Molas: Como Armazenam Energia e Retornam à Forma Original

Introdução

Uma mola é um dispositivo que altera a sua forma em resposta a uma força externa, retornando à forma original quando a força é removida. A energia gasta na deformação é armazenada na mola e pode ser recuperada quando esta regressa à forma original. Geralmente, a quantidade de deformação é diretamente proporcional à força aplicada. Se uma força excessiva for aplicada, a mola deforma-se permanentemente e nunca recupera a forma original.

Tipos de Molas

Existem vários tipos de molas. Um dos mais comuns consiste em arame enrolado numa forma cilíndrica ou cónica. Uma mola de extensão é uma mola helicoidal cujas espiras normalmente se tocam; ao aplicar força para esticar, as espiras separam-se. Em contraste, uma mola de compressão é uma mola helicoidal com espaço entre espiras sucessivas; quando se aplica força para encurtar, as espiras aproximam-se. Um terceiro tipo, a mola de torção, é desenhada para que a força aplicada torça a espiral num caracol mais apertado. Exemplos comuns de molas de torção encontram-se em pranchetas e ganchos de cabelo tipo borboleta.

Outra variação de molas helicoidais é a mola de relógio, enrolada numa espiral plana em vez de cilindro ou cone. Uma extremidade da mola está no centro da espiral e a outra na sua borda exterior.

Algumas molas são fabricadas sem espiras. O exemplo mais comum é a mola de lâmina, com forma de arco raso; é comummente usada em sistemas de suspensão automóvel. Outro tipo é a mola de disco, um dispositivo tipo anela com forma de cone truncado. Cilindros ocos de material elástico sólido também podem atuar como molas. Molas sem espiras funcionam geralmente como molas de compressão.

História

Molas simples sem espiras têm sido usadas ao longo da história. Até um ramo de árvore resiliente pode servir de mola. Dispositivos de mola mais sofisticados datam da Idade do Bronze, quando pinças de sobrancelha eram comuns em várias culturas. No século III a.C., o engenheiro grego Ctesibio de Alexandria desenvolveu um processo para fazer "bronze elástico" aumentando a proporção de estanho na liga de cobre, fundindo a peça e endurecendo-a com golpes de martelo. Tentou usar uma combinação de molas de lâmina para operar uma catapulta militar, mas não eram suficientemente potentes. No século II a.C., Filão de Bizâncio, outro engenheiro de catapultas, construiu dispositivo semelhante, aparentemente com algum sucesso. Fechaduras de cadeado eram amplamente usadas no Império Romano, e pelo menos um tipo usava lâminas de metal curvadas para manter os dispositivos fechados até as lâminas serem comprimidas com chaves.

O próximo desenvolvimento significativo na história das molas ocorreu na Idade Média. Uma serra movida a energia concebida por Villard de Honnecourt por volta de 1250 usava uma roda de água para empurrar a lâmina da serra numa direção, dobrando simultaneamente um poste; ao retornar o poste à posição não dobrada, puxava a lâmina na direção oposta.

Molas helicoidais foram desenvolvidas no início do século XV. Ao substituir o sistema de pesos que comumente alimentava relógios por um mecanismo de mola enrolada, relojoeiros conseguiram criar dispositivos de cronometragem fiáveis e portáteis. Este avanço tornou a navegação celeste precisa possível para navios oceânicos.

No século XVIII, a Revolução Industrial impulsionou o desenvolvimento de técnicas de produção em massa para molas. Durante os anos 1780, o ferreiro britânico Joseph Bramah usou uma máquina de enrolar molas na sua fábrica. Aparentemente uma adaptação de um torno, a máquina transportava um carretel de arame no lugar de uma cabeça de corte. O arame do carretel era enrolado autour de uma haste fixa no torno. A velocidade do fuso condutor, que transportava o carretel paralelo à haste giratória, podia ser ajustada para variar o espaçamento das espiras da mola.

Exemplos atuais de uso de molas variam desde minúsculas espiras que suportam teclas em ecrãs táteis de telemóveis a enormes espiras que suportam edifícios inteiros e os protegem de vibrações sísmicas.

Matérias-Primas

Ligas de aço são os materiais mais comuns para molas. As ligas mais populares incluem alto carbono (como o arame de música usado para cordas de guitarra), baixo carbono temperado em óleo, cromo-silício, cromo-vanádio e aço inoxidável.

Outros metais às vezes usados para fazer molas são liga de cobre-berílio, bronze fosforoso e titânio. Borracha ou uretano podem ser usados para molas cilíndricas sem espiras. Material cerâmico foi desenvolvido para molas helicoidais em ambientes de altíssima temperatura. Materiais compósitos de fibra de vidro unidirecional estão a ser testados para possível uso em molas.

Design

Várias equações matemáticas foram desenvolvidas para descrever as propriedades das molas, baseadas em fatores como composição e tamanho do arame, diâmetro da espiral da mola, número de espiras e quantidade de força externa esperada. Estas equações foram incorporadas em software informático para simplificar o processo de design.

Processo de Fabrico

A descrição seguinte foca-se no fabrico de molas helicoidais de liga de aço.

Enrolamento

• 1 Enrolamento a frio. Arame até 18 mm (0,75 pol) de diâmetro pode ser enrolado à temperatura ambiente usando duas técnicas básicas. Uma consiste em enrolar o arame autour de um eixo chamado mandril ou fuso. Isto pode ser feito numa máquina dedicada de enrolar molas, um torno, uma berbequim elétrica com o mandril fixo no mandril, ou uma máquina de enrolar operada por manivela. Um mecanismo de guia, como o fuso condutor num torno, deve ser usado para alinhar o arame no passo desejado (distância entre espiras sucessivas) à medida que enrola ao redor do mandril.
• Alternativamente, o arame pode ser enrolado sem mandril. Isto é geralmente feito com uma máquina de comando numérico computadorizado (CNC). O arame é empurrado para a frente sobre um bloco de apoio em direção a uma cabeça ranhurada que desvia o arame, forçando-o a curvar. A cabeça e o bloco de apoio podem mover-se relativamente um ao outro em até cinco direções para controlar o diâmetro e o passo da mola que está a ser formada.
• Para molas de extensão ou torção, as extremidades são dobradas nos laços, ganchos ou secções retas desejados após a operação de enrolamento estar concluída.
• 2 Enrolamento a quente. Arame mais grosso ou barras podem ser enrolados em molas se o metal for aquecido para o tornar flexível. Máquinas industriais padrão de enrolar podem lidar com barras de aço até 75 mm (3 pol) de diâmetro, e molas personalizadas terão sido feitas de barras com até 150 mm (6 pol) de espessura. O aço é enrolado autour de um mandril enquanto vermelho quente. Em seguida, é imediatamente removido da máquina de enrolar e mergulhado em óleo para arrefecer rapidamente e endurecer. Nesta fase, o aço está demasiado frágil para funcionar como mola e deve subsequentemente ser temperado.

Endurecimento

• 3 Tratamento térmico. Quer o aço tenha sido enrolado a quente ou a frio, o processo criou tensões internas no material. Para aliviar esta tensão e permitir que o aço mantenha a sua resiliência característica, a mola deve ser temperada por tratamento térmico. A mola é aquecida num forno, mantida à temperatura apropriada por um tempo predeterminado, e depois arrefecida lentamente. Por exemplo, uma mola de arame de música é aquecida a 260 °C (500 °F) por uma hora.

Acabamento

• 4 Retificação. Se o design prevê extremidades planas na mola, as extremidades são retificadas nesta fase. A mola é montada num dispositivo para garantir a orientação correta durante a retificação, e mantida contra uma roda abrasiva rotativa até obter o grau de planicidade desejado. Quando equipamento altamente automatizado é usado, a mola é mantida numa manga enquanto ambas as extremidades são retificadas simultaneamente, primeiro por rodas grossas e depois por rodas mais finas. Um fluido apropriado (água ou substância à base de óleo) pode ser usado para arrefecer a mola, lubrificar a roda de retificação e remover partículas durante o processo.
• 5 Granalhagem. Este processo fortalece o aço para resistir à fadiga e fissuração durante a sua vida útil de flexões repetidas. Toda a superfície da mola é exposta a uma saraivada de minúsculas esferas de aço que a martelam, alisando-a e comprimindo o aço logo abaixo da superfície.
• 6 Fixação. Para fixar permanentemente o comprimento e passo desejados da mola, esta é totalmente comprimida de modo que todas as espiras se toquem. Alguns fabricantes repetem este processo várias vezes.
• 7 Revestimento. Para prevenir corrosão, toda a superfície da mola é protegida por pintura, imersão em borracha líquida, ou revestimento com outro metal como zinco ou crómio. Um processo, chamado revestimento mecânico, envolve tumbar a mola num recipiente com pó metálico, água, químicos aceleradores e minúsculas esferas de vidro que batem o pó metálico na superfície da mola.
• Alternativamente, na galvanoplastia, a mola é imersa num líquido condutor que corroerá o metal de revestimento mas não a mola. Uma carga elétrica negativa é aplicada à mola. Também imerso no líquido está um fornecimento do metal de revestimento, que recebe carga positiva. À medida que o metal de revestimento se dissolve no líquido, liberta moléculas carregadas positivamente que são atraídas para a mola carregada negativamente, onde se ligam quimicamente. A galvanoplastia torna molas de aço carbono frágeis, por isso, pouco após o revestimento (menos de quatro horas), devem ser cozidas a 160-190 °C (325-375 °F) por quatro horas para contrabalançar a fragilização.
• 8 Embalamento. Quantidades desejadas de molas podem ser simplesmente embaladas em caixas ou sacos plásticos. No entanto, outras formas de embalamento foram desenvolvidas para minimizar danos ou emaranhamento. Por exemplo, podem ser ensacadas individualmente, enfiadas em arames ou hastes, encerradas em tubos, ou fixadas a papel adesivo.

Controlo de Qualidade

Vários dispositivos de teste são usados para verificar molas concluídas quanto ao cumprimento de especificações. Os dispositivos medem propriedades como dureza do metal e quantidade de deformação da mola sob força conhecida. Molas que não cumprem as especificações são descartadas. A análise estatística dos resultados dos testes pode ajudar os fabricantes a identificar problemas de produção e melhorar processos para produzir menos molas defeituosas.

Aproximadamente um terço das molas defeituosas resulta de problemas de produção. Os outros dois terços são causados por deficiências no arame usado para formar as molas. Em 1998, investigadores relataram o desenvolvimento de um teste de enrolabilidade de arame (chamado FRACMAT) que poderia eliminar arame inadequado antes de fabricar molas.

Máquinas de enrolar operadas por computador melhoram a qualidade de duas formas. Primeiro, controlam o diâmetro e o passo da mola mais precisamente do que operações manuais. Segundo, através do uso de materiais piezoelétricos, cujo tamanho varia com a entrada elétrica, cabeças de enrolar CNC podem ajustar-se com precisão em tempo real a medições de características da mola. Como resultado, estas máquinas inteligentes produzem menos molas que devem ser rejeitadas por não cumprirem especificações.

O Futuro

As exigências das indústrias de computadores e telemóveis em rápido crescimento estão a empurrar fabricantes de molas a desenvolver técnicas fiáveis e económicas para fazer molas muito pequenas. Molas que suportam teclas em touchpads e teclados são importantes, mas existem aplicações menos aparentes. Por exemplo, um fabricante de equipamento de teste usado na produção de semicondutores desenvolveu uma tecnologia de contacto por micro-molas. Milhares de minúsculas molas, com apenas 1 mm (40 mils ou 0,040 pol) de altura, são ligadas a pontos de contacto individuais de uma wafer de semicondutor. Quando esta wafer é pressionada contra um instrumento de teste, as molas comprimem, estabelecendo ligações elétricas altamente fiáveis.

Dispositivos médicos também usam molas muito pequenas. Uma mola helicoidal foi desenvolvida para uso na extremidade de inserção de um cateter ou endoscópio. Feita de arame com 0,030 mm (0,0012 pol ou 30 micrómetros) de diâmetro, a mola tem 0,092 mm (0,0036 pol) de espessura – aproximadamente o mesmo que um cabelo humano. A empresa japonesa que desenvolveu esta mola está a tentar torná-la ainda menor.

A miniaturização máxima alcançada até agora foi em 1997 pelo químico austríaco Bernard Krautler. Ele construiu uma mola molecular ligando 12 átomos de carbono e anexando uma molécula de vitamina B12 a cada extremidade da cadeia por meio de um átomo de cobalto. No estado relaxado a cadeia tem forma de zigue-zague; quando molhada com água, no entanto, dobra-se firmemente. A adição de ciclodextrina faz a cadeia retornar ao estado relaxado. Nenhuma aplicação prática desta mola foi ainda encontrada, mas a investigação continua.