Aprende cómo los avances en la magnificación del movimiento están permitiendo a los ingenieros monitorizar mejor las vibraciones casi imperceptibles, causadas por fuerzas como el viento y la lluvia, dentro de las infraestructuras de los edificios.
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Vibración, movimiento periódico de ida y vuelta de las partículas de un cuerpo o medio elástico, que suele producirse cuando casi cualquier sistema físico se desplaza de su condición de equilibrio y se le permite responder a las fuerzas que tienden a restablecerlo.
Las vibraciones se dividen en dos categorías: libres y forzadas. Las vibraciones libres se producen cuando el sistema es perturbado momentáneamente y luego se le permite moverse sin restricción. Un ejemplo clásico es el de un peso suspendido de un muelle. En equilibrio, el sistema tiene una energía mínima y el peso está en reposo. Si se tira del peso hacia abajo y se suelta, el sistema responderá vibrando verticalmente.
Las vibraciones de un muelle son de un tipo particularmente simple conocido como movimiento armónico simple (MSA). Esto ocurre siempre que la perturbación del sistema se contrarresta con una fuerza de restauración que es exactamente proporcional al grado de perturbación. En este caso, la fuerza restauradora es la tensión o compresión en el muelle, que (según la ley de Hooke) es proporcional al desplazamiento del muelle. En el movimiento armónico simple, las oscilaciones periódicas son de la forma matemática llamada sinusoidal.
La mayoría de los sistemas que sufren pequeñas perturbaciones las contrarrestan ejerciendo alguna forma de fuerza restauradora. A menudo es una buena aproximación suponer que la fuerza es proporcional a la perturbación, de modo que el SHM es, en el caso límite de pequeñas perturbaciones, una característica genérica de los sistemas vibratorios. Una característica de los SHM es que el periodo de la vibración es independiente de su amplitud. Por ello, estos sistemas se utilizan en la regulación de los relojes. La oscilación de un péndulo, por ejemplo, se aproxima al SHM si la amplitud es pequeña.
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Una característica universal de la vibración libre es la amortiguación. Todos los sistemas están sujetos a fuerzas de fricción, y éstas minan constantemente la energía de las vibraciones, haciendo que la amplitud disminuya, normalmente de forma exponencial. Por lo tanto, el movimiento nunca es precisamente sinusoidal. Así, un péndulo que oscila, si se deja sin accionar, acabará volviendo al reposo en la posición de equilibrio (de mínima energía).
Las vibraciones forzadas se producen si un sistema es continuamente accionado por una agencia externa. Un ejemplo sencillo es el columpio de un niño que es empujado en cada bajada. De especial interés son los sistemas sometidos a SHM e impulsados por un forzamiento sinusoidal. Esto conduce al importante fenómeno de la resonancia. La resonancia se produce cuando la frecuencia de accionamiento se acerca a la frecuencia natural de las vibraciones libres. El resultado es una rápida absorción de energía por parte del sistema vibratorio, con el consiguiente aumento de la amplitud de las vibraciones. En última instancia, el crecimiento de la amplitud está limitado por la presencia de amortiguación, pero la respuesta puede, en la práctica, ser muy grande. Se dice que los soldados que marchan por un puente pueden provocar vibraciones resonantes suficientes para destruir la estructura. También se dice que los cantantes de ópera rompen las copas de vino.
Las vibraciones eléctricas desempeñan un papel importante en la electrónica. Un circuito que contenga inductancia y capacitancia puede soportar el equivalente eléctrico de SHM que implica un flujo de corriente sinusoidal. La resonancia se produce si el circuito es impulsado por una corriente alterna cuya frecuencia coincide con la de las oscilaciones libres del circuito. Este es el principio de la sintonización. Por ejemplo, un receptor de radio contiene un circuito cuya frecuencia natural puede variar. Cuando la frecuencia coincide con la del transmisor de radio, se produce una resonancia y se desarrolla una gran corriente alterna de esa frecuencia en el circuito. De este modo, los circuitos resonantes pueden utilizarse para filtrar una frecuencia de una mezcla.
En los instrumentos musicales, el movimiento de las cuerdas, las membranas y las columnas de aire consiste en una superposición de SHM; en las estructuras de ingeniería, las vibraciones son una característica común, aunque normalmente no deseada. En muchos casos, los movimientos periódicos complicados pueden entenderse como la superposición de SHM en muchas frecuencias diferentes.