Preguntas Conceptuales
15.1 Movimiento armónico simple
(a) Si la frecuencia no es constante para alguna oscilación, ¿la oscilación puede ser SHM? (b) ¿Se le ocurre algún ejemplo de movimiento armónico en el que la frecuencia pueda depender de la amplitud?
Dé un ejemplo de un oscilador armónico simple, y señale específicamente cómo su frecuencia es independiente de la amplitud.
Explique por qué espera que un objeto hecho de un material rígido vibre a una frecuencia más alta que un objeto similar hecho de un material más flexible.
Cuando pasa por delante de un camión de carga con remolque en una autopista, observa que su remolque rebota lentamente hacia arriba y hacia abajo. ¿Es más probable que el remolque esté muy cargado o casi vacío? Explique su respuesta.
Algunas personas modifican los automóviles para que estén mucho más cerca del suelo que cuando se fabrican. ¿Deben instalar resortes más rígidos? Explique su respuesta.
15.2 Energía en el movimiento armónico simple
Explique en términos de energía cómo fuerzas disipativas, como la fricción, reducen la amplitud de un oscilador armónico. Explique también cómo puede compensar un mecanismo de conducción (un reloj de péndulo es un sistema de este tipo).
La temperatura de la atmósfera oscila entre un máximo cerca del mediodía y un mínimo cerca del amanecer. ¿Consideraría que la atmósfera está en equilibrio estable o inestable?
15.3 Comparación de movimiento armónico simple y movimiento circular
¿Se puede llevar a cabo esta analogía de SHM con el movimiento circular de un objeto que oscile sobre un resorte colgado verticalmente del techo? ¿Por qué sí o por qué no? Si pudiera elegir, ¿preferiría utilizar una función seno o una función coseno para modelar el movimiento?
Si se aumenta la velocidad máxima de la masa unida a un resorte que oscila sobre una mesa sin fricción, ¿qué características del disco giratorio habría que modificar?
15.4 Péndulos
Los relojes de péndulo se hacen funcionar a la velocidad correcta al ajustar la longitud del péndulo. Suponga que usted se traslada de una ciudad a otra donde la aceleración debido a la gravedad es ligeramente mayor y lleva consigo su reloj de péndulo, ¿tendrá que alargar o acortar el péndulo para mantener la hora correcta mientras los demás factores permanecen constantes? Explique su respuesta.
Un reloj de péndulo funciona al medir el periodo de un péndulo. En primavera, el reloj funciona con un tiempo perfecto, pero en verano e invierno la longitud del péndulo cambia. Cuando la mayoría de los materiales se calientan, se expanden. ¿El reloj va demasiado rápido o demasiado lento en verano? ¿Y en el invierno?
Mediante un deslizamiento de fase, la posición de un objeto se puede modelar como una función coseno o seno. Si le dieran la opción, ¿qué función elegiría? Suponiendo que el deslizamiento de fase es cero, ¿cuáles son las condiciones iniciales de la función, es decir, la posición, la velocidad y la aceleración iniciales, cuando se utiliza una función senoidal? ¿Y cuándo se utiliza una función coseno?
15.5 Oscilaciones amortiguadas
Dé un ejemplo de un oscilador armónico amortiguado (son más comunes que los osciladores no amortiguados o los osciladores armónicos simples).
¿Cómo rebotaría un automóvil tras un golpe en cada una de estas condiciones?
(a) sobreamortiguación
(b) subamortiguación
c) amortiguación crítica
La mayoría de los osciladores armónicos están amortiguados y, si no son accionados, acaban por detenerse. ¿Por qué?
15.6 Oscilaciones forzadas
¿Por qué se ordena a los soldados, en general, que den un “paso en ruta” (que se salgan del paso) al cruzar un puente?
¿Cree que hay algún movimiento armónico en el mundo físico que no sea un movimiento armónico amortiguado? Intente hacer una lista de cinco ejemplos de movimiento armónico no amortiguado y de movimiento armónico amortiguado. ¿Qué lista fue más fácil de hacer?
Algunos ingenieros utilizan el sonido para diagnosticar problemas de desempeño de motores de automóviles. En ocasiones, se diseña una pieza del motor que resuena a la frecuencia de este. Las oscilaciones no deseadas pueden provocar ruidos que irriten al conductor o pueden hacer que la pieza falle prematuramente. En un caso, se localizó una pieza que tenía una longitud L hecha de un material con una masa M. ¿Qué se puede hacer para corregir este problema?