En la vida cotidiana, una persona encuentra constantemente manifestaciones de movimiento oscilatorio. Esta es la oscilación del péndulo en el reloj, las vibraciones de los resortes del automóvil y del automóvil completo. Incluso un terremoto no es más que vibraciones de la corteza terrestre. Los edificios de gran altura también se balancean con fuertes ráfagas de viento. Intentemos averiguar cómo explica la física este fenómeno.
El péndulo como sistema oscilatorio
El ejemplo más obvio de movimiento oscilatorio es el péndulo del reloj de pared. El paso del péndulo desde el punto más alto a la izquierda hasta el punto más alto a la derecha se llama oscilación completa. El período de una de esas oscilaciones completas se llama perímetro. La frecuencia de oscilación es el número de oscilaciones por segundo.
Para estudiar las oscilaciones, se utiliza un péndulo de hilo simple, que se fabrica colgando una pequeña bola de metal de un hilo. Si imaginamos que la pelota es un punto material, y el hilo no tiene masa en absolutoflexibilidad y f alta de fricción, se obtiene un péndulo teórico llamado matemático.
El período de oscilación de tal péndulo "ideal" se puede calcular usando la fórmula:
T=2π √ l / gramo, donde l es la longitud del péndulo, g es la aceleración de caída libre.
La fórmula muestra que el período de oscilación del péndulo no depende de su masa y no tiene en cuenta el ángulo de desviación de la posición de equilibrio.
Transformación de la energía
¿Cuál es el mecanismo de los movimientos del péndulo, repitiéndose con un cierto período hasta el infinito, si no hubiera fuerzas de fricción y resistencia, para superar las cuales se requiere cierto trabajo?
El péndulo comienza a oscilar debido a la energía que se le imparte. En el momento en que se retira el péndulo de la posición vertical, le damos una cierta cantidad de energía potencial. Cuando el péndulo se mueve desde su punto más alto hasta su posición inicial, la energía potencial se convierte en energía cinética. En este caso, la velocidad del péndulo será máxima, ya que la fuerza que imparte la aceleración disminuye. Debido al hecho de que en la posición inicial la velocidad del péndulo es máxima, no se detiene, sino que por inercia avanza a lo largo del arco de un círculo hasta exactamente la misma altura de la que descendió. Así es como se convierte la energía durante el movimiento oscilatorio de potencial a cinética.
La altura del péndulo es igual a la altura de su descenso. Galileo llegó a esta conclusión mientras realizaba un experimento con un péndulo, que más tarde recibió su nombre.
La oscilación de un péndulo es un ejemplo indiscutible de la ley de conservación de la energía. Y se llaman vibraciones armónicas.
Onda sinusoidal y fase
¿Qué es un movimiento oscilatorio armónico? Para ver el principio de dicho movimiento, puede realizar el siguiente experimento. Colgamos un embudo con arena en el travesaño. Debajo ponemos una hoja de papel, que se puede desplazar perpendicularmente a las fluctuaciones del embudo. Habiendo puesto el embudo en movimiento, cambiamos el papel.
El resultado es una línea ondulada escrita en arena: una sinusoide. Estas oscilaciones, que ocurren de acuerdo con la ley del seno, se denominan sinusoidales o armónicas. Con tales fluctuaciones, cualquier cantidad que caracterice el movimiento cambiará de acuerdo con la ley del seno o coseno.
Habiendo examinado la sinusoide formada en el cartón, se puede notar que la arena es una capa de arena en sus varias secciones de diferentes espesores: en la parte superior o en el valle de la sinusoide, estaba más densamente apilada. Esto sugiere que en estos puntos la velocidad del péndulo fue la más pequeña, o más bien cero, en aquellos puntos donde el péndulo invirtió su movimiento.
El concepto de fase juega un papel muy importante en el estudio de las oscilaciones. Traducida al ruso, esta palabra significa "manifestación". En física, una fase es una etapa específica de un proceso periódico, es decir, el lugar en la sinusoide donde se encuentra actualmente el péndulo.
Vacilaciones sueltas
Si al sistema oscilatorio se le da movimiento y luego se detienela influencia de cualquier fuerza y energía, entonces las oscilaciones de tal sistema se llamarán libres. Las oscilaciones del péndulo, que se deja solo, comenzarán a desvanecerse gradualmente, la amplitud disminuirá. El movimiento del péndulo no solo es variable (más rápido en la parte inferior y más lento en la parte superior), sino que tampoco es uniformemente variable.
En las oscilaciones armónicas, la fuerza que proporciona la aceleración del péndulo se vuelve más débil con una disminución en la cantidad de desviación del punto de equilibrio. Existe una relación proporcional entre la fuerza y la distancia de desviación. Por lo tanto, tales vibraciones se denominan armónicas, en las que el ángulo de desviación del punto de equilibrio no supera los diez grados.
Movimiento forzado y resonancia
Para aplicaciones prácticas en ingeniería, no se permite que las vibraciones decaigan, impartiendo una fuerza externa al sistema oscilante. Si el movimiento oscilatorio ocurre bajo influencia externa, se llama forzado. Las oscilaciones forzadas se producen con la frecuencia que les marca una influencia externa. La frecuencia de la fuerza externa actuante puede o no coincidir con la frecuencia de las oscilaciones naturales del péndulo. Al coincidir, la amplitud de las oscilaciones aumenta. Un ejemplo de tal aumento es un columpio que despega más alto si, durante el movimiento, le das aceleración, alcanzando el ritmo de su propio movimiento.
Este fenómeno en física se llama resonancia y es de gran importancia para aplicaciones prácticas. Por ejemplo, al sintonizar un receptor de radio en la onda deseada, entra en resonancia con la emisora de radio correspondiente. El fenómeno de la resonancia también tiene consecuencias negativas,lo que lleva a la destrucción de edificios y puentes.
Sistemas autosuficientes
Además de las vibraciones forzadas y libres, también existen las autooscilaciones. Ocurren con la frecuencia del propio sistema oscilante cuando se expone a una fuerza constante en lugar de variable. Un ejemplo de auto-oscilaciones es un reloj, el movimiento del péndulo en el que se proporciona y se mantiene desenrollando el resorte o bajando la carga. Al tocar el violín, las vibraciones naturales de las cuerdas coinciden con la fuerza que surge de la influencia del arco, y aparece un sonido de cierta tonalidad.
Los sistemas oscilatorios son diversos, y el estudio de los procesos que ocurren en ellos en experimentos prácticos es interesante e informativo. La aplicación práctica del movimiento oscilatorio en la vida cotidiana, la ciencia y la tecnología es variada e indispensable: desde columpios hasta la producción de motores de cohetes.
