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La Física Central de la Tensión y la Fuerza en el Tiro de la Visión
El cableado es una operación crítica en la construcción eléctrica, la fabricación industrial y la infraestructura de telecomunicaciones. Cada vez que un conductor se tira por conducto o cable se rosca por conducto subterráneo, los principios de tensión y fuerza determinan si la instalación tiene éxito o falla. La mala técnica resulta en alambre dañado, aislamiento comprometido o lesión a los trabajadores. Este artículo examina la física detrás de la tensión y la fuerza durante el cableado, dando a los ingenieros, electricistas y gerentes de seguridad de proyectos
La tensión es la fuerza axial interna que se desarrolla a lo largo de un alambre cuando se somete a una carga de tirado. Actúa uniformemente a través de la sección transversal del conductor y estira el material elásticamente hasta que se alcance el punto de rendimiento. Exceder el punto de rendimiento causa la deformación permanente; aumentos adicionales conducen al escote y eventual ruptura. [FLT[2]
En el cable estático o cuasi estático que tira de los puntos de aceleración, la fuerza aplicada neta equivale a la suma de todas las fuerzas resistivas. La primera ley de Newton establece que un objeto en reposo se mantiene en reposo a menos que sea actuado por una fuerza desequilibrada. Por lo tanto, la fuerza de tirado debe superar la resistencia combinada de la fricción, los componentes gravitacionales en las pistas, y doblar la resistencia a la empuje.
Principios físicos fundamentales que rigen el tirón de alambre
Segunda Ley de Newton y aceleración de la alambre
Aunque las tiradas de alambre se realizan normalmente a baja velocidad, se aplica la relación básica F = m·a. La fuerza de extracción debe superar tanto las cargas resistivas como cualquier aceleración de la masa de alambre. En la práctica, la aceleración es pequeña, por lo que el término dominante es la fuerza resistiva. Sin embargo, durante la puesta en marcha del reposo, la fricción estática es más alta que la fricción de la fricción de la kinetic
Límites de estrés y estrado
La tensión crea fuerza, definida como fuerza por unidad área transversal (σ = F/A). Cada alambre tiene un estrés máximo permitido de la tensión de la tensión, a menudo especificado como porcentaje de su fuerza de la tensión máxima. Para conductores de cobre, las tensiones de extracción típicas van desde 40% hasta 60% de la fuerza de ruptura, con valores de terminación de aluminio descritos por su menor ductilidad y mayor
Efecto del capstán: Amplificación de tensión en Bends
El cable se desplaza alrededor de una curva, la tensión en el lado saliente es mayor que en el lado entrante. Esta relación exponencial es dada por la ecuación de curvas: T2 = T1 · e^(μ·θ), donde μ es el coeficiente de fricción y θ es el ángulo de curva total en radianos. Por ejemplo, una curva de 90° (π/2 radians) con μ = 0.3 multiplica tensión por aproximadamente 1,6 efecto dr
La fricción y su papel en la resistencia al tirón de alambre
La fricción es la fuerza resistiva principal durante una tirada de alambre. Se deriva del contacto entre la chaqueta de alambre y la superficie interior del conducto. La fuerza friccional F f = μ · N, donde la fuerza normal presiona el alambre contra la pared del conducto. La fuerza normal viene del peso del alambre debido a la gravedad y de las fuerzas laterales cuando el alambre se ve obligado contra curvas o contra los offsets.
Coeficiente de valores de fricción
El coeficiente μ depende de los materiales en contacto. Los valores típicos para las condiciones secas incluyen:
- Traje de PVC con cable de PVC: μ Ω 0.4–0.6
- Traje de acero con chaqueta de PVC: μ Ω 0,35–0,55
- Traje de aluminio con chaqueta de PVC: μ Ω 0,3-0,5
- Superficies lubricadas: μ puede caer a 0.05–0.15
Efectos de gravedad en las carreras inclinadas y verticales
En los conductos inclinados, el componente del peso del alambre paralelo a la pendiente se añade o se resta de la fuerza de extracción requerida. Para una carrera horizontal, el peso sólo contribuye a la fuerza normal. Para una carrera vertical o inclinada, la fuerza de extracción debe superar mg·sin(θ) además de la fricción. En un subida vertical, el peso completo del cable se cuelga del punto de presión de la tirada, que puede añadir 100 libras
Impacto de las cuencas y la geometría del conducto
Las curvas de conducto introducen contacto friccional adicional y la redirección de fuerza. La física en cada curva implica tanto fricción como el efecto capstán. El alambre debe ser tirado a través de un camino curvado donde presiona contra la pared interior de la curva. La fuerza normal aumenta con la tensión misma, creando un circuito de retroalimentación: la tensión superior conduce a una fuerza normal superior, que aumenta la fricción, que aumenta la tensión más.
Presión lateral y radio de Bend
La presión de la pared lateral (SWP) en el alambre en una curva es dada por SWP = T / R, donde la tensión en la curva y R es el radio de curvatura. La presión de la pared lateral alta puede aplastar el aislamiento o deformar el conductor. Muchos fabricantes de cables especifican un máximo SWP, típicamente alrededor de 150-300 lbs por pulgada de radio de curvas.
Múltiples beneficios y la colocación de caja de tirada
Para evitar una acumulación excesiva de tensión, los códigos de construcción requieren cajas de tiradas o puntos de tirado después de cada acumulado 360 grados de curvas. En largas carreras, puntos de tirado intermedio permiten que la tensión se reajuste a cero en cada caja. Calcular tensión para una carrera multi-bend requiere descomposición metódicamente: empezar desde el extremo lejano donde el alambre sale de la bobina, y añadir aumentos de tensión en cada curvación.
Cálculos prácticos de tensión y fuerza
Para una sección horizontal recta, la contribución de la tensión de la fricción es T = μ · w · L, donde w es el peso por unidad de longitud del alambre y L es la longitud. Para múltiples conductores, w es el peso total. Para secciones verticales o inclinadas, añadir w·L·sin(θ). En una curva, multiplicar la tensión entrante por e^(μ·θ) para la tensión de salida total.
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Para un análisis más preciso, los ingenieros utilizan métodos de la Guía IEEE para seleccionar e instalar cables de potencia (IEEE 576)] o software que explica la rigidez del cable, la interferencia en tiradas de múltiples conductores y efectos dinámicos durante la aceleración.
Herramientas y técnicas para gestionar la tensión
Equipo mecánico de extracción
Los puntos de contacto son las principales herramientas para la extracción de alambre. Para los conductores grandes, un ]pull-in grip como una cesta de tejido o el agarre Kellems distribuye fuerza a lo largo de la chaqueta, evitando la carga de puntos que podría reducirse a través de la insulación.
Sistemas de lubricación y selección
Aplicar el lubricante adecuado es tan importante como la fuerza de control. Para largas carreras, los inyectores automáticos de lubricantes en el extremo de alimentación o aplicación manual periódica reducen continuamente la fricción. Los lubricantes basados en agua son comunes pero pueden secarse en condiciones calientes o tiradas largas, dejando un residuo pegajoso. Lubricantes de silicona o poliéster duran más tiempo, pero pueden afectar ciertos materiales de lubricantes de lubricantes.
Técnica de Tiro y Mejores Prácticas
Mantener una velocidad de tirada estable y lenta, típicamente 5-10 pies/min para cables grandes. Jerky o rápido comienza a crear fuerzas de impacto que enfatizan el alambre y pueden causar la empuñadura de tirada para deslizar o dañar la chaqueta. Usar un ojo de tirante que gira para evitar torcer los conductores, que puede crear tensiones internas y reducir la flexibilidad.
Consideraciones de seguridad e integridad racional
La seguridad durante la extracción de alambre implica tanto factores humanos como límites materiales. Los peligros mecánicos incluyen las rupturas de la cuerda bajo tensión, que crean un riesgo de látigo que puede causar lesiones graves, así como los puntos de empuje y pinchazo en los winches y capstans. El equipo protector personal adecuado incluye guantes para proteger contra la abrasión y los cortes, protección de ojos contra los escombros voladores si una cuerdas.
Desde un punto de vista material, superando la tensión de cable máximo de tirada puede causar elongación permanente. Una elongación del 10% puede reducir la zona transversal de un conductor de cobre en aproximadamente un 10%, aumentando la resistencia y reduciendo la capacidad de carga actual. Esto puede llevar a sobrecalentamiento en las interrupciones y fallas prematuras.
Después de tirar, realizar pruebas de continuidad y pruebas de resistencia al aislamiento utilizando un megger para verificar que no se produjo ningún daño durante el tirón. Una reducción significativa de la resistencia al aislamiento en comparación con la base del fabricante indica posibles daños en la chaqueta. Documentar el registro de tirado, incluyendo lecturas de tensión máxima, lubricante usado, y cualquier anomalía observada, como parte del proceso de garantía de calidad para la instalación.
Conclusión
La física de tensión y fuerza durante la extracción de alambre afecta directamente el éxito, el costo y la seguridad del proyecto. Al entender la fricción, el efecto capstán, la geometría de curvas y los límites mecánicos de conductores, los profesionales pueden planificar tiras que minimizan el riesgo y maximizan la eficiencia. Aplicando las herramientas correctas, lubricantes y técnicas basadas en estos principios asegura que el alambre llegue a su destino sin daños y listos para la terminación.