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Movimientos oscilatorios

¿Con qué 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.

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

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.

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 π 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/s. Dado que f está en ciclos/s, podemos considerar que el número 2π tiene unidades de rad/ciclo.

CLASES DE MOVIMIENTOS OSCILATORIOS

Movimiento Armónico Simple (MAS)
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.

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

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.

Acústica y sonido: cualidades del sonido

El término “sonido” tiene un doble sentido: por un lado se emplea en sentido subjetivo para designar la sensación que experimenta un observador cuando las terminaciones de su nervio auditivo reciben un estímulo, pero también se emplea en sentido objetivo para describir las ondas producidas por compresión del aire que pueden estimular el nervio auditivo de un observador.

La acústica es la parte de la física y de la técnica que estudia el sonido en toda la amplitud y se ocupa de su producción y propagación, de su registro y reproducción, de la naturaleza del proceso de audición, de los instrumentos y aparatos para la medida, y del proyecto de salas de audición que reúnan cualidades idóneas para una perfecta audición. Como rama de la física, la acústica culminó su desarrollo en el siglo XIX, gracias sobre todo a los trabajos de Hermann von Helmholtz y de lord Rayleigh, y sus bases teóricas han permanecido prácticamente incambiadas desde finales de ese siglo. Sin embargo, desde el punto de vista técnico, a lo largo del siglo XX los progresos de la acústica han sido constantes, especialmente por lo que se refiere a sistemas para el registro y la reproducción del sonido.

El sonido es la difusión de ondas mecánicas que estimulan el oido.

El sonido se produce por la vibración de los cuerpos, la cual se transmite al aire que los rodea y, a través de éste, llega hasta nuestros oídos.

Dos experimentos muy sencillos permitirán confirmar estas aseveraciones.

1) Se disponen dos panderetas, próximas una frente a otra. De una de ellas se suspende un pequeño péndulo. Al golpear la otra, el péndulo comienza a vibrar.

2) Dentro de una campana en la que se ha hecho el vacío, se coloca un despertador: cuando se dispare la alarma no se oirá ningún sonido.

El experimento 1) demuestra que el sonido se produce por la vibración de un cuerpo, mientras que el experimento 2) demuestra que para que el sonido se transmita debe existir un medio elástico a través del cual se puedan propagar las vibraciones que lo originaron. Ese medio elástico es normalmente el aire, pero puede ser cualquier otro gas, un líquido o un sólido.

Cuando una onda sonora llega al tímpano del oído, éste entra en vibración y su vibración se transmite a los huesecillos que se apoyan suavemente sobre él. Es una situación del todo similar a la del experimento con dos panderetas dispuestas una frente a otra que habíamos propuesto.

Los instrumentos musicales ilustran perfectamente la variedad de cuerpos cuya vibración puede dar origen a un sonido. Esencialmente, en los instrumentos de viento, lo que vibra es la columna de aire contenida en el instrumento; en los instrumentos de cuerda, lo que vibra son las cuerdas del instrumento; y en los instrumentos de percusión lo que vibra es un diafragma o bien un objeto metálico (unos platillos, por ejemplo).

Cualidades del sonido

Las cualidades que caracterizan el sonido son su intensidad, su altura o tono y su timbre.

La intensidad de un sonido viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio. Subjetivamente, la intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. Cuando elevamos el volumen de la cadena de música o del televisor, lo que hacemos es aumentar la intensidad del sonido.

Los decibeles son las unidades con las que se mide la intensidad acústica.

El tono o altura de un sonido depende de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. Esto puede comprobarse, por ejemplo, comparando el sonido obtenido al acercar un trozo de cartulina a una sierra de disco: cuanto mayor sea la velocidad de rotación del disco más alto será el sonido producido.

El tono del sonido depende del número de oscilaciones de la onda por segundo.

El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Podemos así distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o por un violín. Esto se debe a que todo sonido musical es un sonido complejo que puede ser considerado como una superposición de sonidos simples. De esos sonidos simples, el sonido fundamental de frecuencia es el de mayor intensidad y va acompañado de otros sonidos de intensidad menor y de frecuencia 2, 3, 4, etc. Los sonidos que acompañan al fundamental constituyen sus armónicos y de sus intensidades relativas depende el timbre. Sin embargo, muchos instrumentos, tales como el piano, el arpa, etc., no emiten un único sonido musical que quepa considerar como una superposición de sonidos simples armónicos, sino que emiten un sonido constituido por superposición de sonidos parciales.

Para estudiar la altura del sonido se emplea el diapasón, barra metálica en forma de U que al vibrar produce un tono cuya altura depende de la longitud de los brazos y de la anchura, y es independiente del espesor. Si en el extremo de un brazo del diapasón se fija una aguja de escritura que se apoye sobre un papel, al acercar una fuente de sonido al otro brazo del diapasón, éste entra en vibración y la aguja registra sobre el papel la vibración.

Armónico

Recibe este nombre el sonido cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de otro, denominado éste generador o fundamental, la emisión de los cuales se produce simultáneamente, si bien el oído humano es capaz de percibir con claridad el sonido generador o fundamental mientras que los armónicos no son percibidos con nitidez, quedando ignorados en ocasiones.

Frecuencias audibles

Son movimientos ondulatorios que se propagan en un medio elástico cuyas frecuencias se encuentran comprendidas entre los 16-20 Hz y los 20 000 Hz. Infrasonido Son los sonidos cuyas frecuencias son inferiores a los 20 Hz.

Ultrasonido

Se denomina así a los sonidos cuyas frecuencias son superiores a 20 000 Hz.