT 1000 4,5mm - Parte I - Mini Review e Testes

Curva de Energia Potencial Elástica Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada e Rolamento Axial de Esferas

Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada com Rolamentos Axial de Esferas e projéteis utilizados

Curva de Energia Potencial Elástica Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada

Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada e projéteis utilizados

Nota do autor: detalhes sobre a instalação dos Rolamentos Axial de Esferas e os resultados obtidos em cronógrafo, para cada chumbo, podem ser vistos no seguinte tópico:

Tópico - Gamo Big CAT 1000 4,5mm - Parte III - "Tuning" - Mais do Mesmo ...

GBC JADE mais 4,5mm

Curva Força x Deslocamento - Mola Helicoidal CBC JADE mais Original 4,5mm

Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal CBC JADE mais Original

Cálculo da Eficiência do conjunto CBC JADE mais - Mola Helicoidal Original e projéteis utilizados

Nota do autor: os resultados obtidos em cronógrafo, para cada chumbo, podem ser vistos no seguinte tópico:

CBC JADE mais 4,5mm - Parte I - Mini review e testes

Curva de Energia Potencial Elástica CBC JADE mais - Mola Helicoidal Encurtada e Rolamento Axial de Esferas

Cálculo da Eficiência do conjunto CBC JADE mais - Mola Helicoidal Encurtada com Rolamentos Axial de Esferas e projéteis utilizados

Nota do autor: os resultados obtidos em cronógrafo, para cada chumbo, podem ser vistos no seguinte tópico:

CBC JADE + 4,5mm - Tuning e Chrony Test - Rolamento Axial de Esferas

 

Editado Setembro 1, 2018 por Alberto José
Exumação das fotos e revisão do texto

[Aurélio]

Opa

 

Rapaaaaaaaaaaz, só você mesmo!

 

A "curva" da mola tem a maior proximidade entre a descompressão e a compressão o que, penso, resulta em maior eficiência.

É isso mesmo?

 

Parabéns, mais mai um, dois, três, quatro......

[Alberto José]

Opa

 

Rapaaaaaaaaaaz, só você mesmo!

 

A "curva" da mola tem a maior proximidade entre a descompressão e a compressão o que, penso, resulta em maior eficiência.

É isso mesmo?

 

Parabéns, mais mai um, dois, três, quatro......

 

Isso mesmo meu amigo !

[MARVIN]

 

Parabéns pela capacidade e dedicação em proceder este tipo de estudo, que mesmo de forma "caseira" traz para nós (pela generosidade em compartilhar) real DESCOBERTA sobre o comportamento as molas de nossas carabinas.

 

A partir desta análise já começa a ficar desmistificada a real eficiência das molas. Eu mesmo pensava que a relação compressão e força nas molas helicoidais NÃO era uma constante.

 

Também foi possível notar que a diferença entre a força de compressão e descompressão embora exista não muito grande (significativa), ao meu ver, para as molas testadas.

 

Percebi, também, que paras molas gas ram, a força guardada nas molas é BEM SUPERIOR a força da nomenclatura, 40, 45 ou 50kgf.

 

Parabéns pelo estudo!

 

Até mais.

[Alberto José]

 

 

Em 05/10/2015 em 11:21, MARVIN disse:

Percebi, também, que paras molas gas ram, a força guardada nas molas é BEM SUPERIOR a força da nomenclatura, 40, 45 ou 50kgf

 

Os valores de pré compressão na temperatura ambiente, estão bem próximos do valor nominal informado pelo fabricante.

Em se tratando de gases, a temperatura ambiente (25 ºC) influencia o valor nominal e durante os steps de compressão e descompressão temos o movimento das moléculas (movimento browniano), mas aí é assunto para os universitários ... Sou da época do exame de admissão para ingressar no ginasial e do vestibular sem ENEM e cotas.

Teríamos que confirmar qual a temperatura utilizada pelos fabricantes:

- se 21 ºC e 1 atm

- se nas famosas CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão) temperatura de 0 °C ou 273,15 K e pressão de 1 atm, ou 760 mmHg ou, 101.325 Pa.

- se nas atuais CPTP (Condições Padrão de Temperatura e Pressão) temperatura de 0 °C ou 273,15 K e pressão de 1 bar ou, 100.000 Pa.

 

Editado Setembro 1, 2018 por Alberto José

[unzioto]

PQP, SENHOR ALBERTO JOSÉ, só podemos lhe agradecer por tanta dedicação ao esporte, ao fórum e a nós simples atiradores, abraços e + 1.

[Edgar Minarello]

Salve Alberto !

Parabéns pelo trabalho e dedicação.

Ainda em construção mas antecipo uma curiosidade: Serão testadas molas a gás de outros fabricantes, ou a dinâmica seria idêntica ?

Abraço;

[rhayann]

Tambem estou interessado se vai ter comparação estre os fabricantes?

[Alberto José]

Em 05/10/2015 em 16:39, Edgar Minarello disse:

Salve Alberto !

Parabéns pelo trabalho e dedicação.

Ainda em construção mas antecipo uma curiosidade: Serão testadas molas a gás de outros fabricantes, ou a dinâmica seria idêntica ?

Abraço;

Nao, os GR FNA mudam muito a "quilagem", as que eu tenho sao hastes cromadas ou as primeiras nitretadas, SMS nem pensar, nao valem o trabalho, tenho umas fechadas no blister com vazamento de oleo, da serie N.

Se leu o topico original, observara que o comportamento e semelhante.

So molas helicoidais, principalmente Cometa 220 e Fenix 400 e molas a gas novas.

Editado Setembro 1, 2018 por Alberto José

[Full Throttle]

Parabéns, tanto pelo dispositivo quanto pela qualidade do trabalho.

 

Apenas fiquei com uma dúvida, a mola helicoidal original era "nova" eu poderia já estar com alguma fadiga?

 

[R_Fritz]

Você é mestre.

 

Simples assim.

[Alberto José]

Apenas fiquei com uma dúvida, a mola helicoidal original era "nova" eu poderia já estar com alguma fadiga?

 

É a mola que veio na B19S, com menos de 200 tiros.

[Alberto José]

Tópico atualizado:

- Curva Força x Deslocamento - Mola Helicoidal Gamo Big CAT 1000 Original 4,5mm

- Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal Gamo Big Cat 1000 Original

- Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Original e projéteis utilizados

- Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal Encurtada e Rolamentos Axial de Esferas Gamo Big Cat 1000

- Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada e Rolamentos Axial de Esferas e projéteis utilizados

- Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal Encurtada Gamo Big Cat 1000

- Cálculo da Eficiência do conjunto Gamo Big Cat 1000 - Mola Helicoidal Encurtada e projéteis utilizados

- Curva Força x Deslocamento - Mola Helicoidal CBC JADE mais Original 4,5mm

- Curva de Energia Potencial Elástica - Mola Helicoidal CBC JADE mais

- Cálculo da Eficiência do conjunto CBC JADE mais - Mola Helicoidal Encurtada e Rolamentos Axial de Esferas e projéteis utilizados

Editado Setembro 1, 2018 por Alberto José

[ecredic]

Bom dia Pessoal. Porque as fotos não aparacem?

[Full Throttle]

2 horas atrás, ecredic disse:

Bom dia Pessoal. Porque as fotos não aparacem?

Boa tarde, este problema você encontrará nos tópicos mais antigos, o está no servidor onde as imagens estavam hospedadas/armazenadas, para ver estas imagens agora só se alguém tiver feito um back-up do tópico/imagens previamente ao problema ter ocorrido.

[ecredic]

Puxa Full Throttle, é uma pena perder um material como esses! Será que o Alberto José não tem esse material em outro fórum ou em outro formato?

[Full Throttle]

Em 12/19/2017 em 18:24, ecredic disse:

Puxa Full Throttle, é uma pena perder um material como esses! Será que o Alberto José não tem esse material em outro fórum ou em outro formato?

Determinação da Curva Força x Deslocamento de Molas Helicoidais e a Gás.pdf

 

Segue a versão que tenho, está ligeiramente diferente da versão original, eu coloqui legendas nas imagens e criei tópicos, assim como inseri um índice e também uma lista de imagens para facilitar a navegação pelo documento.

 

Espero que ajude.

 

Obs.: como copiar e colar o texto/imagens aqui não funcionou achei melhor deixar o arquivo direto.

[Jorge de Assis]

Lá vai cruzeta !

[ecredic]

13 horas atrás, Full Throttle disse:

Determinação da Curva Força x Deslocamento de Molas Helicoidais e a Gás.pdf

 

Segue a versão que tenho, está ligeiramente diferente da versão original, eu coloqui legendas nas imagens e criei tópicos, assim como inseri um índice e também uma lista de imagens para facilitar a navegação pelo documento.

 

Espero que ajude.

 

Obs.: como copiar e colar o texto/imagens aqui não funcionou achei melhor deixar o arquivo direto.

PUXA Full Throttle... Show de bola! Valeu muito mesmo!

[Alberto José]

Fotos exumadas, agora hospedadas no CA

[Aurélio]

Opa

Sempre bom e didático rever seus tópicos.

Abs