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Vibrazione, movimento periodico avanti e indietro delle particelle di un corpo elastico o di un mezzo, comunemente risultante quando quasi ogni sistema fisico viene spostato dalla sua condizione di equilibrio e lasciato rispondere alle forze che tendono a ripristinare l’equilibrio.
Le vibrazioni rientrano in due categorie: libere e forzate. Le vibrazioni libere si verificano quando il sistema viene disturbato momentaneamente e poi gli viene permesso di muoversi senza vincoli. Un esempio classico è fornito da un peso sospeso a una molla. In equilibrio, il sistema ha un’energia minima e il peso è a riposo. Se il peso viene tirato giù e rilasciato, il sistema risponderà vibrando verticalmente.
Le vibrazioni di una molla sono di un tipo particolarmente semplice conosciuto come moto armonico semplice (SHM). Questo si verifica quando la perturbazione del sistema è contrastata da una forza di ripristino che è esattamente proporzionale al grado di perturbazione. In questo caso, la forza di ripristino è la tensione o la compressione nella molla, che (secondo la legge di Hooke) è proporzionale allo spostamento della molla. Nel moto armonico semplice, le oscillazioni periodiche sono della forma matematica chiamata sinusoidale.
La maggior parte dei sistemi che subiscono piccole perturbazioni le contrastano esercitando una qualche forma di forza di ripristino. È spesso una buona approssimazione supporre che la forza sia proporzionale al disturbo, così che la SHM è, nel caso limite di piccoli disturbi, una caratteristica generica dei sistemi vibranti. Una caratteristica di SHM è che il periodo della vibrazione è indipendente dalla sua ampiezza. Tali sistemi sono quindi utilizzati nella regolazione degli orologi. L’oscillazione di un pendolo, per esempio, approssima SHM se l’ampiezza è piccola.
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Una caratteristica universale delle vibrazioni libere è lo smorzamento. Tutti i sistemi sono soggetti a forze di attrito, e queste assorbono costantemente l’energia delle vibrazioni, facendo diminuire l’ampiezza, di solito in modo esponenziale. Il movimento non è quindi mai precisamente sinusoidale. Così, un pendolo oscillante, non guidato, alla fine tornerà a riposo nella posizione di equilibrio (energia minima).
Le vibrazioni forzate si verificano se un sistema è continuamente guidato da un ente esterno. Un esempio semplice è un’altalena per bambini che viene spinta ad ogni discesa. Di particolare interesse sono i sistemi sottoposti a SHM e guidati da una forzatura sinusoidale. Questo porta all’importante fenomeno della risonanza. La risonanza si verifica quando la frequenza di guida si avvicina alla frequenza naturale delle vibrazioni libere. Il risultato è un rapido assorbimento di energia da parte del sistema vibrante, con una conseguente crescita dell’ampiezza della vibrazione. In definitiva, la crescita dell’ampiezza è limitata dalla presenza di smorzamento, ma la risposta può, in pratica, essere molto grande. Si dice che i soldati che marciano su un ponte possono provocare vibrazioni risonanti sufficienti a distruggere la struttura. Esiste un folclore simile riguardo ai cantanti d’opera che mandano in frantumi i bicchieri di vino.
Le vibrazioni elettriche giocano un ruolo importante nell’elettronica. Un circuito contenente sia induttanza che capacità può supportare l’equivalente elettrico di SHM che coinvolge il flusso di corrente sinusoidale. La risonanza si verifica se il circuito è guidato da una corrente alternata che ha una frequenza corrispondente a quella delle oscillazioni libere del circuito. Questo è il principio alla base della sintonizzazione. Per esempio, un ricevitore radio contiene un circuito la cui frequenza naturale può essere variata. Quando la frequenza corrisponde a quella del trasmettitore radio, si verifica la risonanza e nel circuito si sviluppa una grande corrente alternata di quella frequenza. In questo modo, i circuiti risonanti possono essere usati per filtrare una frequenza da una miscela.
Negli strumenti musicali, il movimento delle corde, delle membrane e delle colonne d’aria consiste in una sovrapposizione di SHM; nelle strutture ingegneristiche, le vibrazioni sono una caratteristica comune, anche se solitamente indesiderabile. In molti casi, i moti periodici complicati possono essere intesi come la sovrapposizione di SHM a molte frequenze diverse.