Na vida cotidiana, uma pessoa encontra constantemente manifestações de movimento oscilatório. Este é o balanço do pêndulo no relógio, as vibrações das molas do automóvel e de todo o carro. Mesmo um terremoto nada mais é do que vibrações da crosta terrestre. Os arranha-céus também oscilam com fortes rajadas de vento. Vamos tentar descobrir como a física explica esse fenômeno.
Pêndulo como sistema oscilatório
O exemplo mais óbvio de movimento oscilatório é o pêndulo do relógio de parede. A passagem do pêndulo do ponto mais alto à esquerda para o ponto mais alto à direita é chamada de giro total. O período de uma dessas oscilações completas é chamado de perímetro. A frequência de oscilação é o número de oscilações por segundo.
Para estudar as oscilações, utiliza-se um pêndulo de fio simples, que é feito pendurando-se uma bolinha de metal em um fio. Se imaginarmos que a bola é um ponto material, e o fio não tem massa emflexibilidade e f alta de atrito, você obtém um pêndulo teórico, o chamado pêndulo matemático.
O período de oscilação de tal pêndulo "ideal" pode ser calculado usando a fórmula:
T=2π √ l / g, onde l é o comprimento do pêndulo, g é a aceleração de queda livre.
A fórmula mostra que o período de oscilação do pêndulo não depende de sua massa e não leva em consideração o ângulo de desvio da posição de equilíbrio.
Transformação de energia
Qual é o mecanismo dos movimentos do pêndulo, repetindo-se com um certo período até o infinito, se não houvesse forças de atrito e resistência, para superá-lo é necessário um certo trabalho?
O pêndulo começa a oscilar devido à energia transmitida a ele. No momento em que o pêndulo é retirado da posição vertical, damos a ele uma certa quantidade de energia potencial. Quando o pêndulo se move de seu ponto superior para sua posição inicial, a energia potencial é convertida em energia cinética. Nesse caso, a velocidade do pêndulo se tornará a maior, pois a força que transmite a aceleração diminui. Devido ao fato de que na posição inicial a velocidade do pêndulo é a maior, ele não para, mas por inércia se move mais ao longo do arco de um círculo exatamente à mesma altura daquela de onde desceu. É assim que a energia é convertida durante o movimento oscilatório de potencial para cinético.
A altura do pêndulo é igual à altura de seu abaixamento. Galileu chegou a essa conclusão enquanto conduzia um experimento com um pêndulo, mais tarde batizado em sua homenagem.
O balanço de um pêndulo é um exemplo indiscutível da lei da conservação da energia. E são chamadas de vibrações harmônicas.
Onda senoidal e fase
O que é um movimento oscilatório harmônico. Para ver o princípio de tal movimento, você pode realizar o seguinte experimento. Penduramos um funil com areia na barra transversal. Sob ela, colocamos uma folha de papel, que pode ser deslocada perpendicularmente às flutuações do funil. Tendo colocado o funil em movimento, deslocamos o papel.
O resultado é uma linha ondulada escrita em areia - uma senóide. Essas oscilações, que ocorrem de acordo com a lei do seno, são chamadas de senoidais ou harmônicas. Com tais flutuações, qualquer quantidade que caracterize o movimento mudará de acordo com a lei do seno ou cosseno.
Examinada a senóide formada no papelão, pode-se notar que a areia é uma camada de areia em suas várias seções de diferentes espessuras: no topo ou calha da senóide, foi empilhada mais densamente. Isso sugere que nesses pontos a velocidade do pêndulo era a menor, ou melhor, zero, naqueles pontos onde o pêndulo inverteu seu movimento.
O conceito de fase desempenha um papel importante no estudo das oscilações. Traduzida para o russo, esta palavra significa "manifestação". Na física, uma fase é um estágio específico de um processo periódico, ou seja, o local na senóide onde o pêndulo está localizado atualmente.
Hesitações à solta
Se o sistema oscilatório recebe movimento e depois paraa influência de quaisquer forças e energias, então as oscilações de tal sistema serão chamadas livres. As oscilações do pêndulo, que é deixada a si mesmo, gradualmente começarão a desaparecer, a amplitude diminuirá. O movimento do pêndulo não é apenas variável (mais rápido na parte inferior e mais lento no topo), mas também não uniformemente variável.
Em oscilações harmônicas, a força que dá a aceleração do pêndulo torna-se mais fraca com a diminuição da quantidade de desvio do ponto de equilíbrio. Existe uma relação proporcional entre a força e a distância de deflexão. Portanto, tais vibrações são chamadas de harmônicas, nas quais o ângulo de desvio do ponto de equilíbrio não excede dez graus.
Movimento forçado e ressonância
Para aplicação prática em engenharia, as vibrações não podem diminuir, transmitindo uma força externa ao sistema oscilante. Se o movimento oscilatório ocorre sob influência externa, é chamado de forçado. As oscilações forçadas ocorrem com a frequência que uma influência externa as define. A frequência da força externa atuante pode ou não coincidir com a frequência das oscilações naturais do pêndulo. Ao coincidir, a amplitude das oscilações aumenta. Um exemplo desse aumento é um swing que decola mais alto se, durante o movimento, você der a eles aceleração, atingindo a batida do próprio movimento.
Esse fenômeno na física é chamado de ressonância e é de grande importância para aplicações práticas. Por exemplo, ao sintonizar um receptor de rádio na onda desejada, ele entra em ressonância com a estação de rádio correspondente. O fenômeno da ressonância também tem consequências negativas,levando à destruição de edifícios e pontes.
Sistemas autossuficientes
Além das vibrações forçadas e livres, existem também as auto-oscilações. Eles ocorrem com a frequência do próprio sistema oscilante quando exposto a uma força constante em vez de variável. Um exemplo de auto-oscilações é um relógio, o movimento do pêndulo no qual é fornecido e mantido desenrolando a mola ou abaixando a carga. Ao tocar violino, as vibrações naturais das cordas coincidem com a força decorrente da influência do arco, e surge um som de certa tonalidade.
Os sistemas oscilatórios são diversos, e o estudo dos processos que ocorrem neles em experimentos práticos é interessante e informativo. A aplicação prática do movimento oscilatório na vida cotidiana, na ciência e na tecnologia é variada e indispensável: desde oscilações oscilatórias até a produção de motores de foguete.
