Acerca de este experimento
Suelta una masa unida a un resorte horizontal estirado y sigue su posición, velocidad y energía mecánica. Cambia la amortiguación para comparar las oscilaciones repetidas, el retorno más rápido sin oscilaciones y un retorno lento sobreamortiguado. La masa en movimiento y la gráfica temporal utilizan la misma solución analítica, por lo que al pausar o desplazarte por el tiempo se obtiene siempre el mismo estado.
Objetivos de aprendizaje
- Relaciona la masa y la rigidez con la frecuencia natural de un oscilador de resorte
- Distingue entre el movimiento subamortiguado, críticamente amortiguado y sobreamortiguado
- Explica la pérdida de energía mecánica debida a una fuerza de arrastre proporcional a la velocidad
- Determina el período, la amplitud y el decaimiento a partir de una gráfica de desplazamiento en función del tiempo
- Explica dónde aparecen los osciladores amortiguados en la vida real, desde las suspensiones de los coches hasta los instrumentos de medición
Cómo usarlo
- 1Empieza con los ajustes predeterminados y pulsa Reproducir. Pausa cerca del primer paso por el equilibrio y compara la posición, la rapidez y la energía.
- 2Ajusta la amortiguación a cero y compara la energía mecánica en varios instantes.
- 3Elige Amortiguación crítica y compara el retorno con el de un coeficiente de amortiguación mayor.
- 4Mantén fija la rigidez, aumenta la masa y compara el período de oscilación después de reiniciar el tiempo.
- 5Ajusta el amortiguamiento a aproximadamente la mitad del valor crítico y cuenta cuántas oscilaciones tarda la amplitud en reducirse a la mitad.
El modelo
Supuestos
- El resorte no tiene masa y es lineal, y la masa se mueve horizontalmente sin fricción seca.
- El amortiguamiento es una fuerza opuesta a la velocidad, con un coeficiente constante b. No hay ninguna fuerza externa.
- Cada ejecución comienza desde el desplazamiento seleccionado y con velocidad cero. Al cambiar un parámetro del modelo, el tiempo se reinicia.
- Todos los regímenes de amortiguamiento usan soluciones analíticas. El dibujo es una representación esquemática del mismo desplazamiento, no un motor de simulación física numérica independiente.
Pruébalo en clase
- Q1¿Por qué la velocidad es máxima cerca del equilibrio en un oscilador no amortiguado?
- Q2¿Un amortiguamiento más intenso siempre hace que la masa vuelva antes al equilibrio? Compare el amortiguamiento crítico con el sobreamortiguamiento.
- Q3¿Qué ocurre con el periodo natural cuando la masa se multiplica por cuatro?
- Q4Los amortiguadores de los coches están diseñados para estar cerca del amortiguamiento crítico. ¿Cómo se sentiría el viaje si estuvieran muy poco amortiguados?
- Q5Dos muelles tienen la misma masa acoplada, pero uno es cuatro veces más rígido. ¿Cómo se comparan sus períodos?
Preguntas frecuentes
¿Se mantiene constante la energía mecánica?
Permanece constante cuando b es cero. Con amortiguamiento positivo, la energía se convierte en energía térmica no contabilizada a una tasa de b por la velocidad al cuadrado; la energía mecánica mostrada disminuye.
¿Por qué no se muestra ningún período para el movimiento crítico o sobreamortiguado?
En esos regímenes el sistema regresa sin repetir las oscilaciones, por lo que no se define un período de oscilación.
¿Cambia la amplitud el período?
No en el caso de un muelle lineal ideal. El período depende únicamente de la masa, la rigidez y el amortiguamiento; por eso los relojes de muelle y de péndulo mantienen la hora con precisión, aunque la amplitud de sus oscilaciones disminuya lentamente.