Resonancia (y 2)

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Aún resuenan en nuestras cabezas los ecos del anterior artículo, donde repasamos brevemente los fundamentos físicos de la resonancia. Así que continuemos, antes de que se nos olvide lo dicho. De forma muy resumida, dijimos que a todos los objetos (por ejemplo, a las piezas de nuestro vehículo) les gusta vibrar a una determinada frecuencia natural.

Si dicho objeto se somete a empujones regulares (oscilaciones forzadas) con una frecuencia muy parecida a la natural, entonces la amplitud de la vibración aumentará muchísimo, diremos que entra en resonancia. Pero si la frecuencia de los empujones es algo diferente, a veces los empujones se harán en el momento justo, pero en ocasiones se producirán un poco antes de tiempo (frenarán la oscilación, en vez de acelerarla). Por lo tanto, la amplitud del movimiento irá cambiando con el tiempo, fenómeno conocido como pulsaciones.

Sin embargo, en el mundo real, como suele pasar, todo es más complicado porque hay rozamiento. Si tenemos en cuenta la fricción, todo lo dicho cambia un poco. Veamos en qué.

Como ayer, para visualizar mejor todo esto utilizaremos el ejemplo de un columpio. En realidad, los columpios siempre tienen algo de rozamiento con el aire. Pero para verlo mejor, queremos algo más explícito: dejaremos las piernas estiradas, de forma que nuestros pies arrastren por el suelo.

Pero arrastrar los pies cuando nos columpiamos a gran velocidad puede ser algo peligroso. Para no lastimarnos, lo que podemos hacer es inundar el parque, de forma que nuestros pies pasan por dentro del agua. Algo similar a la foto de más adelante, pero con agua más limpia.

Cada vez que nuestros pies golpeen el agua, está claro que la fricción nos frenará un poco, el movimiento será más lento. Por supuesto, si no estuviera nuestro amigo empujando detrás nuestro, al final nos pararíamos: los empujones son vitales para mantener la oscilación. En resumen, la primera consecuencia del rozamiento es que la frecuencia de oscilación pasa a ser un poco inferior a la natural. Pero este no es el único efecto, ni el más importante.

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Si os habéis tirado alguna vez a la piscina en plancha, os habréis dado cuenta de una cosa: duele. En cambio, si entramos a ella poca a poco, no duele en absoluto. ¿Por qué? Pues resulta que el rozamiento con el agua es proporcional a la velocidad. Cuando nos lanzamos, vamos muy deprisa, por lo que notaremos una elevada fuerza de fricción.

De vuelta a nuestro columpio acuático, todo esto significa que cuando nos estamos columpiando muy deprisa, es decir la amplitud del movimiento es muy grande, el rozamiento nos frenará muchísimo. En cambio, cuando vamos lento, en una oscilación poco amplia, apenas notaremos los efectos.

Ayer dijimos que, si la frecuencia de los empujones es algo distinta a la frecuencia de oscilación, la amplitud crecía y decrecía periódicamente. Esto era porque los empujones a veces estaban en fase con el movimiento, yo tras veces no.

Ahora, a causa de la fricción, en los momentos en que la amplitud es mayor el rozamiento nos frenará más. Y, por el contrario, en los momentos donde el movimiento es muy suave, el rozamiento apenas nos afectará. El resultado final es que, al cabo de un cierto tiempo, la amplitud se estabiliza.

Es decir, a causa del rozamiento, al cabo del tiempo desaparecen las pulsaciones. Puede que se vean unas cuantas al principio del movimiento, pero a la larga obtenemos una oscilación armónica con frecuencia una frecuencia algo menor que la natural, y amplitud fija.

Ahora bien, lo que sigue siendo cierto es que esta amplitud es mayor cuando la frecuencia de los empujones es similar a la frecuencia de oscilación. Si la frecuencia es más pequeña, o demasiado grande, la amplitud decrece. La frecuencia que deben tener los empujones para que la amplitud sea la máxima posible se llama frecuencia de resonancia. A causa del rozamiento, es ligeramente inferior a la frecuencia natural.

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Volvamos, por fin después de tanta teoría, al interior de nuestro vehículo y los extraños ruiditos que a veces se producen a causa de resonancias indeseadas.

Todas las piezas que forman nuestro coche tienen una frecuencia de resonancia, como cualquier objeto del universo. En este caso, lo equivalente a los empujones son las vibraciones del propio motor. El aire es el responsable del rozamiento; resulta que el aire se comporta de forma muy similar al agua en estos casos (a parte de ser mucho más liviano, claro).

¿Por qué vibra el motor? Como sabéis, los motores de combustión interna se basan en producir una explosión que empuja un pistón. Como está fijado al cigüeñal a través de unas bielas, después de bajar, el pistón vuelve a subir. Es decir, oscila. Esta oscilación se acaba por transmitir a todo el bloque motor, en forma de oscilaciones.

En resumen, más o menos, por cada revolución, todo el motor oscila una vez. Por lo tanto, la frecuencia de los «empujones» que las vibraciones del motor transmiten a todas las piezas del coche depende del régimen de revoluciones a que éste se encuentre.

Si una pieza entra en resonancia, empieza a oscilar con mucha amplitud. Esa vibración se transmite al aire, cosa que nosotros percibimos como un ruidito que nunca habíamos oído antes. Pero éste es el más benigno de los problemas que puede causar: si la oscilación empieza a ser demasiado violenta, la pieza puede romperse o salirse de sitio. Algo así como el grito que rompe una delicada copa.

Por lo tanto, las piezas del coche se diseñan de forma que la frecuencia de resonancia en condiciones normales sea muy diferente a las frecuencias a las que suele vibrar el motor en un uso normal. Pero la frecuencia de resonancia puede cambiar si la pieza se deforma, o si sus fijaciones se aflojan.

Es posible que la curva de resonancia de la pieza sea muy estrecha, es decir, que la amplitud de la oscilación sólo sea suficiente para llegar a producir un sonido audible cuando la frecuencia el motor es muy cercana a un valor concreto. En este caso, se produce lo que decíamos en el artículo de ayer: el ruidito sólo aparece cuando el motor gira a una revoluciones concretas, y desaparece si lo aceleramos o lo frenamos.

Este efecto se puede notar muy claramente en los autobuses y autocares. La frecuencia de resonancia de las ventanas es muy similar al ralentí del motor. Por lo tanto, cuando el autobús está parado en un semáforo, es muy fácil notar las vibraciones del motor en los cristales. En marcha, no obstante, las vibraciones de las ventanas son mucho más suaves.

Hay muchas otras situaciones en que la resonancia puede ser fatal. Por ejemplo, si los amortiguadores están estropeados, la suspensión de nuestro coche se pondrá a oscilar al pasar por un bache. Si poco después pasamos por más baches, es posible que dicha oscilación entre en resonancia. En un caso extremo, el coche puede llegar a pegar un salto. No debe ser agradable.

Pero la resonancia no siempre es negativa. Por ejemplo, el microondas en que caliento un vaso de leche cada mañana se basa en ella. También se utiliza para ciertas pruebas médicas. Incluso hay gente que se pasa años de su vida en un conservatorio haciendo arte con las frecuencias de resonancia de sus instrumentos.

En Circula seguro | Resonancia (1)
Foto | trieu88, daquellamanera, Wikipedia

  • muy buena tambíen la segunda parte!! uno de esos famosos elementos de los que hablas y relacionado con el rozamiento son las pastillas de freno… en cierto vehiculos (lo sé por el mio), al frenar las masas no suspendidas de la pinza entran en resonancia y de ahi el tipico chirrido que se oye aunque las pastillas sean nuevas… por ultimo un comentario friki… dentro de la camara no tiene lugar una explosión, sino una combustión… la diferencia es la velocidad de propagación de la onda.. en un explosión la velocidad es mayor que la del sonido mientras que una combustión es menor!! un saludo y espero que sigas con entradas técnicas de esta calidad!!

  • Hola, me ha gustado mucho su artículo: creo que el personal que opera en las centrales termoeléctricas sabe de que habla Ud. cuando se refiere a vibraciones, resonancias, frecuencias, etc.. Solo tiene que mencionarles VELOCIDAD CRITICA y verá como se tientan la ropa. Saludos.

  • Oscar, puestos a ser quisquillosos, según la RAE:

    Explosión
    1. f. Liberación brusca de una gran cantidad de energía, de origen térmico, químico o nuclear, encerrada en un volumen relativamente pequeño, la cual produce un incremento violento y rápido de la presión, con desprendimiento de calor, luz y gases. Va acompañada de estruendo y rotura violenta del recipiente que la contiene.

    Combustión
    3. f. Quím. Reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de desprendimiento de energía y que habitualmente se manifiesta por incandescencia o llama.

    Así que en el fondo, ambas palabras parecen apropiadas. Cuando no importa demasiado, como es el caso, yo las uso como sinónimos (por eso de no repetir demasiadas palabras, que las sigo repitiendo igualmente, soy un desastre). Pero eso es lo de menos hoy, quizá si un día me da por hablar de las diferencias termodinámicas entre el ciclo Otto y el Diesel ahondaré en ese tema.

    Xameise, tanto el ejemplo como el que das tú como el que da öscar es muy bueno. Todo ésto que hemos estado explicando es muy universal, hay muchos sistemas de índole muy diferente que se comportan así. Por algo en todas las asignaturas de Física de todas las carreras se machaca tanto el tema del oscilador armónico amortiguado y forzado.