Simulación del movimiento de un cuerpo sometido a una aceleración variable, una fuerza armónica y una fuerza de rozamiento.
Tras la simulación del muelle hemos añadido a la fuerza elástica que actúa
sobre la partícula una fuerza periódica. De esta forma la aceleración total
sobre la partícula es de la forma a= -k*x - A*sen(wt). Además le
añadimos una fuerza de rozamiento proporcional a la velocidad de
coeficiente b de tal forma que a_cuerpo= -k*x - A*sen(wt) -b*v.
En primer lugar nos centraremos en el movimiento del
muelle tal y como está desarrollado en la simulación anterior, al que
hemos añadido la fuerza de rozamiento. Para poder estudiar esto
asignamos w=0, y
b= coeficiente de rozamiento que deseemos, por ejemplo 0.2 si deseamos
ver sus efectos lentamente. Si ponemos la simulación en marcha dando un
valor de elongación podemos ver cómo el cuerpo, en llegar de llegar a
la posición opuesta de la elongación inicial respecto a la posición de
equilibrio, no la alcanza, y se va frenando a medida que avanza el
tiempo, por lo que la amplitud del movimiento va disminuyendo
progresivamente. La energía se va disipando por tanto debido a la
fuerza de rozamiento.
Si ahora nos centramos en el efecto que produce la fuerza
periódica sobre el sistema, veremos que, dependiendo de las condiciones
iniciales que fijemos, la simulación tardará un cierto tiempo en
comportarse como describiremos a continuación, a mayor elongación y
menor fuerza de rozamiento tardaremos más en ver los efectos de la
fuerza periódica. Esto es debido a que las condiciones iniciales se ven
contrarrestadas por la fuerza de rozamiento. Cuando nosotros ponemos en
marcha la simulación, si hay condiciones iniciales, se verán eliminadas
al cabo de un tiempo y se comportará como describimos a continuación,
si no hay condiciones iniciales, de forma inmediata ocurrirá lo
siguiente. El sistema comienza a moverse debido a la fuerza armónica,
sin embargo sobre él actúa también una fuerza de rozamiento. La energía
mecánica será el resultado de la suma de las áreas de la potencia de la
Fuerza armónica y de la Fuerza de rozamiento. éstas van fluctuando, la
potencia de la fuerza de rozamiento es siempre negativa, la potencia de
la fuerza periódica es a veces positiva, y a veces negativa. En
cualquier caso conforme avance el tiempo ambas potencias tienden a ir
compensándose, la energía total del sistema a veces crecerá, a veces
decrecerá, pero lentamente irá tornándose constante (donde constante no
es una línea recta, sino un movimiento ondulatorio de periodo constante
con pequeñisima amplitud), conforme se estabilizan las potencias de las
fuerzas. Todas estas fluctuaciones las podemos ver en la gráfica de la
izquierda seleccionando las potencias de las fuerzas y la energía
mecánica.
El sistema tiene una frecuencia de resonancia propia que es de la forma w^2= k/m (por ser un muelle). En
nuestro caso, dado que m= 1 y k =1, la frecuencia es w=1. La resonancia es un fenómeno que se produce
cuando un cuerpo se ve sometido a una fuerza periódica, cuyo periodo de
vibración coincide con el periodo de vibración característico de dicho
cuerpo. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma
progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones
sucesivas de la fuerza, de forma infinita si el coeficiente de rozamiento es = 0.
A la hora de experimentar con la simulación tenemos dos
parámetros de gran importancia (ya que las condiciones inciales se ver
atenuadas con mayor o menor rapidez), el coeficiente de rozamiento, y
la frecuencia que le proporcionamos al cuerpo.
Cuando le proporcionamos al sistema una frecuencia que no es su
frecuencia de resonancia, tenemos dos casos: si la frecuencia es menor
que la
frecuencia de resonancia, el cuerpo se mueve en fase con la fuerza
armónica (en la gráfica, si seleccionamos la visión de la Fuerza
Armónica y de la Posición de la partícula, vemos como están separadas
90º). Si la
frecuencia es mayor, la partícula se moverá casi en oposición de fase
(una diferencia de 180º). Si la frecuencia de la partícula es lo
suficientemente alta, el cuerpo parecerá en reposo. Además la
frecuencia, junto con la fuerza de rozamiento, influye en la amplitud
del movimiento. Para una frecuencia igual a la frecuencia de resonancia
será máxima, para una frecuencia mayor o menor, la frecuencia irá
disminuyendo de una forma parecida a la siguiente curva (fijémonos en
la curva de color rojo).
Si
nos centramos en la
fuerza de rozamiento, ésta influye, como hemos comentado, en la
amplitud del movimiento. ¿Cómo? La respuesta está en la curva azul
superior. A mayor fuerza de rozamiento, la curva de la frecuencia se
achata, con lo cual podemos notar antes si el sistema está cerca de la
frecuencia de resonancia, pero la amplitud que obtendremos con dicha
frecuencia es mucho menor. Por el contrario si la fuerza de rozamiento
es muy baja, los efectos de la resonancia se notarán sólo cuando nos
encontremos muy cerca de dicha frecuencia, pero obtendremos una
amplitud mucho más elevada. El caso límite es cuando la frecuencia es
igual desde el primero momento a la frecuencia de resonancia y la
fuerza de rozamiento es 0. En este caso teóricamente la amplitud
aumentará indefinidamente, únicamente cuando w=w resonancia
exactamente. Como nota podemos añadir que si la fuerza de rozamiento es
superior a la fuerza de rozamiento crítica (w0/2), en este caso 0.5,
entonces el sistema estará en equilibrio desde un primer momento, ya
que la fuerza de rozamiento impedirá la oscilación.
En
relación a la gráfica inferior derecha, ésta nos sirve para ver cómo se
estabiliza la energía mecánica, y está representada la posición (en el
eje x) frente a la velocidad (en el eje y). Legará un momento en que la
elipse deje de aumentar de distancia respecto al origen y quede fija en
una elpise. En ese momento el valor en el que la elipse corta con el
eje x es el máximo valor de la amplitud, y el valor en el que corta con
el eje de las "y" es el máximo valor de la velocidad,
El caso de la resonancia podemos verlo por
ejemplo en el puente de Tacoma, en que el aire comenzó a vibrar a una
frecuencia de un Hertzio contra la estructura del puente, muy poco
aerodinámica.
Debido también a la resonancia una copa de vino puede
romperse con notas muy agudas (de muy elevada frecuencia).