Oscilaciones
El movimiento oscilatorio es un tipo de movimiento periódico, esto es, que tiene características que se repiten cada cierto intervalo de tiempo fijo. Otro tipo de movimiento periódico es el movimiento circular uniforme. Sin embargo, en los sistemas cuyo movimiento mecánico estudiaremos, el movimiento oscilatorio es un movimiento unidireccional, de vaivén en torno a un punto fijo, que corresponde a su posición o estado de equilibrio estable.
De modo general, para que el movimiento oscilatorio se produzca, es necesario que en el sistema se manifiesten dos tendencias contrapuestas:
- Una tendencia a recuperar la configuración de equilibrio estable, una vez que el sistema ha sido excitado o separado de su estado de equilibrio estable, representada por la fuerza restauradora.
- Otra que provoca la continuidad del movimiento al arribar el sistema a dicho estado de equilibrio, representada por el elemento inercial del sistema, que caracteriza sus propiedades inerciales.
Meditar : ¿Es oscilatorio el movimiento de un cuerpo acoplado a un muelle?
En este caso el cuerpo oscila libremente. La fuerza restauradora es aquella que hace que el cuerpo retorne a la posición de equilibrio una vez que alcance la amplitud de su movimiento. El elemento inercial hace que el cuerpo, una vez que arriba a la posición de equilibrio, continúe su movimiento hasta llegar a la amplitud en sentido opuesto, desde donde será impulsado nuevamente hacia la posición de equilibrio, donde se repite el ciclo
Definición :
Se llama movimiento oscilatorio periódico u oscilación periódica, al movimiento de un cuerpo que se desplaza sucesivamente a uno y otro lado de la posición de equilibrio, de manera que las características de su estado mecánico, se repiten a iguales intervalos de tiempo.
Atención :
La física estudia principalmente las oscilaciones periódicas. En lo adelante, cuando hablemos de oscilaciones, sobreentenderemos que son periódicas.
Oscilaciones libres y forzadas
OSCILACIONES LIBRES: La forma más simple de oscilación es la que se produce en un sistema bajo la acción de fuerzas internas, una vez sacado de su posición de equilibrio. Estas oscilaciones son libres. las oscilaciones de un cuerpo sujeto a un resorte y la de un cuerpo suspendido de un hilo, son ejemplos de oscilaciones libres. Una vez que estos cuerpos se sacan de su posición d equilibrio, se crean las condiciones para que estos cuerpos oscilen sin que sobre ellos actúen fuerzas externas.
Se denominan oscilaciones libres aquellas que surgen bajo la acción de fuerzas internas, como consecuencia de desviar al sistema de su estado de equilibrio y dejarlo libre.
OSCILACIONES FORZADAS: Si con la mano empezamos a pulsar las cuerdas de una guitarra, estas oscilan. Esta acción se realiza repetidamente para obtener el sonido que deseamos. Se denominan oscilaciones forzadas aquellas que surgen bajo la acción de la fuerza ejercida por un agente externo, que restituye periódicamente la energía del sistema disipada. Un ejemplo muy frecuente es el de la fuerza de la persona que impulsa un columpio.
Se llaman oscilaciones amortiguadas aquellas que ocurren bajo el efecto de fuerzas disipativas[1]. Por ejemplo, un columpio que oscila libremente se detiene al cabo de cierto tiempo por la acción de la fuerza de rozamiento de la cuerda o cadena con el marco o soporte, también incide en este caso la fricción del aire.
Si el sistema oscilante está bajo la influencia de un agente exterior de carácter periódico, o sea, una fuerza que actúa con cierta frecuencia, el sistema puede realizar lo que se denomina movimiento armónico forzado. Este agente exterior compensa la acción del agente disipativo.
La acción del agente externo sobre el sistema oscilante conlleva dos fases. Una fase inicial que es transitoria, en la que el sistema deja de oscilar con su frecuencia propia para ir poco a poco asumiendo al frecuencia de la fuerza externa. La segunda fase es cuando ya la frecuencia del sistema no es la propia sino la del agente externo. De ahí el nombre de oscilación forzada.
Ejemplo : El fenómeno de la resonancia
Un fenómeno de gran importancia práctica es la resonancia. Se observa que cuando la frecuencia del agente exterior w se aproxima al valor de la frecuencia propia del sistema w0, las amplitudes de las oscilaciones aumentan notablemente.
Las elongaciones pueden entonces alcanzar valores que superen el límite de resistencia mecánica del sistema y provocar, incluso, su destrucción.
Las autooscilaciones son las oscilaciones no amortiguadas en un sistema cualquiera en ausencia de acción externa variable. Estos sistemas se denominan autooscilantes. La amplitud y frecuencia dependen de las propiedades del sistema.
Un ejemplo clásico es el reloj, cuyo péndulo o volante son un sistema oscilatorio. El muelle o espiral o la pesa subida son la fuente de energía y la áncora es el regulador del suministro de energía desde la fuente hacia el sistema oscilatorio.
El corazón y los pulmones son también sistemas autooscilantes.