MOVIMENTO OSCILATÓRIO Estamos familiarizados com diversos tipos de movimentos oscilatórios...
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MOVIMENTO OSCILATÓRIO
Estamos familiarizados com diversos tipos de movimentos oscilatórios periódicos
mais exemplos de movimento oscilatório
Outros exemplos de movimento oscilatório
Electrões vibram em torno do núcleo frequência alta: ~1014 - 1017 HzOs núcleos das moléculas vibram frequência intermediária: ~1011 - 1013 Hz
Vibrações das moléculas de água
Num sólido os átomos vibram em torno da sua posição de equilíbrio
mais exemplos de movimento oscilatório
MOVIMENTO PERIÓDICO
O movimento periódico é o movimento dum corpo que se repete regularmenteO corpo volta a uma dada posição depois dum certo intervalo de tempo fixo
É um tipo especial de movimento periódico e acontece quando a força que age sobre a partícula
e é dirigida sempre para a posição de equilíbrio
é proporcional ao deslocamento da partícula em relação a posição de equilíbrio
O MOVIMENTO HARMÓNICO SIMPLES (MHS)
kxFs
MOVIMENTO DO SISTEMA MASSA-MOLA
Um bloco de massa m é ligado a uma mola
O bloco se desloca numa superfície horizontal sem atrito
Quando a mola não está esticada nem comprimida, o bloco está na posição de equilíbrio x = 0
Vimos anteriormente que pela Lei de Hooke que
kxFs
k é a constante elástica
sF força restauradora
x deslocamento
A força restauradora está sempre dirigida para o ponto de equilíbrio é sempre oposta ao deslocamento
O movimento do sistema massa-mola é um movimento harmónico simples
• O bloco é deslocado para a direita de x = 0
– A posição é positiva• A força restauradora é dirigida para a
esquerda
• O bloco é deslocado para a esquerda de x = 0
– A posição é negativa• A força restauradora é dirigida para a
direita
• O bloco está na posição de equilíbrio x = 0
• A mola não está nem esticada nem comprimida
• A força é 0
ACELERAÇÃO
De acordo com a segunda lei de Newton
xmkama -kxmaFs
A aceleração é proporcional ao deslocamento do bloco
A aceleração não é constante
Amka Se o bloco é largado de uma posição x = A, então a aceleração inicial é
O bloco continua até x = - A onde a sua aceleração é
Quando o bloco passa pelo ponto de equilíbrio,
O sentido da aceleração é oposto ao sentido do deslocamentoNum corpo que se mova com um movimento harmónico simples, a aceleração é proporcional ao seu deslocamento mas tem um sentido oposto ao deslocamento
as equações cinemáticas não podem ser aplicadas
Amka
0a
O bloco continua a oscilar entre –A e +A
MOVIMENTO DO BLOCO
Sistemas reais estão sujeitos a atrito, portanto não oscilam indefinidamente !
A força é conservativa
Na ausência de atrito, o movimento continua para sempre
AS FUNÇÕES TRIGONOMÉTRICAS SEN E COS RESPEITAM ESTES REQUISITOS !
REPRESENTAÇÃO MATEMÁTICA DO MOVIMENTO HARMÓNICO SIMPLES
2
2
d x ka xdt m
2 km
Tratamos o bloco como sendo uma partícula
Escolhemos que a oscilação ocorre ao longo do eixo x
Aceleração Definimos
xa 2 xdt
xd 22
2
ou
Precisamos de uma função que satisfaça a equação diferencial de segunda ordem
Procuramos uma função x(t) cuja segunda derivada é a mesma que a função original com um sinal negativo e multiplicada por
Podemos construir uma solução com uma ou ambas as funções
2
• A fase do movimento é a quantidade• Se a partícula está em x = A para t = 0, então
REPRESENTAÇÃO GRÁFICA
tAtx cos
A seguinte função cos é uma solução da equação
onde e ,A são constantes
A é a amplitude do movimento esta é a posição máxima da partícula quer na direcção positiva quer negativa
é a fase (constante) ou o ângulo de fase inicial
é a frequência angularUnidade rad/s
0
• x(t) é períodica e o seu valor é o mesmo cada vez que t aumenta de 2 radianos
t
A caneta ligada ao corpo oscilante desenha uma curva sinusoidal no papel que está em movimento
EXPERIÊNCIA
Verifica-se assim a curva co-seno, considerada anteriormente
• O período, T, é o intervalo de tempo necessário para que a partícula faça um ciclo completo do seu movimento
Os valores de x e v da partícula no instante t são iguais aos valores de x e v em t + T
2T
• O inverso do período chama-se frequência A frequência representa o nº de oscilações executadas pela partícula por unidade
de tempo
• A unidade é o ciclo por segundo = hertz (Hz)
1ƒ2T
DEFINIÇÕES
EQUAÇÕES DO MOVIMENTO NO MHS
22
2
( ) cos ( )
sin ( t )
cos( t )
x t A tdxv Adtd xa Adt
max
2max
kv A Amka A Am
As condições iniciais em t = 0 sãox (0)= Av (0) = 0
Exemplo
22
2
( ) cos ( )
sin ( t )
cos( t )
x t A tdxv Adtd xa Adt
Isto implica = 0Extremos da aceleração : ± 2AExtremos da velocidade : ± A
• Energia cinética
• Energia Potencial
• Energia Mecânica
tAktAmmvK 22222
12212
21 sinsin
tkAK 2221 sin
2212
21 cos tAkkxU
tkAU 2221 cos
221 kAUKEM
ENERGIA NO MHS
Energia do sistema massa-mola
como 22
km
mk
OSCILAÇÕES AMORTECIDAS
Nos sistemas realistas, estão presentes o ATRITO o movimento não oscila indefinidamente Neste caso, a energia mecânica do sistema diminui no tempo e o movimento é conhecido como movimento amortecido
Um exemplo de movimento amortecido
A força de atrito pode ser expressa como
bvkxmaF
bvF atrito
um objecto está ligado a uma mola e submerso num líquido viscoso
dtdxbkx
dtxdm 2
2
A equação do movimento amortecido é
b é o coeficiente de amortecimento
onde é a frequência angular natural do oscilador
OSCILAÇÕES FORÇADAS
É possível compensar a perda de energia de um sistema amortecido aplicando uma força externa
FtFdtdxbkx
dtxdm fcos02
2
tFF fcos0
A equação do movimento amortecido para oscilações forçadas é
22220
2
0
4 ff
mFA
A amplitude de uma oscilação forçada é
0
onde é a frequência angular da força aplicada no oscilador
f
Quando a frequência angular da força aplicada é igual à frequência angular natural
( ) ocorre um aumento na amplitude
22220
2
0
4 ff
mFA
RESSONÂNCIA
0 f
máximo A
A
Chama-se RESSONÂNCIA a esse aumento espectacular na amplitude
Exemplo Tacoma bridge