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Fisica 2° · 2024
Libro de Física 2 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

193/274

Armónicos: la resonancia y los puntos donde los cuerpos coinciden sin tocarse

📄 teoria fisica 🎓 bachillerato · 2° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

Por resonancia: cuando la frecuencia de la fuente coincide con la frecuencia natural del receptor (f \approx f_0), la vibración se transfiere por el medio sin contacto y ambos cuerpos vibran al mismo ritmo.

📚 theory fisica ⭐ Dificultad 1/5 ⏱ 6 min lectura

Solución — Página 193

Fisica 2° · 2024

1
Ejercicio 1

Pregunta motivadora de la página: ¿Cómo es posible que exista un punto donde dos cuerpos coinciden sin tocarse?

El texto propone la respuesta poética —«la explicación yace en un número, cifra despejable… cierta frecuencia de oscilación»— y corresponde al concepto físico de resonancia.

  1. Todo cuerpo u objeto tiene una frecuencia natural de oscilación f_0, es decir, la frecuencia con la que vibra cuando se le perturba y se deja oscilar libremente.
  2. Para que dos cuerpos «coincidan sin tocarse», uno de ellos actúa como fuente de perturbación y transmite la vibración al otro a través de un medio material (el aire, el agua o el propio vidrio de la ventana). La transferencia no requiere contacto directo: se hace por ondas mecánicas.
  3. Cuando la frecuencia de la fuente f se aproxima a la frecuencia natural del receptor, se cumple f \approx f_0 y se produce resonancia: el segundo cuerpo oscila con una amplitud extraordinariamente grande con un aporte mínimo de energía.
  4. Matemáticamente, la amplitud en un oscilador amortiguado sometido a una fuerza periódica de frecuencia \omega y frecuencia natural \omega_0 es

A = \frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2 - \omega^2)^2 + (2\beta\omega)^2}}

con \beta el coeficiente de amortiguamiento. Si \omega \to \omega_0, el denominador se hace mínimo y A alcanza su máximo. 5. Aplicación al ejemplo del poema: cuando una turbina o una sirena cruza la ciudad, el vidrio de la ventana se pone a vibrar «como en un éxtasis». El vidrio es un cuerpo distinto y ajeno a la turbina, pero comparte con ella la condición de tener frecuencias de oscilación compatibles; por eso vibran «al mismo ritmo» sin tocarse. 6. Idea central: la coincidencia no es casual ni mágica: es la consecuencia de un número, la frecuencia de oscilación, que gobierna el comportamiento oscilatorio de todos los sistemas. Cuando dos sistemas se sintonizan (f = f_0), «el ritmo que los junta» es la resonancia.

Respuesta

Es posible porque ambos cuerpos vibran con frecuencias propias; al coincidir la frecuencia de la fuente con la frecuencia natural del receptor (f \approx f_0) se produce resonancia, y la vibración se transfiere por el medio sin contacto directo, de modo que ambos oscilan al mismo ritmo.

Contenido de la página

JUNTOS LEEMOS

Alguna vez has pensado…

¿Cómo es posible que exista un punto donde dos cuerpos coinciden sin tocarse?


Armónicos

Jorge Fernández Granados

El hecho es que hay un punto donde dos cuerpos coinciden sin tocarse

una turbina cruza el cielo (turbio) de la ciudad y el vidrio de la ventana vibra de pronto como en un éxtasis

punto de resonancia define la física a estas sorpresas y la explicación yace en un número

cifra despejable a fin de cuentas cierta frecuencia de oscilación entre estructuras empáticas entre afinados edificios atómicos

objetos entidades dispersas que probablemente nunca se tocarán ni se aproximarán siquiera y sin embargo están construidos sobre una coincidencia

algo así como los cuerpos festejándose inesperados en la música y un ritmo que los junta por un momento a pesar de ser ajenos

el hecho es que hay un ritmo

ritmo que no eligen ni comprenden ritmo que solo conocen los cuerpos

ritmo que los hace coincidir y vibrar o desplomarse juntos

ritmo bajo el cual están alzados bajo las cosas ordinarias unidos en secreto por un pulso con el que palpitan entre las cosas ordinarias y con el que se funden un día dentro de la música de las cosas ordinarias


Tomado de Fernández Granados, J. (2007). Principio de incertidumbre. Ediciones Era.

Texto de Física — página 192

Ejemplos resueltos

El poema menciona que el vidrio de una ventana vibra cuando una turbina cruza la ciudad. Explica el fenómeno usando la idea de resonancia.

  1. La turbina emite ondas sonoras en el aire con cierto rango de frecuencias f.
  2. El vidrio tiene una frecuencia natural f_0 determinada por su rigidez y masa, f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}.
  3. Si una de las frecuencias emitidas se aproxima a f_0, la amplitud del vidrio se amplifica según A=\frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+(2\beta\omega)^2}}.
  4. El vidrio vibra intensamente sin contacto físico con la turbina: ambos «coinciden en el ritmo» por resonancia.

Tabla

Concepto Definición breve Símbolo / Unidad
Frecuencia natural Frecuencia con que vibra libremente un sistema f_0 / Hz
Frecuencia de la fuente Frecuencia de la perturbación externa f / Hz
Amplitud Valor máximo del desplazamiento oscilatorio A / m
Resonancia Coincidencia f \approx f_0 con amplitud máxima —
Amortiguamiento Disipación que limita la amplitud \beta / s^{-1}

Diagrama

flowchart LR
  A[Fuente: turbina o sirena] -->|ondas en el aire| B[Vidrio de la ventana]
  B -->|si f = f0| C[Resonancia: amplitud máxima]
  C --> D[Vibran al mismo ritmo sin tocarse]

Fórmulas y ecuaciones

f_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} (frecuencia natural de un oscilador armónico)

A = \dfrac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+(2\beta\omega)^2}} (amplitud en régimen forzado)

f_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}

A = \frac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2 - \omega^2)^2 + (2\beta\omega)^2}}

f \approx f_0 \Rightarrow \text{resonancia}

\omega = 2\pi f

Glosario (5)

Resonancia
Aumento notable de la amplitud de oscilación de un sistema cuando una fuerza externa oscila con una frecuencia igual o próxima a su frecuencia natural.
Frecuencia natural
Frecuencia con la que un sistema oscilatorio vibra cuando se le deja oscilar sin fuerzas externas continuas, por ejemplo $f_0 = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$.
Amortiguamiento
Pérdida progresiva de la amplitud de un oscilador por efecto de fuerzas disipativas; limita la amplitud en resonancia.
Onda mecánica
Perturbación que se propaga a través de un medio material, transportando energía sin transportar materia.
Frecuencia de oscilación
Número de oscilaciones completas por unidad de tiempo, medida en hertz (Hz); es «el número» al que alude el poema.

Preguntas para practicar

¿Por qué el ritmo que los cuerpos comparten "no lo eligen ni lo comprenden"?

Porque la frecuencia con la que un sistema vibra está determinada por sus propiedades intrínsecas (masa, rigidez, dimensiones) y no por una decisión: es una consecuencia de las leyes físicas, de modo que los cuerpos no "deciden" su ritmo, simplemente responden a él.

El poema dice que la explicación de la resonancia «yace en un número». ¿Cuál es ese número?

La frecuencia de oscilación, expresada en hertz; cuando la frecuencia de la fuente coincide con la frecuencia natural del receptor se produce la resonancia.

Menciona dos situaciones cotidianas donde la resonancia tiene consecuencias positivas o negativas.

Positivas: radio sintonizada, guitarra y cuerdas que amplifican el sonido, vasos que vibran con la voz. Negativas: viento que rompe un puente (caso del Tacoma Narrows), vibraciones que dañan maquinaria y construcciones.

Temas y conceptos clave

ResonanciaFrecuencia natural de oscilaciónCoherencia entre sistemas oscilatoriosPoesía y física (texto de lectura científica)resonanciafrecuencia naturaloscilaciónamplitudmedio materialenergíasintonizaciónritmo o pulso común

Fuentes y referencias

  • Fernández Granados, J. (2007). Principio de incertidumbre. Ediciones Era.
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Preguntas que la gente también hace

¿Qué es la resonancia y por qué se produce?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Qué es la frecuencia natural de un sistema oscilatorio?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
¿Por qué el vidrio de una ventana vibra cuando pasa una aeronave?
Consulta la solución completa arriba o explora el libro entero para temas relacionados.
📌 Antes de leer esto
  • • Concepto de frecuencia, período y amplitud
  • • Ideas básicas de movimiento oscilatorio y ondas
  • • Nociones de transferencia de energía
Siguiente tema sugerido
Movimiento armónico simple: ecuación $x(t)=A\cos(\omega t+\varphi)$, energía y diagramas de fase.
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 1289 caracteres

Alguna vez has pensado...

¿Cómo es posible que exista un punto donde dos cuerpos coinciden sin tocarse?

Armónicos

El hecho es que hay un punto donde dos cuerpos coinciden sin tocarse

una turbina cruza el cielo (turbio) de la ciudad y el vidrio de la ventana vibra de pronto como en un éxtasis

punto de resonancia define la física a estas sorpresas y la explicación yace en un número

cifra despejable a fin de cuentas cierta frecuencia de oscilación entre estructuras empáticas entre afinados edificios atómicos

objetos entidades dispersas que probablemente nunca se tocarán ni se aproximarán siquiera y sin embargo están construidos sobre una coincidencia

algo así como los cuerpos festejándose inesperados en la música y un ritmo que los junta por un momento a pesar de ser ajenos

el hecho es que hay un ritmo ritmo que no eligen ni comprenden ritmo que solo conocen los cuerpos ritmo que los hace coincidir y vibrar o desplomarse juntos

ritmo bajo el cual están alzados bajo las cosas ordinarias unidos en secreto por un pulso con el que palpitan entre las cosas ordinarias y con el que se funden un día dentro de la música de las cosas ordinarias

Jorge Fernández Granados Tomado de Femández Granados, J. (2007). Principio de incertidumbre. Ediciones Era.

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