En este artículo, realizaremos un experimento simple del sistema de resorte-masa. Tenemos un resorte conectado a una masa de 1 kg y el resorte tiene una constante de resorte específica. La línea punteada azul representa el punto de equilibrio del resorte, donde la fuerza del resorte y la fuerza gravitacional son iguales.
En el experimento, estiramos el resorte una cierta distancia y lo soltamos. La masa subirá y volverá a su posición original, y el tiempo necesario para este recorrido se conoce como período de tiempo. Vamos a medir el período de tiempo del sistema utilizando un cronómetro.
Realizamos dos experimentos, uno con menos estiramiento del resorte y otro con más estiramiento. Aunque el primer caso viaja una distancia mayor, el período de oscilación es el mismo para ambos casos. Esto demuestra que el período de tiempo no cambia con el estiramiento del resorte.
Probamos varios sistemas, como puentes, circuitos electrónicos, vasos y chimeneas, y descubrimos que la frecuencia de vibración es una propiedad inherente de cada sistema, independiente de las acciones del usuario o las condiciones iniciales.
Matemáticamente, podemos predecir el movimiento de un sistema vibrante utilizando la ley de Newton. El movimiento se asemeja a una función coseno con respecto al tiempo. Graficamente, el sistema se representa como una onda coseno.
Fisicamente, el sistema de resorte-masa oscila continuamente, donde la energía potencial del resorte se convierte en energía cinética de la masa y viceversa. Sin embargo, con el tiempo, la amplitud de la oscilación disminuye debido a la fuerza viscosa del aire circundante, lo que provoca una pérdida continua de energía.
Podemos aumentar la viscosidad del fluido que rodea el sistema de resorte para observar diferentes comportamientos. A medida que aumentamos la viscosidad, la tendencia a la oscilación disminuye y el sistema eventualmente se detiene sin oscilación.
En la siguiente sección, exploraremos la vibración forzada, donde aplicamos una fuerza externa al sistema de resorte-masa. En este caso, la amplitud de la vibración depende de la diferencia de frecuencias entre la frecuencia externa y la frecuencia natural del sistema. Cuando estas frecuencias son cercanas, experimentamos la resonancia, donde la amplitud se vuelve muy alta, lo que puede resultar en daños materiales.
