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Física Grado en Biotecnología Movimiento armónico simple ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS Dpto. Física y Mecánica de la Ingeniería Agroforestal Prof. Mª Victoria Carbonell

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Física

Grado en Biotecnología

Movimiento armónico simple

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AGRÓNOMOS

Dpto. Física y Mecánica de la Ingeniería Agroforestal

Prof. Mª Victoria Carbonell

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Programa

Representaciones gráficas

Estudio dinámico

Estudio cinemático

Generalidades: movimiento armónico simple

Ecuación diferencial del movimiento

Energía cinética, potencial y mecánica

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Generalidades

Una partícula tiene movimiento periódico cuando se repite o

toma los mismos valores en intervalos iguales de tiempo.

(PERIODO: T).

Es decir, la partícula vuelve a ocupar la posición anterior, con la

velocidad y aceleración anteriores.

)(......)2()()( nTtxTtxTtxtx Posición

)(......)2()()( nTtxTtxTtxtx Velocidad

)(......)2()()( nTtxTtxTtxtx Aceleración

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Generalidades

Al menor intervalo de tiempo para el cual el movimiento se repite

se le denomina periodo T.

movimiento

periódico

Entre los movimientos periódicos, uno de los más importantes es el

movimiento armónico simple.

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Generalidades

Movimiento aperiódico: cuando la configuración del sistema que

realiza el movimiento NO se repite, no toma los mismos valores en

intervalos iguales de tiempo cuando no se repite.

• Amortiguados: los parámetros se hacen cada vez más pequeños

• Amplificados: algún parámetro aumenta con el tiempo

movimiento

aperiódico

amortiguado

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Ejemplos

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Ejemplos

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Ejemplos

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Posición de Equilibrio

Ejemplo: movimiento armónico simple

Mas: movimiento de una partícula sobre una recta oscilando en

torno a una posición de equilibrio estable.

Ejemplo: movimiento de una masa unida a un muelle sobre una

mesa sin rozamiento.

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movimiento armónico simple

Cuando el cuerpo está sobre su posición de equilibrio, que

tomamos como origen de coordenadas, el muelle no ejerce

ninguna fuerza sobre el cuerpo.

Si lo desplazamos una distancia x de su posición de equilibrio, el

muelle ejerce una fuerza sobre el cuerpo.

Y si lo soltamos, éste comienza a oscilar a un lado y a otro de su

posición de equilibrio estable, realizando un m.a.s.

Al tiempo que tarda en realizar una oscilación completa se le llama

periodo.

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mas, vibración, oscilación

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Estudio cinemático

Es el estudio del movimiento en sí mismo sin tener en cuenta las

causas que lo produce, o sea, la fuerza

Desde este punto de vista, el m.a.s. se define como la proyección

de un movimiento circular uniforme sobre uno cualquiera de los

diámetros de la circunferencia.

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Movimiento armónico simple

0cos( )x A wt

Cuando una partícula se mueve con trayectoria circular uniforme

(velocidad constante), su componente x describe un movimiento

armónico simple.

0

0

:

:

:

:

A amplitud

w frecuencia angular

wt fase

faseinicial

)/(:

)(1

:

)(2

:

srad

HzT

Frecuencia

sw

TPeriodo

x: elongación del mas

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0cos( )x A wt

Movimiento armónico simple

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A

Movimiento armónico simple

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Representación gráfica: elongación del mas

x

x

x

t

t

t

0 0cos( ) ( )2

x A wt Asen wt

cos0 12

x A

sen

02

cos

0

sen

x

3cos 1

2

x A

sen

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Representación gráfica: velocidad y aceleración del mas

Posición (x):

0cos( )x A wt

Velocidad (v):

0s ( )x Aw en wt

2

0cos( )x Aw wt

Aceleración (a)

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Estudio dinámico

Es el estudio del movimiento teniendo en cuenta las causas que lo

produce.

Desde el punto de vista dinámico, el m.a.s. es el movimiento de un

punto material sometido a la acción de una fuerza elástica o

recuperadora dirigida siempre hacia la posición de equilibrio

estable.

Esta fuerza es proporcional a la distancia al punto de equilibrio

estable y de signo contrario.

Existe equivalencia entre el movimiento circular uniforme, el de un

péndulo y el movimiento de un muelle separado de su posición de

equilibrio.

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Masa suspendida de un muelle

xest xest

x

eep ..

0l

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Planteamiento del problema

K

m

Notación:

0

:

:constante

:

:

m masa

k rigidez elástica

l longitud inicial

x elongación

0l

x

Fuerzas que actúan sobre la masa en dirección vertical

Fuerza de inercia xm

Fuerza elástica k x

Aplicando la segunda Ley de Newton:

;F ma kx mx

0mx kx

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Mas:Vibración libres sin amortiguamiento

0´´ kxmxEcuación diferencial del

movimiento

kw

m

Solución general: 0cos( )x A wt

Movimiento armónico

0, :A CtesLa frecuencia angular w no depende de la amplitud A

Sea cual sea la frecuencia, el tiempo requerido para

dar una oscilación completa T no depende de la

amplitud A

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Vibraciones libres sin amortiguamiento

0cos( )x A wt

0

0

:

:

:

, :

A amplitud

w frecuencia

fase inicial

A ctes

( / )

2( )

kw rad s

m

T sw

w Frecuencia natural, frecuencia propia o autofrecuencia (ANGULAR).

También se representa como:

█ Al aumentar la rigidez elástica k, (resortes duros o rígidos) aumenta su

frecuencia natural. Análogamente, al disminuir la rigidez elástica k, (resortes

blandos o muy elásticos) disminuye su frecuencia natural.

█ Al aumentar la masa m, disminuye la frecuencia natural. Análogamente, al

disminuir la masa m, aumenta la frecuencia natural.

nw

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Vibraciones libres sin amortiguamiento

0cos( )x A wt

Determinación de las constantes

0( )x Awsen wt

0t0cosox A

0ox Awsen

0

:

:

A amplitud

faseinicial

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Principio Conservación de la Energía

Se cumple:

Principio Conservación de la Energía Total

Principio Conservación de la Energía Mecánica

0´´ kxmx Ctex

kxm

2

´2

2

2

TotalE

MecánicaEkACte

.

.:2

1 2

cinéticaE.

elástico

Potencial

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Principio Conservación de la Energía

La fuerza que causa el m.a.s. es una fuerza conservativa, que

deriva del potencial U:

Como la fuerza es conservativa se cumple el teorema de la

conservación de la energía mecánica, Emec=Ec+U=cte

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Principio Conservación de la Energía Mecánica

y como entonces

,

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Principio de Conservación de la energía

A: amplitud

k: constante

elástica

U: potencial

elástico

Ec: energía

cinética

Ec

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Principio de Conservación de la energía

Posición

X=A

X=0

X=-A

Potencial

U=1/2kA2

U=0

U=1/2kA2

E. cinética

Ec=0

Ec=1/2kA2

Ec=0

Ec

1

2c media totalE E

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Principio de Conservación de la energía

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Fuerza entre átomos

La fuerza ejercida por un muelle es semejante a la ejercida por un átomo sobre

otro en una molécula. Para pequeños desplazamientos del equilibrio, la fuerza

restauradora es proporcional al desplazamiento.

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Vibraciones forzadas

Para mantener un sistema

oscilando, es necesario

suministrar alguna forma

de energía al sistema.

Vibración forzada

Una forma de suministrar

energía al sistema es

mover el soporte hacia

arriba y hacia abajo.

Si esos desplazamientos se realizan

con movimiento armónico simple, de

pequeña amplitud y frecuencia W el

sistema empezará a oscilar y finalmente

alcanzará el estado estacionario.

0 cosF F Wt

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Vibraciones forzadas. Notación frecuencias

n

kw w

m Frecuencia natural

W Frecuencia de la fuerza exterior

(fuerza armónica)

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Vibraciones forzadas sin amortiguamiento

Batimiento

x

Se produce cuando la frecuencia de la fuerza exterior

(W) y la frecuencia natural (wn) son próximas

nw W W

0

2

nn

F w Wx sen t senw t

k W

amplitud

La amplitud es una función

también armónica

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Vibraciones forzadas sin amortiguamiento

Resonancia Se produce cuando la frecuencia de la fuerza exterior (w)

y la frecuencia natural (wn) se igualan

; 0nw W W

x

t

tsenwtk

wFx

n

n

2

0

amplitud

La amplitud es una función

creciente con el tiempo

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Resonancia

El viento turbulento produjo ondas estacionarias en

el puente colgante de que unía Tacoma y Narrows

produciendo su derrumbamiento el 7-nov-1940,

cuatro meses después de su inauguración.

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Movimiento ondulatorio

Las ondas transportan energía a través del espacio sin transportar

materia. Este proceso tiene lugar mediante una perturbación del

medio.

Característica: la velocidad de propagación depende de las

propiedades del medio e independiente del movimiento de la

fuente de las ondas.

Ejemplo: la velocidad del sonido de la bocina de un coche depende de las

propiedades del aire y no del movimiento del coche,

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Frentes de onda circulares alejándose de

un foco puntual en una cubeta de ondas

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Ejemplos de ondas

La oscilación del listón

(arriba y abajo)

produce frentes de

ondas que son líneas

rectas

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Ejemplos de ondas sonoras

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Ondas de proa

producidas por

un buque

Ejemplos de ondas

Ondas de choque

producidas por un

avión supersónico

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Las cuerdas vibran cuando son golpeadas por los macillos, que se

controlan mediante las teclas. Las cuerdas más largas (izquierda)

vibran con frecuencias menores que las más cortas (derecha)

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Superposición de ondas

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Ejemplos y problemas

de vibraciones mecánicas

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Ejemplo resortes

Dos masas idénticas (m) sujetas a muelles iguales (k) descansan

sobre una superficie sin rozamiento, un muelle se estira 10 cm y el

otro 5 cm. Si se dejan en libertad al mismo tiempo. ¿Cuál de los dos

alcanza antes el equilibrio?

Aplicación: k= 200 N/m; m=0,5 kg

Equilibrio

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Ejemplo resortes: solución

En el movimiento armónico simple, la frecuencia y el periodo son

independientes de la amplitud.

Como K y m son los mismos para ambos sistemas, los periodos

son iguales. Por tanto, los dos sistemas alcanzan la posición de

equilibrio al mismo tiempo.

El segundo sistema tiene que recorrer una distancia doble a la del

primero para alcanzar el equilibrio, pero también posee una

velocidad media doble.

400 20 /

20,314

13,185

n

n

kw rad s

m

T sw

HzT

1 1

2 2

10 /

20 /

n

n

x A w m s

x A w m s

Sólo se diferencian en

las velocidades

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Ejemplo resortes

Los dos sistemas oscilan con la misma frecuencia y el mismo periodo.

El sistema 2, al tener que recorrer el doble de amplitud, lo hace al

doble de velocidad.

Sistema 1

Sistema 2

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Ejemplo resortes

Por tratarse de vibraciones libres sin amortiguamiento, en ambos

sistemas, se cumple:

Principio de conservación de la Energía Total

Principio de conservación de la Energía Mecánica.

En cada sistema, la energía total comunicada inicialmente al

sistema se mantiene constante aunque hay un intercambio

energético (cinética-potencial) en el transcurso del movimiento.

La energía del sistema 2 es mayor que la energía del sistema 1

2

1 1

2 1

2 2

2 2 1

1

2

1 1(2 )

2 2

E kA

E E

E kA k A

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Bibliografía

ALONSO, M. FINN, E. (1995). Física. Addison Wesley Iberoamericana.

Capítulo 10

CRAWFORD, J. (1977). Ondas, Berkeley Physics Course. Ed. Reverté

Capítulos 1 y 3

LAFITA, F.; MATA, H. (1968). Introducción a la teoría de vibraciones

mecánicas. Ed. Labor

LEA, S.M.; BURKE, J.R. (1998). Física .La naturaleza de las cosas.

Capítulo 14

SERWAY, R.A. (1992). Física. Ed. Mc Graw Hill. Capítulo 13

TIPLER, P.A. (1999). Física para la ciencia y la tecnología. 4ª edición. Ed.

Reverté. Capítulos 14 y 15

TIPLER, P.A.; MOSCA, G. (2005). Física para la ciencia y la tecnología.

5ª edición. Ed. Reverté

http://www.sc.ehu.es/sweb/fisica/oscilaciones/oscilacion.htm

Videos: El Universo mecánico. Movimiento armónico, Resonancia