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Oscilaciones amortiguadas, oscilaciones forzadas y resonancia

Publicado el 1 octubre, 2020

Movimiento oscilatorio

James fue al patio de recreo con sus amigos un día, y cuando llegó, vio su pieza favorita del equipo de juegos, ¡los columpios! Corrió hasta el columpio más cercano, se sentó, se levantó del suelo y luego movió las piernas hacia adelante y hacia atrás para hacer que el columpio fuera más y más alto.

Aunque quizás no se hubiera dado cuenta, James estaba provocando que el columpio exhibiera un movimiento oscilatorio . Mientras James disfrutaba sintiendo el viento en su rostro mientras subía más y más alto, el swing iba y venía en un patrón repetitivo como un péndulo al final de una cuerda.

El balanceo es un gran ejemplo de movimiento oscilatorio

Oscilaciones amortiguadas

¿Qué pasaría si James de repente decidiera dejar de mover las piernas mientras se balanceaba? ¿Su swing seguiría oscilando para siempre? ¿Dejaría de moverse inmediatamente? De hecho, ninguna de las cosas pasa. En cambio, la amplitud de las oscilaciones del swing comenzaría a disminuir lentamente y, con el tiempo, el swing eventualmente se detendría. ¿Que esta pasando aqui?

El swing todavía está oscilando, pero las oscilaciones están amortiguadas , lo que significa que hay una fuerza que hace que se vuelvan cada vez más pequeñas con el tiempo. En este caso, la fuerza responsable de esta amortiguación probablemente sea la fricción con el aire cuando James y el columpio se mueven hacia adelante y hacia atrás.


Las oscilaciones amortiguadas ocurren cuando la amplitud de las oscilaciones disminuye con el tiempo, como se muestra en este gráfico.
Oscilaciones amortiguadas

La amortiguación ocurre no solo cuando se balancea, sino en muchos tipos de movimientos oscilatorios. Para minimizar la amortiguación, debe reducir las fuerzas responsables de ralentizar el objeto oscilante. Si desea que un objeto deje de moverse más rápidamente, debe aumentar la amortiguación aumentando la fuerza. Si James quería detener su swing más rápidamente, podía dejar que sus pies se arrastraran cada vez que el swing pasara por el suelo. ¡Esto aumentaría mucho la amortiguación y haría que la oscilación se detuviera por completo después de unas pocas oscilaciones!

Oscilaciones forzadas

Cuando James se sentó por primera vez en el columpio, no comenzó a moverse automáticamente, ¿verdad? Para que comenzara, tuvo que ejercer algún tipo de fuerza en el columpio. Probablemente se levantó del suelo con los pies para iniciar el swing, y luego movió las piernas hacia adelante y hacia atrás al mismo tiempo que el movimiento del swing para mantenerlo en marcha. Cuando una fuerza externa (proporcionada por James en esta situación) hace que un objeto oscile a una cierta frecuencia, las oscilaciones resultantes se denominan oscilaciones forzadas . La fuerza aplicada para causar estas oscilaciones se llama fuerza motriz .

Resonancia

Cada objeto, incluido el swing de James, tiene una frecuencia natural a la que oscilará en ausencia de cualquier fuerza impulsora. Una vez que James pone en marcha el swing, podría dejar de moverse durante algunas oscilaciones para determinar la frecuencia natural de su swing.

¿Qué sucede si se aplica una fuerza impulsora al sistema oscilante exactamente a la misma frecuencia que su frecuencia natural? En esos casos, ocurre algo sorprendente y la amplitud de las oscilaciones aumenta dramáticamente. Este efecto se llama resonancia .

Si tú, como James, alguna vez has jugado en un swing, ¡has experimentado la resonancia tú mismo! Si desea hacer que el swing sea cada vez más alto, debe sincronizar el movimiento de sus piernas con la frecuencia natural del swing. Si bombeas las piernas en momentos aleatorios, no harás que el swing oscile muy bien, ¿verdad? Sin embargo, si bombeas las piernas exactamente a la misma frecuencia que la frecuencia natural del swing, ¡la amplitud de las oscilaciones (la altura del swing) sigue aumentando cada vez más!

Resumen de la lección

El movimiento oscilatorio ocurre cuando un objeto se mueve en un patrón que se repite con el tiempo. Un gran ejemplo de movimiento oscilatorio es el movimiento oscilante de un péndulo o un columpio en un patio de recreo.

La amortiguación ocurre cuando se ejerce una fuerza sobre el objeto oscilante que hace que la amplitud de sus oscilaciones se haga cada vez más pequeña con el tiempo. La amortiguación se puede controlar cambiando la fuerza aplicada al objeto a medida que oscila.

Cuando se ejerce una fuerza impulsora externa sobre un objeto para hacerlo oscilar a una determinada frecuencia, las oscilaciones resultantes se denominan oscilaciones forzadas .

En ausencia de una fuerza impulsora, todos los sistemas oscilantes tienen una frecuencia natural a la que tienden a oscilar. Si se aplica una fuerza impulsora a la misma frecuencia que la frecuencia natural, entonces la amplitud de las oscilaciones puede aumentar dramáticamente. Esto se llama resonancia .

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