Física (también "Fundamentos Físicos de la Ingeniería", "Mecánica").
Visualizador de oscilaciones
Isabel Salinas Marín y Marcos H. Giménez Valentín (MoFiMat).
Introducción
El applet permite que el usuario seleccione los parámetros característicos de un sistema oscilante y su estado inicial, y que añada opcionalmente una fuerza sinusoidal externa. Se muestran tanto la expresión matemática del movimiento resultante, como una representación gráfica del mismo.Dado que los valores se establecen arrastrando deslizaderas (y no mediante cuadros de texto), el usuario puede observar de forma interactiva cómo cambia la respuesta del sistema al modificar cualquiera de las variables.
Objetivos
* Comprender el movimiento vibratorio armónico simple y cómo le afectan las características del sistema oscilante y su estado inicial.* Diferenciar los distintos tipos de oscilaciones amortiguadas: débil, crítica y fuerte.
* Entender las consecuencias de la aplicación de una fuerza sinusoidal externa a un sistema oscilante. Observar cómo influye la frecuencia de dicha fuerza. Comprender la resonancia.
* Utilizar las expresiones que aparecen en el panel de resultados como comprobación de que el usuario conoce el procedimiento para obtenerlas.
Instrucciones
1. En el panel "Entrada de datos" se pueden seleccionar: la masa, la constante elástica y el coeficiente de amortiguamiento del sistema oscilante; su elongación y velocidad iniciales; y la amplitud, pulsación y fase inicial de una fuerza sinusoidal externa. Mientras se arrastra cualquiera de las deslizaderas, la representación de la oscilación se actualiza en tiempo real.2. Para conseguir una oscilación no forzada, debe seleccionarse que la amplitud de la fuerza sea cero.
3. Para conseguir un movimiento armónico simple, debe seleccionarse que el coeficiente de amortiguamiento sea cero.
4. La gráfica representa en color rojo la función x(t), elongación en función del tiempo. En los casos de movimiento armónico simple y de amortiguamiento débil, también se muestra la envolvente en color azul, aunque puede suprimirse deseleccionando la opción "Mostrar envolvente" en el panel "Entrada de datos".
5. El panel "Resultados" muestra el tipo de oscilación y la expresión matemática x(t) del movimiento.
6. La opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas" devuelve la simulación a su estado inicial.
Ejemplo
1. Con los valores por defecto, obsérvense la ecuación y la representación gráfica del movimiento armónico simple resultante. Arrástrense las deslizaderas que controlan la masa, la constante elástica y la elongación y velocidad iniciales, observando cómo afectan sus valores al resultado. Nótese que el estado inicial no afecta al período de la oscilación.2. Púlsese la opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas". Arrástrese la deslizadera que controla el coeficiente de amortiguamiento observando cómo afecta al resultado. Compruébese que cuando el coeficiente es 8kg/s (igual a 2(km)1/2, donde k es la constante elástica y m la masa), se tiene amortiguamiento crítico. Verifíquese que, para coeficientes mayores y menores que ese valor, el amortiguamiento es fuerte y débil respectivamente. Analícense las diferencias. Razónese cuál es el comportamiento más adecuado para los amortiguadores de un vehículo.
3. Selecciónese un coeficiente de amortiguamiento de 1kg/s. A continuación, arrástrese la deslizadera que controla la amplitud de la fuerza sinusoidal externa hasta que sea de 5N, observando cómo va variando la respuesta.
4. Arrástrese, hacia uno y otro lado, la deslizadera que controla la pulsación de la fuerza, observando cómo afecta a la amplitud de la oscilación forzada resultante. Búsquese la pulsación que da lugar que esa amplitud sea máxima, y compruébese que es muy próxima a la natural del sistema, 4rad/s (igual a (k/m)1/2).
5. Selecciónese una pulsación de la fuerza de 4rad/s exactamente. Redúzcase poco a poco el coeficiente de amortiguamiento, observando cómo afecta a la amplitud de la oscilación. Compruébese qué sucede cuando el coeficiente llega a 0kg/s, observando el panel de resultados.
Applet
