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Oscilaciones

AP Física 1 · Tema 7

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7:48

Oscilaciones

Dos resortes idénticos, dos masas idénticas. Tira de uno hacia abajo lejos. Tira del otro solo un poco. Suelta ambos al mismo tiempo. ¿Cuál regresa…

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7.1

Definiendo el Movimiento Armónico Simple

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 7.1.A: Describir el movimiento armónico simple.

  • 7.1.A.1 El movimiento armónico simple es un caso especial del movimiento periódico.
  • 7.1.A.2 El MAS resulta cuando la magnitud de la fuerza restauradora ejercida sobre un objeto es proporcional al desplazamiento de ese objeto respecto a su posición de equilibrio.
    • Ecuación: $ma_x = -k\Delta x$
    • 7.1.A.2.i Una fuerza restauradora es una fuerza que se ejerce en dirección opuesta al desplazamiento de un objeto desde una posición de equilibrio.
    • 7.1.A.2.ii Una posición de equilibrio es un lugar en el cual la fuerza neta ejercida sobre un objeto o sistema es cero.
    • 7.1.A.2.iii El movimiento de un péndulo con un pequeño desplazamiento angular puede modelarse como un movimiento armónico simple porque el torque restaurador es proporcional al desplazamiento angular.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Movimiento armónico simple

El movimiento armónico simple 简谐运动 (SHM) es una oscilación 振动 de ida y vuelta causada por una fuerza restauradora 回复力 que es proporcional al desplazamiento desde el equilibrio y siempre apunta hacia él: $F=-kx$. Una masa en un resorte y (para ángulos pequeños) un péndulo son los ejemplos estándar. Dado que la fuerza aumenta con el desplazamiento, el movimiento es suave y repetitivo, trazando una curva senoidal en el tiempo.

En el movimiento armónico simple (MAS), la aceleración siempre apunta hacia atrás hacia el equilibrio, opuesta al desplazamiento
En el SHM, la aceleración siempre apunta hacia el equilibrio, opuesta al desplazamiento

La prueba del SHM es exactamente esta: aceleración proporcional al desplazamiento y opuesta en dirección, $a=-\dfrac{k}{m}x$. Un péndulo solo lo cumple para oscilaciones pequeñas, donde $\sin\theta\approx\theta$; las oscilaciones grandes no son exactamente SHM.

Un resorte bajo carga: la ley de Hooke F = −kx es la fuerza restauradora que produce el MAS
Un resorte bajo carga: la ley de Hooke F = −kx es la fuerza restauradora que produce el SHM
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
Simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ 简谐运动 jiǎn xié yùn dòng
oscillation/ˌɒsɪˈleɪʃn/ 振动 zhèn dòng
restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 回复力 huí fù lì
period/ˈpɪərɪəd/ 周期 zhōu qī
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ 角频率 jiǎo pín lǜ
7.2

Frecuencia y Período del SHM

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 7.2.A: Describir la frecuencia y el periodo de un objeto que presenta MHS.

  • 7.2.A.1 El periodo del MHS está relacionado con la frecuencia $f$ del movimiento del objeto mediante la siguiente ecuación:
    • Ecuación: $T = \dfrac{1}{f}$
    • 7.2.A.1.i El periodo de un oscilador masa-resorte ideal viene dado por la ecuación $T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$.
    • 7.2.A.1.ii El periodo de un péndulo simple desplazado por un ángulo pequeño viene dado por la ecuación $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

  • El período $T$ es el tiempo necesario para completar un ciclo completo.
  • La frecuencia 频率 $f=\dfrac{1}{T}$ es ciclos por segundo (hercios).

Para el SHM, estos dependen únicamente del sistema, no de la amplitud:

$$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}.$$
Por lo tanto, un resorte más rígido o una masa menor oscila más rápido; un péndulo más largo oscila más lento.

Ejemplo resuelto. Una masa de $0.25\ \text{kg}$ cuelga de un resorte de rigidez $k=100\ \text{N/m}$. Su período es

$$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}=2\pi\sqrt{\frac{0.25}{100}}=0.31\ \text{s},\qquad f=\frac{1}{T}=3.2\ \text{Hz}.$$

Ejemplo resuelto. Un reloj de péndulo marca con un período exacto de $2.0\ \text{s}$. ¿Cuánto mide? Despejando $T=2\pi\sqrt{L/g}$,

$$L=g\left(\frac{T}{2\pi}\right)^2=9.8\times\left(\frac{2.0}{2\pi}\right)^2=0.99\ \text{m}.$$
Observe que la amplitud nunca entró en juego; un balanceo ancho o estrecho mantiene el mismo tiempo, lo cual hace que los péndulos sean buenos relojes.

A set of tuning forks of different sizes
Tuners de afinación: un tuning fork más largo y pesado vibra más lentamente, produciendo una frecuencia más baja
Explorar

Medir el periodo de oscilación de un péndulo

El periodo de un péndulo depende de su longitud y la gravedad, no de su masa ni de la amplitud (pequeña): $T=2\pi\sqrt{L/g}$. Alarga el péndulo y cada oscilación tarda más.

7.3

Representación y Análisis del SHM

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 7.3.A: Describir el desplazamiento, la velocidad y la aceleración de un objeto que presenta MHS.

  • 7.3.A.1 Para un objeto que presenta MHS, el desplazamiento de ese objeto medido desde su posición de equilibrio puede representarse mediante las ecuaciones $x = A\cos(2\pi ft)$ o $x = A\sin(2\pi ft)$.
    • 7.3.A.1.i Los mínimos, máximos y ceros del desplazamiento, la velocidad y la aceleración son características del movimiento armónico.
    • 7.3.A.1.ii Reconocer las posiciones o los instantes en los que el desplazamiento, la velocidad y la aceleración del MHS alcanzan valores extremos o cero puede ayudar a describir cualitativamente el comportamiento del movimiento.
  • 7.3.A.2 Cambiar la amplitud de un sistema que presenta MHS no cambiará el período de dicho sistema.
  • 7.3.A.3 Las propiedades del MHS pueden determinarse y analizarse mediante representaciones gráficas.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

El desplazamiento varía sinusoidalmente: $x(t)=A\cos(\omega t)$ (o seno), donde $A$ es la amplitud 振幅 (desplazamiento máximo) y $\omega=2\pi f$ es la frecuencia angular 角频率. Lectura del movimiento:

El desplazamiento varía sinusoidalmente con el tiempo en el movimiento armónico simple
El desplazamiento varía sinusoidalmente con el tiempo en el movimiento armónico simple
  • En los extremos ($x=\pm A$): el desplazamiento y la fuerza restauradora son máximos, por lo que la aceleración es máxima, pero la velocidad es cero.
  • En el equilibrio 平衡 ($x=0$): la fuerza y la aceleración son cero, pero la velocidad es máxima.

La velocidad y la aceleración también son sinusoidales, desfasadas en fase 相位 respecto al desplazamiento: la velocidad adelanta al desplazamiento en un cuarto de ciclo, y la aceleración es exactamente opuesta al desplazamiento.

Desplazamiento, velocidad y aceleración en el MAS, cada uno separado por un cuarto de ciclo
Desplazamiento, velocidad y aceleración en el SHM, cada uno separado por un cuarto de ciclo

Lea la figura como una historia: donde $x$ es mayor (el punto de retorno), $v$ acaba de caer a cero y $a$ está en su valor más negativo, jalando la masa de regreso; un cuarto de ciclo después, la masa atraviesa el centro a máxima velocidad con aceleración cero.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
phase/feɪz/ 相位 xiàng wèi
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡 píng héng
7.4

Energía de los Osciladores Armónicos Simples

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 7.4.A: Describir la energía mecánica de un sistema que presenta MHS.

  • 7.4.A.1 La energía total de un sistema que presenta MHS es la suma de la energía cinética y potencial del sistema.
    • Ecuación: $E_{\text{total}} = U + K$
  • 7.4.A.2 La conservación de la energía indica que la energía total de un sistema que presenta MHS es constante.
  • 7.4.A.3 La energía cinética de un sistema que presenta MHS es máxima cuando la energía potencial del sistema es mínima.
  • 7.4.A.4 La energía potencial de un sistema que presenta MHS es máxima cuando la energía cinética del sistema es mínima.
    • 7.4.A.4.i La energía cinética mínima de un sistema que presenta MHS es cero.
    • 7.4.A.4.ii Cambiar la amplitud de un sistema que presenta MHS modificará la energía potencial máxima del sistema y, por lo tanto, la energía total del sistema.
    • Ecuación relevante para un sistema resorte–objeto: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Conservación de energía: KE ⇄ PE

La energía se transfiere entre cinética y potencial mientras que el total permanece constante (sin fricción):

$$E=\tfrac{1}{2}kA^2 = \tfrac{1}{2}kx^2+\tfrac{1}{2}mv^2.$$
En los extremos, es toda potencial; en el equilibrio, es toda cinética (velocidad máxima). Debido a que $E\propto A^2$, duplicar la amplitud cuadruplica la energía.

La energía cinética y la potencial se intercambian durante un ciclo mientras la energía total permanece constante
Cinética y potencial se intercalan durante un ciclo mientras la energía total permanece constante

Ejemplo resuelto. Una $0.50\ \text{kg}$ masa en un resorte de rigidez $k=200\ \text{N/m}$ oscila con amplitud $A=0.10\ \text{m}$. Encuentre su velocidad máxima. Toda la energía es cinética en el punto de equilibrio, por lo que $\tfrac12 kA^2=\tfrac12 mv_{\max}^2$:

$$v_{\max}=A\sqrt{\frac{k}{m}}=0.10\times\sqrt{\frac{200}{0.50}}=0.10\times20=2.0\ \text{m/s}.$$
El método de energía es más rápido que rastrear las funciones seno cuando solo se necesita la velocidad máxima.

Explorar

Intercambiar energía cinética y potencial en el MAS

En el movimiento armónico simple, la energía oscila entre cinética (máxima en el centro) y potencial (máxima en los extremos) mientras el total permanece constante.

7.4

Consejos para el examen

  • Verifique si hay MHS: la aceleración debe ser proporcional al desplazamiento y dirigida hacia el centro ($a=-\tfrac{k}{m}x$).
  • El período no depende de la amplitud — utilice $T=2\pi\sqrt{m/k}$ (resorte) o $T=2\pi\sqrt{L/g}$ (péndulo, ángulos pequeños).
  • La velocidad es máxima en el centro (toda cinética) y cero en los extremos (toda potencial); la aceleración es mayor en los extremos.
  • Use energía ($\tfrac12 kA^2 = \tfrac12 kx^2 + \tfrac12 mv^2$) para encontrar la velocidad máxima rápidamente: $v_{\max}=A\sqrt{k/m}$.
  • La energía total $\propto A^2$, por lo que duplicar la amplitud cuadruplica la energía.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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