curso de oscilaciones y ondas cap 3

24
74 Capítulo 3. Oscilaciones libres de sistemas con más de un grado de libertad. Modos normales. Introducción: Hasta el momento, hemos estudiado la evolución dinámica de sistemas formados por una sola partícula obligada a moverse en una única dimensión, por lo cual, sólo hemos necesitado una coordenada para describirlos ( xt () ). Decimos que estos sistemas poseen un sólo grado de libertad. En este capítulo estudiaremos el comportamiento oscilatorio presente en sistemas de más de una partícula, y con más de un grado de libertad, por lo cual, necesitaremos más de una coordenada para describirlos. Comprobaremos que el movimiento general de un sistema con muchos grados de libertad puede tener una apariencia muy complicada; donde ninguna de sus partes se mueve con un movimiento armónico simple, pero sin embargo, si sus ecuaciones de movimiento son lineales, el movimiento más general se puede describir como la superposición de movimientos armónicos simples. Estos movimientos armónicos simples, se denominan modos normales o modos resonantes, o simplemente modos. Cada modo tiene su frecuencia característica y existirán tantas frecuencias de resonancia como modos normales haya en el sistema. Los ejercicios recomendados son el 2, 3, 4 y 7. 3-1. Guía teórica. Grados de Libertad de un Sistema. (la lectura de esta guía teórica no es indispensable para la comprensión del resto del capítulo, en una primera lectura puede saltearse). Es bien sabido que para describir la evolución de una partícula en el espacio resulta necesario la utilización de tres coordenadas, por ejemplo las tres coordenadas cartesianas xt yt zt ( ), ( ), ( ) , por ello, decimos que el sistema posee tres grados de libertad. Si por alguna razón, la partícula estuviera obligada a moverse sobre una superficie, podríamos eliminar una de las coordenadas, necesitando solamente dos, en éste caso decimos que el sistema posee dos grados de libertad. Si el sistema consiste de dos partículas moviéndose en el espacio, para describirlo hacen falta tres coordenadas para cada partícula, por lo cual, decimos que el sistema posee seis grados de libertad. Y en general, un sistema de N partículas moviéndose en el espacio tiene 3N grados de libertad.

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Curso de Oscilaciones y Ondas

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Page 1: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

74

Capítulo 3.

Oscilaciones libres de sistemas con más de un grado

de libertad.

Modos normales.

Introducción:

Hasta el momento, hemos estudiado la evolución dinámica de sistemas

formados por una sola partícula obligada a moverse en una única dimensión, por lo

cual, sólo hemos necesitado una coordenada para describirlos (x t( ) ). Decimos que

estos sistemas poseen un sólo grado de libertad. En este capítulo estudiaremos el

comportamiento oscilatorio presente en sistemas de más de una partícula, y con más

de un grado de libertad, por lo cual, necesitaremos más de una coordenada para

describirlos.

Comprobaremos que el movimiento general de un sistema con muchos grados

de libertad puede tener una apariencia muy complicada; donde ninguna de sus partes

se mueve con un movimiento armónico simple, pero sin embargo, si sus ecuaciones

de movimiento son lineales, el movimiento más general se puede describir como la

superposición de movimientos armónicos simples. Estos movimientos armónicos

simples, se denominan modos normales o modos resonantes, o simplemente modos.

Cada modo tiene su frecuencia característica y existirán tantas frecuencias de

resonancia como modos normales haya en el sistema.

Los ejercicios recomendados son el 2, 3, 4 y 7.

3-1. Guía teórica. Grados de Libertad de un Sistema. (la lectura de esta

guía teórica no es indispensable para la comprensión del resto del capítulo, en una

primera lectura puede saltearse).

Es bien sabido que para describir la evolución de una partícula en el espacio

resulta necesario la utilización de tres coordenadas, por ejemplo las tres coordenadas

cartesianas x t y t z t( ), ( ), ( ) , por ello, decimos que el sistema posee tres grados de

libertad. Si por alguna razón, la partícula estuviera obligada a moverse sobre una

superficie, podríamos eliminar una de las coordenadas, necesitando solamente dos, en

éste caso decimos que el sistema posee dos grados de libertad.

Si el sistema consiste de dos partículas moviéndose en el espacio, para

describirlo hacen falta tres coordenadas para cada partícula, por lo cual, decimos que

el sistema posee seis grados de libertad. Y en general, un sistema de N partículas

moviéndose en el espacio tiene 3N grados de libertad.

Page 2: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

75

En muchos sistemas físicos aparecen ligaduras entre las partículas, por

ejemplo, en un sólido rígido ideal suponemos que las distancias entre las partículas

permanecen inalteradas, como si estuvieran unidas por barras rígidas (sin masa). El

efecto de estas ligaduras es el de disminuir la cantidad de coordenadas necesarias para

describir el sistema, o sea, disminuir los grados de libertad.

Un ejemplo simple e ideal, es el de dos masas unidas por una barra rígida sin

masa, moviéndose en el espacio, como muestra la figura 3-1.

Sin la barra, el sistema tiene 6 grados de libertad, 3 por cada partícula. Pero con la

barra, ya no hacen falta 6 coordenadas para describirlo. Determinando las tres

coordenadas de la partícula 1, y colocando el sistema de coordenadas en ella (ver

figura 3-1), vemos que como la distancia entre ambas no puede cambiar (barra rígida),

sólo hacen falta dos ángulos para determinar la posición de la partícula 2, los ángulos

y . Por lo cual, sólo se necesitan 5 coordenadas para describir al sistema, o sea, el

sistema tiene 5 grados de libertad.

En general, cada ligadura rígida hace disminuir en una unidad el número de

grados de libertad. Si el sistema tiene N partículas, y un número de ligaduras k (no-

dependientes entre sí), entonces el número de coordenadas independientes, o grados

de libertad, resulta,

Número de grados de libertad 3N k 3-1

Esto puede entenderse si pensamos que cada ligadura puede representarse

matemáticamente por una ecuación, en el ejemplo anterior,

r r d distancia fija2 1

Cada ecuación de ligadura, introduce una dependencia entre las coordenadas de una

partícula y las de la otra, disminuyendo de esta forma, la cantidad de coordenadas

independientes.

Podría darse el caso de que las ligaduras formen un sistema de ecuaciones

dependientes entre sí, por ejemplo, supongamos el sistema formado por cuatro

partículas puntuales, contenidas en un plano, como muestra la figura 3-2. En

principio, para describir el sistema, resulta necesario dos coordenadas por partícula, 8

en total, pero debido a las ligaduras existentes en el sistema, comprobaremos que

posee sólo 3 grados de libertad.

1

2

Figura 3-1: Sistema formado por dos masas puntuales, unidas por

una barra rígida sin masa.

Page 3: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

76

r r d distancia fija2 1

r r d distancia fija3 2

r r d distancia fija4 3

r r d distancia fija1 4

r r d distancia fija3 1

r r d distancia fija4 2

Las 6 ecuaciones de ligadura (ver figura 3-2) no son independientes, ya que

alcanzan sólo 5 barras (en el plano), la , , , y para que la

distancia quede determinada, es decir, la barra y la ecuación r r d distancia fija4 2 no introducen ninguna información nueva, son

dependientes de las primeras 5 ligaduras. O sea, el sistema tiene 5 ecuaciones de

ligadura independientes.

Las 5 ecuaciones de ligadura relacionan entre sí a las coordenadas del sistema,

por esta razón, el sistema de la figura 3-2, posee sólo,

8 5 3 (tres) grados de libertad.

Dos grados de libertad determinan el centro de masas (en el plano) y el tercero puede

ser un ángulo que describe las rotaciones.

A partir de la discusión anterior, concluimos que en la expresión 3-1, el número

k, indica el número de ligaduras independientes, que en el ejemplo anterior son sólo

5.

Volviendo al ejemplo del sólido rígido, éste posee N partículas unidas de a dos

con una barra imaginaria, por lo cual tiene un número de ligaduras igual a,

N N

NN N N

2 2 2

1

21 3

!

! ! (es mucho mayor que 3N , para N 8)

Por supuesto, si el número de ligaduras es mayor que 3N , seguramente no todas ellas

son independientes, ya que si no el número de grados de libertad sería nulo o negativo.

No es difícil ver que el número de grados de libertad de un sólido rígido ideal

es 6. Intuitivamente vemos que sí conocemos las coordenadas de 3 puntos del sólido,

que no se hallen sobre una misma línea, éste queda descripto, por lo cual ya vemos

que con sólo 9 coordenadas alcanza, ver figura 3-3.

1

2 4

3

Figura 3-2: Sistema formado por 4 masas puntuales, unidas por 5 barras rígidas, sin

masa.

Las ligaduras no son independientes.

Page 4: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

77

Pero como además tenemos las ligaduras existentes entre cada uno de los tres puntos,

el número de coordenadas necesarias baja en tres unidades. Por lo cual, el número de

grados de libertad de un sólido rígido ideal resulta ser 6.

Grados de libertad de traslación, rotación y vibración. Las coordenadas que

realmente terminan siendo independientes en un sistema no necesariamente son todas

coordenadas cartesianas. En el ejemplo discutido antes, de las dos partículas unidas

por una barra, el sistema puede describirse mediante 3 coordenadas cartesianas y 2

ángulos. En general, las coordenadas elegidas son aquellas que permiten realizar más

simplemente la descripción del sistema, y en algunos casos se las puede asociar a

algún tipo especial de movimiento.

Comúnmente lo que resulta más simple es reservar 3 coordenadas para la

descripción del centro de masas del sistema. Esas 3 coordenadas permiten describir

traslaciones en el espacio del sistema como un todo, por esta razón decimos que son

grados de libertad de traslación.

En el caso del sólido rígido, 3 grados de libertad determinan su centro de

masas, y como dijimos describen traslaciones rígidas del sólido. Las otras 3

coordenadas son ángulos que determinan la orientación en el espacio del sólido. La

variación de estas coordenadas angulares representan movimientos de rotación, por

ello decimos que estas 3 coordenadas son grados de libertad de rotación.

Supongamos un sistema formado por dos partículas unidas por un resorte sin

masa, o “su análogo”, molécula formada por dos átomos interactuando

electrocuánticamente, ver figura 3-4.

El sistema posee 6 grados de libertad, ya que el resorte no es una ligadura

rígida, y por ende, no restringe para nada el número de grados de libertad. 3 grados de

libertad los asociamos a la descripción del centro de masas de la molécula (3 grados

de libertad de traslación). Dos grados de libertad son asociados a coordenadas

angulares, que fijan la orientación en el espacio de la molécula, por lo cual

corresponden a grados de libertad de rotación. Nos falta aún considerar, un grado de

libertad. Ese grado de libertad corresponde a la coordenada que describe la distancia

relativa entre los átomos. La variación de esta coordenada corresponde a movimientos

1

2 3

Figura 3-3: Sólido rígido. Identificando 3 puntos es posible describir al sistema.

Fig. 3-4

Page 5: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

78

oscilatorios, por lo cual, decimos que corresponde a un grado de libertad de

vibración.

3-2. (Recomendado). Analice cuántos grados de libertad tienen los siguientes

sistemas, especifique cuántos de traslación, de rotación y de vibración:

a) Una partícula puntual, en el plano.

b) Una partícula puntual, en el espacio.

c) Dos partículas puntuales.

d) N partículas puntuales.

e) Dos partículas puntuales unidas rígidamente a una distancia l fija (Ligadura sin

masa).

f) Dos partículas puntuales unidas por un resorte sin masa.

g) Una molécula diatómica.

h) Una molécula triatómica.

i) Un sólido rígido.

3-3. Ejercicio Teórico: Centro de masas y Coordenada Relativa

(Recomendado):

En este ejercicio estudiaremos un sistema simple, ideal, pero que sirve como

modelo o prototipo de sistemas más complejos tal como, por ejemplo, el de una

molécula diatómica.

Considere el sistema de dos masas puntuales kgma 1 y kgmb 2 acopladas

por un resorte de constante elástica k N m 400 / y longitud relajada cml 100 , como

se muestra en la figura 3-5 (no consideramos rozamiento ni ninguna otra fuerza más

que la elástica de interacción entre las masas),

a) Indique ¿cuántos grados de libertad tiene el sistema?, ¿cuántos modos de

oscilación posibles tiene?, ¿cuántos de traslación y de rotación?.

Considerando sólo el caso unidimensional,

b) Halle las ecuaciones dinámicas de ambas masas.

Resp.

0abb

0aba

)t()t( )t(

)t()t( )t(

lxxkxm

lxxkxm

b

a

3-3

2-3

Observe que el signo más, que acompaña a la constante elástica k en la primera

ecuación, no es el habitual. Discuta.

B A

Fig. 3-5

Page 6: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

79

Comentario: La resolución de este sistema de ecuaciones diferenciales presenta la

dificultad de que están acopladas, es decir, la aceleración de la partícula “ a ”

depende no sólo de la posición de esa partícula sino también de la posición de la

partícula “ b ”. No es posible hallar la ecuación de movimiento para la partícula

“ a ” sin resolver la de la partícula “ b ”.

Como el sistema de ecuaciones diferenciales es lineal siempre resulta posible

desacoplarlas. Para ello debemos hallar un cambio de variables adecuado que

desacople el sistema (modos normales de vibración).

Matemáticamente ya veremos como nos damos cuenta de cual es el cambio de

variables adecuado, pero físicamente uno podría ya imaginarse que las mejores

coordenadas para describir el movimiento de ambas partículas son:

I ) La coordenada del centro de masas del sistema ,

ba

bbaa

CMmm

xmxmR

.

Ya que al no existir fuerzas externas, sabemos que se mueve a velocidad constante

(o está quieto), por lo cual la ecuación diferencial correspondiente a la

coordenada del centro de masas será simplemente,

0CMR

la cual, nos dice que la aceleración del centro de masas es nula (velocidad

constante).

II ) La coordenada que indica la distancia relativa entre las partículas, que

podemos definir como ab xxr . Esta coordenada intuimos tiene una evolución

oscilatoria armónica, con lo cual seguramente la ecuación diferencial que

describe su evolución tiene la pinta,

0. lrconstanter ,

la cual, es una ecuación del tipo oscilador armónico (la constante la

determinaremos luego).

Uno podría tratar de obtener estas ecuaciones a partir de las ecuaciones

diferenciales correspondientes a las partículas “ a ” y “ b ”, simplemente

derivando dos veces a CMR y a r , usando las ecuaciones que las ligan con ax y

bx . Intente hacerlo de esta forma. En el próximo ítem lo haremos apelando a ideas

matemáticas.

c) Queremos desacoplar las ecuaciones diferenciales 3-2 y 3-3, para ello debemos

hallar un cambio de variables adecuado que desacople al sistema (modos

normales de vibración). Por el momento lo haremos tanteando, pero en la guía

teórica 3-8 estudiaremos un método matemático general para desacoplar las

ecuaciones diferenciales lineales.

Page 7: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

80

Obtenga dos nuevas ecuaciones, una a partir de sumar las ecuaciones 3-2 y 3-3,

y la otra, multiplicando la ecuación 3-3 por am y restándole la ecuación 3-2

multiplicada por bm . Analice el por qué de este procedimiento.

Resp.

0

0

ltxtxmmktxtxmm

txmtxm

abbaabba

bbaa

5-3

4-3

d) Ahora se ve claro que, si hacemos un cambio de variables adecuado, las ecuaciones

diferenciales se desacoplan. Proponga el cambio de coordenadas:

coordenada centro de masas ba

bbaa

CMmm

xmxmR

3-6

y,

coordenada relativa ab xxr 3-7

y compruebe que las ecuaciones diferenciales 3-4 y 3-5 quedan:

0CMR 3-8

la cual, expresa que el centro de masas se mueve a velocidad constante, y

0lr

mm

mm

kr

ba

ba

3-9

que corresponde a una ecuación diferencial del tipo oscilador armónico.

Reconocemos la aparición de la masa reducida:

m m

m m

a b

a b

, 3-10

por lo cual, la ecuación diferencial para la coordenada relativa puede escribirse

como,

0lrk

r

, 3-11

Comentario: Observe que la ecuación diferencial de la coordenada relativa es

equivalente a la ecuación diferencial correspondiente al oscilador armónico con

sólo una masa. Al pasar a coordenadas relativas hemos transformado el problema

Page 8: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

81

de dos cuerpos en un problema equivalente de un sólo cuerpo de masa igual a la

masa reducida , oscilando con frecuencia

k2 .

e) Halle las frecuencias asociadas a cada movimiento (modos normales de

oscilación).

Resp. 02

1 (modo de traslación del centro de masa, no oscila)

k2

2 (modo de oscilación de la coordenada relativa)

Comentario: Se dice que un sistema está en un determinado modo de vibración

(armónico), cuando todas las partes móviles que lo componen oscilan con la

misma frecuencia y fase.

f) Halle la ley de movimiento de cada modo.

Resp. tAltr 20 cos )( (modo de oscilación de la coordenada relativa)

0 )( RtVtR CMCM (modo de traslación del centro de masa).

g) Obtenga las leyes de movimiento )(txa y )(txb .

Resp. )()()( trmm

mtRtx

ba

b

CMa

y )()()( trmm

mtRtx

ba

a

CMb

Comentario: Note que las posiciones de ambas masas dependen linealmente de la

función armónica )(tr , por lo cual, podemos concluir que ambas oscilan con la

misma frecuencia y fase, es decir, se hallan en un determinado modo de vibración

(armónico).

h) A partir del resultado anterior, compruebe que como ba mm entonces la partícula

“ a ” tiene una amplitud de oscilación mayor que la “ b ” (ya que las fuerzas que les

hace el resorte son las mismas mientras que las masas son distintas).

i) Importante. Halle la amplitud de la oscilación A si sabe que la energía mecánica

de oscilación es de E joule1 .

j) Importante. Halle la fase si a t 0 el resorte pasa por la posición de equilibrio.

k) Importante. Demuestre que la energía mecánica, puede expresarse, en las nuevas

coordenadas, como:

2

0

22

2

1

2

1

2

1lrkrRmmE CMba

Page 9: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

82

Discuta el significado físico de cada uno de los términos.

l) Demuestre la relación entre las energías cinéticas que se lleva cada masa es,

a

b

b

c

a

c

m

m

E

E

Analice el caso en que una masa es mayor que la otra, por ejemplo ba mm .

Discuta.

m) Importante. Escriba un comentario o resumen de los conceptos más importantes

aprendidos en el ejercicio.

3-4. Modelo de Molécula Diatómica (Recomendado. Paradigmático):

La energía potencial de interacción, entre dos átomos de igual masa m, que

forman una moléculas diatómica, puede aproximarse por la expresión,

E r Vr

r

r

rp ( )

00

6

0

12

2 ,

donde V0 y r0 son constantes positivas y r es la separación entre las moléculas.

a) Halle la masa reducida del sistema. Resp. m

2

b) Grafique E rp ( ) . Ayúdese con el Mathematica.

Respuesta: ver figura 3-6

Ep

V0

r0

r

Figura 3-6: Energía potencial de interacción, entre dos átomos, que

forman una moléculas diatómica

Page 10: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

83

c) Sobre la base del gráfico anterior, determine el rango de energía (total), para el cual

la molécula permanece ligada. Para energías superiores, discuta como evoluciona

el sistema.

d) ¿Cuál es la mínima energía mecánica que puede tener el sistema?. Si el sistema

posee esa energía mínima, ¿cuánta energía debe entregarse a la molécula para

destruirla?. ¿con que energía cinética se liberan los átomos?. Discutir.

e) Suponga que el sistema está ligado, proponga una energía y halle gráficamente el

rango de distancias relativas permitidas en la molécula.

f) Halle la posición de equilibrio y el valor de la energía potencial en el punto de

equilibrio. Ayuda: recordar que

p

r

EF

y en el equilibrio F 0.

g) Grafique F en función de r . Discuta sobre la magnitud y sentido de la fuerza para

distancias mayores y menores que la distancia de equilibrio.

h) Importante. Suponga que el sistema está ligado, y le interesa analizar sólo las

pequeñas oscilaciones de la molécula alrededor del equilibrio. Haga un desarrollo

en serie de potencias (Taylor) de la energía potencial y aproxímela con los

términos de menor orden (hasta orden 2).

Ayuda: E r E rd E

drr r

d E

drr rp p

p p( ) ( ) .....

0 2 0

2

3 0

31

2

1

60 0

2

r

3

r

donde se ha usado que d E

d r

p

r

0

0 .

Resp. 0

2

02

1)( VrrkrE p

donde kV

r

72 0

02

es una constante equivalente a la constante elástica del

resorte. ¿Influye la constante 0V en la dinámica del sistema?. Discuta.

i) Importante. Grafique el potencial exacto y el aproximado juntos. Discuta..

j) Importante. Con esta aproximación halle la frecuencia angular de oscilación.

Resp. =

2 0

02

72 V

r donde es la masa reducida.

k) Muy Importante. En esta aproximación, escriba la ecuación dinámica para la

variable r.

3-5. (Repaso). La frecuencia de oscilación de una molécula en movimiento térmico es

de 1013

Hz , aproximadamente. La masa es del orden de 1022

g . ¿Cuál es la constante

del resorte equivalente?.

3-6. (Repaso). Suponga que la energía potencial de interacción, entre dos moléculas

de igual masa m , puede aproximarse por la expresión, 2

001)(

rra

p e-VrE

,

Page 11: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

84

donde r es la separación entre los cuerpos. Grafique )(rE p y repita el análisis

energético y dinámico (en la aproximación de pequeñas oscilaciones) realizado en el

ejercicio 3-4.

3-7. Ejercicio Teórico: Modos Normales de Vibración (Recomendado):

Considere el sistema de dos masas m kg1 iguales acopladas por resortes de

constante elástica k N m500 / , de longitud relajada ml 10 , que pueden deslizar

libremente sobre una superficie sin ningún tipo de rozamiento, como se muestra en la

figura 3-7.

Estudiaremos únicamente las oscilaciones longitudinales (en la dirección de x)

alrededor del equilibrio:

a) Verifique que las ecuaciones dinámicas (ecuaciones de Newton) que describen la

evolución de las masas A y B son:

0ab0bb

0ab0aa

)t()t( )t( )t(

)t()t( )t( )t(

lxxklxLkxm

lxxklxkxm

13-3

12-3

Ayuda: recuerde que la fuerza elástica resulta proporcional al estiramiento del

resorte respecto de su longitud relajada. Por consiguiente, lo primero que debe

hacer es hallar la longitud del resorte en función de las coordenadas x ta y

x tb .

Compruebe que la longitud del resorte de la izquierda resulta,

L x ta1

La longitud del resorte del medio es,

L x t x tb a2

Mientras que la longitud del resorte de la derecha es,

L L x tb3

Deténgase a pensar el signo que le corresponde a cada término, correspondiente a

las fuerzas elásticas de cada resorte.

b) Halle las posiciones de equilibrio de las masas. Resp. 3

equi Lxa y 3

2equi Lxb

x

L=3m

B A Fig. 3-7

Page 12: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

85

c) Verifique que describiendo el sistema a partir de sus posiciones de equilibrio, las

ecuaciones de movimiento son:

)t( )t()t()t(

)t()t()t( )t(

babb

abaa

kkm

kkm

15-3

14-3

Ayuda: Haga el cambio de variables,

equi

aaa xx y equi

bbb xx 3-16

Comentario: La resolución de este sistema de ecuaciones diferenciales presenta

nuevamente la dificultad de que están acopladas, es decir, la aceleración de la

partícula “ a ” depende no sólo de la posición de esa partícula sino también de la

posición de la partícula “ b ”. No es posible hallar la ecuación de movimiento

para la partícula “ a ” sin resolver la de la partícula “ b ”.

Como el sistema de ecuaciones diferenciales es lineal siempre resulta posible

desacoplarlas. Para ello debemos hallar un cambio de variables adecuado que

desacople al sistema (modos normales de vibración). Por el momento lo haremos

tanteando, pero en la guía teórica 3-8 estudiaremos un método matemático

general para desacoplar las ecuaciones diferenciales lineales.

d) Sume y reste las ecuaciones diferenciales 3-14 y 3-15 y observe que haciendo un

nuevo cambio de variables,

)()()( ba1 ttt y )()()( ba2 ttt 3-17

(coordenadas normales de oscilación), éstas se desacoplan, con lo cual se obtienen

dos nuevas ecuaciones del tipo oscilador armónico.

Resp.

)t(3

)t(

)t( )t(

22

11

m

k

m

k

19-3

18-3

e) A partir de lo hallado en el ítem anterior proponga la solución de las ecuaciones

diferenciales correspondientes a los modos normales.

Respuesta:

1111 cos )( tAt y 2222 cos )( tAt 3-20

f) Halle las frecuencias de los modos normales de oscilación 1 y 2 .

Respuesta:

Page 13: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

86

12

k

m y 2

23

k

m 3-21

Comentario: Las amplitudes y las fases dependen de las condiciones iniciales del

movimiento.

g) Sabiendo que )()()( ba1 ttt y )()()( ba2 ttt , halle la solución

general de las ecuaciones de movimiento para cada masa, es decir halle )(a t y

)(b t .

Resp. 222

11121

a cos 2

cos 22

)()()(

t

At

Attt 3-22

222

11121

b cos 2

cos 22

)()()(

t

At

Attt 3-23

Comentario: El movimiento general de un sistema con dos grados de libertad

puede tener una apariencia muy complicada; ninguna parte se mueve con un

movimiento armónico simple. Sin embargo, se ha mostrado en este ejercicio que,

para dos grados de libertad cuyas ecuaciones de movimiento son lineales, el

movimiento más general es la superposición de dos movimientos armónicos

simples, ambos ocurriendo simultáneamente. Estos dos movimientos armónicos

simples, se denominan modos normales, modos resonantes, o simplemente modos.

Como veremos en los próximos ítems mediante una elección apropiada de las

condiciones iniciales, podemos poner el sistema a oscilar en un sólo modo o el

otro. Los modos están desacoplados aunque las partes móviles no lo estén.

Cuando sólo está presente un modo, cada parte móvil desarrolla un

movimiento armónico simple. Todas las partes pasan al mismo tiempo por la

posición de equilibrio simultáneamente, es decir, oscilan no sólo con la misma

frecuencia sino también con la misma fase (o contrafase). Que todas las

partículas del sistema oscilen con la misma fase tiene como consecuencia

fundamental que todas ellas pasen simultáneamente por la posición de equilibrio.

Cada modo tiene su frecuencia característica y una configuración característica o

forma de oscilación, dada por la relación de las amplitudes de movimiento de las

partes móviles. Por ejemplo, en este ejercicio se halló que,

Para el modo 1: Las masas se hallan oscilando en el modo 1, siempre y cuando,

las condiciones iniciales de movimiento sean las adecuadas para que se anule la

amplitud 2A (ver ec. 3-22 y 3-23), es decir, 02 A (pensar como debe iniciarse el

movimiento para que esto suceda), de tal forma que las masas a y b oscilan con

la misma frecuencia, fase y amplitud, tal como puede deducirse de sus ecuaciones

de movimiento,

111

a cos 2

)( tA

t y 111

b cos 2

)( tA

t

Page 14: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

87

Se mueven las dos exactamente igual, o sea, van las dos juntas siempre hacia el

mismo lado sin estirar el resorte del medio, ver figura 3-8,

)()( ba tt (Modo 1)

Para el modo 2: Las masas se hallan oscilando en el modo 2, siempre y cuando,

las condiciones iniciales del movimiento sean las adecuadas para que se anule la

amplitud 1A (ver ec. 3-22 y 3-23), es decir, 01 A (pensar como debe iniciarse el

movimiento para que esto suceda), de tal forma que las masas a y b oscilan con

la misma frecuencia, fase y amplitud pero con signo contrario, tal como puede

deducirse de sus ecuaciones de movimiento,

222

a cos 2

)( tA

t y 222

b cos 2

)( tA

t

o sea, se desplazan lo mismo pero en direcciones opuestas, ver figura 3-9,

)()( ba tt (Modo 2)

Observamos que en el modo 2 se estira el resorte del medio, por consiguiente, hace

falta mayor energía para lograr la misma amplitud de oscilación que en el modo 1.

En general a mayor frecuencia, del modo normal, hace falta mayor energía para

lograr igual amplitud de oscilación que la correspondiente a los modos de menor

frecuencia.

Si se aplica una fuerza impulsora armónica al sistema y se varía su

frecuencia (lentamente), se obtiene una resonancia cada vez que la frecuencia

impulsora concuerde con alguna de las frecuencias de un modo. En sistemas

con más grados de libertad existen tantas frecuencias de resonancia como modos

normales haya.

h) Importante: Suponga que inicialmente desplaza la masa “ a ” una distancia 2 A

hacia la derecha y la suelta (velocidad inicial cero), mientras que la masa “b ”

permanece en reposo, o sea, las condiciones iniciales son,

Figura 3-8: Esquema de movimiento correspondiente al modo 1.

Figura 3-9: Esquema de movimiento correspondiente al modo 2.

Page 15: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

88

a ( )0 2 A, y b ( )0 0 , ( )a 0 0 y ( )b 0 0 .

Halle la evolución dinámica del sistema, es decir, halle a ( )t y b ( )t (amplitudes

y fases).

Ayuda: Como las velocidades iniciales de ambas masas valen cero entonces puede

demostrase que las fases 1 y 2 valen cero (verifique), halle A1 y A2 .

Resp. a ( ) cos cost A t A t 1 2 y b ( ) cos cost A t A t 1 2

i) Importante. Encuentre las condiciones iniciales de tal forma de excitar sólo el

modo más alto (mayor frecuencia). Compruebe analíticamente que con esas

condiciones se anula la amplitud A1 0 .

j) Importante. Escriba un comentario o resumen de los conceptos más importantes

aprendidos en el ejercicio.

k) Importante. Sin hacer cuentas responda, “¿se modifican las frecuencias de

oscilación de los modos normales si, en lugar de estar colocadas las masas sobre

una superficie horizontal como en este ejercicio, se cuelgan del techo en posición

vertical?”. Discuta. Halle las nuevas posiciones de equilibrio.

l) Optativo. Repita los ítems anteriores para oscilaciones transversales, en la

aproximación de pequeñas oscilaciones.

3-8. Guía teórica: Resolución formal de sistemas dinámicos lineales

acoplados:

En esta guía teórica vamos a resolver nuevamente el problema 3-7, pero con

herramientas matemáticas más avanzadas que nos permiten desacoplar las ecuaciones

dinámicas, y de esta forma hallar los modos normales del sistema en forma mecánica

y general para cualquier sistema dinámico lineal.

Partimos de las ecuaciones dinámicas lineales acopladas, del problema 3-7,

)t( )t()t()t(

)t()t()t( )t(

babb

abaa

kkm

kkm

25-3

24-3

reagrupando las ecuaciones 3-24 y 3-25, y pasando la masa dividiendo, obtenemos,

)t( 2

)t( )t(

)t( )t( 2

)t(

bab

baa

m

k

m

k

m

k

m

k

27-3

26-3

Page 16: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

89

Llegados a este punto, basaremos nuestro razonamiento en la idea de que

estamos buscando los modos normales del sistema, que como sabemos, son aquellos

modos de movimiento en donde todas las masas oscilan con la misma frecuencia y

fase (pasan todas al mismo tiempo por la posición de equilibrio). Basados en éste

conocimiento, proponemos como solución un estado particular en donde el sistema se

halla oscilando en uno de los modos normales, del cual aún no sabemos casi nada,

salvo que podemos describir la evolución de las masas, en ese modo, mediante

funciones de la forma,

tAta cos )( y tBtb cos )( 3-28

donde las partículas a y b oscilan con igual frecuencia y fase , mientras que las.

amplitudes A y B pueden ser distintas y de signo opuesto (contrafase).

Reemplazando las soluciones propuestas en las ecuaciones 3-26 y 3-27

obtenemos,

tBm

ktA

m

ktB

tBm

ktA

m

ktA

cos 2

cos cos

cos cos 2

cos

2

2

simplificando las funciones coseno, pasando todos los términos del lado derecho,

igualando a cero y sacando convenientemente factor común A y B , obtenemos,

0 2

0 2

2

2

Bm

kA

m

k

Bm

kA

m

k

30-3

29-3

De las ecuaciones 3-29 y 3-30 conocemos la masa m y la constante elástica del resorte

k, y no conocemos las amplitudes de oscilación A y B ni la frecuencia de oscilación

del modo. Pero lo que sí podemos afirmar es que las incógnitas A y B no pueden ser

determinadas en forma unívoca hasta no conocer las condiciones iniciales. A lo

sumo podemos determinar la relación que deben guardar entre sí A y B, por ejemplo

BA (modo 1) o BA (modo 2), pero de las ecuaciones 3-29 y 3-30 no resulta

posible extraer el valor de A ni el de B, aunque llegásemos a conocer el valor de la

frecuencia .

Sobre la base de éste razonamiento veremos que podemos obtener la

frecuencia del modo y la relación existente entre A y B.

Las ecuaciones 3-29 y 3-30 pueden pensarse como un sistema de dos ecuaciones

con dos incógnitas A y B (amplitudes) y un parámetro 2 que debe fijarse

convenientemente para que realmente suceda que A y B no queden determinados por

3-29 y 3-30.

Para fijar ideas veamos un ejemplo simple, supongamos que creemos que

m

k22 es el valor correcto (lo cual es falso, ya que sabemos que no corresponde a

Page 17: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

90

ninguna de las frecuencias correctas m

k2

1 y m

k32

2 ), con esta frecuencia el

sistema de ecuaciones 3-29 y 3-30 se transforma a (verifique),

0

0

Am

k

Bm

k

0

0

A

B

lo cual no resulta satisfactorio ya que dijimos que no debería resultar posible hallar los

valores exactos de A y B. Por lo cual, la frecuencia m

k22 no puede ser solución, es

decir, no puede corresponder a ningún modo normal de vibración del sistema.

En general, si observamos detenidamente las ecuaciones 3-29 y 3-30, para casi

todos los valores de que inventemos obtendremos siempre como solución 0A y

0B , ya que las ecuaciones 3-29 y 3-30 son ecuaciones lineales homogéneas, a menos

que las dos ecuaciones sean dependientes, con lo cual en lugar de tener dos

ecuaciones tenemos en realidad sólo una. Ése es el único caso en que podemos

obtener como solución sólo relaciones entre A y B y no la solución trivial 0A y

0B . Por lo cual, los únicos valores de frecuencia que nos sirven como solución

de las ecuaciones dinámicas son aquellos que convierten al sistema de ecuaciones

3-29 y 3-30 en un sistema de ecuaciones dependientes.

Hallar estas frecuencias resulta simple si recordamos que el sistema es

dependiente sí y sólo sí el determinante asociado al sistema resulta cero. Por ello,

planteamos el determinante y lo igualamos a cero,

0.2

2

2

22

2

2

2

m

k

m

k

m

k

m

k

m

k

m

k

3-31

obtenemos una ecuación cuadrática donde la incógnita es el cuadrado de la frecuencia 2 (modos normales de vibración), resolviendo la ecuación cuadrática,

04

32

22 42

22

42

2

m

k

m

k

m

k

m

k

m

k 3-32

2

24

2

.44

2

.3.444

222

2 m

k

m

km

k

m

k

m

k

m

k

m

k

3-33

m

km

k

m

k

2

24

2

1 y m

km

k

m

k

3

2

24

2

2

3-34

Page 18: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

91

que concuerdan con las dos frecuencias normales de vibración del sistema, halladas en

el ejercicio teórico 3-7.

A partir de conocer las frecuencias 1 y 2 , podemos ahora hallar la relación

existente entre las amplitudes A y B, para cada modo.

Hallemos primero la relación entre las amplitudes para el modo 1.

Reemplacemos en 3-29 y 3-30 la frecuencia correspondiente al primer modo,m

k2

1,

0 2

0 2

11

11

Bm

k

m

kA

m

k

Bm

kA

m

k

m

k

0

0

11

11

Bm

kA

m

k

Bm

kA

m

k

36-3

35-3

como esperábamos las ecuaciones 3-35 y 3-36 son dependientes, y de ellas obtenemos

que en el modo 1,

11 BA 3-37

lo cual significa que ambas masas oscilan con frecuencia m

k2

1 e igual amplitud

(modo 1), ver figura 3-10.

De esta forma, una de las soluciones del sistema de ecuaciones diferenciales

(ec. 3-24 y 3-25), correspondiente al modo 1, es:

111a cos )( tAt y 111b cos )( tAt 3-38

Hacemos lo mismo para el modo 2. Reemplazamos en 3-29 y 3-30 la frecuencia

m

k32

2 ,

0 3

2

0 32

22

22

Bm

k

m

kA

m

k

Bm

kA

m

k

m

k

0

0

22

22

Bm

kA

m

k

Bm

kA

m

k

40-3

39-3

como esperábamos las ecuaciones 3-39 y 3-40 son dependientes, y de ellas obtenemos

que en el modo 2,

22 BA 3-41

Figura 3-10: Esquema de movimiento correspondiente al modo 1.

Page 19: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

92

lo cual significa que ambas masas oscilan con la frecuencia m

k32

2 e igual

amplitud pero de sentido contrario (modo 2), ver figura 3-11.

De esta forma, otra de las soluciones del sistema de ecuaciones diferenciales

(ec. 3-24 y 3-25), correspondiente al modo 2, es:

222a cos )( tAt y 222b cos )( tAt 3-42

Debido a que el sistema de ecuaciones diferenciales es lineal, podemos escribir

la solución general del sistema dinámico (ec. 3-24 y 3-25), como combinación lineal de

ambas soluciones (principio de superposición),

222111a cos cos )( tAtAt 3-43

222111b cos cos )( tAtAt 3-44

donde los valores de 1A y 2A se determinan a partir de las condiciones iniciales, e

indican la amplitud con que participa cada modo en el movimiento total.

Optativo. Ecuación de autovalores y autovectores: Aunque ya hemos hallado la

solución del problema, vamos a analizar otra forma matemática de pensarlo, veremos

que las ecuaciones 3-29 y 3-30 pueden pensarse como ecuación de autovalores.

Comenzamos por reescribir las ecuaciones 3-29 y 3-30 como,

BBm

kA

m

k

ABm

kA

m

k

2

2

2

2

46-3

45-3

estas ecuaciones pueden presentarse en una forma matricial equivalente, definiendo

las siguientes matrices,

B

AV y

m

k

m

km

k

m

k

M2

2

3-47

Figura 3-11: Esquema de movimiento correspondiente al modo 2.

Page 20: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

93

de esta forma, las ecuaciones 3-45 y 3-46 se pueden escribir matricialmente como

(verifique),

B

A

B

A

m

k

m

km

k

m

k

2

2

2

3-48

y en forma compacta, como,

VVM 2. 3-49

Las ecuaciones 3-48 y 3-49 son ecuaciones que comúnmente se denominan, en

Álgebra, ecuación de autovalores, donde, en este caso, el coeficiente 2 es el

autovalor de la matriz M , mientras que la matriz V es el autovector correspondiente

a ese autovalor.

Según esta ecuación, existen valores especiales del coeficiente 2 (autovalor)

y autovectores V correspondientes, de tal forma que al multiplicar a V por la matriz

M sólo obtenemos un múltiplo de éste, es decir, V.2 .

Fácilmente se verifica que si V es un autovector, entonces cualquier múltiplo

de éste es también autovector de la matriz M con el mismo autovalor 2 , por lo cual

los autovectores determinan direcciones preferenciales en el espacio, en este caso de

dimensión 2.

Recordando lo aprendido en los cursos de Álgebra, utilizando esas nuevas

direcciones como nueva base del espacio, entonces la matriz M resulta diagonal en

esa base, y los autovalores son los elementos de la diagonal.

En Álgebra aprendimos a resolver las ecuaciones de autovalores, el concepto

es exactamente el mismo que ya hemos discutido. La ecuación 3-48 tiene otra solución

que no es la trivial, si y sólo sí se anula el determinante de la matriz siguiente,

02

2

2

2

m

k

m

km

k

m

k

3-50

que es exactamente lo mismo que hallamos en la ecuación 3-31. Por consiguiente de

aquí en más las cuentas son las mismas (hacerlas), obteniéndose,

m

k2

1

1

1 1V (Modo 1) 3-51

m

k32

2

1

1 2V (Modo 2) 3-52

Page 21: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

94

Note que hemos elegido un autovector en particular, pero sabemos que cualquier

múltiplo de ellos sirve, y lo único que importa es la relación entre sus componentes,

1

1 1V 11 BA (Modo 1) 3-53

1

1 2

-V 22 BA (Modo 2) 3-54

3-9. (Repaso). Repita al ejercicio 3-7, pero considerando que el resorte del medio

tiene una constante elástica distinta, es decir, en lugar de k posee una constante

elástica q .

3-10. (Repaso). Repita al ejercicio 3-7, pero considerando que el sistema se halla

formado por masas distintas kgma 1 y kgmb 2 .

3-11. (Repaso). Considere dos péndulos acoplados por un resorte de constante

elástica k y longitud relajada 0l , con longitud de los hilos l , y con masas m (ver

figura

3-12).

Para pequeñas oscilaciones alrededor del equilibrio:

a) Verifique que las ecuaciones de movimiento (para pequeñas oscilaciones) son:

)t()t( )t()t(

)t()t( )t()t(

babb

baaa

kl

mgm

kl

mgm

b) Halle las coordenadas normales. Haga un esquema de la forma en que oscila cada

modo (configuración del modo).

Resp. 1 1 1 1( ) ( ) ( ) cost t t A t a b y

2 2 2 2( ) ( ) ( ) cost t t A t a b

c) Halle las frecuencias de los modos normales de oscilación.

Resp. 12

g

l y 2

22

g

l

k

m.

Fig. 3-12

Page 22: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

95

d) Importante. Halle la solución general de las ecuaciones de movimiento para cada

masa, es decir, halle a ( )t y b ( )t .

e) Importante. Encuentre una superposición de los dos modos que corresponda a las

condiciones iniciales, al tiempo t 0 , en el que ambos péndulos tienen velocidad

nula, la pesa “ a ” amplitud 2 A y la “b ” amplitud cero.

3-12. En sistemas dinámicos lineales, la superposición de condiciones iniciales da

superposición de movimientos correspondientes.

Supongamos que a y b son dos oscilaciones acopladas. Consideremos tres

condiciones iniciales diferentes:

i) a y b salen del reposo con amplitudes 1 y 1, respectivamente.

ii) salen del reposo con amplitudes 1 y 1 .

iii) salen del reposo con amplitudes 2 y 0 , respectivamente. De modo que la

condición inicial para el caso iii) es una superposición de las correspondientes a los

casos i) y ii).

Demuestre que el movimiento en el caso iii) es una superposición de los

movimientos para los casos i) e ii). ¿Sería esto cierto si la ecuación diferencial fuera

no lineal?

3-13. (Optativo). Analice las oscilaciones longitudinales alrededor del equilibrio del

sistema formado por dos masas mm 1 y mm32

2 acopladas por resortes de

constante elástica k , como muestra la figura 3-13:

3-14. (Optativo). Vibraciones libres de una molécula lineal. Consideremos un

modelo basado en una molécula triatómica simétrica. En la configuración de

equilibrio de la molécula hay dos átomos de masa m situados a ambos lados de otro de

masa mM 2 (ver figura 3-14). Los tres átomos están alineados a una distancia 0l

(de equilibrio).

Sólo estudiaremos oscilaciones longitudinales, y en primera aproximación

suponemos una interacción elástica, de constante recuperadora k .

a) Encuentre la ley dinámica del sistema.

b) Halle las frecuencias de los modos normales.

c) Dibuje las configuraciones de cada modo.

d) Halle la ley dinámica )(ta , )(tb y )(tc , considere al centro de masas en

reposo.

e) De condiciones iniciales de tal forma de sólo excitar el modo más alto.

Fig. 3-14

Fig. 3-13

Page 23: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

96

3-15. Guía teórica: Frecuencias de corte:

Supongamos que tenemos un arreglo de un número grande N de partículas

interactuando elásticamente entre vecinas, ver figura 3-15.

Si suponemos que el sistema evoluciona en sólo una dimensión, el sistema

posee N grados de libertad de los cuales todos, salvo uno de traslación como un

rígido, son grados de libertad de vibración ( 1N ). Por consiguiente el sistema posee

1N modos normales de vibración y, por ende, 1N frecuencias de resonancia.

Supongamos que del lado izquierdo comenzamos a impulsar al sistema con

una fuerza armónica (recordar el capítulo anterior). Si la frecuencia de la fuerza

impulsora concuerda con alguna de las frecuencias de resonancia del sistema, este

absorberá una gran cantidad de energía y el movimiento se propaga por todas las

partículas del sistema. Si no concuerda con ninguna de las frecuencias de resonancia,

la energía trasmitida al sistema resulta menor.

Ahora supongamos que conocemos todas las frecuencias de resonancia del

sistema, y en particular conocemos la frecuencia máxima máx y mínima mín , entre

ellas se encuentran las restantes frecuencias. Si el número de grados de libertad es

muy grande, las frecuencias de resonancia pueden hallarse muy cerca una de las otras,

y por consiguiente si aplicamos una fuerza impulsora con una frecuencia que

cumpla máxmín , aunque no concuerde exactamente con una de las

frecuencias de resonancia, la fuerza entrega una energía apreciable al sistema. Pero si

la frecuencia de la fuerza impulsora resulta menor que la mínima mín o mayor

que la máxima máx entonces se halla lejos de una resonancia y, por consiguiente,

el sistema absorbe muy poca energía (las partículas se mueven muy poco).

A las frecuencias máx y mín se las conoce con el nombre de frecuencias de

corte del sistema.

Un ejemplo físico real en donde podemos aplicar un razonamiento semejante

al anterior (pero mucho más complejo), es la ionosfera. La ionosfera la podemos

pensar como formada por un número muy, pero muy grande de moléculas

interactuando. Este sistema complejo, posee frecuencias de corte máxima y mínima.

Si una onda electromagnética incide sobre la ionosfera, ésta absorbe mucha o

poca energía, dependiendo de su frecuencia. Eso es exactamente lo que sucede con las

frecuencias de emisión de radio AM y FM.

La frecuencia AM se halla por debajo de la frecuencia de corte mínima, por

consiguiente la ionosfera absorbe muy poca energía de la onda y esta se refleja en su

mayor parte, ayudando de esta forma a que la radio se escuche en grandes distancias

por sucesivos reflejos. En cambio las frecuencias de FM son superiores a la frecuencia

de corte mínima por lo cual la ionosfera absorbe mucha energía de esa onda y muy

poco se refleja, por ello las radios de FM tienen un alcance limitado.

Figura 3-15: Arreglo de partículas interactuando elásticamente, entre vecinas.

Page 24: Curso de Oscilaciones y Ondas Cap 3

97

Bibliografía :

Ondas, Curso de Física de Berkeley, Vol. 3 Ed. Reverté.

Introducción al estudio de la mecánica, materia y ondas. U. Ingard y W.L.

Kraushaar, Ed. Reverté.

Física, Mecánica, ondas y termodinámica Vol. 1, D.E.Roller and R.Blum. Ed.

Reverté.

Física, Mecánica Vol. 1, M. Alonso y E.J. Finn, Ed. Addison-Wesley

Iberoamericana.

Física Vol. 1, Feynman. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana.