AREA DE FISICA UNIDAD 9: Movimiento oscilatorio

Presentación del tema: "AREA DE FISICA UNIDAD 9: Movimiento oscilatorio"— Transcripción de la presentación:

1 AREA DE FISICA UNIDAD 9: Movimiento oscilatorio
9-1 Oscilaciones, oscilaciones de un resorte 9-2 Movimiento armónico simple (MAS) 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS 9-4 Energía del MAS 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS 9-6 Péndulo simple. Péndulo físico 9-7 Oscilaciones amortiguadas

2 AREA DE FISICA 9-1 Oscilaciones, oscilaciones de un resorte Muchos tipos de movimientos se repiten una y otra vez con el transcurso del tiempo A esta clase de movimiento se lo llama Movimiento Periódico u Oscilatorio y comprenderlo, resulta fundamental para el estudio de ondas, sonido, luz, etc.

3 AREA DE FISICA 9-1 Oscilaciones, oscilaciones de un resorte
Cuando la fuerza restauradora neta es directamente proporcional al negativo del desplazamiento experimenta un movimiento armónico simple(MAS)

4 AREA DE FISICA Algunas definiciones importantes
9-1 Oscilaciones, oscilaciones de un resorte Algunas definiciones importantes Amplitud A: Es el desplazamiento máximo, o distancia más grande desde el punto de equilibrio. Un ciclo: Movimiento completo de ida y vuelta desde algún punto inicial y de regreso a ese mismo punto. Periodo T: Tiempo requerido para efectuar un ciclo completo Frecuencia f:Número de ciclos completos por segundo.

5 AREA DE FISICA 9-2 Movimiento armónico simple (MAS)
De la Segunda Ley de Newton que se conoce como la ecuación de movimiento de un oscilador armónico simple. También sabemos Ecuación del movimiento de un oscilador armónico

6 AREA DE FISICA 9-2 Movimiento armónico simple (MAS)
Podríamos imaginar la forma de la solución notando que si una pluma se uniera a una masa vibratoria (figura 14-5) y una hoja de papel se moviera a una tasa constante debajo de ella, la pluma trazaría la curva mostrada.

7 AREA DE FISICA 9-2 Movimiento armónico simple (MAS)
Matemáticamente es una Ecuación diferencial Resolver esto, es encontrar una x(t) que reemplazada en la ecuación la satisfaga Observando, parece una función seno o coseno en función del tiempo con una amplitud A Propongamos como solución de la ecuación: Donde: y  es para hacerla mas general

8 AREA DE FISICA 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS
Para comprobar si es la solución, tenemos que derivar dos veces. Reemplazamos en:

9 AREA DE FISICA 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS
Sacando factor común, podemos escribir: La solución satisface la ecuación solo cuando: La amplitud A y el ángulo  (constante de fase o ángulo de fase inicial) en situaciones físicas reales quedan definidas con las condiciones iniciales para t =0

10 AREA DE FISICA 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS
Por ser un movimiento periódico, la situación para t =0, se repite para t =T , es decir: como: Recordando: y

11 AREA DE FISICA la frecuencia y el periodo no dependen de la amplitud
9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS la frecuencia y el periodo no dependen de la amplitud cuanto mayor sea la masa, menor será la frecuencia cuanto más rígido sea el resorte, mayor será la frecuencia

12 AREA DE FISICA 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS
En estas condiciones, para t=0, la amplitud máxima x=A, =0 y v=0 para que v=0 en t=0 Se cumple para  =0 ,  =  y para cualquier múltiplo de 

13 AREA DE FISICA 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS
De igual manera, para t=0  =0 ,  =  y para cualquier múltiplo de 

14 AREA DE FISICA 1 2 9-3 Posición, velocidad y aceleración del MAS x = 0
Ejemplo. Un resorte se estira m cuando se cuelga suavemente de él una masa de kg, como en la figura. Luego el resorte se coloca horizontalmente con la masa de kg descansando sobre una mesa sin fricción, como en la figura. La masa se empuja de manera que el resorte se comprime m del punto de equilibrio, y se libera a partir del reposo. Determine: la constante de rigidez del resorte k y la frecuencia angular ; la amplitud de la oscilación horizontal A; la magnitud de la velocidad máxima, vmáx; la magnitud de la aceleración máxima de la masa, amáx; el periodo T y la frecuencia f; el desplazamiento x en función del tiempo; y la velocidad en t =0.150 s. x = 0 x = +A x = -A 1 2 x

15 AREA DE FISICA 1 2 La energía mecánica es: Recordando:
9-4 Energía del MAS a v x 1 2 m x = -A x = 0 x = +A La energía mecánica es: Recordando:

16 AREA DE FISICA 1 2 Entonces: 9-4 Energía del MAS a v x m x = -A x = 0
Entonces: la energía mecánica total de un oscilador armónico simple es una constante y es proporcional al cuadrado de la amplitud En los puntos 1 y 2, la velocidad es cero y U es máximo. En el origen U=0 y K es máximo

17 AREA DE FISICA 1 2 Despejando v: Velocidad como función de la posición
9-4 Energía del MAS v x 1 2 m x = -A x = 0 x = +A La ecuación de la energía entre el puntos 1 o 2 y cualquier punto intermedio es: Despejando v: Velocidad como función de la posición Para x=0 ⇾ v=max

18 AREA DE FISICA 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS Comparamos el movimiento de la esfera P en un círculo, con su proyección horizontal Q x: desplazamiento horizontal A: amplitud : ángulo de referencia

19 AREA DE FISICA 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS La componente de la velocidad tangencial de la partícula P es la misma que la proyección Q

20 AREA DE FISICA 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS La componente de la aceleración centrípeta de la partícula P es la misma que la proyección Q Recordando

21 AREA DE FISICA 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS Recordando las características de la aceleración para un movimiento armónico simple(MAS) La aceleración es directamente proporcional al negativo del desplazamiento, características que tiene un movimiento armónico simple(MAS) Estas ecuaciones son iguales siempre que la velocidad angular se relacione con la masa y la constante de la fuerza del elemento oscilante

22 AREA DE FISICA 9-5 Movimiento circular y ecuaciones del MAS  representa tanto la velocidad angular del punto P que gira, como la frecuencia angular del punto Q que oscila. Recordando

23 Para ángulos menores a 15° medidos en radianes
AREA DE FISICA 9-6 Péndulo simple Para ángulos menores a 15° medidos en radianes Recordando

24 AREA DE FISICA Ecuación del movimiento de un oscilador armónico
9-6 Péndulo simple Ecuación del movimiento de un oscilador armónico

25 AREA DE FISICA Para esta ecuación, la solución era:
9-6 Péndulo simple Para esta ecuación, la solución era: De igual forma, para: la solución es:

26 AREA DE FISICA 9-6 Péndulo simple De manera análoga, la frecuencia y el período serán: la frecuencia y el periodo, igual que en caída libre, no dependen de la masa cuanto mayor sea la longitud del péndulo, menor será la frecuencia cuanto mayor sea g, mayor fuerza de restitución y mayor será la frecuencia