Resonancia mecánica


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia

Asesor: Marisa Calle Monroy.

Miembros del equipo:
Ma. Fernanda Monzón Rivadeneyra(), TIKAL,
Miriam Paola García Álvarez(), TIKAL,

Resumen

La resonancia es un estado de operación en el que una frecuencia de excitación se encuentra cerca de una frecuencia natural de la estructura de la maquina.Lo que significa que la resonancia es un fenómeno que se produce cuando coincide la fuerza propia de un sistema mecánico.

El sonido de la vibración de un objeto de tal manera que produce un objeto. Se puede decir que el sonido se genera por medio de ondas sonoras que viajan a través de cualquier medio. Son generadas de manera sinsoidal, es decir con la forma que tiene la grafica de la función.

Las ondas resonantes tiene una longitud similar a la onda de la placa y una fracción entera de alguna de las dimensiones de la placa con el lado más largo y luego más corto. Con esto se crean regiones donde la vibración es más fuerte y donde no hay vibración alguna, esta llamada nudos.

Este objeto que vibra tomara sus frecuencias de resonancia de una excitación compleja.

Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando una soprano canta y sostiene la frecuencia de resonancia del mismo.

Este fenómeno consiste en tomar dos dimensiones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados uno próximo del otro cuando hacemos vibrar el otro omite de manera espontánea el mismo sonido debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan atreves del aire al segundo.

Pregunta de Investigación

¿Qué es la Resonancia y cómo podemos explicarla con un experimento?

Planteamiento del Problema

Ya que el sonido viaja atravez de cualquier medio y las ondas lo acompañan estamos rodeados de estos fenómenos y a pesar de esto no los conocemos lo sufriente como para explicar su función o como es que se logran producir  y cómo es que influye la fuerza, algunos materiales,  las frecuencias,  la presión, incluso el aire.La resonancia es algo que se requiere explicar dentro de esto ya que estructura todos estos componentes cuando coincide con la fuerza de un sistema

Antecedentes

¿Qué es la resonancia?

La resonancia por definición nos da a entender que es la repercusión de un sonido emitido por otro, como un reflejo, además de que se puede saber que es la prolongación del sonido y este va disminuyendo.

“La resonancia es un estado de operación en el que una frecuencia de excitación se encuentra cerca de una frecuencia natural de la estructura de la máquina. Una frecuencia natural es una frecuencia a la que una estructura vibrará si uno la desvía y después la suelta. Una estructura típica tendrá muchas frecuencias naturales. Cuando ocurre la resonancia, los niveles de vibración que resultan pueden ser muy altos y pueden causar daños muy rápidamente.”

Lo que significa que la resonancia es un fenómeno que se produce cuando coincide la fuerza propia de un sistema mecánico con la frecuencia de una excitación externa.

El efecto Doppler es una variación en la frecuencia del sonido percibido debido al movimiento de la fuente.

Por ejemplo si estas junto a una autopista y un auto se acerca tocando el claxon, el tono del sonido es mayor cuando el carro se acerca y menor cuando se aleja.

También puedes oír variaciones en la frecuencia del ruido del motor cuando ve un carro de carreras viajando alrededor de la pista.

El sonido es la vibración de un objeto, de tal manera que produce un objeto. El resultado de esto, es el sonido.

Más exactamente se puede decir que el sonido se genera por medio de ondas, ondas sonoras. Las cuales viajan a través de cualquier medio y su rapidez depende de estas propiedades.

Estas ondas son generadas de manera sinusoidal, es decir con la forma que tiene una gráfica de la función sen(x).

Cuando el número de masas de nuestro sistema lineal aumenta, éste se nos aparece como un sistema unidimensional continuo, ya que notamos cada vez menos cada elemento individual. Podemos introducir el concepto de onda mecánica como la propagación de una perturbación en un medio material, aprovechando las propiedades elásticas de dicho medio. En este sencillo modelo, las partículas del medio están representadas por las masas, mientras que sus propiedades elásticas vienen representadas por los muelles. Cuando la primera partícula se desvía longitudinalmente de su posición de equilibrio y a continuación se suelta, su movimiento se transmite a la segunda partícula y de ésta a la tercera, y así sucesivamente. El resultado es la propagación de un pulso longitudinal. El movimiento longitudinal de las masas tiene semejanza con el de las partículas de un medio material en el se propaga una onda longitudinal. En el caso de que las masas se desplazaran transversalmente el movimiento que percibiríamos sería semejante a la propagación de una onda transversal en el medio material. Existen otros casos en los que los movimientos de las partículas del medio no son ni puramente longitudinales ni transversales (por ejemplo las ondas superficiales en un líquido).

Cualquier perturbación respecto al equilibrio de un sistema supone una energía adicional localizada en la región del sistema en la que se encuentra la perturbación. En consecuencia, la propagación de la perturbación va unida al transporte de energía a través del medio sin transporte neto de materia.

La velocidad con la que las ondas se propagan en un medio depende de las características de dicho medio. Cuando la velocidad de propagación de las ondas es la misma para todas las frecuencias se dice que el medio es no dispersivo para esas ondas. En el caso contrario, cuando la velocidad de propagación depende de la frecuencia el medio es dispersivo.

En 1680, Ernst Florens Friedrich Chladni, o simplemente Ernst Chladni, físico y músico alemán, repitió los experimentos de Robert Hooke, que, al pasar un arco de violín en el borde de una placa de vidrio cubierta con harina, observó que ciertos patrones se fueron formando en la harina.

En su experimento, Ernst Chladni utilizó una placa rígida de metal con un poco de arena, y de nuevo un arco de violín en el borde de la placa, ocasionando que esta última vibrara. Cada objeto tiene una frecuencia natural. Al crear una frecuencia armónica sobre la placa, Chladni creó ondas estacionarias resonantes sobre ella.

Ernst Chladni es llamado el “padre de la acústica“. Debido a su estudio de la “placa de Chladni”, se dio cuenta de la relación entre el sonido y las ondas. También fue el primero en suponer que los meteoritos eran de origen extraterrestre, algo que fue considerado absurdo en el momento.

Las ondas estacionarias resonantes tienen una longitud de onda similar a la longitud de onda de la placa, y una fracción entera de alguna de las dimensiones de la placa: diagonal, con el lado más largo, el lado más corto. Con esto, se crean regiones donde la vibración es más fuerte, y donde no hay vibración alguna (esta última llamada nodos, donde se acumulan los granos de arena o harina en el plato).

Aplicaciones de la resonancia

– Resonancia musical. Muchos instrumentos musicales se diseñan con cavidades resonantes para producir variedad de sonidos. Acoplando una cavidad resonante se genera una onda que es percibida por nuestro oído o por un micrófono.

-Resonancia de las moléculas de agua. Este fenómeno se utiliza para calentar alimentos en los hornos llamados microondas.
La molécula de agua entra en resonancia con una frecuencia de 2450 MHz, se pone a vibrar alrededor de su posición inicial causando una fricción o rozamiento y por tanto un calentamiento de los alimentos.

-Resonancia magnética nuclear (RMN). Es un examen médico no invasivo.
Se coloca al paciente dentro de un electroimán muy potente. Se le envía una onda de radio que entra en resonancia con los protones del hidrógeno, que está presente en todos los tejidos del cuerpo humano. Se interrumpe la onda y los protones vuelven a su estado natural emitiendo una señal que es recibida y utilizada para reconstruir una imagen del interior del paciente.
La resonancia magnética crea imágenes detalladas de los órganos, tejidos blandos, huesos y prácticamente toda la estructura interna del paciente.

En aplicaciones de sonido, una frecuencia de resonancia es una frecuencia natural de vibración determinada por los parámetros físicos del objeto vibrante. Esta misma idea básica de frecuencias naturales determinadas físicamente, se aplica a través de la física, a la mecánica, la electricidad y el magnetismo, e incluso a todo el ámbito de la física moderna. Algunas de las implicaciones de las frecuencias de resonancia son las siguientes:

  1. Es fácil conseguir que un objeto vibre a sus frecuencias de resonancia, pero difícil de conseguir que vibre en otras frecuencias.
  2. Un objeto que vibra, tomará sus frecuencias de resonancia de una excitación compleja. Vibra a esas frecuencias “filtrando” fundamentalmente otras frecuencias presentes en la excitación.
  3. La mayoría de los objetos que vibran tiene múltiples frecuencias de resonancia.

La resonancia mecánica es un fenómeno particular en el que la fuerza constante que aplicamos a nuestro sistema, coincide con la pulsación de resonancia, una característica propia de cada sistema oscilante simple. Cuando ambas magnitudes coinciden, la amplitud del sistema oscilante

Alcanza su punto máximo desgraciadamente es una experiencia común comprobar que no solo a nivel de la enseñanza media superior, sino incluso

en estudiantes de licenciatura que han llevado cursos de mecánica, de circuitos y de electromagnetismo, se tiene un conocimiento muy deficiente de lo que es el fenómeno de la resonancia así como del ancho campo de sus aplicaciones.

Una posible explicación de este hecho es que libros de texto usuales  en la sección de mecánica se limitan a ilustrar el fenómeno con los ejemplos de la resonancia en un resorte, en una cuerda tensa o en tubos, casos que en sí pudieran presentar poco interés para los alumnos ya que en general tienen poca pertinencia en su vida cotidiana. Esto es lamentable porque este fenómeno tiene una gran cantidad de aplicaciones en el mundo de la tecnología, y además está

presente en multitud de situaciones de la vida real, tanto a nivel doméstico, como en la vida pública, o en los ámbitos laborales. Se presenta en este artículo una deducción matemática del fenómeno para un caso sencillo como es el sistema resorte-masa, para luego ir más allá ilustrándolo con una serie de casos en los cuales el fenómeno está presente en la vida real, por ejemplo: en la comunicación entre insectos como los mosquitos al sintonizarse la frecuencia del aleteo

de las hembras con las frecuencias naturales de las antenas de los machos, durante la ocurrencia de un sismo cuando la frecuencia de éste coincide con algunas de las frecuencias naturales de los edificios, en la vibración de ventanas cuando las notas musicales coinciden con alguno de los modos de vibración de éstas, en el diseño de los automóviles para evitar que las frecuencias del motor provoquen indeseables vibraciones en sus partes, y en el cuerpo humano sujeto a vibraciones en ciertas situaciones de la vida laboral. Finalmente, mostramos algunas prácticas y dispositivos que se pueden desarrollar en el laboratorio para inducir a los estudiantes a desarrollar un conocimiento detallado del fenómeno.

Pese a la apariencia de quietud del suelo que pisamos, de los edificios, de los puentes y de muchas otras estructuras arquitectónicas que nos rodean, en realidad están en continuo cambio y movimiento, y un tipo especial del movimiento es el debido a las fuerzas mecánicas oscilantes, basta un pequeño repaso mental para enumerar una gran cantidad de ellas: Los diversos sonidos ambientales son vibraciones de tipo mecánico, ya que son las variaciones periódicas de la presión

del aire o de las cosas que nos rodean las que generan los sonidos.

Los edificios en que habitamos o en que trabajamos son estructuras elásticas que permanentemente están vibrando debido al paso cercano de los automotores pesados o a los mismos impulsos mecánicos producidos por quienes los habitan, al caminar, al bailar, al mover muebles, etc.

El suelo mismo en que nos movemos experimenta movimientos oscilatorios todos los días, tal como nos lo indica el reporte diario del Servicio Sismológico Nacional, simplemente que son de tan pequeña magnitud que en general no los alcanzamos a percibir. Así, del 21 de febrero al 11 de marzo de 2009 se reportaron 93 eventos sísmicos de magnitud mayor a 3 grados en la escala Richter, es decir, casi 3 movimientos oscilatorios del suelo por día  Las vibraciones que parten del motor de los automóviles someten a todas las partes de un auto y a sus ocupantes a

continuas oscilaciones mecánicas. El mundo laboral está lleno de máquinas de diferentes tamaños que van desde los taladros de mano hasta máquinas más potentes que producen toda una variedad de vibraciones mecánicas. Las mismas fuerzas gravitatorias oscilan, tal como lo muestra el fenómeno de las mareas en que el nivel del mar sube y baja acompasado con el movimiento periódico de la luna.

Una resonancia magnética (RM) es un examen imagenológico que utiliza imanes y ondas de radio potentes para crear imágenes del cuerpo. No se emplea radiación (rayos X).

Las imágenes por resonancia magnética solas se denominan cortes y se pueden almacenar en una computadora o imprimir en una película. Un examen produce docenas o algunas veces cientos de imágenes.

Los efectos de sonido en la radio no se introdujeron en este nuevo medio hasta los años 20.

Los pocos efectos sonoros que se usaban en aquellos días eran simples, sencillos, y a menudo no muy convincentes. Cualquier persona cerca de un micrófono podía entonces crear efectos de sonido, aunque no muy logrados.

La tapa de un piano se dejaba caer para imitar el cierre de una puerta. Los palillos de madera de los fósforos se encajaban a presión cerca del micrófono para simular el golpe de un bate de béisbol.

Los disparos de un arma se lograban con un cinturón que golpeaba un sofá de cuero o un palillo que golpeaba el borde de un tambor.

El realismo ni se logró, ni fue obtenido con estos esfuerzos. En aquella época, las estaciones de radio llenaban su tiempo de emisión con música de orquesta, con lectores de poesía, cantantes, y con los discursos de los predicadores de la época, ninguno de ellos cobraba por su trabajo.

Solamente cuando empezó el género del drama se convirtió en necesario crear efectos de sonido mejores.

Los primeros profesionales del sonido, por supuesto, no tenían ninguna preparación. Algunos tuvieron alguna experiencia entre bastidores de teatro donde habían sacudido una hoja de metal para imitar un trueno, o habían dado una palmada a un tablero contra otro para simular tiros.

En los años 30, había un montón de demostraciones del drama (cuentos por entregas, los detectives, los misterios…) la mayoría de las cuales requirieron efectos de sonido realistas.

Los sonidos de aquella época se dividieron básicamente en dos categorías:

  1. a)     los que avanzaban la acción o ayudaban al movimiento y sucesión de hechos de la historia
  2. b) sonidos fijos, los que eran producidos con una combinación de sonidos manuales y registrados.

La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca al periodo de vibración característico   de dicho cuerpo, en el cual, una fuerza relativamente pequeña aplicada en forma repetida hace que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande.

En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. En teoría, si se consiguiera que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema se produciría una oscilación resultante con una amplitud indeterminada.

Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando una soprano canta y alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia del mismo. Por la misma razón, no se permite el paso por puentes de tropas marcando el paso, ya que pueden entrar en resonancia y derrumbarse.

Una forma de poner de manifiesto este fenómeno consiste en tomar dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia  y colocados próximos el uno del otro, cuando hacemos vibrar uno, el otro emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.

El viejo  puente de Tacoma Narrows ha sido popularizado en los libros de física como un ejemplo clásico de resonancia; sin embargo la descripción extendida no es del todo correcta. Este puente falló debido a la acción de unas fuerzas conocidas en el campo de la aerodinámica de puentes como fuerzas autoexcitadas, por un fenómeno conocido como fluttering o flameo las cuales empujando en forma periódica provocaron el aumento del movimiento del puente. Robert H. Scanlan, padre de la aerodinámica de puentes, escribió un artículo criticando este malentendido.1 Ningún puente se termina si no pasa la prueba del “tubo de viento”.

Objetivo

Conocer los efectos de la resonancia con base a las ondas de sonido formadas sobre una placa metálica.

Justificación

Actualmente no tenemos el conocimiento suficiente acerca de la resonancia, la frecuencia que es producida a nuestro alrededor, por esta razón queremos dar a conocer sus efectos.

La resonancia es prolongación de un sonido en el espacio, una vez  producido que disminuye gradualmente hasta desaparecer. Es un fenómeno acústico producido por el choque de las ondas sonoras con un obstáculo.

El experimento sólo se puede realizar con tonos puros. Si se prueba con música, que incluye un espectro de frecuencias, sólo conseguiremos una dispersión caótica de la sal. Entre las aplicaciones prácticas de este fenómeno de anulación entre ondas, está el estudio de la resonancia y la reducción de las vibraciones.

Se trata de un fenómeno acústico en el que la propagación del sonido en un medio limitado -en este caso una placa metálica cuadrada- a determinadas frecuencias hace que los granos de sal se concentren en las líneas de intersección de las ondas. En el experimento conectan un generador de frecuencias a un motor que vibra en función del tono y transmite esa vibración a un tornillo situado en el centro de la placa.

Al emitir un tono, el metal vibra haciendo saltar la sal pero, en cierta frecuencia, las ondas se anulan creando líneas nodales donde la placa no vibra. Allí es donde se concentran los granos de sal. Con cada nueva frecuencia, el patrón geométrico cambia. Aunque recuerdan mucho a los fractales, lo que se produce aquí es un patrón repetitivo y se puede estudiar matemáticamente.

Hipótesis

Si logramos conseguir los efectos de la resonancia entonces podremos dar a conocer los comportamientos de los granos de sal a simple vista.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

  • Sub Buffer
  • Tabla de estireno
  • Una PC
  • Un generador de frecuencias
  • Sal
  • Amplificador

Procedimiento

1.- Descargar de nuestra computadora un generador de frecuencias de 200 a 600 gertz.

2.-Conectar la computadora al amplificador para regular el sonido.

3.-Conectar la computadora y el amplificador al sub buffer.

4.- Colocar la tabla de estireno encima del sub buffer.

5.-Agregar sal a la tabla.

Galería Método

Resultados

Logramos  obtener que las figuras tuvieran una formación corta, ya que no se formaban firmemente sobre la tabla de metal aunque por 50 segundos aproximadamente  se  pudieron observar estas figuras.

Galería Resultados

Discusión

 

En nuestro proyecto mostramos información del sonido y las ondas de una forma innovadora  para comprender estos elementos de una forma sencilla.

Conclusiones

Llegamos a la conclusión  de que  las figuras con granos de sal se lograron formar debido al sonido y las ondas  emitidas. Cuando el  cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento.



Resonancia mecánica

Summary

 

The resonance is a state of operation in which a frequency of excitation is located near of a natural frequency of the machine structure. Which means that the resonance is a phenomenon that occurs when matches the strength of a mechanical system. Sound is vibration of an object in such a way that it produces an object. We can say that the sound is generated by means

of sound waves that travel through any means. They are generated in a sinusoidal manner with the form that has a graph of the function. Resonant Waves have a similar plate wave length, and a fraction of the whole of any of the dimensions of the plate: diagonal, with the side longer, side shorter. This creates regions where the vibration is strongest, and where there is no vibration some of this last call nodes where accumulate grains of salt on the table. An object that vibrates, take their resonance from a complex excitation frequencies. This effect can be destructive in some rigid materials such as glass breaking when a soprano sings and reaches and maintains their resonance frequency of the same. This phenomenon consists of two for capable of emitting a sound of the same frequency and placed next each other, when we do vibrate one, the other sounds, so spontaneous, since sound waves generated by the first pressure through the air on the second.

Research Question

Research Question: How influence the resonance in the creation of figures with salt?

Problem approach

Since sound travels through any means and waves accompany it we are surrounded by these phenomena and despite this not them we know the suffering to explain its function or is that they manage to produce and how that some materials, frequencies, force, pressure, even air affects. The resonance is something that is required to explain in this since all these components structure when it coincides with the force of a system.

Background

Objective

To let now the effects of the resonance based on sound waves formed on a metal plate.

Justification

Actually  we don´t have enough about the resonance, the frequency, sound, waves that frequent mind are produced to our around central the magnificent ,for this reason we want to publicize its effects.

The resonance is an extension of a sound in space, produced after that gradually decreases until it disappears. It is an acoustic phenomenon caused by the clash of sound waves with an obstacle. The experiment can only be performed with pure tones. If tested with music, which includes a frequency spectrum, we will only achieve a chaotic scattering of salt. Among the practical applications of this phenomenon of cancellation between waves, is the study of the resonance and vibration reduction. It is an acoustic phenomenon in which the propagation of sound in a medium limited – in this case a square metal plate – at certain frequencies makes that grains of salt concentrate on the lines of intersection of the waves. In the experiment a frequency generator connected to a motor that vibrates according to the tone and transmits the vibration to a screw located in the center of the plate.To emit a tone, metal vibrate by blowing up the salt, but at some frequency, the waves cancel creating nodal lines where the plate does not vibrate. There is where the grains of salt are concentrated. With each new frequency, geometric pattern changes. Although they much resemble Fractals, what occurs here is a repeating pattern and can be studied mathematically.

Hypothesis

If we archive the  effects of the resonance then we could publicize the behaviors of the grans of salt at a glance.

Method (materials and procedure)

Materials

  • Sub buffer
  • PC
  • Generator frequency
  • Amplifier
  • Salt
  • Table of styrene

Procedure:

1.- Download our computer a generator frequencies from 200 to 600 gertz.

2.-Connect the computer to the amplifier to regulate the sonid.

3.-Connect computer and the amp to the sub buffer.

4.- Place table of styrene above the sub buffer.

5-Add salt at the table.

Results

We get figures to have a short training, that is they were not firmly on the metal table though for 50 seconds approximately observed these figures.

Discussion

Discussion:  I n our project we show sound information and waves in a way innovative to understand these elements in a simple way.

Conclusions

Conclusions: We come to the conclusion that the figures with grains of salt are accomplished to form due to the sound and the emitted waves