La frecuencia natural es la velocidad a la que vibra un objeto cuando se altera (p. ej. arrancado, rasgueado o golpeado). Un objeto vibrante puede tener una o varias frecuencias naturales. Se pueden usar osciladores armónicos simples para modelar la frecuencia natural de un objeto.
Conclusiones clave: frecuencia natural
- La frecuencia natural es la velocidad a la que vibra un objeto cuando se altera.
- Se pueden usar osciladores armónicos simples para modelar la frecuencia natural de un objeto.
- Las frecuencias naturales son diferentes de las frecuencias forzadas, que ocurren aplicando fuerza a un objeto a una velocidad específica.
- Cuando la frecuencia forzada es igual a la frecuencia natural, se dice que el sistema experimenta resonancia.
Ondas, amplitud y frecuencia
En física, la frecuencia es propiedad de una ola, que consiste en una serie de picos y valles. La frecuencia de una onda & amp; # x2019; se refiere al número de veces que un punto en una onda pasa un punto de referencia fijo por segundo.
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Otros términos están asociados con ondas, incluida la amplitud. Una onda & amp; # x2019; s amplitud se refiere a la altura de esos picos y valles, medidos desde el medio de la onda hasta el punto máximo de un pico. Una onda con una amplitud más alta tiene una intensidad más alta. Esto tiene una serie de aplicaciones prácticas. Por ejemplo, una onda de sonido con una amplitud más alta se percibirá como más fuerte.
Por lo tanto, un objeto que vibra a su frecuencia natural tendrá una frecuencia y amplitud características, entre otras propiedades.
Oscilador armónico
Se pueden usar osciladores armónicos simples para modelar la frecuencia natural de un objeto.
Un ejemplo de un oscilador armónico simple es una bola al final de un resorte. Si este sistema no ha sido perturbado, está en su posición de equilibrio & amp; # x2013; el resorte se estira parcialmente debido al peso de la pelota. Aplicar una fuerza al resorte, como tirar de la pelota hacia abajo, hará que el resorte comience a oscilar, o subir y bajar, sobre su posición de equilibrio.
Se pueden usar osciladores armónicos más complicados para describir otras situaciones, como si las vibraciones fueran & amp; # x201C; amortiguado & amp; # x201D; reducir la velocidad debido a la fricción. Este tipo de sistema es más aplicable en el mundo real & amp; # x2013; por ejemplo, una cuerda de guitarra no seguirá vibrando indefinidamente después de haber sido arrancada.
Ecuación de frecuencia natural
La frecuencia natural f del oscilador armónico simple anterior viene dada por
f = & amp; # x3C9; / (2 & amp; # x3C0;)
donde & amp; # x3C9 ;, la frecuencia angular, viene dada por & amp; # x221A; (k / m).
Aquí, k es la constante de resorte, que está determinada por la rigidez del resorte. Las constantes de resorte más altas corresponden a resortes más rígidos.
m es la masa de la pelota.
Mirando la ecuación, vemos que:
- Una masa más ligera o un resorte más rígido aumenta la frecuencia natural.
- Una masa más pesada o un resorte más suave disminuye la frecuencia natural.
Frecuencia natural vs. Frecuencia forzada
Las frecuencias naturales son diferentes de las frecuencias forzadas , que ocurren aplicando fuerza a un objeto a una velocidad específica. La frecuencia forzada puede ocurrir a una frecuencia igual o diferente de la frecuencia natural.
- Cuando la frecuencia forzada no es igual a la frecuencia natural, la amplitud de la onda resultante es pequeña.
- Cuando la frecuencia forzada es igual a la frecuencia natural, se dice que el sistema experimenta & amp; # x201C; resonance & amp; # x201D ;: la amplitud de la onda resultante es grande en comparación con otras frecuencias.
Ejemplo de frecuencia natural: Niño en una oscilación
Un niño sentado en un columpio que se empuja y luego se deja solo primero se balanceará hacia adelante y hacia atrás un cierto número de veces dentro de un período de tiempo específico. Durante este tiempo, el swing se mueve a su frecuencia natural.
Para mantener al niño balanceándose libremente, debe ser empujado en el momento justo. Estos & amp; # x201C; tiempos correctos & amp; # x201D; debe corresponder a la frecuencia natural del swing para hacer que la experiencia del swing resuene o producir la mejor respuesta. El swing recibe un poco más de energía con cada empuje.
Ejemplo de frecuencia natural: colapso del puente
A veces, la aplicación de una frecuencia forzada equivalente a la frecuencia natural no es segura. Esto puede suceder en puentes y otras estructuras mecánicas. Cuando un puente mal diseñado experimenta oscilaciones equivalentes a su frecuencia natural, puede balancearse violentamente, volviéndose más y más fuerte a medida que el sistema gana más energía. Varios de estos & amp; # x201C; desastres de resonancia & amp; # x201D; han sido documentados.
Fuentes
- Avison, John. El mundo de la física . 2da ed., Thomas Nelson and Sons Ltd.1989.
- Richmond, Michael. Un ejemplo de resonancia . Instituto de Tecnología de Rochester, spiff.rit.edu / classes / phys312 / talleres / w5c / resonance_examples.html.
- Tutorial: Fundamentos de la vibración . Newport Corporation, www.newport.com/t/fundamentals-of-vibration.
& amp; # x203A; Ciencias
