Uno de los principales caballos de batalla del aficionado al aeromodelismo son las vibraciones. En esta serie de artículos trataré de explicar el origen de las mismas y las posibles soluciones a nivel de aficionado.

En un multicóptero la fuente de toda vibración está en la planta motriz, o partes móviles girando a altas revoluciones. Cualquier desequilibrio en estas partes móviles generará vibración. Por desequilibrio podemos entender el peso irregularmente distribuido a lo largo de la superficie de revolución. Si una parte de nuestro motor pesa más que las otras, generará una fuerza mayor en ese lado que, al estar desplazándose constantemente, creará la temida vibración.

Aunque podamos equilibrar todos los componentes de la planta motriz, siempre lo haremos de manera aproximada, existiendo irregularidades muy difíciles de corregir con métodos caseros. De hecho, la calidad de motores, hélices y tuercas de sujeción, su precio y su proceso de fabricación, resultan de suma importancia para no tener un cacharro imposible de equilibrar. Mejor adquirir componentes de proveedores de cierta solvencia.

Las vibraciones son, por lo tanto, inevitables, pero ¿cómo convivir con ellas? ¿cómo minimizarlas o llevarlas a un punto en que puedan ser absorbidas por nuestro sistema?

En este primer artículo analizo dos magnitudes básicas para entender y solucionar el problema: el coeficiente de amortiguación y la vibración por resonancia.

El coeficiente de amortiguación y la vibración por resonancia

Amortiguadores de vibraciones de silicona y goma (vibration damping balls)

Tal y como comenta OlliW, el creador del gimbal Storm32, las gomas que usamos para amortiguar  las vibraciones en nuestros multis, en realidad no siempre amortiguan las vibraciones de origen. De hecho el «damping coefficient» o «damping ratio«, que podríamos traducir como el «coeficiente de amortiguación» de estas gomas es relativamente bajo (enlace), lo que incluso podría amplificar esas vibraciones.

El «damping coefficient» (representado por la letra teta ϑ) no es otra cosa que la capacidad de un material para absorber una fuerza, deformarse y recuperarse sin devolver la fuerza al entorno. Un «damping coefficient» elevado absorbe las vibraciones, uno bajo, las devuelve rebotadas y modificadas. Ejemplo de este último son las pelotas de goma que rebotan contra todas las paredes y con las que jugábamos de niños.

Un valor de ϑ bajo implica baja capacidad de amortiguación, típica de la goma o de la silicona, materiales con los que están hechos la mayoría de nuestros vibrations dampers.

De hecho, el verdadero problema de estos materiales que buscan aislar vibraciones, es que pueden hacerlo a costa de amplificar algunas frecuencias de origen. Son lo que se denominan frecuencias de resonancia. Lo vemos en el siguiente gráfico de Olli:

Frecuencias de resonancia de distintos materiales para los amortiguadores

La función en rojo corresponde a los materiales típicos de los vibration dampers que ponemos a nuestros multis y que tienen un coeficiente de amortiguación ϑ relativamente bajo. Vemos que a determinada frecuencia en la vibración de origen, estos materiales generan resonancia. La resonancia es una vibración por simpatía de un objeto en contacto con una fuente de vibraciones.

Fijémonos en la cresta de la función roja. En ese punto la amplitud de la vibración de origen es incrementada con mucha fuerza, para luego volver a reducirse hasta entrar en la región amarilla, momento en el cual los materiales aislan adecuadamente de la vibración.

Por lo tanto la resonancia transforma una vibración de poca amplitud y mucha frecuencia, molesta pero aceptable, en otra de menos frecuencia pero mucha más amplitud, es decir, mucho más molesta y, llegado un determinado límite estructural, destructiva.

En general debemos evitar a toda costa encontrarnos con las frecuencias de resonancia, bien cambiando de materiales o formas, bien variando la propia frecuencia de origen.

A título demostrativo, la resonancia en elementos aerodinámicos se denomina flutter. En este vídeo se aprecia claramente:

Personalmente lo he sufrido muchísimas veces. En este otro vídeo vemos como las vibraciones del multicóptero inducen otra vibración, de mucha más amplitud en el gimbal. Se puede ver claramente en los movimientos del anillo de ferrita, que baila con movimientos mucho más amplios que el resto y a una frecuencia lógicamente menor.

*** vídeo resonancia anillo de ferrita

Este otro vídeo vemos como en determinadas attitude del multi, el gimbal amplifica descomunalmente las vibraciones de origen:

*** video resonancia gimbal

Si la amplificación por resonancia es suficientemente grande, genera un vaivén que termina por doblar las estructuras del elemento hasta partirlas. Hay conocidos ejemplos en arquitectura, cristales que se rompen ante una vibración sonora o puentes que se hunden ante el azote de un viento moderado pero constante.

En este otro gráfico (enlace) se analiza la resonancia de dos materiales, silicona y goma. Vemos que en el primero (más blando) las frecuencias de resonancia saltan muy pronto, mientras que en el segundo (más rígido) saltan más tarde pero a la larga amortiguan bastante menos.

Frecuencias de resonancia de distintos materiales para los amortiguadores

Es decir, que del material elegido dependerá la frecuencia o frecuencias a las que vibre nuestro elemento aislado. De hecho vibrará de manera distinta en unas maniobras o en otras, en distintas attitude, con viento o él, con más o menos carga, con unas u otras hélices, etc.

Parece que la silicona es un buen material a la larga, pero siempre que no coincida con unas frecuencias en origen que lo lleven a la resonancia.

El problema por lo tanto es complejo y no queda otro remedio que seguir un protocolo de prueba y error muy lento y que puede desesperar, pero que inexorablemente pasa por el:

Procedimiento para evitar las vibraciones en nuestro multicóptero

  1. Equilibrar hélices, motores y tuercas de sujeción: minimizar las vibraciones de origen. Todo debe ser físicamente simétrico para que al entrar en altas revoluciones una parte no pese más que la otra. Es lo que en el taller de nuestro coche hacen con el equilibrado de ruedas.
  2. Vigilar que no haya un tornillo suelto o mal apretado. A veces es tan sencillo como tener una pieza del gimbal o de la estructura mal fijada. Esto puede ocurrir en cualquier parte del multicóptero. Especialmente puñeteros son los sistemas de plegado de brazos que no acaban de quedar sin ninguna holgura al extenderse.
  3. Probar ausencia de vibraciones en hover y en stabilize. No usar modos automáticos. Hacerlo en un día sin viento ni fuerzas externas. Si no aparecen vibraciones, la planta motriz está correctamente equilibrada y las vibraciones existen, pero serán despreciables.
    Llegados aquí, si observamos vibraciones es muy probable que lleguen a nuestra cámara, gimbal o controladora de vuelo, a través de una resonancia del elemento que las soporta y de sus propios sistemas anti-vibración, que las ralentizan y las amplifican, generando vibraciones de menos frecuencia pero de más amplitud.
  4. Cambiar las frecuencias de origen: modificar la planta motriz. Admitamos ya el hecho de que eliminarlas es casi imposible a un nivel casero y con estos conocimientos básicos. Bajas frecuencias en determinados materiales disparan la resonancia. Si las aumentamos convenientemente nos saltamos el punto crítico de esa resonancia. Por mi experiencia personal siempre he preferido vibraciones en origen de alta frecuencia, las típicas que producen jello en la imagen. Son más domesticables.
  5. Probar distintos materiales para esquivar la resonancia. Más blandos o más rígidos. Con más cámara de aire. La cuestión es encontrar el material adecuado para nuestro multi.
  6. Probar distintas estructuras antivibración: aislar y absorber. También tienen distintas frecuencias de resonancia y, además, podemos aprovechar y generar estructuras que además de aislar, absorban la vibración.