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Física/Vibraciones mecánicas/Vibraciones libres y forzadas. Resonancia

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Oscilacion armónica libre

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Decimos que una partícula está sometida a un potencial armónico unidimensional cuando este es de la forma:

 V=12kx2

O dicho de otro modo, cuando la fuerza a la que está sometido es del tipo:

F→=−kxx̂

Si planteamos la ecuación del movimiento F→=ma→ tenemos que:

−kx=md2xdx2

La solución de la ecuación diferencial es por tanto:

 x(t)=C1eiωt+C2e−iωt

Redefiniendo variables:

 x(t)=A⋅sin(ωt+δ)

siendo

ω=km

Oscilación armónica amortiguada

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A continuación estudiaremos el caso de una partícula sometida a un potencial armónico y que sufre una fuerza de rozamiento proporcional a la velocidad.

La fuerza de rozamiento es de la forma:

F→r=−bdxdt

La ecuación de movimiento queda por tanto:

−kx−bdxdt=md2xdt2

La solución en este caso es:

x(t)=e−γt(C1eΔt+C2e−Δt)

siendo

γ=b2mΔ=γ2−ω2ω=km

A continuación analizaremos el movimiento resultante en función del signo del anterior discriminante:

Oscilador con amortiguamiento débil

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Suponiendo la condición de que Δ<0, definimos:

ω′=−Δ=ω2−γ2

En este caso la solución de la ecuación de movimiento toma la forma:

 x(t)=e−γt(C1eiω′t+C2e−iω′t)

Redefiniendo variables:

  x(t)=A⋅e−γt⋅sin(ω′t+δ)

Por tanto, la solución es un movimiento oscilante en torno a la posición de equilibrio cuya amplitud disminuye a medida que transcurre el tiempo.

Oscilación armónica amortiguada y forzada

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