Resonancia para niños
En física, la resonancia es un fenómeno fascinante donde la amplitud de una oscilación aumenta mucho. Esto ocurre cuando una fuerza que se repite (periódica) se aplica a un sistema y su frecuencia es igual o muy parecida a una de las frecuencias naturales de ese sistema.
Imagina que empujas un columpio. Si lo empujas justo en el momento adecuado, es decir, cuando el columpio está a punto de volver hacia ti, este subirá cada vez más alto. Esa es la resonancia en acción. Si lo empujas en un momento diferente, el columpio no subirá tanto.
Las frecuencias donde la amplitud de la respuesta es más grande se llaman frecuencias de resonancia o frecuencias resonantes. Incluso fuerzas pequeñas pueden causar oscilaciones muy grandes si están cerca de una frecuencia resonante. Esto sucede porque el sistema puede almacenar mucha energía vibratoria.
La resonancia ocurre en muchos tipos de vibraciones y ondas. Hay resonancia mecánica (como en el columpio), resonancia acústica (sonido), resonancia electromagnética (luz y radio), y resonancia en el mundo de las partículas muy pequeñas. Los sistemas que resuenan se usan para crear vibraciones de una frecuencia específica (como en los instrumentos musicales) o para seleccionar frecuencias de una vibración compleja (como en los filtros de radio).
La palabra "resonancia" viene del latín resonantia, que significa 'eco'. Se usó por primera vez en el campo del sonido, para describir cómo una cuerda de un instrumento musical podía empezar a vibrar y sonar solo porque otra cuerda cercana fue tocada.
Otro ejemplo es la resonancia eléctrica en un circuito con un condensador y un inductor. La energía eléctrica se mueve de un lado a otro entre el campo magnético del inductor y el campo eléctrico del condensador. Una vez que el circuito tiene energía, la oscilación se mantiene sola. Esto es parecido a un péndulo mecánico, donde la energía se transforma de movimiento a almacenada y viceversa.
Contenido
¿Qué es la resonancia y cómo funciona?
La resonancia ocurre cuando un sistema puede guardar y mover energía fácilmente entre dos o más formas diferentes. Por ejemplo, en un péndulo, la energía se transforma de energía de movimiento a energía de posición. Sin embargo, siempre hay pequeñas pérdidas de energía en cada ciclo, a esto se le llama amortiguamiento.
Cuando el amortiguamiento es pequeño, la frecuencia de resonancia es casi igual a la frecuencia natural del sistema. La frecuencia natural es la velocidad a la que un objeto vibraría si nadie lo estuviera forzando. Algunos sistemas pueden tener varias frecuencias resonantes.
Ejemplos de resonancia en la vida diaria
La resonancia es muy común en la naturaleza y se usa en muchos objetos que creamos. Es el principio detrás de casi todas las ondas y vibraciones que se generan. Muchos sonidos que escuchamos, como cuando golpeamos objetos de metal, vidrio o madera, son causados por vibraciones resonantes rápidas en el objeto. La luz y otras radiaciones electromagnéticas se producen por resonancia a nivel atómico, por ejemplo, con los electrones en los átomos.
Otros ejemplos de resonancia incluyen:
- Los mecanismos de los relojes modernos, como el volante regulador en un reloj mecánico o el cuarzo en un reloj de cuarzo.
- La resonancia acústica en los instrumentos musicales y en nuestra propia voz.
- El famoso ejemplo de romper una copa de cristal con el sonido adecuado (su frecuencia de resonancia).
- La resonancia eléctrica en los circuitos sintonizados de las radios y televisores, que nos permite recibir diferentes frecuencias de radio.
- La creación de luz coherente en un láser mediante resonancia óptica.
- La resonancia orbital de algunas lunas de los planetas gigantes en nuestro sistema solar.
El puente de Tacoma Narrows
El colapso del Puente de Tacoma (1940) en 1940 a menudo se menciona como un ejemplo de resonancia, pero esto no es del todo exacto. Las vibraciones que destruyeron el puente no fueron causadas por una resonancia mecánica simple. En realidad, fue una interacción compleja entre el puente y el viento, un fenómeno llamado flameo o fluttering. Este efecto hacía que el puente se moviera de forma rítmica y cada vez más fuerte, como una "oscilación auto-sustentada".
La Estación Espacial Internacional
Los motores de los cohetes de la Estación Espacial Internacional (EEI) son controlados por un piloto automático. En una ocasión, el 14 de enero de 2009, los ajustes del piloto automático hicieron que los motores se balancearan con oscilaciones cada vez más grandes a una frecuencia de 0.5 Hz. Estas oscilaciones duraron 142 segundos y fueron grabadas en video.
Tipos de resonancia
Resonancia mecánica y acústica
La resonancia mecánica es cuando un sistema mecánico absorbe más energía si la frecuencia de sus vibraciones coincide con su frecuencia natural. Esto puede causar movimientos muy fuertes e incluso fallas en estructuras como puentes, edificios o aviones si no están bien diseñados. Los ingenieros deben asegurarse de que las frecuencias de resonancia de las partes de una estructura no coincidan con las vibraciones de los motores u otras partes que se mueven. A esto se le llama "desastre de resonancia".
Para evitar estos problemas, se pueden usar sistemas de amortiguación que absorben las frecuencias resonantes. Por ejemplo, el edificio Taipei 101 tiene un gran péndulo de 660 toneladas que ayuda a cancelar la resonancia. Además, los edificios en zonas de terremoto se construyen para soportar las frecuencias de movimiento del suelo.
Los relojes mantienen la hora gracias a la resonancia mecánica en un volante regulador, un péndulo o un cristal de cuarzo.
La resonancia acústica es una parte de la resonancia mecánica que se refiere a las vibraciones mecánicas que podemos escuchar, es decir, el sonido. Los humanos podemos oír frecuencias entre 20 Hz y 20,000 Hz. Muchos objetos y materiales actúan como resonadores con frecuencias dentro de este rango. Cuando los golpeamos, vibran y empujan el aire a su alrededor, creando sonido. Así es como se producen muchos sonidos de percusión.
La resonancia acústica es muy importante para quienes construyen instrumentos musicales. La mayoría de los instrumentos usan resonadores, como las cuerdas de un violín, la longitud del tubo de una flauta o la forma de un tambor.
Al igual que la resonancia mecánica, la resonancia acústica puede destruir un objeto. El ejemplo clásico es romper una copa de vino con el sonido de su frecuencia resonante, aunque esto es difícil de hacer en la práctica.
Resonancia eléctrica
La resonancia eléctrica ocurre en un circuito eléctrico a una frecuencia específica. En un circuito en serie, la impedancia (resistencia al flujo de corriente) es mínima, y en un circuito en paralelo, la función de transferencia (cómo el circuito responde a una señal) alcanza su valor máximo. La resonancia en los circuitos se usa para enviar y recibir señales en la televisión, los teléfonos celulares y la radio.
Resonancia óptica
Una cavidad óptica, también llamada "resonador óptico", es un conjunto de espejos que crea una onda estacionaria para la luz. Las cavidades ópticas son una parte clave de los láseres, ya que rodean el material que produce la luz y la reflejan para amplificarla. La luz dentro de la cavidad se refleja muchas veces, creando ondas estacionarias para ciertas frecuencias resonantes. Los patrones de estas ondas se llaman "modos".
Los diferentes tipos de resonadores ópticos se distinguen por la distancia entre los espejos y sus características. La forma de la cavidad debe asegurar que el haz de luz se mantenga estable y no crezca con cada reflexión.
Resonancia orbital
En la mecánica celeste, la resonancia orbital ocurre cuando dos cuerpos que giran alrededor de otro (como planetas o lunas) se influyen mutuamente con su gravedad de forma periódica. Esto suele pasar cuando sus períodos orbitales (el tiempo que tardan en dar una vuelta) están relacionados por una proporción de números pequeños.
Las resonancias orbitales aumentan mucho la influencia gravitacional entre los cuerpos. En la mayoría de los casos, esto lleva a una interacción "inestable", donde los cuerpos cambian sus órbitas hasta que la resonancia desaparece. Pero a veces, un sistema resonante puede ser estable y corregirse solo, haciendo que los cuerpos permanezcan en resonancia. Ejemplos de esto son la resonancia 1:2:4 de las lunas de Júpiter Ganímedes, Europa e Io, y la resonancia 2:3 entre Plutón y Neptuno.
Las resonancias inestables con las lunas interiores de Saturno son la causa de los huecos en los anillos de Saturno. Un caso especial de resonancia 1:1 (entre cuerpos con órbitas similares) hace que los cuerpos grandes del Sistema Solar "limpien" el espacio alrededor de sus órbitas, expulsando casi todo lo demás. Este efecto se usa en la definición actual de planeta.
Resonancia atómica y molecular
La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno físico que permite observar las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos cuando están en presencia de un campo magnético externo. Muchas técnicas científicas usan la RMN para estudiar la física molecular, los cristales y otros materiales. La RMN también se usa mucho en técnicas avanzadas de imágenes médicas (IRM).
Una característica clave de la RMN es que la frecuencia de resonancia de una sustancia es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético aplicado. Esto se usa en las técnicas de imagen: si una muestra se coloca en un campo magnético que no es uniforme, las frecuencias resonantes de los núcleos de la muestra dependen de dónde se encuentren en el campo. Así, se puede saber la ubicación de una partícula con mucha precisión por su frecuencia de resonancia.
La resonancia paramagnética electrónica (RPE) es una técnica similar a la RMN, pero usa electrones que no están emparejados.
Resonadores
Un sistema físico puede tener tantas frecuencias resonantes como formas de moverse libremente. Cada forma de moverse puede vibrar como un oscilador. Los sistemas simples, como una masa en un resorte o un péndulo, tienen una frecuencia resonante. Los sistemas más complejos, como los péndulos conectados, pueden tener varias frecuencias resonantes.
Los objetos grandes que pueden experimentar resonancia debido a las vibraciones internas se llaman resonadores. Ejemplos son los tubos de órgano, las cuerdas de guitarra, los cristales de cuarzo y los láseres. Como están hechos de muchas partes conectadas (como átomos), pueden tener muchas frecuencias resonantes. Las vibraciones dentro de ellos viajan como ondas, rebotando de un lado a otro. Para que haya resonancia, la onda debe reforzarse a sí misma después de un viaje de ida y vuelta. Esto significa que la distancia de ida y vuelta debe ser un número entero de longitudes de onda.
Las frecuencias resonantes de los resonadores se llaman modos normales. Son múltiplos de una frecuencia más baja llamada frecuencia fundamental. Los múltiplos a menudo se llaman armónicos.
Factor Q
El factor de calidad (o factor Q) es un número que describe qué tan bien un oscilador o resonador mantiene sus vibraciones. Un factor Q alto significa que el oscilador pierde poca energía y sus vibraciones durarán mucho tiempo. Por ejemplo, un péndulo de buena calidad que se balancea en el aire tiene un factor Q alto, mientras que un péndulo sumergido en aceite tendría un factor Q bajo.
Para mantener un sistema resonando con una amplitud constante, se le debe dar energía desde fuera. La energía que se le da en cada ciclo debe ser menor que la energía que el sistema tiene almacenada. Los osciladores con factores Q altos tienen poco amortiguamiento, lo que hace que resuenen por más tiempo.
Los resonadores con factores Q más altos resuenan con amplitudes mayores (en la frecuencia resonante) pero solo en un rango más pequeño de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia. Este rango de frecuencias se llama ancho de banda. Por lo tanto, un circuito sintonizado con un Q alto en una radio sería más difícil de sintonizar, pero sería mejor para filtrar las señales de otras estaciones cercanas. Los osciladores de Q alto funcionan en un rango de frecuencias más pequeño y son más estables.
El factor de calidad de los osciladores varía mucho. Los sistemas donde el amortiguamiento es importante (como los amortiguadores de una puerta) tienen un Q bajo. En cambio, los relojes, láseres y otros sistemas que necesitan una resonancia fuerte o una alta estabilidad de frecuencia necesitan factores Q altos. Por ejemplo, los diapasones tienen un factor Q de alrededor de 1000, mientras que un reloj atómico o un láser pueden alcanzar un Q de 1011 o incluso más.
Curva de resonancia universal
La forma exacta en que un sistema resuena, especialmente para frecuencias alejadas de la frecuencia resonante, depende de los detalles del sistema. Generalmente, no es perfectamente simétrica. Sin embargo, para un oscilador lineal con poco amortiguamiento, la "intensidad" de las oscilaciones cuando el sistema es activado por una frecuencia se puede aproximar con una fórmula que sí es simétrica.
Esta fórmula se conoce como una función lorentziana. Esta respuesta se encuentra en muchas situaciones físicas con sistemas resonantes. El parámetro Γ (gamma) depende del amortiguamiento del oscilador y se conoce como el "ancho de línea" de la resonancia. Los osciladores con mucho amortiguamiento tienen anchos de línea amplios y responden a un rango más grande de frecuencias alrededor de la frecuencia de resonancia. El ancho de línea es inversamente proporcional al factor de calidad, que mide qué tan "afilada" es la resonancia.
En la ingeniería de radio y electrónica, esta respuesta simétrica aproximada se conoce como la "curva de resonancia universal". Este concepto fue introducido por Frederick Terman en 1932 para simplificar el análisis de circuitos de radio.
Galería de imágenes
-
Aumento de amplitud conforme a la reducción de amortiguamiento y la frecuencia se acerca a la frecuencia resonante de un oscilador armónico amortiguado simple conducido.
-
Variación en estado estacionario de la amplitud y la frecuencia y el amortiguamiento de un Oscilador armónico simple.
-
Figura 1: circuito serie RLC.
-
Gráfico de magnitud de Bode para el voltaje a través de los elementos de un circuito en serie RLC.
Véase también
En inglés: Resonance Facts for Kids
