Oscilación para niños
Una oscilación es un movimiento que se repite una y otra vez alrededor de un punto central. Imagina un columpio: sube y baja, pasando siempre por el mismo punto más bajo. Ese movimiento de ir y venir es una oscilación.
En física, química e ingeniería, una oscilación es un movimiento que se repite alrededor de una posición de equilibrio. Si este movimiento ocurre en un objeto sólido, lo llamamos vibración.
Puedes ver oscilaciones en muchos lugares:
- El movimiento de un péndulo de reloj.
- La forma en que se mueve la lengüeta de un instrumento musical de viento.
- Las ondas que se forman en la superficie del agua.
Cuando un sistema (como un objeto mecánico, un circuito eléctrico o la luz) oscila, algunas de sus características, como su posición, velocidad o la intensidad de una corriente eléctrica, se repiten de forma regular.
El estudio de las oscilaciones es muy importante porque nos ayuda a entender las ondas. Las ondas se forman a partir de oscilaciones y, aunque su descripción matemática es más compleja, usan las mismas ideas que las oscilaciones. Fenómenos como las interferencias o la polarización de la luz se pueden entender mejor estudiando cómo se combinan las oscilaciones.
Contenido
- ¿Qué son las oscilaciones y por qué son importantes?
- Tipos de oscilaciones
- Resonancia: ¿Por qué es tan importante?
- Composición de oscilaciones: ¿Cómo se combinan?
- Condiciones iniciales en las oscilaciones
- Otras aplicaciones
- Ejemplos de interés
- Véase también
¿Qué son las oscilaciones y por qué son importantes?
Las oscilaciones, vibraciones o movimientos oscilatorios son parte de nuestra vida diaria. Los movimientos de vaivén son muy comunes y fáciles de ver en la naturaleza. Por ejemplo, cuando un material elástico se estira o se comprime, puede vibrar. Las oscilaciones también pueden ser causadas por cambios en los líquidos o gases, por ondas sonoras, por movimientos sísmicos (terremotos) o por ondas electromagnéticas. Por eso, entender las oscilaciones es muy útil.
Para estudiar las oscilaciones de la forma más sencilla, los científicos usan modelos. Un modelo común es un objeto pequeño con una masa unido a un resorte. Si estiras o comprimes el resorte, este intenta volver a su posición original con una fuerza elástica. Esta fuerza es proporcional a cuánto se estira o comprime el resorte, según la Ley de Hooke.
También es importante estudiar las oscilaciones cuando hay fricción (rozamiento), que siempre está presente en el mundo real. Además, se estudian las oscilaciones forzadas, que ocurren cuando una fuerza externa empuja el sistema de forma repetida.
Aunque el ejemplo del resorte es mecánico, hay otros sistemas que oscilan, como los circuitos eléctricos. En todos los casos, la variable principal que describe la oscilación es el tiempo.
Para entender las oscilaciones, usamos medidas como la frecuencia (cuántas veces se repite el movimiento por segundo), el período (cuánto tarda en repetirse) y la fase (en qué punto del ciclo se encuentra). La energía también es clave para describir estos movimientos.
Tipos de oscilaciones
Existen diferentes tipos de oscilaciones, dependiendo de cómo se comportan:
Oscilaciones libres: ¿Qué son y cómo funcionan?
Las oscilaciones libres ocurren cuando un sistema elástico se estira o comprime y luego se suelta, sin que haya mucha fricción. El sistema oscila a su frecuencia natural y, si no hubiera fuerzas que le quiten energía, seguiría oscilando para siempre. Un ejemplo es un niño que se columpia sin que nadie lo empuje, o la vibración de un diapasón.
Las oscilaciones libres más simples se llaman movimientos armónicos simples (M.A.S.). Son el resultado de mover un sistema de su posición de equilibrio estable, haciendo que oscile alrededor de ese punto con una frecuencia, amplitud (el tamaño máximo del movimiento) y energía constantes. Esto sucede con un columpio o un péndulo simple si no hay rozamiento.
Para entender el movimiento oscilatorio, usamos la segunda Ley de Newton. Si un objeto con masa está unido a un muelle y lo estiramos, el muelle ejerce una fuerza elástica que lo empuja de vuelta. Si no hay pérdida de energía, el objeto realizará un movimiento armónico simple alrededor de su posición de equilibrio.
La Ley del Movimiento: ¿Cómo se describe?
La fuerza que el muelle aplica al objeto es proporcional a cuánto se ha movido el muelle de su posición de equilibrio. La constante de proporcionalidad se llama rigidez del muelle. El signo negativo indica que la fuerza siempre va en contra del movimiento, intentando devolver el objeto a su lugar.
Usando la segunda ley de Newton, podemos escribir una ecuación que describe este movimiento. Si no hay rozamiento, la ecuación es sencilla y nos dice cómo se mueve el objeto.
Solución en el tiempo: ¿Cómo se predice el movimiento?
La solución de esta ecuación nos dice que el objeto oscilará con un movimiento armónico simple. La amplitud es el tamaño máximo del movimiento y la frecuencia es la velocidad de la oscilación.
Para un objeto en un muelle, la frecuencia depende de la rigidez del muelle y de la masa del objeto. Esto significa que si conoces estas dos cosas, puedes saber cómo se comportará el sistema. Por ejemplo, un coche cargado (con más masa) oscilará más suavemente y con una frecuencia menor que un coche vacío.
La fase inicial nos dice dónde empieza la oscilación en el tiempo cero.
Una propiedad importante del movimiento armónico simple es que la frecuencia (y el período) no dependen de la amplitud. Esto significa que si tienes dos objetos idénticos en muelles idénticos y estiras uno 5 cm y el otro 10 cm, ambos llegarán al punto de equilibrio al mismo tiempo.
Energía del movimiento oscilatorio: ¿Cómo se transforma?
La oscilación de un muelle sin rozamiento se puede entender también desde el punto de vista de la energía. La fuerza del muelle es conservativa, lo que significa que la energía mecánica total (energía potencial más energía cinética) se mantiene constante.
Cuando el objeto está en los extremos de su movimiento (máximo estiramiento o compresión), toda la energía es potencial. Cuando pasa por el punto de equilibrio, toda la energía es cinética (de movimiento). Este modelo predice que el objeto oscilará sin parar entre los dos extremos.
Condiciones iniciales: ¿Qué determina el inicio?
Para describir completamente una oscilación, necesitamos saber dos cosas al principio: la posición del objeto y su velocidad. Estas se llaman "condiciones iniciales" y nos ayudan a determinar la amplitud y la fase de la oscilación.
Movimiento amortiguado: ¿Qué pasa cuando hay rozamiento?
Los muelles y péndulos que oscilan libremente se detienen con el tiempo. Esto se debe a que pierden energía mecánica por las fuerzas de fricción (rozamiento). A este tipo de movimiento se le llama amortiguado.
Hay tres tipos de movimientos amortiguados:
- Subamortiguado: La fricción es pequeña y el sistema oscila, pero con amplitudes cada vez más pequeñas hasta que se detiene en la posición de equilibrio.
- Sobreamortiguado: La fricción es grande y el sistema vuelve a la posición de equilibrio sin oscilar.
- Amortiguamiento crítico: Es el punto medio entre los dos anteriores. El sistema vuelve a la posición de equilibrio lo más rápido posible sin oscilar.
La Ley del Movimiento: ¿Cómo se describe con rozamiento?
La fuerza de fricción siempre se opone al movimiento y hace que el sistema pierda energía. La ecuación que describe el movimiento amortiguado incluye esta fuerza de fricción, además de la fuerza del muelle.
Esta ecuación nos ayuda a entender cómo la fricción afecta la oscilación y cómo el movimiento se detiene con el tiempo.
Solución en el tiempo: ¿Cómo se predice el movimiento amortiguado?
La forma en que se resuelve la ecuación del movimiento amortiguado depende de si el amortiguamiento es pequeño, igual o grande en comparación con la frecuencia natural del sistema.
- Movimiento subamortiguado: El objeto sigue oscilando, pero la amplitud de sus movimientos se hace más pequeña con el tiempo, como una onda que se desvanece. La frecuencia de la oscilación es un poco menor que si no hubiera amortiguamiento. Por ejemplo, las estructuras metálicas de los aviones tienen un amortiguamiento muy bajo.
- Movimiento amortiguado crítico: El objeto no llega a hacer una oscilación completa; simplemente vuelve a la posición de equilibrio lo más rápido posible.
- Movimiento sobreamortiguado: El objeto también vuelve a la posición de equilibrio sin oscilar, pero lo hace más lentamente que en el caso crítico.
La energía en el movimiento amortiguado: ¿Cómo se pierde?
En un movimiento amortiguado, la energía del sistema disminuye con el tiempo. Esto se debe a que la fricción convierte parte de la energía mecánica en calor. La energía potencial del oscilador disminuye de forma exponencial.
Un factor de calidad (Q) nos dice qué tan bueno es un oscilador. Un valor alto de Q significa que el oscilador pierde poca energía por ciclo y oscila por más tiempo.
Oscilaciones forzadas: ¿Cómo se mantienen en movimiento?
Para que un sistema amortiguado siga oscilando, hay que darle energía constantemente. Esto es lo que se llama un oscilador forzado. Por ejemplo, cuando empujas un columpio para que siga moviéndose. Si la energía que le das es igual a la que pierde por fricción, la amplitud de las oscilaciones se mantiene constante. A esto se le llama "estado estacionario".
La amplitud de un oscilador forzado no solo depende de la fuerza y frecuencia con la que lo empujas, sino también de la frecuencia natural del propio sistema.
Ley del Movimiento: ¿Cómo se describe un oscilador forzado?
Para estudiar un oscilador forzado, se añade una fuerza externa que se repite en el tiempo. Esta fuerza se suma a la fuerza del muelle y a la fuerza de fricción.
La ecuación que describe este sistema nos muestra cómo la fuerza externa afecta el movimiento del objeto.
Solución en el tiempo: ¿Cómo se predice el movimiento forzado?
La solución de la ecuación de un oscilador forzado tiene dos partes: una parte transitoria que desaparece con el tiempo (como las oscilaciones amortiguadas) y una parte permanente que se mantiene mientras la fuerza externa actúa.
La amplitud y la fase de la oscilación permanente dependen de las características del sistema y de la fuerza externa. Un punto muy importante es la resonancia.
Cuando la frecuencia de la fuerza externa es igual a la frecuencia natural del oscilador, la amplitud de la oscilación se vuelve máxima. A esto se le llama resonancia.
Resonancia: ¿Por qué es tan importante?
La resonancia es un fenómeno muy importante. Ocurre cuando la frecuencia de una fuerza externa que actúa sobre un sistema es igual a la frecuencia natural de ese sistema. En ese momento, la energía que el sistema absorbe es máxima, y la amplitud de las oscilaciones aumenta mucho.
La resonancia no solo afecta la amplitud, sino también la velocidad del objeto y la energía que se usa para mantener el movimiento. Si el amortiguamiento es pequeño, el pico de resonancia es muy alto y estrecho, lo que significa que el sistema responde muy fuertemente a una frecuencia específica.
Composición de oscilaciones: ¿Cómo se combinan?
Podemos combinar movimientos oscilatorios simples para crear oscilaciones más complejas. Esto es muy útil en ciencia y tecnología. Podemos superponer oscilaciones con diferentes velocidades, fases o amplitudes, y en diferentes direcciones.
Las combinaciones más interesantes son:
- Superposición en direcciones perpendiculares: Imagina que un objeto se mueve en un movimiento armónico simple horizontalmente y, al mismo tiempo, en otro movimiento armónico simple verticalmente. El resultado puede ser un movimiento en forma de elipse, círculo o línea recta. Esto es clave para entender la polarización de las ondas, como la luz.
- Superposición en la misma dirección y frecuencia: Si combinamos dos movimientos armónicos simples que van en la misma dirección y tienen la misma frecuencia, el resultado es otro movimiento armónico simple. La amplitud y la fase del movimiento resultante dependen de las amplitudes y fases de los movimientos originales.
Esta combinación es fundamental para entender el fenómeno de interferencia de ondas. Cuando dos ondas se encuentran en un punto, pueden sumarse para crear una onda más grande (interferencia constructiva) o restarse para crear una onda más pequeña (interferencia destructiva), dependiendo de sus fases.
- Superposición en la misma dirección con frecuencias cercanas (pulsos): Si combinamos dos movimientos armónicos simples en la misma dirección, pero con frecuencias ligeramente diferentes, el resultado es una oscilación cuya amplitud varía con el tiempo, creando "pulsos" o "batidos". Esto se puede escuchar con ondas sonoras y es la base de la modulación de amplitud (AM) en la radio.
Condiciones iniciales en las oscilaciones
Para describir completamente un fenómeno físico, necesitamos un buen modelo matemático. En el caso de las oscilaciones, las ecuaciones que las describen nos muestran cómo el sistema se comporta.
Hemos visto tres tipos de ecuaciones para las oscilaciones:
- Movimiento armónico simple (sin rozamiento ni fuerzas externas).
- Movimientos amortiguados (con rozamiento).
- Movimientos forzados (con rozamiento y una fuerza externa que se repite).
En todos los casos, las soluciones de estas ecuaciones incluyen características del sistema (como la masa del objeto o la rigidez del resorte) y, en el caso de las oscilaciones forzadas, también de la fuerza externa.
Además, para obtener una solución única, necesitamos conocer las "condiciones iniciales", es decir, la posición y la velocidad del sistema en el momento en que empieza el movimiento (tiempo cero).
Los movimientos aperiódicos
Hemos hablado mucho de los movimientos que se repiten (periódicos). Pero también existen movimientos "aperiódicos", que no se repiten. Esto ocurre cuando las fuerzas de fricción son muy intensas. En estos casos, el sistema no oscila, sino que simplemente vuelve a su posición de equilibrio de forma lenta y sin pasar por ella varias veces.
Otras aplicaciones
Las oscilaciones no solo se ven en objetos mecánicos, sino en muchos otros campos:
Oscilaciones eléctricas: ¿Cómo funcionan los circuitos?
Un ejemplo muy claro de oscilación es un circuito eléctrico que tiene un condensador (que almacena carga), una bobina (que crea un campo magnético) y una resistencia (que disipa energía).
Cuando cerramos el interruptor en un circuito con un condensador cargado, la carga empieza a moverse, creando una corriente. Si hay una resistencia, la energía se disipa y la corriente disminuye. Dependiendo de los valores de la resistencia, la bobina y el condensador, el circuito puede oscilar o no.
La ecuación que describe este circuito es muy similar a la del muelle con masa y rozamiento. Esto significa que los conceptos que aprendimos sobre las oscilaciones mecánicas también se aplican a las oscilaciones eléctricas.
Si añadimos una fuente de energía externa que se repite (como una corriente alterna), el circuito se convierte en un oscilador forzado.
Resonancia en circuitos: ¿Cómo sintoniza la radio?
En un circuito RLC forzado, la amplitud de la corriente alcanza un máximo cuando la frecuencia de la fuente de energía externa es igual a la frecuencia natural del circuito. ¡Esto es resonancia eléctrica!
Esta resonancia es muy importante en la radio y la televisión. Cuando "sintonizas" una emisora, lo que haces es ajustar la frecuencia natural del circuito de tu radio para que coincida con la frecuencia de la señal de la emisora. Así, la radio capta la señal con la máxima intensidad.
Potencia consumida: ¿Cuánta energía se usa?
En un circuito RLC, solo la resistencia consume energía. La potencia que se consume también muestra un pico de resonancia cuando la frecuencia externa coincide con la frecuencia natural del circuito.
El factor de calidad (Q) de un circuito RLC nos dice qué tan selectivo es. Un Q alto significa que el circuito solo responde fuertemente a una frecuencia muy específica, lo que es ideal para sintonizar radios.
Resonancia orbital: ¿Cómo se mueven los planetas?
La resonancia orbital es un fenómeno en el espacio donde dos cuerpos celestes (como planetas o lunas) tienen períodos orbitales (el tiempo que tardan en dar una vuelta completa) que están en una relación de números enteros. Por ejemplo, si un planeta da 5 vueltas mientras otro da 2.
Un ejemplo famoso es la resonancia 5:2 entre Júpiter y Saturno. Por cada 5 vueltas de Júpiter alrededor del Sol, Saturno da 2. Esta resonancia ayudó a formar los anillos de Saturno, atrayendo objetos del Cinturón de Kuiper hacia el interior del Sistema Solar.
La resonancia orbital puede estabilizar o desestabilizar las órbitas. Por ejemplo, la división de Cassini en los anillos de Saturno y los huecos de Kirkwood en el cinturón de asteroides son causados por resonancias con Júpiter, que impiden que los asteroides se queden en ciertas órbitas.
Ejemplos de interés
Las oscilaciones están por todas partes:
- Mecánicos:
- Péndulo doble
- Péndulo de Foucault
- Columpio
- Instrumento de cuerda
- Diapasón
- Cuerda vibrante
- Eléctricos:
- Circuitos con resistencias, bobinas y condensadores.
- Electrónicos:
- Osciladores electrónicos (componentes que generan señales eléctricas que oscilan).
- Electro-mecánicos:
- Oscilador de cristal (usado en relojes y computadoras).
- Ópticos:
- Oscilador armónico cuántico
- Biológicos:
- Ondas cerebrales
- Astronómicos:
- Oscilaciones estelares (cómo vibran las estrellas).
- Púlsares (estrellas que emiten pulsos de radiación).
- Estrellas variables (estrellas cuyo brillo cambia).
- Mecano-cuánticos:
- Oscilación de neutrinos (partículas subatómicas que cambian de tipo).
- Químicos:
- Reacciones químicas que oscilan en color o concentración.
- Informáticos:
- Oscilador (autómata celular) (patrones que se repiten en simulaciones).
Véase también
En inglés: Oscillation Facts for Kids
