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Resumen

15.1 Movimiento armónico simple

  • El movimiento periódico es una oscilación que se repite. El tiempo de una oscilación es el periodo T y el número de oscilaciones por unidad de tiempo es la frecuencia f. Estas cantidades están relacionadas por f=1Tf=1T.
  • El movimiento armónico simple (SHM) es un movimiento oscilatorio para un sistema en el que la fuerza restauradora es proporcional al desplazamiento y actúa en la dirección opuesta al desplazamiento.
  • El desplazamiento máximo es la amplitud A. La frecuencia angular ωω, el periodo T y la frecuencia f de un oscilador armónico simple vienen dados por ω=kmω=km, T=2πmk,yf=12πkmT=2πmk,yf=12πkm, donde m es la masa del sistema y k es la constante de fuerza.
  • El desplazamiento como una función de tiempo en SHM viene dado porx(t)=Acos(2πTt+ϕ)=Acos(ωt+ϕ)x(t)=Acos(2πTt+ϕ)=Acos(ωt+ϕ).
  • La velocidad viene dada por v(t)=−Aωsen(ωt+ϕ)=−vmáx.sen(ωt+ϕ),v(t)=−Aωsen(ωt+ϕ)=−vmáx.sen(ωt+ϕ), donde vmáx.=Aω=Akmvmáx.=Aω=Akm.
  • La aceleración es a(t)=−Aω2cos(ωt+ϕ)=−amáx.cos(ωt+ϕ)a(t)=−Aω2cos(ωt+ϕ)=−amáx.cos(ωt+ϕ), donde amáx.=Aω2=Akmamáx.=Aω2=Akm.

15.2 Energía en el movimiento armónico simple

  • El tipo más sencillo de oscilaciones está relacionado con los sistemas que pueden describirse mediante la ley de Hooke, F = −kx, donde F es la fuerza restauradora, x es el desplazamiento desde el equilibrio o la deformación y k es la constante de fuerza del sistema.
  • La energía potencial elástica U almacenada en la deformación de un sistema que se puede describir por la ley de Hooke viene dada porU=12kx2.U=12kx2.
  • La energía en el oscilador armónico simple se reparte entre la energía potencial elástica y la energía cinética, siendo el total constante:
    ETotal=12mv2+12kx2=12kA2=constante.ETotal=12mv2+12kx2=12kA2=constante.
  • La magnitud de la velocidad como una función de posición para el oscilador armónico simple se puede calcular mediante
    |v|=km(A2–x2).|v|=km(A2–x2).

15.3 Comparación de movimiento armónico simple y movimiento circular

  • Una proyección de movimiento circular uniforme experimenta una oscilación armónica simple.
  • Considere un círculo de radio A que se mueve con una velocidad angular constante ωω. Un punto en el borde del círculo se mueve con una velocidad tangencial constante de vmáx.=Aωvmáx.=Aω. La proyección del radio sobre el eje x es x(t)=Acos(ωt+ϕ)x(t)=Acos(ωt+ϕ), donde (ϕ)(ϕ) es el deslizamiento de fase. El componente x de la velocidad tangencial es v(t)=–Aωsen(ωt+ϕ)v(t)=–Aωsen(ωt+ϕ).

15.4 Péndulos

  • Una masa m suspendida por un cable de longitud L y masa insignificante es un péndulo simple y experimenta SHM para amplitudes inferiores a 15°15°. El periodo de un péndulo simple es T=2πLgT=2πLg, donde L es la longitud de la cuerda y g es la aceleración debido a la gravedad.
  • El periodo de un péndulo físico T=2πImgLT=2πImgL se puede calcular si se conoce el momento de inercia. La longitud entre el punto de rotación y el centro de masa es L.
  • El periodo de un péndulo de torsión T=2πIκT=2πIκ se puede calcular si se conoce el momento de inercia y la constante de torsión.

15.5 Oscilaciones amortiguadas

  • Los osciladores armónicos amortiguados tienen fuerzas no conservativas que disipan su energía.
  • La amortiguación crítica devuelve el sistema al equilibrio lo más rápido posible sin sobrepasarlo.
  • Un sistema subamortiguado oscilará a través de la posición de equilibrio.
  • Un sistema sobreamortiguado se mueve más lentamente hacia el equilibrio que uno amortiguado críticamente.

15.6 Oscilaciones forzadas

  • La frecuencia natural de un sistema es la frecuencia a la que el sistema oscila si no se ve afectado por fuerzas impulsoras o amortiguadoras.
  • Una fuerza periódica que impulsa un oscilador armónico a su frecuencia natural produce resonancia. Se dice que el sistema resuena.
  • Cuanto menos amortiguación tenga un sistema, mayor será la amplitud de las oscilaciones forzadas cerca de la resonancia. Cuanto más amortiguación tenga un sistema, más amplia será su respuesta a las distintas frecuencias de impulso.
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