Resonancia (1)

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Los ruiditos probablemente son la cosa más preocupante con la que nos pueden sorprender nuestros vehículos sin avisar. Tras kilómetros y kilómetros, ya conocemos perfectamente el sonido de nuestro buga. Hasta el punto que cualquier diferencia puede ser sinónimo de que estamos a punto de pagar una nueva pared en el chalet de nuestro amigo mecánico.

Los que más fastidian son aquellos que vienen y van sin aparente motivo. Uno casi empieza a creer que alguien ha introducido un bichejo verde, como denunciaba el viejo loco de la película Gremlins. A veces esos ruiditos aparecen sólo cuando el motor está en determinado régimen de revoluciones, y desaparecen si aceleramos o frenamos. Normalmente, estos molestos sonidos son consecuencia del fenómeno conocido como resonancia.

El sonido no es más que una vibración del aire que llega hasta nuestro tímpano, haciéndolo oscilar. Por lo tanto, cualquier cosa que haga vibrar al aire, producirá un sonido (por bien que no todos los sonidos son audibles por nuestros oídos). Por lo tanto, si nuestro coche produce algún tipo de ruidito, significa que hay una pieza que está oscilando.

Una oscilación es un movimiento de vaivén alrededor de la posición que debería ocupar la pieza en cuestión. Hay muchísimas cosas que vibran de esta forma. De hecho, este movimiento (que los Físicos llamamos armónico simple) es uno de los más importantes y universales. Como es tan común, lo mejor para intentar explicarlo es ver como actúa en algo que todos hemos visto muchas veces: un columpio.

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En este fugaz viaje a la infancia, nos sentamos en el columpio tranquilamente. Si no hacemos nada más, nos quedaremos quietos abajo del todo. Como es un poco aburrido, ponemos los pies en el suelo, damos un paso atrás, y nos dejamos llevar. Empezamos a oscilar lentamente. Primero hacia adelante, y luego volvemos atrás, más o menos a la misma altura de la que habíamos partido (sería exactamente la misma si no hubiera ninguna fricción con el aire).

No está mal, pero ir tan lento se hace un poco aburrido al cabo de poco. Volvemos a poner los pies en el suelo, y esta vez damos tres paso atrás. Al dejarnos ir, vemos con regocijo como la velocidad aumenta proporcionalmente con la altura extra. Aunque recorremos más distancia, vamos más rápido. Por lo tanto, resulta que el tiempo empleado en cada oscilación es el mismo, da igual lo amplia que ésta sea.

El primero en darse cuenta fue Galileo en el siglo XVI, o por lo menos el primero en dejar constancia. Como un péndulo siempre tarda lo mismo en oscilar, son ideales para hacer relojes: basta con calcular cuantas oscilaciones da el péndulo en un minuto, y ajustar los engranajes en consecuencia.

Este es un hecho común a casi todos los sistemas que vibran. La frecuencia de oscilación es, al menos aproximadamente, la misma independientemente de la amplitud del movimiento. Dicho de otra forma, a cada objeto del universo le gusta vibrar a una determinada frecuencia, y no a cualquier otra. Decimos que esa es la frecuencia natural del sistema.

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Volvamos por un instante a nuestro divertido columpio. Estamos ya un poco cansados de impulsarnos nosotros mismos, por lo que llamamos a un amigo para que nos empuje. La técnica es sencilla, él se pone detrás, cuando ve que llegamos a la altura máxima y empezamos a bajar, nos da un empujón.

Ahora bien, imaginemos que nuestro amigo es ciego. Por lo tanto, no puede ver cuando llegamos a la altura máxima. No hay problema, tal y como acabamos de aprender, siempre transcurre el mismo tiempo entre dos veces consecutivas en que estamos en dicha posición más alta. Por lo tanto, podemos programar un reloj para que emita un pitido cada vez que deba empujarnos. Es decir, nos aseguramos que la frecuencia de los empujones sea la misma que la de las oscilaciones. En Física, decimos que tenemos oscilaciones forzadas.

Por eso de complicar las cosas un poco, imaginemos que viene el amigo gracioso de turno que manipula el reloj de forma que vaya un poco más rápido de lo habitual. Nuestro esforzado invidente dará el primer empujón justo a tiempo. Ppero engañado por el reloj manipulado, dará el segundo un poco antes de lo necesario. Por lo tanto, el columpio aún estará subiendo, y el empujón en el momento incorrecto lo frenará en vez de acelerarlo (porque será una fuerza en contra del movimiento, no a favor). Por consiguiente, la siguiente oscilación será menos amplia.

El tercer empujón estará aún más desfasado. Por lo tanto, nos seguirá frenando un poco más. De hecho, el desfase entre el empujón y la oscilación crece con cada ciclo. En un ejemplo real, claro, como no estaríamos donde nos espera, y cada vez oscilación será un poco más pequeña, lo más probable es que nuestro amigo no consiga contactar con nosotros para poder empujarnos, pero eso no nos importa aquí, supongamos que encuentra la forma de alcanzarnos siempre.

Como el desfase temporal crece cada vez más, llegará un momento en que el intervalo de tiempo entre que el columpio alcanza la posición máxima y el empujón real será casi igual a la duración de cada oscilación. Es decir, habremos dado toda la vuelta al ciclo. Como el empujón se producirá más o menos en el instante de tiempo que debe, su efecto será volver a acelerar el columpio.

Como podéis imaginar, todo esto pasa cíclicamente. Durante la mitad del tiempo, los empujones son contraproducentes y reducen la amplitud de las oscilaciones (fase decreciente). La otra mitad del tiempo, todo lo contrario: la amplitud crecerá (fase creciente). Desde fuera, veríamos como la amplitud de las oscilaciones aumenta y disminuye periódicamente, fenómeno conocido como pulsaciones (vimos algo muy similar cuando hablamos del radar Doppler, donde lo que pulsaba era una señal de radio).

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Si la frecuencia de los empujones es muy similar, el desfase acumulado en cada oscilación será muy pequeño, y por lo tanto hará falta mucho tiempo para completar un ciclo completo. Como las fases crecientes serán muy largas, la amplitud podrá crecer mucho. Por lo tanto, la amplitud máxima será mayor cuando la frecuencia de los empujones sea muy similar a la frecuencia natural del columpio. Esto es lo que llamamos resonancia.

El caso ideal, por supuesto, ocurre cuando la frecuencia de los empujones es la misma que la del columpio (es decir, si el reloj funciona bien). Lo espectacular de la resonancia, aunque cada empujón aporta muy poca energía, se va acumulando poco a poco, logrando una gran amplitud.

En nuestro vehículo, cada pieza puede vibrar a una determinada frecuencia natural, como el columpio. Los empujones los da el motor, que debido a su funcionamiento no para de vibrar (solo hace falta ponerlo en marcha con el capó abierto para comprobarlo).

Pues bien, estas vibraciones del motor pueden hacer que las piezas de nuestro vehículo entren en resonancia. No obstante, es algo más complicado que lo que hemos explicado hasta ahora, ya que el rozamiento juega un papel muy importante. Trataremos con detalle este tema con detalle en el siguiente artículo.

En Circula seguro | Resonancia (y 2)
Foto | rieu88, Leo-lao protocultor, lrargerich, Dedolo

  • grandisimo artículo sobre la resonancia… ahora estaré esperando para ver como lo relacionas con los elementos del coche!!! un saludo

  • Celebro que te guste, Óscar.