Calcular el periodo y la frecuencia de un movimiento armónico simple
Escribe la masa y la constante del muelle. Con la amplitud verás las velocidades, aceleraciones y la energía; con un tiempo, dónde está el cuerpo en ese momento (sale del extremo, x = A, en t = 0).
En resumen
En un muelle, el movimiento armónico simple tiene un periodo T = 2π · √(m / k) y una frecuencia f = 1 / T. Una masa de 0,5 kg en un muelle de k = 200 N/m oscila con T = 2π · √(0,5 / 200) ≈ 0,314 s, unas 3,18 oscilaciones por segundo.
Ecuaciones del movimiento armónico simple
Un cuerpo describe un MAS cuando la fuerza que lo devuelve al centro es proporcional a lo que se aleja: F = −k · x (la ley de Hooke).
- x: posición respecto al centro, en metros, y A: amplitud, la separación máxima.
- ω: pulsación o frecuencia angular, en rad/s, y φ: fase inicial.
- t: tiempo, en segundos.
- v y a: velocidad y aceleración.
- T: periodo, f: frecuencia, m: masa y k: constante del muelle.
Periodo de un muelle
El periodo no depende de la amplitud: si estiras más el muelle, va más rápido, pero tarda lo mismo en cada oscilación. Cuadruplicar la masa duplica el periodo.
Energía
Ejemplos resueltos
Una masa de 0,5 kg en un muelle de 200 N/m que oscila con 10 cm de amplitud
ω = √(200 / 0,5) = 20 rad/s, T = 2π / 20 ≈ 0,314 s, v_máx = 0,1 · 20 = 2 m/s y E = ½ · 200 · 0,1² = 1 J.
Probar este ejemploUna masa de 2 kg en un muelle de 50 N/m
ω = √(50 / 2) = 5 rad/s y T = 2π / 5 ≈ 1,26 s.
Probar este ejemploEn el primer caso, ¿dónde está la masa a los 0,1 s si sale del extremo?
x = 0,1 · cos(20 · 0,1) = 0,1 · cos 2 ≈ −0,042 m: ya ha pasado al otro lado del centro.
Probar este ejemploUn poco de historia
Galileo observó que un péndulo tarda casi lo mismo en cada oscilación aunque se mueva más o menos. La ley de Hooke (1676) explicó por qué un muelle oscila siempre con el mismo periodo, y Christiaan Huygens aprovechó estas ideas para construir en 1656 el primer reloj de péndulo: los relojes pasaron de desviarse unos quince minutos al día a unos quince segundos.
Preguntas frecuentes
¿Cuáles son las fórmulas del movimiento armónico simple?
x = A · cos(ω · t), velocidad máxima A · ω y aceleración máxima A · ω². En un muelle, ω = √(k / m) y T = 2π · √(m / k). Una masa de 0,5 kg en un muelle de 200 N/m oscila con T = 2π · √(0,5 / 200) ≈ 0,31 s.
¿Cómo se calcula el periodo de un muelle?
Con T = 2π · √(m / k). Una masa de 0,5 kg en un muelle de 200 N/m oscila con un periodo de 0,314 s, unas 3,18 veces por segundo.
¿Dónde es máxima la velocidad en un MAS?
En el centro (x = 0), donde vale A · ω. En los extremos la velocidad es cero y la aceleración es máxima, A · ω².
¿Y el péndulo?
Para oscilaciones pequeñas también es un MAS, pero su periodo depende de la longitud y de la gravedad: T = 2π · √(L / g). Tienes una calculadora para el péndulo simple.
También te puede servir. Calculadoras relacionadas.
- Ley de Hooke (muelles)Escribe dos de los tres datos (fuerza, constante del muelle o alargamiento) y se calcula el tercero. El alargamiento va en metros: 5 cm son 0,05 m.Calcular
- Péndulo simpleEscribe la longitud del hilo o el periodo que quieres. Vale para oscilaciones pequeñas (menos de unos 15°).Calcular
- Ondas: velocidad, longitud de onda y frecuenciaEscribe dos de los tres datos. Para el sonido en el aire, la velocidad es unos 343 m/s; para la luz, 300 000 000 m/s (3e8).Calcular
- Energía cinética y potencialEscribe la masa y la velocidad, la altura o las dos. Se calculan la energía cinética, la potencial y la mecánica (su suma).Calcular
- Movimiento circular uniforme (MCU)Escribe dos datos: el radio y cómo gira (rpm, frecuencia, periodo o velocidad angular), o el radio y la velocidad lineal. Se calculan todos los demás.Calcular