Resortes: Cómo Almacenan Energía y Recuperan su Forma

Un resorte es un dispositivo que cambia su forma en respuesta a una fuerza externa, volviendo a su forma original cuando la fuerza se retira. La energía gastada en deformar el resorte se almacena en él y puede recuperarse cuando el resorte retorna a su forma original. Generalmente, la cantidad de cambio de forma es directamente proporcional a la fuerza ejercida. Si se aplica fuerza demasiado grande, sin embargo, el resorte se deformará permanentemente y nunca volverá a su forma original.

Antecedentes

Existen varios tipos de resortes. Uno de los más comunes consiste en alambre enrollado en forma cilíndrica o cónica. Un resorte de extensión es un resorte enrollado cuyas espiras normalmente se tocan; al aplicar fuerza para estirar el resorte, las espiras se separan. En contraste, un resorte de compresión es un resorte enrollado con espacio entre espiras sucesivas; cuando se aplica fuerza para acortar el resorte, las espiras se empujan juntas. Un tercer tipo de resorte enrollado, llamado resorte de torsión, está diseñado para que la fuerza aplicada tuerza la espiral en una espiral más apretada. Ejemplos comunes de resortes de torsión se encuentran en portapapeles y pinzas de pelo tipo mariposa.

Otra variación de resortes enrollados es el resorte de reloj, enrollado en espiral plana en lugar de cilindro o cono. Un extremo del resorte está en el centro de la espiral y el otro en su borde exterior.

Algunos resortes se fabrican sin espiras. El ejemplo más común es el resorte de ballesta, con forma de arco poco profundo; se usa comúnmente en sistemas de suspensión de automóviles. Otro tipo es el resorte de disco, dispositivo tipo arandela con forma de cono truncado. Cilindros de núcleo abierto de material sólido elástico también pueden actuar como resortes. Los resortes sin espiras funcionan generalmente como resortes de compresión.

Historia

Resortes simples sin espiras se han usado a lo largo de la historia. Incluso una rama de árbol resistente puede usarse como resorte. Dispositivos de resorte más sofisticados datan de la Edad del Bronce, cuando pinzas de depilar eran comunes en varias culturas. En el siglo III a.C., el ingeniero griego Ctesibio de Alejandría desarrolló proceso para hacer "bronce elástico" aumentando proporción de estaño en aleación de cobre, fundiendo la pieza y endureciéndola con golpes de martillo. Intentó usar combinación de resortes de ballesta para operar catapulta militar, pero no fueron lo bastante potentes. En el siglo II a.C., Filón de Bizancio, otro ingeniero de catapultas, construyó dispositivo similar, aparentemente con cierto éxito. Candados eran ampliamente usados en el Imperio Romano, y al menos un tipo usaba láminas metálicas arqueadas para mantener los dispositivos cerrados hasta que las láminas se comprimían con llaves.

El siguiente desarrollo significativo en la historia de los resortes vino en la Edad Media. Una sierra de potencia ideada por Villard de Honnecourt hacia 1250 usaba rueda hidráulica para empujar la hoja en una dirección, doblando simultáneamente un poste; al volver el poste a su estado sin doblar, jalaba la hoja en dirección opuesta.

Los resortes enrollados se desarrollaron a principios del siglo XV. Al reemplazar el sistema de pesos que comúnmente impulsaba relojes con mecanismo de resorte enrollado, los relojeros pudieron fabricar dispositivos fiables de medición de tiempo portátiles. Este avance hizo posible la navegación celeste precisa para barcos oceánicos.

En el siglo XVIII, la Revolución Industrial impulsó desarrollo de técnicas de producción en masa para resortes. Durante los 1780s, el cerrajero británico Joseph Bramah usó máquina de enrollar resortes en su fábrica. Aparentemente una adaptación de un torno, la máquina llevaba un carrete de alambre en lugar de cabeza de corte. Alambre del carrete se enrollaba alrededor de varilla asegurada en el torno. La velocidad del husillo de avance, que llevaba el carrete paralelo a la varilla giratoria, podía ajustarse para variar el paso de las espiras del resorte.

Ejemplos comunes de uso actual de resortes van desde diminutas espiras que soportan teclas en pantallas táctiles de móviles hasta enormes espiras que soportan edificios enteros y los protegen de vibraciones sísmicas.

Materias Primas

Aleaciones de acero son los materiales de resorte más usados. Las aleaciones más populares incluyen alto carbono (como alambre de música para cuerdas de guitarra), bajo carbono templado en aceite, cromo silicio, cromo vanadio y acero inoxidable.

Otros metales usados a veces para resortes son aleación de cobre-berilio, bronce fosforoso y titanio. Caucho u uretano pueden usarse para resortes cilíndricos sin espiras. Material cerámico se ha desarrollado para resortes enrollados en entornos de muy alta temperatura. Compuestos de fibra de vidrio unidireccionales se están probando para posible uso en resortes.

Diseño

Diversas ecuaciones matemáticas describen las propiedades de resortes, basadas en factores como composición y tamaño de alambre, diámetro de espiras, número de espiras y fuerza externa esperada. Estas ecuaciones se han incorporado a software informático para simplificar el proceso de diseño.

Proceso de Fabricación

La siguiente descripción se centra en la fabricación de resortes enrollados de aleación de acero.

Enrollado

• 1. Enrollado en frío. Alambre hasta 18 mm de diámetro puede enrollarse a temperatura ambiente usando dos técnicas básicas. Una consiste en enrollar el alambre alrededor de un eje llamado árbol o mandril. Esto puede hacerse en máquina dedicada de enrollar resortes, torno, taladro eléctrico manual con mandril asegurado en portabrocas, o máquina de enrollar operada a manivela. Un mecanismo guía, como el husillo de avance en un torno, debe usarse para alinear el alambre en el paso deseado (distancia entre espiras sucesivas) mientras se envuelve alrededor del mandril.

  Alternativamente, el alambre puede enrollarse sin mandril. Esto se hace generalmente con máquina de control numérico central (CNC). El alambre se empuja hacia adelante sobre un bloque de soporte hacia una cabeza ranurada que desvía el alambre, forzándolo a doblarse. La cabeza y bloque de soporte pueden moverse relativamente en hasta cinco direcciones para controlar diámetro y paso del resorte que se forma.

  Para resortes de extensión o torsión, los extremos se doblan en los bucles, ganchos o secciones rectas deseados tras completar la operación de enrollado.

• 2. Enrollado en caliente. Alambre más grueso o barra pueden enrollarse en resortes si el metal se calienta para hacerlo flexible. Máquinas industriales estándar de enrollado pueden manejar barra de acero hasta 75 mm de diámetro, y resortes personalizados se han hecho reportadamente de barras de hasta 150 mm. El acero se enrolla alrededor de un mandril al rojo vivo. Luego se retira inmediatamente de la máquina de enrollado y se sumerge en aceite para enfriarlo rápido y endurecerlo. En esta etapa, el acero es demasiado frágil para funcionar como resorte, y debe templarse posteriormente.

Endurecido

• 3. Tratamiento térmico. Ya sea que el acero se haya enrollado en caliente o frío, el proceso ha creado tensiones internas en el material. Para aliviar esta tensión y permitir que el acero mantenga su resiliencia característica, el resorte debe templarse tratándolo térmicamente. El resorte se calienta en horno, se mantiene a temperatura apropiada por tiempo predeterminado, y luego se deja enfriar lentamente. Por ejemplo, un resorte de alambre de música se calienta a 260 °C por una hora.

Acabado

• 4. Rectificado. Si el diseño requiere extremos planos en el resorte, los extremos se rectifican en esta etapa. El resorte se monta en una plantilla para asegurar orientación correcta durante rectificado, y se mantiene contra rueda abrasiva giratoria hasta obtener planitud deseada. Cuando se usa equipo altamente automatizado, el resorte se sujeta en manga mientras ambos extremos se rectifican simultáneamente, primero por ruedas gruesas y luego por finas. Un fluido apropiado (agua o sustancia base aceite) puede usarse para enfriar el resorte, lubricar la rueda y arrastrar partículas durante el rectificado.
• 5. Granallado. Este proceso fortalece el acero para resistir fatiga metálica y agrietamiento durante su vida de flexiones repetidas. Toda la superficie del resorte se expone a una lluvia de diminutas bolas de acero que la martillean suavemente y comprimen el acero justo bajo la superficie.
• 6. Asentamiento. Para fijar permanentemente el largo y paso deseados del resorte, se comprime totalmente para que todas las espiras se toquen. Algunos fabricantes repiten este proceso varias veces.

• 7. Recubrimiento. Para prevenir corrosión, toda la superficie del resorte se protege pintándolo, sumergiéndolo en caucho líquido, o plateándolo con otro metal como cinc o cromo. Un proceso, llamado plateado mecánico, implica tumbar el resorte en contenedor con polvo metálico, agua, químicos acelerantes y diminutas cuentas de vidrio que golpean el polvo metálico sobre la superficie del resorte.

  Alternativamente, en electrolisis, el resorte se sumerge en líquido conductor eléctricamente que corroerá el metal de plateado pero no el resorte. Carga eléctrica negativa se aplica al resorte. También sumergido en el líquido hay suministro del metal de plateado, al que se da carga positiva. A medida que el metal de plateado se disuelve en el líquido, libera moléculas cargadas positivamente que son atraídas al resorte cargado negativamente, donde se unen químicamente. El electrolisis hace frágiles los resortes de acero al carbono, así que poco después del plateado (menos de cuatro horas) deben hornearse a 160-190 °C por cuatro horas para contrarrestar la fragilización.

• 8. Envasado. Cantidades deseadas de resortes pueden simplemente empaquetarse a granel en cajas o bolsas plásticas. Sin embargo, otras formas de envasado se han desarrollado para minimizar daño o enredo de resortes. Por ejemplo, pueden embolsarse individualmente, ensartarse en alambres o varillas, encerrarse en tubos, o fijarse a papel adhesivo.

Control de Calidad

Diversos dispositivos de prueba se usan para verificar resortes completados por cumplimiento de especificaciones. Los dispositivos miden propiedades como dureza del metal y cantidad de deformación del resorte bajo fuerza conocida. Resortes que no cumplen especificaciones se descartan. Análisis estadístico de resultados de pruebas puede ayudar a fabricantes a identificar problemas de producción y mejorar procesos para producir menos resortes defectuosos.

Aproximadamente un tercio de resortes defectuosos resultan de problemas de producción. Los otros dos tercios son causados por deficiencias en el alambre usado para formar los resortes. En 1998, investigadores reportaron desarrollo de prueba de enrollabilidad de alambre (llamada FRACMAT) que podía cribar alambre inadecuado previo a fabricación de resortes.

Máquinas de enrollado operadas por ordenador mejoran calidad en dos formas. Primero, controlan diámetro y paso del resorte más precisamente que operaciones manuales. Segundo, mediante uso de materiales piezoeléctricos, cuyo tamaño varía con entrada eléctrica, cabezales de enrollado CNC pueden ajustar precisamente en tiempo real a mediciones de características del resorte. Como resultado, estas máquinas inteligentes producen menos resortes que deben rechazarse por no cumplir especificaciones.

El Futuro

Demandas de industrias informática y de móviles en rápido crecimiento impulsan a fabricantes de resortes a desarrollar técnicas fiables y rentables para hacer resortes muy pequeños. Resortes que soportan teclas en pantallas táctiles y teclados son importantes, pero hay aplicaciones menos aparentes. Por ejemplo, un fabricante de equipos de prueba para producción de semiconductores ha desarrollado tecnología de contacto con micros-resortes. Miles de diminutos resortes, solo 1 mm de alto, se unen a puntos de contacto individuales de oblea semiconductor. Cuando esta oblea se presiona contra instrumento de prueba, los resortes compriman, estableciendo conexiones eléctricas altamente fiables.

Dispositivos médicos también usan resortes muy pequeños. Un resorte enrollado se ha desarrollado para uso en extremo de inserción de catéter o endoscopio. Hecho de alambre de 0,030 mm de diámetro, el resorte tiene 0,092 mm de grosor —aproximadamente igual que un cabello humano. La empresa japonesa que desarrolló este resorte intenta hacerlo aún más pequeño.

La miniaturización definitiva lograda hasta ahora fue en 1997 por el químico austríaco Bernard Krautler. Construyó un resorte molecular encadenando 12 átomos de carbono y uniendo molécula de vitamina B12 a cada extremo mediante átomo de cobalto. En estado relajado la cadena tiene forma zigzag; al mojarse con agua, sin embargo, se pliega firmemente. Añadir ciclodextrina hace que la cadena vuelva a su estado relajado. Ninguna aplicación práctica de este resorte se ha encontrado aún, pero la investigación continúa.