A.2 Natuurkundeles: veren en momenten

Om de werking van veren te begrijpen is het goed om de natuurkundelessen van vroeger even terug te halen. Hoe zat het ook al weer?

A.2.1 Momenten

M = F  x r

Moment is gelijk aan kracht x arm

Als je een staaf hebt met een draaipunt op 1/3e van de rechterzijkant zoals hierboven, dan deel je het op in een stuk met lengte A en lengte 2A. Als je dat korte stuk omlaag drukt met kracht F, dan wordt het andere eind omhoog gedruk met de halve kracht. Omdat kracht x arm = F * A = F/2 * 2*A.

Wat betekent dat voor de saxofoon?

• Bij kleppen met lange armen goed letten op behoud van de juiste veerkracht. 
  
• Bijvoorbeeld de hoge F-klep, soms de Bes klep, maar vooral de C-klep op oudere saxofoons.
• Als bij dergelijke kleppen het toongat moet worden dichtgeduwd door een naald- of bladveer, dan verliest de veer veel kracht door die verhouding in momenten. 

Bij de F-klep is de verhouding tussen de arm met de veer en de arm met de klep bijvoorbeeld 1:3. Dus dan blijft van de kracht van de bladveer maar 1/3e over. Soms nog wel minder.

Bijvoorbeeld de C-klep. Die is normaal geopend en wordt open gehouden door een naaldveer. De as door de post en de klep, dat is het draaipunt en het centrale punt voor de bepaling van de momenten. Nu heeft de naaldveer een korte arm; naar schatting 7 mm.  En bij deze heb je afhankelijk van het type sax snel 50mm arm tot het tipje van het toongat. Dat betekent dus dat van de kracht van de naaldveer maar 7/50 over. Als de kracht te klein is gaat de klep te traag open.

Het betekent dus dat je alle aandacht moet geven aan voldoende kracht op de naaldveer.

A.2.2 Vervorming van metaal

Veren zijn van staal, of roestvrij staal en soms van brons. Van staal zijn er rekdiagrammen gemaakt waarin is weergegeven hoe goed het materiaal bestand is tegen vervorming. Het is wel goed die te begrijpen. Want het is bepalend voor wat er gebeurt als je een veer aanpast om bijvoorbeeld de respons van een klep aan te passen.

De grafiek geeft de verandering, de rek aan als functie van de spanning of kracht.
* in het eerste deel is de relatie lineair. Dat betekent dat hoe groter je de veer doorbuigt des te groter wordt de kracht op de veer. De veer vervormd nog niet blijvend. Als je de kracht weghaalt komt de veer in de oorspronkelijke positie terug.
* als je voorbij de top in de grafiek buigt, dan vervormd met materiaal blijvend. Dat doe je bijvoorbeeld om een veer van vormt te veranderen. De mate waarin dat kan is wel beperkt. De grafieken houden aan de rechterkant op. Bij te grote vervorming breekt het materiaal.

* Voor een sterke veer wil je een steile diagram. Er is dan veel kracht nodig voor weinig verandering. In de grafiek is te zien dat koper weinig veerkracht heeft maar wel erg goed tegen vervorming bestand is.

* in olie gehard staal en veredeld staal (rvs) hebben de steilste grafieken en zijn dus het beste geschikt voor een stevige veer.

A2.2.1 Veerkracht evenredig met doorsnede

De wetenschappelijke term die bepalend is voor de verhouding tussen kracht op een veer en de doorbuiging is de E = Elasticiteitsmodulus [N/mm² of MPa].

In de tabel hiernaast wat getallen van metalen: 

Wat belangrijk is om te weten:

• de oppervlak van de doorsnede is bepalend
  • Hoe dikker hoe sterker. Een naaldveer die 10% dikker is heeft 1,1*1,1 => 20% grotere doorsnede dus sterkere veerkracht. Dus kies niet snel een te dunne veer.
  • Materiaal met de hoogste elasticiteitsmodulus is het beste. Dus gehard staal (blauw staal) is het beste.

A2.2.2 Oxidatie

Oxidatie van veren kan zorgen voor extra wrijving of afbreken. Roestvrij staal is dan een goede optie. Maar blauwstalen veren zijn eigenlijk interessanter omdat die net even sterker zijn. 

Het blauw worden van het staal ontstaat in de gloeioven, waar waterdamp van ongeveer 400 °C wordt ingebracht. Dat zorgt voor een oppervlakte-oxidatie van de plaat. Een fijne blauwgrijze ijzeroxide laag bedekt het oppervlak van het staal. Deze oxidelaag vormt een bescherming tegen roest, maar maakt het metaal niet roestvrij. Daarom kun je blauwstaal het beste invetten met olie, dat is ook nog eens beter voor de beweging van de veer. De blauwe laag is poreus en absorbeert olie.