MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE CON SENSORES - ESTUDIO CINEMÁTICO


Experimentos realizados por alumnos de ESO y de Bachillerato en el IES "Leonardo Da Vinci" de Alicante y en la Ikastola "Pasaia-Lezo" de Guipuzcoa

 
 
PRODUCCIÓN DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (MAS)
DISEÑO EXPERIMENTAL
GRÁFICAS DE LAS MAGNITUDES CINEMÁTICAS
CAMBIO DEL SISTEMA DE REFERENCIA Y ECUACIÓN DEL MAS
CÁLCULOS INTERESANTES
OSCILACIONES CON DIFERENTE AMPLITUD
ARCHIVOS DE DATA-STUDIO
 

 

 

 

 

PRODUCCIÓN DEL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE

 
 

Después de desarrollar en clase la teoría sobre el movimiento armónico simple (MAS), deseamos estudiar experimentalmente un movimiento real con estas características. Como material de partida se dispone de muelles y se propone a los estudiantes que elaboren un diseño experimental adecuado para producir un MAS y estudiarlo empíricamente.

 

 

 

         

Los estudiantes comprueban que es difícil mantener las oscilaciones con un muelle en posición horizontal encima de una mesa. El rozamiento es muy apreciable y sólo se consiguen oscilaciones que se amortiguan rapidísimamente.

 

Una segunda opción es sostener el muelle en posición vertical. Así es más fácil producir oscilaciones continuadas, pero resulta difícil e incómodo obtener un movimiento armónico de amplitud constante.

 

Todo ello ayuda a concebir un diseño un poco más elaborado: Colgar el muelle de un punto fijo y colgar del muelle a su vez un objeto que produzca las oscilaciones. que, de esta manera, sí pueden corresponder a un MAS.

 
 
 

 

DISEÑO EXPERIMENTAL

     
 

 

La experiencia acumulada en el trabajo con sensores de movimiento, enseña que para determinar posiciones con mayor precisión conviene que la superficie del móvil que se enfrenta al sensor sea plana y perpendicular a la dirección del movimiento. Por tanto, se sustituye la bola por una base circular, sujetada con con un ganchito que permite colgarla del muelle y se coloca el sensor de movimiento en el suelo, enfocado hacia la base plana del móvil.

En cuanto a la configuración del sensor, se obtienen resultados excelentes trabajando en el rango de 40-50Hz (40 o 50 mediciones por segundo)

 

 
 

 

GRÁFICAS DE LAS MAGNITUDES CINEMÁTICAS

 
 

 

A la izquierda se muestran las gráficas experimentales de las magnitudes cinemáticas obtenidas por uno de los equipos de alumnos en el laboratorio del Instituto. Su perfil corresponde a un movimiento armónico simple y se observa una mayor imprecisión en la gráfica de la velocidad y, mucho mayor, en la de aceleración. Esto se debe a una acumulación progresiva de errores que comete por el programa al ir obteniendo las magnitudes derivadas, ya que calcula los valores de la velocidad  a partir de los valores experimentales de la posición (sin descartar ninguno) y los de la aceleración a partir de los de la velocidad.

 

Los alumnos presentan las tres gráficas conjuntamente para facilitar la discusión cualitativa de detalles conceptuales del movimiento armónico simple: 1) La velocidad es máxima (positiva o negativa) cuando la posición es nula, es decir, cuando el móvil pasa por la posición de equilibrio; y es nula cuando la posición es máxima o igual a la amplitud (positiva o negativa), es decir, cuando el móvil pasa por las posiciones extremas. 2) La gráfica de la aceleración es similar y de signo opuesto a la de la posición, como corresponde a que la fuerza de recuperación del muelle responsable de dicha aceleración se opone en cada instante a la elongación. Por tanto, dicha aceleración es máxima positiva cuando la posición es igual a la amplitud negativa y máxima negativa cuando la posición es igual a la amplitud positiva.

 

Por otra parte, observando con un poco más de detalle cualquiera de las tres gráficas, como, por ejemplo, la de la posición (a la derecha) se aprecia también que en el movimiento estudiado se produce una ligera amortiguación. Aunque lo hace muy lentamente, la amplitud disminuye paulatinamente en cada oscilación respecto de la anterior.

 

 
 

 

 

CAMBIO DEL SISTEMA DE REFERENCIA Y ECUACIÓN DEL MAS

 
 

Para obtener las ecuaciones del movimiento, procede realizar un ajuste sinusoidal sobre las gráficas de las tres magnitudes cinemáticas.

 

 

A la izquierda se expone el resultado de dicho ajuste sobre la gráfica de la posición obtenida en el experimento que nos envía el profesor Mikel Etxaniz, de la Ikastola "Pasaia-Lezo" en Guipúzcoa. Junto con la amplitud y el periodo, el programa proporciona otros dos coeficientes. Uno, C, que llama fase y en realidad representa el tiempo que falta hasta que el bloque pase por la posición de equilibrio por primera vez en sentido ascendente (es decir, hasta que la fase pase por el origen o tenga el valor de 2p), y otro, D, que es el desplazamiento vertical, o, lo que es igual, la distancia entre el sensor y la posición de equilibrio.

 

Si se dejan los resultados y su representación gráfica así, nos vemos obligados a trabajar en un sistema de referencia incómodo, con origen espacial en la posición del sensor y adoleciendo de un desfase temporal con respecto al instante en el que el objeto pasa por la posición de equilibrio. Para evitar esta incomodidad, interesa realizar consecutivamente dos cambios de variable (opción que facilita el programa entrando en la pestaña de "Calcular"):

 

 

1) En la posición, para definir la elongación y igual a la posición que mide el sensor menos el desplazamiento vertical (en este caso yelongación = ysensor - 0,572).

2) En el tiempo, para hacer coincidir el inicio del tiempo con el inicio de un ciclo, al pasar el móvil por su posición de equilibrio (en este caso, tsin desfase = tsensor - 0,381) (Para hacer este cambio hay que definir antes el tiempo como variable).

Después de haber definido las magnitudes (elongación y tiempo sin desfase), se presentan conjuntamente la gráfica inicial (arriba) y la obtenida de la elongación sin desfase (debajo). En esta segunda, los coeficientes C y D son prácticamente iguales a cero, es decir, para t = 0 es y = 0, con lo que la ecuación del movimiento se escribe sencillamente:

y = A sin (wt)           y = 0,105 sin (2p/2,12)t  (en el ejemplo mostrado)

 
 
 

 

CÁLCULOS INTERESANTES

 
 

Es muy interesante completar las observaciones cualitativas que se han realizado al comparar los perfiles de las gráficas de las magnitudes cinemáticas, con algunos cálculos dedicados a confirmar predicciones de la teoría sobre el movimiento armónico simple.

 

A la derecha se muestran gráficas de la elongación, la velocidad y la aceleración (todas expresadas en el SR con origen en x = 0 y sin desfase temporal) para uno de los ensayos del experimento enviado por el profesor Etxaniz. Las funciones representadas tienen excelente calidad  (no hay apenas deformaciones) y se ha realizado un conjunto de comprobaciones cuantitativas de mucho interés.

Concretamente se calcula la pulsación w a partir del periodo T medido experimentalmente (w = 2p/T = 2p/2,125 = 2,957 rad/s) y, a partir de ella, se obtiene a su vez la velocidad máxima vmax (vmax = A·w = 0,22·2,957 = 0,65 m/s). Después de hacer este cálculo, con la gráfica de la velocidad activada, se usa la aplicación del programa "Estadística" que enseña la velocidad mínima, máxima y media, comprobando, como se observa (valor mínimo de -0,65m/s y valor máximo de 0.66m/s), que coincide plenamente con el calculado por el otro procedimiento. Lo mismo se hace con la aceleración máxima (amax = A·w2 = 0,22·2,9572 = 1,924 m/s2) cuyos valores "estadísticos" máximo y mínimo resultan en en este caso ±1,9 m/s2.

 

 
 

 

 

OSCILACIONES CON DIFERENTE AMPLITUD

 
 

Para poner la guinda al estudio cinemático del movimiento armónico simple, es muy instructivo plantear a los estudiantes qué suponen que cambiará si se estira más (o menos) el muelle al iniciar el movimiento. Para ellos, resulta evidente que la amplitud del movimiento va a ser mayor (o va a disminuir), pero no es nada fácil que prevean lo que ocurre con el periodo, la frecuencia y la pulsación.

 

 

Las gráficas adjuntas también pertenecen al experimento del profesor Etxaniz y muestran con altísima precisión que con el cambio de amplitud, el periodo (y por tanto, también la pulsación y la frecuencia) de oscilaciones de amplitudes diferentes, provocadas en el mismo muelle (con el mismo cuerpo colgando de él), es exactamente igual para todas ellas. Así se deduce si se realiza un análisis dinámico del movimiento (de dicho análisis se obtiene la relación K = mw2, que indica que la pulsación w no varía mientras no varíe el muelle K y/o la masa m), pero no es, desde luego, nada evidente a la intuición. Es una situación similar a la del periodo del movimiento de oscilación del péndulo simple, donde la amplitud no influye en el periodo, porque aunque la oscilación de mayor amplitud supone un desplazamiento mayor (por ello, se podría pensar que el periodo también será mayor), dicho desplazamiento se realiza con cambios más rápidos de velocidad.

 

Como vemos, la justificación de estos últimos resultados tiene su origen en un estudio dinámico del MAS. Dedicamos otra página a dicho estudio, en el que se obtienen otras consecuencias y resultados de interés.

 

 

 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Puedes descargar los resultados originales de los experimentos que se describen en esta página y en la dedicada al análisis dinámico del MAS. Para abrirlos se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes Departamentos de Física y Química de institutos de Enseñanza Secundaria.