Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL UNIDAD 01: INTRODUCCIÓN A LAS VIBRACIONES MECÁNICAS.

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1 Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL UNIDAD 01: INTRODUCCIÓN A LAS VIBRACIONES MECÁNICAS Y ONDAS TEMA 01 Movimiento Armónico Simple (M.A.S) FÍSICA II

2 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Competencia: Analiza, valora las ondas mecánicas, obtiene el modelo físico–matemático respectivo y lo relaciona con las áreas de la Ingeniería CIVIL Y AMBIENTAL. Logros: Discrimina la naturaleza del movimiento armónico simple y reconoce su importancia en la naturaleza. Resuelve problemas de Movimiento armónico simple de diferentes formas

3 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Un cuerpo está en equilibrio estático si no se desplaza ni gira, es decir, si no se mueve. EQUILIBRIO ESTÁTICO En una posición de equilibrio estático pueden darse tres situaciones distintas. Si se separa ligeramente la bola del punto de equilibrio, aparecerán fuerzas que tenderán a hacerla regresar a su punto original de estabilidad. Si se separa ligeramente la bola del punto de equilibrio, aparecerán fuerzas que tenderán a alejarla de su punto original de estabilidad. Si se aparta ligeramente la bola del punto de equilibrio, la misma permanece en equilibrio en la nueva posición. Equilibrio estable Equilibrio inestable Equilibrio indiferente

4 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Frente a la perturbación de un cuerpo en equilibrio estable, la naturaleza responde con un movimiento que tiende a que el cuerpo vuelva a recuperar su posición de equilibrio. Este movimiento en su versión más sencilla se denomina “movimiento armónico simple” (m.a.s.). EQUILIBRIO ESTABLE Este tipo de movimientos se da continuamente en la naturaleza (movimiento de un resorte, el péndulo, movimiento de los átomos en la materia, etc.) y no solamente con cuerpos materiales sino también con valores de magnitudes (la presión del aire da lugar al sonido, los campos electromagnéticos dan lugar a la luz, etc.). Por ello es importante su estudio.

5 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Un movimiento se llama periódico cuando a intervalos iguales de tiempo se repiten los valores de las magnitudes que lo caracterizan. Mov. Circular uniforme Mov. Tierra en torno al Sol Las dos magnitudes características de los movimientos periódicos son: el período y la frecuencia. El período, T, es el tiempo empleado en realizar una vuelta completa o ciclo, es decir el que transcurre hasta que se repite el movimiento. Se mide en segundos (s). La frecuencia, o f, es el número de vueltas o ciclos realizados en la unidad de tiempo. Se mide en, hertzios (Hz) o s -1. De las definiciones se deduce : T=1año=3.1536.000s f= 1vuelta/año = 0’00000003Hz  = 2  /3156000 rad/s ALGUNAS DEFINICIONES PREVIAS La frecuencia angular, , es el número de radianes que recorre en la unidad de tiempo. Se mide en.

6 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Un movimiento periódico es oscilatorio si la trayectoria se recorre en ambas direcciones. Mov. de un péndulo La posición de un cuerpo en una oscilación viene definida por la distancia a la que se encuentra el cuerpo que oscila de la posición de equilibrio. Esta posición se define por la elongación. La elongación, x, es la distancia que, en un instante dado, separa el cuerpo que oscila de la posición de equilibrio. Se mide en metros (m). La amplitud, A, es la elongación máxima. Se mide en metros (m). ALGUNAS DEFINICIONES PREVIAS x A

7 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL Un movimiento oscilatorio es vibratorio si su trayectoria tiene su origen en el centro de la misma, de manera que las amplitudes a ambos lados del origen son iguales Mov. de un diapasón Mov. de un resorte Mov. cuerdas de guitarra ALGUNAS DEFINICIONES PREVIAS

8 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (mas) Un cuerpo sujeto a un resorte que se ha desplazado de su posición de equilibrio, en ausencia de rozamientos, realiza un “movimiento armónico simple”. Un “movimiento armónico simple”, (m.a.s.), es un movimiento rectilíneo de aceleración variable producido por una fuerza proporcional al desplazamiento, pero de sentido contrario: Un cuerpo que describe un m.a.s. se denomina oscilador armónico.

9 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MAGNITUDES DEL mas OX O -AA x OX.- Eje sobre el que se produce el movimiento. O.- Posición de equilibrio. Todas las distancias se miden a partir de dicho punto. x.- Elongación. Posición en la que está el cuerpo en un instante t, respecto a O. A.- Amplitud. Máximo valor que alcanza x. Tiene el mismo valor a ambos lados. T.- Período. Es el tiempo que tarda el cuerpo en dar una oscilación completa. f.- Frecuencia. Es el número de oscilaciones que realiza en la unidad de tiempo. .- Frecuencia angular o pulsación

10 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ECUACIÓN DEL mas La ecuación de movimiento de un cuerpo es una fórmula que nos permite, conocido el tiempo t transcurrido desde el inicio del movimiento, determinar la posición del cuerpo. Para encontrar la ecuación del m.a.s. consideremos el movimiento de un cuerpo sujeto a un resorte y dibujemos la gráfica x-t. +A -A 0 T/4 2T/4 3T/44T/4 x t A 0 -A-A 3T /4 2T /4 T /4

11 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ECUACIÓN DEL mas La ecuación que representa esta gráfica ha de ser del tipo seno o coseno. A 0 -A 4T/43T/42T/4T/4

12 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ECUACIÓN DEL mas De lo anterior podemos deducir que la ecuación que representa un movimiento armónico simple es: o Donde: x.- Elongación. Posición en la que está el cuerpo en un instante t, respecto a O (m). A.- Amplitud. Máximo valor que alcanza x. Tiene el mismo valor a ambos lados (m). .- Frecuencia angular o pulsación (rad/s). t.- Tiempo en el que queremos calcular x (s).  0.- Fase inicial o desfase. Se calcula a partir de las condiciones iniciales (rad). (  t+  0 ).- Fase(rad).

13 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL EJERCICIO 1 Un cuerpo que oscila con M.A.S. de 10 cm de amplitud, posee un periodo de 2 s. Calcula: la posición del cuerpo, la velocidad y la aceleración cuando ha transcurrido 1/6 de período. t = T/6

14 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL VELOCIDAD EN EL mas En un m.a.s. la velocidad varía en función de la posición, siendo nula en los extremos y máxima en el centro de la trayectoria. Para cualquier movimiento la ecuación de la velocidad en cada instante se obtiene derivando la ecuación de la posición con relación al tiempo: En nuestro caso, derivando la ecuación del m.a.s. con respecto al tiempo obtenemos: o Ecuaciones que nos permiten calcular la velocidad en función del tiempo.

15 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL VELOCIDAD EN EL mas La gráfica velocidad-tiempo (v – t) para el m.a.s. la podemos obtener a partir de una tabla de valores: Considerando  0 =0: v (m) t (s) 0 T +A·ω – A·ω 0 t (s) cos ωtv (m/s 01+Aω 00 -Aω 00 1+Aω T

16 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL VELOCIDAD EN EL mas Para obtener la velocidad en función de la posición: De estas ecuaciones podemos deducir que la velocidad en un m.a.s. es función periódica del tiempo, que su valor depende de la posición de la partícula y que tiene un valor máximo en el centro de la trayectoria y se anula en los extremos. En el centro x=0 : En los extremos x=±A :

17 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ACELERACIÓN EN EL mas En un m.a.s. la aceleración no es constante y varía en función de la posición Para cualquier movimiento la ecuación de la aceleración en cada instante se obtiene derivando la ecuación de la velocidad con relación al tiempo: En nuestro caso, derivando la ecuación de la velocidad con respecto al tiempo obtenemos: o Ecuaciones que nos permiten calcular la velocidad en función del tiempo.

18 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ACELERACIÓN EN EL mas La gráfica aceleración-tiempo (a – t) para el m.a.s. la podemos obtener a partir de una tabla de valores: Considerando  0 =0: a (m) t (s) 0 T +A·ω 2 – A·ω 2 0 t (s) sen ωta (m/s 2 ) 000 1-Aω 2 00 1+Aω 2 00 T

19 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ACELERACIÓN EN EL mas Para obtener la aceleración en función de la posición: De estas ecuaciones podemos deducir que la aceleración en un m.a.s. es función periódica del tiempo, que su valor depende de la posición de la partícula y que tiene un valor máximo en los extremos de la trayectoria y se anula en el centro. En los extremos x=±A : En el centro x=0 :

20 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL EJERCICIO 2 Un cuerpo, partiendo de x=A, realiza un m.a.s. de 100cm de amplitud con un periodo de 2s. Representar las gráficas x-t, v-t y a-t para este movimiento. Calcular la posición, la velocidad y la aceleración del cuerpo cuando t=0,5s. Calcular la velocidad y la aceleración del cuerpo cuando se encuentra en x= 0,5m.

21 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL DINÁMICA DEL mas Un cuerpo que realiza un m.a.s. está sometido a una fuerza directamente proporcional a su posición dada por: Su aceleración, según hemos visto está dada por: De acuerdo con la 2ª ley de Newton, podemos escribir:

22 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ENERGÍA EN EL mas Una masa m puntual que efectúa un m.a.s. tiene una energía cinética debida a su velocidad y una energía potencial elástica debida a su elongación (posición). La energía cinética estará dada por: que en función de la elongación puede escribirse como: Ec t

23 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ENERGÍA EN EL mas Una masa m puntual que efectúa un m.a.s. tiene una energía cinética debida a su velocidad y una energía potencial elástica debida a su elongación (posición). La energía potencial elástica estará dada por: que en función del tiempo puede escribirse como:: Ep t

24 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ENERGÍA EN EL mas La energía mecánica (total) que tiene el oscilador armónico en cada instante es la suma de la energía cinética y potencial: t La energía mecánica de un oscilador armónico es una constante característica de éste directamente proporcional al cuadrado de la amplitud. Em OSCILADOR ARMÓNICO

25 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL EJERCICIO 3 Una masa de 100g unida al extremo libre de un muelle describe un m.a.s. de ecuación X=0,1.sen(20.t), en metros. Determina: Las energías cinética y potencial en función del tiempo. La energía mecánica. Las energías cinética y potencial cuando x=0,04m.

26 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL OSCILACIONES AMORTIGUADAS En una situación ideal, un m.a.s. se repite indefinidamente y, según hemos visto, su energía se mantiene constante. En los movimientos reales intervienen fuerzas de rozamiento que originan una pérdida de energía mecánica que se transforma en calor, ésta pérdida de energía mecánica en el sistema hace disminuir la amplitud de la oscilación hasta que se para. A estas oscilaciones las denominamos oscilaciones amortiguadas. Si E m disminuye, también lo hace A. Oscilación libre Oscilación amortiguada

27 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL OSCILACIONES FORZADAS Podemos compensar la pérdida de energía en un movimiento oscilatorio a causa del rozamiento mediante una fuerza añadida en cada oscilación. Este tipo de oscilaciones se denominan oscilaciones forzadas. Si esta fuerza exterior se aplica con la misma frecuencia que posee el oscilador, se produce el fenómeno denominado resonancia. En la resonancia, un pequeño valor de la fuerza aplicada puede producir un gran aumento de la amplitud de oscilación.

28 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL PÉNDULO SIMPLE. ¿Realiza un m.a.s.? Un péndulo simple consta de una masa puntual m que cuelga de un hilo de longitud L, inextensible y sin masa. m y P= mg  T P y = mg cos  L x P x = – mg sen  Las fuerzas que actúan sobre la masa son el peso, P, y la tensión, T. Descomponiendo el peso, obtenemos que la fuerza resultante, responsable del movimiento es: Para ángulos pequeños (<30º): sen  Y por geometría:  =x/L. Por tanto, un péndulo, para pequeñas oscilaciones, describe un m.a.s. con k=mg/L., y, en consecuencia, T=2  (L/g) 1/2.

29 ING. CIVIL Y AMBIENTAL Ponente / Docente: Fís. Sergio Jerónimo Morante Facultad / Escuela / Programa: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL FÍSICA UNIVERSITARIA SEARS – ZEMANSKY CAPÍTULO 13

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