Wat is kritieke snelheid?
Men zegt dat een object een kritische snelheid bereikt wanneer de rotatiesnelheid overeenkomt met een van zijn natuurlijke frequenties. Kritische snelheid wordt bestudeerd in een tak van de fysica bekend als rotordynamica, die zich bezighoudt met rotatie, of hoekige beweging. Een roterend object, zoals een propeller of een centrifugaalpomp, moet vaak een of meer van zijn kritieke snelheden passeren terwijl het versnelt of vertraagt. Terwijl ze op kritische snelheid werken, trillen deze objecten met een hoge amplitude, wat schade kan veroorzaken.
Alle objecten die zijn samengesteld uit een elastisch materiaal hebben een of meer natuurlijke frequenties. De natuurlijke frequentie van een object is het aantal keren dat het heen en weer beweegt als het eenmaal in beweging is gezet. Wanneer een object op een van zijn natuurlijke frequenties trilt, wordt gezegd dat het resonantie heeft, of een grote trillingsamplitude. In een muziekinstrument is deze resonantie bijvoorbeeld wenselijk omdat het een natuurlijke versterking van het geluid van het instrument veroorzaakt. In rotordynamica is deze resonantie echter ongewenst omdat het de betrokken mechanische delen sterk laat trillen, wat het systeem kan beschadigen.
Er zijn een aantal stimuli die resonantie kunnen veroorzaken, waaronder rotatiebeweging. Wanneer de rotatiebeweging van een object, ook wel hoeksnelheid genoemd, resonantie veroorzaakt, is dit op kritieke snelheid. Roterende mechanische objecten moeten ontworpen zijn om snel door deze kritische snelheden te gaan, zodat de versterkte trillingen die bij deze snelheid optreden geen schade tot gevolg hebben.
Een centrifugaalpomp of een propeller beweegt door verschillende hoeksnelheden terwijl deze versnelt of vertraagt. Hoewel een bewegend systeem zoals dit van nature wat trilling zal hebben, moet de versterkte trilling met de kritische snelheid worden vermeden of er snel doorheen worden gehaald als het systeem het na verloop van tijd wil volhouden. Rotordynamics houdt zich dus sterk bezig met het oplossen van de verschillende kritische snelheden die de levensduur van een roterende machine kunnen beïnvloeden.
De laagste rotatiefrequentie die ervoor zorgt dat een object op een van zijn natuurlijke frequenties trilt, staat bekend als de eerste kritische snelheid. Een object kan een oneindig aantal kritieke snelheden hebben, maar de belangrijkste kritieke snelheid voor ingenieurs om te overwegen is de eerste. Sommige roterende objecten zijn ontworpen om onder hun eerste kritische snelheid te werken, maar veel roteren boven deze snelheid. Zolang de rotatiesnelheid snel door de kritieke snelheid gaat, zou dit geen significant effect op de levensduur van de roterende machine moeten hebben. Er kunnen echter problemen optreden als een object is ontworpen om met zijn kritieke snelheid te roteren, omdat de resulterende trillingen ertoe kunnen leiden dat de machine breekt.