A la vida quotidiana, una persona es troba constantment amb manifestacions de moviment oscil·latori. Aquest és el balanceig del pèndol del rellotge, les vibracions de les molles de l'automòbil i de tot el cotxe. Fins i tot un terratrèmol no és més que vibracions de l'escorça terrestre. Els edificis de gran alçada també es balancegen per les fortes ràfegues de vent. Intentem esbrinar com la física explica aquest fenomen.
Pèndol com a sistema oscil·latori
L'exemple més evident de moviment oscil·latori és el pèndol del rellotge de paret. El pas del pèndol des del punt més alt de l'esquerra fins al punt més alt de la dreta s'anomena el seu gir total. El període d'una d'aquestes oscil·lacions completes s'anomena perímetre. La freqüència d'oscil·lació és el nombre d'oscil·lacions per segon.
Per estudiar les oscil·lacions, s'utilitza un pèndol de fil senzill, que es fa penjant una petita bola metàl·lica a un fil. Si imaginem que la bola és un punt material, i el fil no té massa en absolutflexibilitat i manca de fricció, obteniu un pèndol teòric, anomenat matemàtic.
El període d'oscil·lació d'aquest pèndol "ideal" es pot calcular mitjançant la fórmula:
T=2π √ l / g, on l és la longitud del pèndol, g és l'acceleració de caiguda lliure.
La fórmula mostra que el període d'oscil·lació del pèndol no depèn de la seva massa i no té en compte l'angle de desviació de la posició d'equilibri.
Transformació de l'energia
Quin és el mecanisme dels moviments del pèndol, que es repeteixen amb un període determinat fins i tot fins a l'infinit, si no hi hagués forces de fricció i resistència, per superar els quals es requereix un determinat treball?
El pèndol comença a oscil·lar a causa de l'energia que se li imparteix. En el moment que el pèndol s'allunya de la posició vertical, li donem una certa energia potencial. Quan el pèndol es mou del seu punt superior a la seva posició inicial, l'energia potencial es converteix en energia cinètica. En aquest cas, la velocitat del pèndol serà la màxima, ja que la força que imparteix l'acceleració disminueix. Degut al fet que en la posició inicial la velocitat del pèndol és la més gran, no s'atura, sinó que per inèrcia es desplaça més al llarg de l'arc de cercle exactament a la mateixa alçada que la que ha baixat. Així és com es converteix l'energia durant el moviment oscil·latori de potencial a cinètic.
L'alçada del pèndol és igual a l' altura de la seva baixada. Galileu va arribar a aquesta conclusió mentre feia un experiment amb un pèndol, que més tard portarà el seu nom.
El balanceig d'un pèndol és un exemple indiscutible de la llei de conservació de l'energia. I s'anomenen vibracions harmòniques.
Onda sinusoïdal i fase
Què és un moviment oscil·latori harmònic. Per veure el principi d'aquest moviment, podeu realitzar l'experiment següent. Pengem un embut amb sorra al travesser. Sota hi posem un full de paper, que es pot desplaçar perpendicularment a les fluctuacions de l'embut. Després d'haver posat l'embut en moviment, desplacem el paper.
El resultat és una línia ondulada escrita en sorra: una sinusoide. Aquestes oscil·lacions, que es produeixen d'acord amb la llei del sinus, s'anomenen sinusoïdals o harmòniques. Amb aquestes fluctuacions, qualsevol magnitud que caracteritzi el moviment canviarà segons la llei del sinus o del cosinus.
Després d'examinar el sinusoide format al cartró, es pot observar que la sorra és una capa de sorra en els seus diferents trams de diferents gruixos: a la part superior o abeurador de la sinusoide, s'amuntegava més densament. Això suggereix que en aquests punts la velocitat del pèndol era la més petita, o més aviat zero, en aquells punts on el pèndol invertia el seu moviment.
El concepte de fase juga un paper important en l'estudi de les oscil·lacions. Traduïda al rus, aquesta paraula significa "manifestació". En física, una fase és una etapa específica d'un procés periòdic, és a dir, el lloc de la sinusoide on es troba actualment el pèndol.
Vacil·lacions soltes
Si es dona moviment al sistema oscil·latori i després s'aturala influència de qualsevol força i energia, llavors les oscil·lacions d'aquest sistema s'anomenaran lliures. Les oscil·lacions del pèndol, que es deixa a si mateix, començaran a esvair-se gradualment, l'amplitud disminuirà. El moviment del pèndol no només és variable (més ràpid a la part inferior i més lent a la part superior), sinó que tampoc és uniformement variable.
En les oscil·lacions harmòniques, la força que dóna l'acceleració del pèndol es fa més feble amb una disminució de la quantitat de desviació del punt d'equilibri. Hi ha una relació proporcional entre la força i la distància de desviació. Per tant, aquestes vibracions s'anomenen harmòniques, en les quals l'angle de desviació del punt d'equilibri no supera els deu graus.
Moviment forçat i ressonància
Per a l'aplicació pràctica en enginyeria, les vibracions no es permeten decaure, impartint una força externa al sistema oscil·lant. Si el moviment oscil·latori es produeix sota influència externa, s'anomena forçat. Les oscil·lacions forçades es produeixen amb la freqüència que les estableix una influència externa. La freqüència de la força externa actuant pot coincidir o no amb la freqüència de les oscil·lacions naturals del pèndol. En coincidir, l'amplitud de les oscil·lacions augmenta. Un exemple d'aquest augment és un swing que s'enlaira més alt si, durant el moviment, els doneu acceleració, colpejant el ritme del seu propi moviment.
Aquest fenomen en física s'anomena ressonància i té una gran importància per a aplicacions pràctiques. Per exemple, en sintonitzar un receptor de ràdio a l'ona desitjada, es posa en ressonància amb l'estació de ràdio corresponent. El fenomen de la ressonància també té conseqüències negatives,conduint a la destrucció d'edificis i ponts.
Sistemes autosuficients
A més de les vibracions forçades i lliures, també hi ha autooscil·lacions. Es produeixen amb la freqüència del propi sistema oscil·lant quan s'exposa a una força constant en lloc d'una força variable. Un exemple d'auto-oscil·lacions és un rellotge, el moviment del pèndol en el qual es proporciona i es manté desenrotllant la molla o baixant la càrrega. En tocar el violí, les vibracions naturals de les cordes coincideixen amb la força derivada de la influència de l'arc, i apareix un so d'una certa tonalitat.
Els sistemes oscil·latoris són diversos, i l'estudi dels processos que s'hi produeixen en experiments pràctics és interessant i informatiu. L'aplicació pràctica del moviment oscil·latori a la vida quotidiana, la ciència i la tecnologia és variada i indispensable: des de gronxadors fins a la producció de motors de coets.
