Si dice che un oggetto raggiunge la velocità critica quando la velocità della sua rotazione corrisponde a una delle sue frequenze naturali. Questo tipo di velocità è studiato in una branca della fisica nota come rotordinamica, che si occupa del movimento rotatorio o angolare. Un oggetto rotante, come un’elica o una pompa centrifuga, deve spesso passare attraverso una o più delle sue velocità critiche mentre accelera o decelera. Durante il funzionamento a velocità critica, questi oggetti vibrano a un’ampiezza elevata, che può causare danni.
Tutti gli oggetti che sono composti da un materiale elastico hanno una o più frequenze naturali. La frequenza naturale di un oggetto è il numero di volte in cui si muoverà avanti e indietro una volta che è stato messo in movimento. Quando un oggetto vibra a una delle sue frequenze naturali, si dice che abbia risonanza o una grande ampiezza vibrazionale. In uno strumento musicale, ad esempio, questa risonanza è desiderabile perché provoca un’amplificazione naturale del suono dello strumento. In rotordinamica, invece, questa risonanza è indesiderabile perché fa vibrare fortemente i pezzi meccanici coinvolti, il che può danneggiare il sistema.
Esistono numerosi stimoli che possono causare risonanza, uno dei quali è il movimento rotatorio. Quando il movimento di rotazione di un oggetto, chiamato anche velocità angolare, provoca risonanza, è alla velocità critica. Gli oggetti meccanici rotanti devono essere progettati per passare rapidamente attraverso queste velocità in modo che la vibrazione amplificata che si verifica a questa velocità non provochi danni.
Una pompa centrifuga o un’elica si muoveranno attraverso diverse velocità angolari mentre accelera o decelera. Mentre un sistema in movimento come questo avrà naturalmente delle vibrazioni, la vibrazione amplificata alla velocità critica deve essere evitata o attraversata rapidamente se il sistema deve resistere nel tempo. La rotordinamica è quindi molto interessata alla risoluzione delle varie velocità critiche che possono influenzare la vita di una macchina rotante.
La frequenza di rotazione più bassa che fa vibrare un oggetto a una delle sue frequenze naturali è nota come prima velocità critica. Un oggetto può avere un numero infinito di velocità critiche, ma la più importante da considerare per gli ingegneri è la prima. Alcuni oggetti rotanti sono progettati per funzionare al di sotto della loro prima velocità critica, ma molti ruotano al di sopra di questa velocità. Finché la velocità di rotazione passa rapidamente attraverso la velocità critica, ciò non dovrebbe avere un effetto significativo sulla vita della macchina rotante. Tuttavia, possono verificarsi problemi se un oggetto è progettato per ruotare alla sua velocità critica, poiché le vibrazioni risultanti potrebbero causare la rottura della macchina.