Tema 31 de 37Física

Movimiento oscilatorio

Estudiarás el movimiento oscilatorio y el armónico simple para describir oscilaciones reales y calcular posición, velocidad, aceleración y energía en sistemas como resortes y péndulos.

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior, inducción electromagnética, viste que un flujo magnético variable produce una fem inducida; los generadores eléctricos aprovechan ese fenómeno para producir voltajes que cambian con el tiempo. Ese voltaje alterno se describe, precisamente, con funciones armónicas como el seno y el coseno.

Ahora estudiaremos el movimiento oscilatorio, y dentro de él el movimiento armónico simple (MAS), que es el modelo más importante de oscilación. Sirve para describir, de manera aproximada o exacta, el movimiento de un bloque unido a un resorte, un péndulo pequeño, el émbolo de un motor, las vibraciones de las moléculas, las cuerdas de una guitarra y muchas oscilaciones eléctricas.

La razón de ser del tema es doble:

  1. Porque muchos sistemas reales oscilan: al entender el MAS puedes calcular posición, velocidad, aceleración y energía de un oscilador.
  2. Porque es la base del tema siguiente: una onda mecánica se produce cuando una partícula oscila y transmite su perturbación a las partículas vecinas. Si la fuente oscila con MAS, la onda será armónica.

En los exámenes de admisión de la UNMSM, este tema aparece con mucha frecuencia en preguntas de sistema bloque-resorte, energía del oscilador y péndulo simple.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Antes de estudiar el movimiento armónico simple, conviene recordar:

  • Segunda ley de Newton: ∑F=ma \sum F = ma .
  • Ley de Hooke para un resorte ideal: la fuerza que ejerce un resorte depende de su deformación xx medida desde su longitud natural, y es Fe=−kx, F_e = -kx, donde kk es la constante elástica o rigidez del resorte.
  • Energía potencial elástica: Ue=12kx2. U_e = \frac{1}{2} kx^2.
  • Energía cinética: Ec=12mv2. E_c = \frac{1}{2} mv^2.
  • Conservación de la energía mecánica: si solo actúan fuerzas conservativas, Em=Ec+UE_m = E_c + U permanece constante.
  • Movimiento circular uniforme (MCU): una partícula que gira con rapidez angular ω\omega tiene periodo T=2πω, T = \frac{2\pi}{\omega}, y su proyección sobre un diámetro describe justamente un MAS. Esta relación es muy útil para entender las ecuaciones del movimiento armónico.
  • Radianes: en este tema los ángulos de fase se expresan en radianes.

1

Movimiento oscilatorio y movimiento periódico

Un movimiento es periódico cuando se repite en intervalos de tiempo iguales. El tiempo que tarda en repetirse un ciclo completo se llama periodo TT.

Un movimiento es oscilatorio cuando el cuerpo se mueve de ida y vuelta alrededor de una posición de equilibrio. Todo movimiento oscilatorio ideal es periódico, pero no todo movimiento periódico es oscilatorio: un planeta girando alrededor del Sol es periódico, pero no va y vuelve sobre la misma trayectoria.

Algunos ejemplos de movimiento oscilatorio:

  • un bloque unido a un resorte,
  • el émbolo de un motor,
  • una boya en el mar,
  • un columpio,
  • un péndulo pequeño,
  • las aspas de un puente sometidas al viento.

Periodo, frecuencia y frecuencia angular

Si un sistema realiza NN oscilaciones en un tiempo tt, su periodo es

T=tN, T = \frac{t}{N},

y su frecuencia es

f=Nt=1T. f = \frac{N}{t} = \frac{1}{T}.

La frecuencia se mide en hertz (Hz), donde

1 Hz=1 s−1. 1\ \mathrm{Hz} = 1\ \mathrm{s}^{-1}.

La frecuencia angular o cíclica ω\omega se define como

ω=2πT=2πf, \omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,

y se expresa en radianes por segundo, rad/s\mathrm{rad/s}.


2

Movimiento armónico simple y sistema bloque-resorte

¿Qué es el MAS?

Considera un bloque de masa mm unido a un resorte ideal de constante kk, colocado sobre una superficie horizontal lisa.

[

Bloque unido a un resorte horizontal sin fricción: posiciones x=0, x=+A y x=-A

]

Cuando el bloque está en x=0x=0, el resorte no está estirado ni comprimido, y la fuerza neta sobre el bloque es cero. Esa es la posición de equilibrio.

Si desplazas el bloque una distancia xx hacia la derecha, el resorte se estira y ejerce sobre el bloque una fuerza hacia la izquierda. Si lo desplazas hacia la izquierda, el resorte se comprime y ejerce una fuerza hacia la derecha. Esa fuerza siempre apunta hacia la posición de equilibrio y se llama fuerza recuperadora.

La fuerza del resorte es

F=−kx. F = -kx.

El signo negativo indica que la fuerza tiene sentido contrario a la deformación xx.

Como la superficie es lisa, la única fuerza horizontal es la del resorte. Aplicando la segunda ley de Newton:

ma=−kx, ma = -kx,

de donde

a=−kmx. a = -\frac{k}{m}x.

Esta es la característica central del MAS:

Una partícula describe un movimiento armónico simple cuando su aceleración es directamente proporcional a su elongación xx y de signo contrario a ella: >a=−ω2x.> > a = -\omega^2 x. >

Comparando con la ecuación anterior, para el sistema bloque-resorte

ω2=km. \omega^2 = \frac{k}{m}.

Por lo tanto, la frecuencia angular es

ω=km, \omega = \sqrt{\frac{k}{m}},

y el periodo es

T=2πω=2πmk. T = \frac{2\pi}{\omega} = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}.

Interpretación del periodo del bloque-resorte

  • A mayor masa mm, mayor inercia, el bloque tarda más en cambiar de dirección, y el periodo aumenta.
  • A mayor constante kk, el resorte es más rígido, la fuerza recuperadora es mayor, y el periodo disminuye.
  • El periodo no depende de la amplitud AA. Esta propiedad se llama isocronismo.

Resorte vertical

Si el resorte se cuelga verticalmente y se le une una masa mm, el resorte se estira hasta una nueva posición de equilibrio. En esa posición, la fuerza del resorte equilibra al peso:

kx0=mg, kx_0 = mg,

donde x0x_0 es el estiramiento adicional necesario. Si se desplaza la masa desde esa posición de equilibrio, el sistema también describe un MAS con el mismo periodo:

T=2πmk. T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}}.

Esto es válido porque alrededor del equilibrio, la fuerza neta vuelve a ser proporcional al desplazamiento.

Comparación entre periodos

Para el mismo resorte, cuando se cambia la masa:

T1T2=m1m2. \frac{T_1}{T_2} = \sqrt{\frac{m_1}{m_2}}.

Para la misma masa, cuando se cambia la constante del resorte:

T1T2=k2k1. \frac{T_1}{T_2} = \sqrt{\frac{k_2}{k_1}}.

Si dos masas m1m_1 y m2m_2 se colocan juntas en el mismo resorte, la masa total es m1+m2m_1+m_2, por lo que

T2=T12+T22. T^2 = T_1^2 + T_2^2.

Esta relación proviene de que T2T^2 es proporcional a la masa.


3

Cinemática del MAS: posición, velocidad y aceleración

La proyección de un movimiento circular

Una forma muy útil de obtener las ecuaciones del MAS es imaginar un movimiento circular uniforme de radio AA y rapidez angular ω\omega.

[

Proyección de un movimiento circular uniforme sobre el diámetro horizontal

]

La proyección sobre el diámetro oscila exactamente como un MAS. Por eso, el periodo del MAS coincide con el periodo del MCU:

T=2πω. T = \frac{2\pi}{\omega}.

La amplitud AA es la máxima elongación, es decir, la máxima distancia del cuerpo a su posición de equilibrio.

La elongación xx es la posición instantánea medida desde la posición de equilibrio. Puede ser positiva o negativa.

La fase inicial ϕ\phi es el ángulo que describe el estado del oscilador en t=0t=0.

Ecuaciones del MAS

Tomando como base la proyección que se describe con la función seno, la posición es

x(t)=Asin⁡(ωt+ϕ). x(t) = A \sin(\omega t + \phi).

La velocidad es

v(t)=Aωcos⁡(ωt+ϕ). v(t) = A\omega \cos(\omega t + \phi).

La aceleración es

a(t)=−Aω2sin⁡(ωt+ϕ), a(t) = -A\omega^2 \sin(\omega t + \phi),

o, en forma más compacta,

a(t)=−ω2x(t). a(t) = -\omega^2 x(t).

Estas ecuaciones también pueden escribirse con coseno:

x(t)=Acos⁡(ωt+ϕ′), x(t) = A\cos(\omega t + \phi'),

donde ϕ′\phi' es otra fase inicial. Ambas formas son equivalentes; la elección depende del problema.

Relación entre rapidez y elongación

De las ecuaciones puede obtenerse una relación muy útil:

v=±ωA2−x2. v = \pm \omega \sqrt{A^2 - x^2}.

El signo positivo o negativo indica el sentido del movimiento.

De esta relación se deduce:

  • Si x=0x=0, la rapidez es máxima: vmax⁡=ωA. v_{\max} = \omega A.
  • Si x=±Ax=\pm A, la rapidez es cero.

Además, la aceleración máxima ocurre en los extremos:

amax⁡=ω2A. a_{\max} = \omega^2 A.

En la posición de equilibrio, la aceleración es cero.

Tabla comparativa en tres posiciones

Posición Elongación xx Rapidez vv Aceleración aa
Posición de equilibrio 00 vmax⁡=ωAv_{\max}=\omega A 00
Punto cualquiera xx ωA2−x2\omega\sqrt{A^2-x^2} −ω2x-\omega^2 x
Extremos ±A\pm A 00 amax⁡=ω2Aa_{\max}=\omega^2 A

Cómo determinar la fase inicial

La fase inicial ϕ\phi se halla con las condiciones en t=0t=0.

Usando x=Asin⁡(ωt+ϕ)x=A\sin(\omega t+\phi):

Condición inicial Fase inicial
x(0)=0x(0)=0 y se mueve hacia +x+x ϕ=0 \phi = 0
x(0)=+Ax(0)=+A y v(0)=0v(0)=0 ϕ=π/2 \phi = \pi/2
x(0)=−Ax(0)=-A y v(0)=0v(0)=0 ϕ=−π/2 \phi = -\pi/2
x(0)=0x(0)=0 y se mueve hacia −x-x ϕ=π \phi = \pi

Por ejemplo, si en t=0t=0 el bloque se suelta desde x=−Ax=-A, entonces

x(t)=Asin⁡(ωt−π2)=−Acos⁡(ωt). x(t)=A\sin\left(\omega t-\frac{\pi}{2}\right) =-A\cos(\omega t).

Esta conversión entre seno y coseno es muy usada en los problemas de admisión.

La aceleración no es constante

Un error común es tratar al MAS como un MRUV. En el MAS, la aceleración cambia continuamente: es máxima en los extremos, nula en el centro y siempre se opone al desplazamiento.


4

Energía del movimiento oscilatorio

Ahora analicemos la energía del sistema bloque-resorte horizontal sobre una superficie lisa.

[

Bloque unido a un resorte horizontal: posiciones x = -A, 0 y +A

]

Sobre el bloque actúan el peso y la normal, que no realizan trabajo, y la fuerza elástica, que es conservativa. Por tanto, la energía mecánica total se conserva.

En cualquier posición:

Em=Ec+Ue. E_m = E_c + U_e.

Es decir,

Em=12mv2+12kx2. E_m = \frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}kx^2.

Energía total del oscilador

En los extremos, x=±Ax=\pm A y v=0v=0. Entonces toda la energía es potencial elástica:

Em=12kA2. E_m = \frac{1}{2}kA^2.

En la posición de equilibrio, x=0x=0 y v=vmax⁡v=v_{\max}. Entonces toda la energía es cinética:

Em=12mvmax⁡2. E_m = \frac{1}{2}mv_{\max}^2.

Como ambas expresiones son iguales a la energía mecánica total, se cumple:

Em=12kA2=12mvmax⁡2. E_m = \frac{1}{2}kA^2 = \frac{1}{2}mv_{\max}^2.

Usando ω2=k/m\omega^2 = k/m, también se escribe:

Em=12mω2A2. E_m = \frac{1}{2}m\omega^2 A^2.

Esta última forma es muy útil cuando conocemos la masa, la frecuencia angular y la amplitud.

Energía cinética y potencial en función de la posición

La energía potencial elástica en un punto xx es

Ue=12kx2. U_e = \frac{1}{2}kx^2.

La energía cinética se obtiene de la conservación de la energía:

Ec=Em−Ue, E_c = E_m - U_e,

Ec=12kA2−12kx2, E_c = \frac{1}{2}kA^2 - \frac{1}{2}kx^2,

Ec=12k(A2−x2). E_c = \frac{1}{2}k\left(A^2 - x^2\right).

Entonces:

  • En x=0x=0: Ue=0U_e=0, Ec=12kA2E_c=\frac12 kA^2.
  • En x=±Ax=\pm A: Ue=12kA2U_e=\frac12 kA^2, Ec=0E_c=0.
  • En cualquier punto: Ec+Ue=12kA2E_c+U_e=\frac12 kA^2.

Gráficas de energía

[

Energías en función de la posición: Ue, Ec y Em (con A=2 y ½k=1)

]

En la gráfica se observa que la energía total es constante; lo que cambia es cómo se reparte entre cinética y potencial.


5

Péndulo simple

Definición

Un péndulo simple es un sistema formado por una masa puntual mm suspendida de una cuerda ideal de longitud LL, inextensible y de masa despreciable.

[

Péndulo simple: tensión, peso y componente tangencial mg sinθ

]

Cuando se separa el péndulo de su posición vertical y se suelta, oscila alrededor de la vertical.

Fuerza restauradora

Para un desplazamiento angular θ\theta, la componente tangencial del peso es

Ft=−mgsin⁡θ. F_t = -mg\sin\theta.

El signo negativo indica que se opone al desplazamiento.

Si θ\theta es pequeño, se puede aproximar

sin⁡θ≈θ, \sin\theta \approx \theta,

con θ\theta expresado en radianes.

Además, la longitud de arco ss que recorre la masa desde la posición de equilibrio es

s=Lθ. s = L\theta.

Por tanto,

Ft≈−mgsL. F_t \approx -mg\frac{s}{L}.

Comparando con la ley de Hooke F=−kxF=-kx, se observa que el péndulo se comporta como un oscilador armónico con una constante equivalente

k=mgL. k = \frac{mg}{L}.

Periodo del péndulo simple

Reemplazando en la fórmula general del MAS:

ω2=km=mg/Lm=gL. \omega^2 = \frac{k}{m} = \frac{mg/L}{m} = \frac{g}{L}.

Por lo tanto,

ω=gL, \omega = \sqrt{\frac{g}{L}},

y el periodo es

T=2πLg. T = 2\pi \sqrt{\frac{L}{g}}.

La frecuencia es

f=12πgL. f = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{g}{L}}.

Propiedades del péndulo simple para pequeñas oscilaciones

  • El periodo no depende de la masa del péndulo.
  • El periodo no depende de la amplitud angular, siempre que esta sea pequeña.
  • El periodo depende de la longitud: mayor longitud, mayor periodo.
  • El periodo depende de la gravedad: mayor gravedad, menor periodo.

Por eso, el péndulo simple se usa para medir la aceleración de la gravedad:

g=4π2LT2. g = \frac{4\pi^2 L}{T^2}.

Condición de ángulo pequeño

Para que el péndulo simple se comporte como un MAS, su amplitud angular debe ser pequeña, usualmente menor que 12∘12^\circ. Si el ángulo es grande, sin⁡θ≈θ \sin\theta \approx \theta deja de ser válida y el periodo comienza a depender de la amplitud.

Energía del péndulo simple

Durante la oscilación, la energía se transforma de energía potencial gravitatoria en energía cinética y viceversa. En los extremos, la masa se detiene y tiene máxima altura; en el punto más bajo, su rapidez es máxima.

Para pequeñas oscilaciones, también se cumple que la rapidez máxima es

vmax⁡=ωA, v_{\max} = \omega A,

donde AA es la máxima separación a lo largo del arco, es decir,

A=Lθmax⁡, A = L\theta_{\max},

con θmax⁡\theta_{\max} en radianes.


6

Aplicación: bloque sobre bloque en un sistema oscilante

En algunos problemas de admisión se combina el MAS con la fricción.

Imagina un bloque pequeño de masa mm que descansa sobre un bloque mayor que oscila horizontalmente. Si no hay deslizamiento, la fuerza que impulsa al bloque pequeño es la fricción estática entre las superficies.

La aceleración máxima del oscilador es

amax⁡=ω2A. a_{\max} = \omega^2 A.

Para que el bloque pequeño no se deslice, la aceleración que le exige el movimiento no debe superar la aceleración máxima que puede proporcionarle la fricción estática:

amax⁡≤μsg, a_{\max} \le \mu_s g,

donde μs\mu_s es el coeficiente de fricción estático y gg la aceleración de la gravedad.


Cuidado

Errores frecuentes

  1. Confundir una oscilación con media oscilación.
    Una oscilación completa va de un estado hasta volver al mismo estado con la misma velocidad. Por ejemplo: de un extremo al otro extremo y regresar al extremo inicial.

  2. Pensar que el periodo del bloque-resorte depende de la amplitud.
    En el MAS ideal, T=2πm/kT=2\pi\sqrt{m/k}; no depende de AA.

  3. Creer que el periodo del péndulo depende de la masa.
    En T=2πL/gT=2\pi\sqrt{L/g}, la masa no aparece.

  4. Usar v=ωxv=\omega x para cualquier posición.
    La relación correcta es v=ωA2−x2v=\omega\sqrt{A^2-x^2}. Solo en x=0x=0 se tiene vmax⁡=ωAv_{\max}=\omega A.

  5. Olvidar el signo negativo en la aceleración.
    La aceleración es a=−ω2xa=-\omega^2 x; su sentido es opuesto a la elongación.

  6. Confundir energía mecánica con energía potencial en el centro.
    En la posición de equilibrio, Ue=0U_e=0 y EcE_c es máxima, pero EmE_m no es cero; vale 12kA2\frac12 kA^2.

  7. Pensar que en los extremos la energía mecánica es cero.
    En los extremos la energía cinética es cero, pero la potencial es máxima.

  8. Mezclar unidades.
    La amplitud y la elongación deben estar en metros, la masa en kilogramos y la frecuencia angular en rad/s para usar el SI.

  9. Usar grados en lugar de radianes en las fases.
    Las fases ωt+ϕ\omega t+\phi se manejan en radianes.

  10. Considerar MAS en un péndulo para cualquier ángulo.
    Solo hay MAS para ángulos pequeños, típicamente menores que 12∘12^\circ.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Un bloque de 1.0 kg1.0\ \mathrm{kg} está unido a un resorte de constante k=100 N/mk=100\ \mathrm{N/m} sobre una superficie horizontal lisa. En t=0t=0, el bloque se estira 0.20 m0.20\ \mathrm{m} hacia la derecha y se suelta desde el reposo. Determine:

a) la frecuencia angular y el periodo, b) la ecuación de la posición x(t)x(t), c) la rapidez máxima.

Solución

Paso 1: identificar la amplitud y las condiciones iniciales.
El bloque se suelta desde x=0.20 mx=0.20\ \mathrm{m} con velocidad cero. Esa es una posición extrema, por lo tanto,

A=0.20 m. A = 0.20\ \mathrm{m}.

Paso 2: calcular la frecuencia angular.
La frecuencia angular en un sistema bloque-resorte es

ω=km=1001.0=10 rad/s. \omega = \sqrt{\frac{k}{m}} = \sqrt{\frac{100}{1.0}} = 10\ \mathrm{rad/s}.

Paso 3: calcular el periodo.
T=2πω=2π10=π5 s. T = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{10} = \frac{\pi}{5}\ \mathrm{s}.

Paso 4: escribir la ecuación de posición.
Como en t=0t=0 el bloque está en +A+A, podemos usar coseno:

x(t)=Acos⁡(ωt), x(t) = A\cos(\omega t),

x(t)=0.20cos⁡(10t) m. x(t) = 0.20\cos(10t)\ \mathrm{m}.

Si se prefiere la forma seno:

x(t)=0.20sin⁡(10t+π2) m. x(t)=0.20\sin\left(10t+\frac{\pi}{2}\right)\ \mathrm{m}.

Paso 5: calcular la rapidez máxima.
vmax⁡=ωA=10×0.20=2.0 m/s. v_{\max} = \omega A = 10 \times 0.20 = 2.0\ \mathrm{m/s}.


Ejemplo 2

Un oscilador armónico tiene masa m=2.0 kgm=2.0\ \mathrm{kg}, amplitud A=0.50 mA=0.50\ \mathrm{m} y frecuencia f=1.0 Hzf=1.0\ \mathrm{Hz}. Determine:

a) la constante kk equivalente del resorte, b) la energía mecánica total, c) la rapidez cuando la elongación es x=0.30 mx=0.30\ \mathrm{m}.

Solución

Paso 1: calcular ω\omega.
ω=2πf=2π(1.0)=2π rad/s. \omega = 2\pi f = 2\pi(1.0) = 2\pi\ \mathrm{rad/s}.

Paso 2: calcular la constante kk.
Para un bloque-resorte, ω2=k/m \omega^2 = k/m . Entonces,

k=mω2=2.0×(2π)2=8π2 N/m. k = m\omega^2 = 2.0 \times (2\pi)^2 = 8\pi^2\ \mathrm{N/m}.

Paso 3: energía mecánica total.
Usamos Em=12kA2E_m = \frac12 k A^2:

Em=12(8π2)(0.50)2=12(8π2)(0.25)=π2 J. E_m = \frac12 (8\pi^2)(0.50)^2 = \frac12 (8\pi^2)(0.25) = \pi^2\ \mathrm{J}.

Aproximando, Em≈9.87 JE_m \approx 9.87\ \mathrm{J}.

Paso 4: rapidez en x=0.30 mx=0.30\ \mathrm{m}.
La relación entre rapidez y elongación es

v=ωA2−x2. v = \omega\sqrt{A^2-x^2}.

Reemplazando:

v=2π(0.50)2−(0.30)2=2π0.25−0.09=2π0.16=2π(0.40)=0.80π m/s. v = 2\pi\sqrt{(0.50)^2 - (0.30)^2} = 2\pi\sqrt{0.25 - 0.09} = 2\pi\sqrt{0.16} = 2\pi(0.40) = 0.80\pi\ \mathrm{m/s}.

Aproximadamente,

v≈2.5 m/s. v \approx 2.5\ \mathrm{m/s}.


Ejemplo 3

Un péndulo simple tiene una longitud L=1.0 mL=1.0\ \mathrm{m} y se encuentra en un lugar donde g=π2 m/s2g=\pi^2\ \mathrm{m/s^2}.

a) Determine su periodo. b) Si la longitud se reduce a 0.25 m0.25\ \mathrm{m}, determine el nuevo periodo.

Solución

Paso 1: periodo inicial.
T=2πLg=2π1.0π2=2π(1π)=2 s. T = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}} = 2\pi\sqrt{\frac{1.0}{\pi^2}} = 2\pi\left(\frac{1}{\pi}\right) = 2\ \mathrm{s}.

Este es el conocido caso del péndulo que “bate segundos”: su periodo completo es 22 s.

Paso 2: nuevo periodo con L′=0.25 mL'=0.25\ \mathrm{m}.
La relación entre periodos para dos longitudes es

T′T=L′L. \frac{T'}{T} = \sqrt{\frac{L'}{L}}.

Entonces,

T′=T0.251.0=20.25=2×0.5=1 s. T' = T\sqrt{\frac{0.25}{1.0}} = 2\sqrt{0.25} = 2 \times 0.5 = 1\ \mathrm{s}.

Esto muestra que, si la longitud se reduce a la cuarta parte, el periodo se reduce a la mitad.


Ejemplo 4

Un bloque grande de masa M=3.0 kgM=3.0\ \mathrm{kg} está unido a un resorte de constante k=12 N/mk=12\ \mathrm{N/m} sobre una superficie horizontal lisa. Sobre él se coloca un bloque pequeño de masa m=1.0 kgm=1.0\ \mathrm{kg}. El coeficiente de fricción estática entre ambos bloques es μs=0.6\mu_s=0.6. Si el sistema oscila con MAS, determine la máxima amplitud para que el bloque pequeño no se deslice. Use g=10 m/s2g=10\ \mathrm{m/s^2}.

Solución

Paso 1: entender el sistema.
Ambos bloques oscilan juntos. La masa total es

mtotal=M+m=3.0+1.0=4.0 kg. m_{\text{total}} = M + m = 3.0 + 1.0 = 4.0\ \mathrm{kg}.

Paso 2: frecuencia angular del sistema.
ω=kmtotal=124.0=3 rad/s. \omega = \sqrt{\frac{k}{m_{\text{total}}}} = \sqrt{\frac{12}{4.0}} = \sqrt{3}\ \mathrm{rad/s}.

Paso 3: máxima aceleración permitida por la fricción.
El bloque pequeño es acelerado por la fricción estática. La fuerza máxima de fricción es

fs,max⁡=μsN=μsmg. f_{s,\max} = \mu_s N = \mu_s mg.

Por segunda ley, la aceleración máxima del bloque pequeño es

amax⁡=fs,max⁡m=μsg=0.6×10=6.0 m/s2. a_{\max} = \frac{f_{s,\max}}{m} = \mu_s g = 0.6 \times 10 = 6.0\ \mathrm{m/s^2}.

Paso 4: relación entre aceleración máxima y amplitud.
En un MAS,

amax⁡=ω2A. a_{\max} = \omega^2 A.

Despejando AA:

A=amax⁡ω2=6.0(3)2=6.03=2.0 m. A = \frac{a_{\max}}{\omega^2} = \frac{6.0}{(\sqrt{3})^2} = \frac{6.0}{3} = 2.0\ \mathrm{m}.

La máxima amplitud es 2.0 m2.0\ \mathrm{m}.


Lo que viene

Hacia el siguiente tema

El movimiento armónico simple que has estudiado es el paso previo natural para entender el movimiento ondulatorio. Una onda mecánica aparece cuando una partícula que oscila con MAS perturba a las partículas vecinas y transmite energía a través del medio.

En el siguiente tema utilizarás los mismos conceptos de amplitud, periodo, frecuencia y frecuencia angular, y agregarás la idea de longitud de onda y rapidez de propagación. La ecuación de onda senoidal, y(x,t)=Asin⁡(kx−ωt+ϕ)y(x,t)=A\sin(kx-\omega t+\phi), extiende la ecuación del MAS que acabas de aprender a todo un medio continuo.

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Básico 5/6Intermedio 45/8Avanzado 5/6Total 55/20

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1Un oscilador armónico simple tiene un periodo \(T=0{,}40\,\mathrm{s}\) y una amplitud \(A=0{,}02\,\mathrm{m}\). En \(t=0\), el cuerpo pasa por la posición de equilibrio con velocidad máxima en el sentido positivo. Determine su posición en el instante \(t=0{,}15\,\mathrm{s}\).UNMSM Sin procesoIntermedio
2Un péndulo simple tiene un periodo de \(2{,}0\,\mathrm{s}\) en un lugar donde la aceleración de la gravedad es \(10\,\mathrm{m/s^2}\). Si se lleva a un planeta donde la aceleración de la gravedad es \(2{,}5\,\mathrm{m/s^2}\), ¿cuál será su nuevo periodo para pequeñas oscilaciones?UNMSM Sin procesoIntermedio
3Un bloque unido a un resorte ideal describe un MAS con energía mecánica total \(E=1{,}8\,\mathrm{J}\). Determine la energía cinética del bloque cuando su elongación es un tercio de la amplitud.UNMSM Sin procesoAvanzado