➿ Calculadora de Mola Helicoidal

Uma mola helicoidal armazena energia torcendo o próprio fio. A taxa da mola — quantos newtons são necessários para comprimi-la um milímetro — é definida por quatro parâmetros: diâmetro do fio, diâmetro médio das espiras, número de espiras ativas e módulo de cisalhamento do material. A calculadora de mola helicoidal aplica a fórmula clássica de projeto k = G·d⁴ / (8·D³·N), onde G é o módulo de cisalhamento, d o diâmetro do fio, D o diâmetro médio da espira e N o número de espiras ativas.

A fórmula é famosa pela sensibilidade: o diâmetro do fio entra na quarta potência, então um fio 10% mais grosso deixa a mola 46% mais rígida. O diâmetro das espiras entra ao cubo, e espalhar as espiras 10% deixa a mola cerca de 25% mais macia. É por isso que uma pequena mudança de projeto tem efeito desproporcional — e por isso quem projeta mola calcula antes de enrolar. Para uma carga F, a deflexão é δ = F / k e a tensão no fio pode ser estimada com a correção de Wahl, que considera a curvatura e o cisalhamento direto que uma fórmula simples de torção ignora. Para conferir a energia armazenada e o comportamento elástico, veja a calculadora de energia potencial de mola e a lei de Hooke.

A tensão de cisalhamento numa mola carregada é máxima na superfície interna da espira, onde a curvatura a concentra. A tensão de torção simples τ = 8FD/(πd³) subestima a tensão real, então os projetistas multiplicam pelo fator de Wahl Kₔ = (4C − 1)/(4C − 4) + 0,615/C, onde C = D/d é o índice da mola. Molas com índice pequeno (espiras apertadas em relação ao fio) têm fator de Wahl alto e falham antes do que a fórmula básica prevê.

Uma métrica derivada útil é a carga máxima segura: divida a tensão de cisalhamento admissível pela tensão corrigida por Wahl por unidade de carga para achar a carga em que a mola atinge o limite de projeto. Fio musical e aço cromo-silício são os materiais clássicos de mola; suas tensões admissíveis dependem do diâmetro do fio e de a carga ser estática ou de fadiga, então confirme sempre na tabela do fornecedor do fio. O resultado sai em newtons por milímetro, pronto para comparar com a especificação do projeto.

1. Escolha o material da mola para definir o módulo de cisalhamento e a tensão admissível.
2. Informe o diâmetro do fio d e o diâmetro médio da espira D (ou calcule D a partir do diâmetro externo e do fio).
3. Informe o número de espiras ativas N.
4. Informe a carga aplicada F, ou resolva a carga para uma deflexão alvo.
5. Clique em Calcular para obter taxa, deflexão, tensão e fator de Wahl.

Por que o diâmetro do fio entra na quarta potência?

A fórmula da taxa k = Gd⁴/8D³N vem da torção do fio: o momento polar de inércia do fio escala com d⁴. É por isso que um pequeno aumento no fio produz um salto enorme de rigidez — um fio 10% mais grosso fica cerca de 46% mais rígido.

Qual é a diferença entre espiras ativas e espiras totais?

Espiras ativas são as que realmente flexionam quando a mola é carregada. Molas de compressão costumam ter as extremidades fechadas e esmerilhadas, então as espiras das pontas ficam assentadas e contribuem pouco; subtraia 2 do total de espiras numa mola de extremidade fechada para obter N.

Qual é um bom índice de mola?

Um índice C = D/d entre 4 e 12 é o ponto ideal de projeto. Abaixo de 4, as espiras ficam apertadas demais para enrolar com segurança e o fator de Wahl empurra a tensão para cima; acima de 12, a mola fica lateralmente instável e tende a flambar sob compressão.

Como saber a tensão admissível do meu fio de mola?

O fornecedor do fio publica tabelas de tensão de cisalhamento admissível por diâmetro e tipo de carga. Para fio musical (ASTM A228) de 2 mm, a tensão estática fica em torno de 700 a 800 MPa, mas para 10 milhões de ciclos cai para cerca de 350 a 400 MPa. Use sempre o valor de fadiga em molas cicladas.

O que é a eliminação do assentamento e por que é feita?

Os fabricantes comprimem molas novas até a altura sólida algumas vezes para remover a tensão residual e eliminar o assentamento inicial. Uma mola que não passou por esse processo afunda na primeira carga, reduzindo permanentemente o comprimento livre e alterando a taxa.

A calculadora atende molas de tração ou de torção?

A fórmula da taxa é a mesma para molas de tração com espiras ativas. Molas de torção usam uma equação diferente, baseada na flexão do fio em vez da torção. Esta ferramenta foca em molas de compressão e tração com carga axial.

O índice da mola entre 4 e 12 é a faixa prática — abaixo de 4 o fio é grosso demais em relação à espira e difícil de enrolar; acima de 12 a mola fica bamba e flamba sob carga. Conte as espiras ativas direito: numa mola de compressão com extremidades fechadas, subtraia 2 do total de espiras. Molas sob carga repetida devem ser projetadas pela resistência à fadiga, não pela estática — a tensão admissível cai muito com mais ciclos. Deixe sempre um curso livre; uma mola comprimida até a altura sólida ganha deformação permanente que muda a taxa.