Movimiento oscilatorio

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¿Con que relacionarías este concepto? Podría ser con un péndulo que va de aquí hacia allá, es decir, oscila. Pero también podría ser con un celular que vibra, que se mueve enérgicamente.

Lo primero que tenemos que saber es que movimiento, oscilación y vibración no son sinónimos. Toda vibración es una oscilación y toda oscilación es un movimiento. Sin embargo, un movimiento no es una oscilación y una oscilación no es una vibración. Para entenderlo mejor, podemos advertir que un auto se mueve pero no oscila y un péndulo oscila pero no vibra.

En física se define movimiento oscilatorio como “movimiento repetitivo de un cuerpo que recorre el mismo camino a la ida y la vuelta”.

Vibración se define como “oscilación (movimiento repetitivo de vaivén) respecto a una posición de equilibrio.

Tanto las oscilaciones como las vibraciones se prolongan en el tiempo mediante un proceso de conversión entre distintos tipos de energía. Como podemos ver, la diferencia entre ambos conceptos se encuentra en la energía. Así, en el péndulo los tipos de energía que intervienen son la energía cinética y la energía potencial gravitatoria; en tanto, para hablar de vibración de un sistema mecánico es necesario que aparezca un tipo de energía especial: la energía de deformación o la energía potencial elástica.

Un cuerpo que se encuentra oscilando inicia su movimiento en una posición específica y, luego de un tiempo, retorna al punto de inicio completando un ciclo. Pensemos en un péndulo: completa el ciclo cuando llega al punto extremo del cual comenzó.

ELEMENTOS

Veamos cuáles son los elementos que podemos distinguir en un movimiento oscilatorio:

Amplitud (A): es el desplazamiento máximo que realiza el cuerpo desde la posición de equilibrio.

Periodo (T): es el tiempo que tarda un ciclo y siempre es positivo. Se expresa en segundos o en segundos por ciclo.

Frecuencia (f): es el número de ciclos en la unidad de tiempo y siempre es positiva. Se expresa en Hertz: 1hertz = 1Hz = 1ciclo/s = 1s-1

La Frecuencia Angular (ω): Es dos veces la frecuencia (2πf). Donde la letra griega p es la conocida por todos con el valor 3,14159…rad. Representa la rapidez de cambio de una cantidad angular que siempre se mide en radianes, de modo que sus unidades son rad/seg. Dado que f está en ciclos/seg., podemos considerar que el número 2 tiene unidades de rad/ciclo.

El periodo y la frecuencia de un péndulo simple dependen solo de la longitud de la cuerda y la aceleración de gravedad, y son independientes de la masa m del péndulo. Esto significa que todos los péndulos simples de igual longitud en el mismo lugar, oscilarán con el mismo periodo.

CLASES DE MOVIMIENTOS OSCILATORIOS

Movimiento Armónico Simple (MAS)

El movimiento que realizan los caballos del carrusel hacia arriba y hacia abajo es un movimiento armónico simple.

Es un movimiento periódico de vaivén, en el que un cuerpo oscila de un lado al otro de su posición de equilibrio, en una dirección determinada, y en intervalos iguales de tiempo.

Por ejemplo, es el caso de un caballo de carrusel que oscila de arriba hacia abajo, es decir en una dirección determinada. También lo hace en intervalos iguales de tiempo.

Otro ejemplo sería el movimiento de un cuerpo colgado de un muelle oscilando arriba y abajo. El objeto oscila alrededor de la posición de equilibrio cuando se le separa de ella y se le deja en libertad.

¿Por qué es importante estudiar el MAS?

Resulta un tema esencial en el ámbito de la Física porque son muchos los fenómenos físicos que están relacionados con este tipo de movimiento. Permite estudiar ciertos comportamientos de la Naturaleza y otros creados por el hombre.

Oscilaciones amortiguadas o retardadas

Para entender cómo son este tipo de oscilaciones hay que saber lo que es la fricción o el rozamiento. Para esto pensemos en una ruleta que gira sin parar y nosotros queremos detenerla para por fin saber qué número sale. Probablemente atines a posar tu dedo sobre la superficie de la ruleta. ¿Qué ocurre? Al rozarlo se genera fricción, una fuerza externa hace que se vaya deteniendo. Bien, ahora imaginemos que del mismo modo intentamos detener a un péndulo o a la cuerda de la guitarra. Esto sería oscilación amortiguada. En resumen, para el caso de un oscilador amortiguado, la energía disminuye en el tiempo por efecto de la fuerza disipativa.

Oscilaciones forzadas

Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante (llamada generador G) sobre un sistema oscilador (llamado resonador R). En esos casos puede hacerse que el sistema oscile en la frecuencia del generador (g), y no en su frecuencia natural (r). Es decir, la frecuencia de oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica. Esto es lo que sucede por ejemplo en la guitarra, cuando encontramos que hay cuerdas que no pulsamos pero que vibran "por simpatía".

Debe tenerse en cuenta que no siempre que se aplica una fuerza periódica sobre un sistema se produce una oscilación forzada. La generación de una oscilación forzada dependerá de las características de amortiguación del sistema generador y de las del resonador, en particular su relación.

Resonancia

Es un fenómeno que se puede observar cuando un cuerpo con capacidad para vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo período de vibración se asemeja al período de vibración característico de dicho cuerpo. En este marco, una fuerza pequeña aplicada en forma repetida, provoca que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande. Un ejemplo de resonancia sería cuando un adulto está hamacando a un niño en una hamaca: la fuerza y la frecuencia con la que se empuja al niño está en resonancia con la frecuencia de la hamaca.

Como podemos observar el cuerpo vibra aumentando, progresivamente, la amplitud del movimiento a medida que recibe las actuaciones sucesivas de la fuerza. Si se lograse que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema, se daría lugar a una oscilación con una amplitud indeterminada. Sobre algunos materiales rígidos, este efecto puede ser destructivo; pensemos en la copa que se rompe cuando un soprano alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia del mismo.

¿Sabías que por este motivo no se les permite a las tropas que van marcando el paso atravesar un puente dado que pueden entrar en resonancia y derrumbarse?

Un puente se puede derribar si el viento le proporciona una frecuencia de vibración similar a la de su resonancia.