viernes, 12 de agosto de 2011

Frecuencia natural y resonancia.


La frecuencia es una magnitud que mide las oscilaciones por segundo en una vibración, así, si algo vibra muy rápido tendrá una frecuencia alta y si lo hace lentamente, pues ésta será baja. La frecuencia caracteriza las ondas (que no son más que vibraciones al fin y al cabo). En el caso del sonido, una frecuencia alta produce sonidos agudos y una baja graves. (Te aconsejo que si andas un poco perdido porque no controlas demasiado de estos términos pincha en donde pone ondas antes de seguir leyendo y te mires la parte que está un poco antes de las fotos.)
Pues bien, una vez dicho esto, hablemos de la frecuencia natural.
Todos los objetos tienen lo que se denomina como frecuencia natural, es decir, una frecuencia tal que si se emite una vibración a ésta, el objeto en cuestión comienza a vibrar “sin que nadie lo toque”. De esta forma y explicado con sonido, yo podría hacer vibrar (y mover) todo lo que quisiera solo emitiendo sonidos que tuvieran la misma frecuencia que la frecuencia natural de los objetos en sí.
Alguien podría decir, bueno, todos los objetos vibran en mayor o menor medida cuando están sometidos a una vibración externa; y tendría razón, pero en el caso que planteo el objeto no solo vibra, sino que va más allá, entra en resonancia. Entrar en resonancia viene a ser vibrar a lo bestia. Para entender bien todo esto vamos ver un ejemplo simple pero gráfico:

Juan y su hijo Juanito de 8 años van al parque. A Juanito lo que más le gusta son los columpios, así que se monta y obliga a su padre a columpiarlo durante dos horas y media. Al cabo de ese tiempo Juan está algo cansado y dice, “pues sabes qué, ahora me vas a columpiar tú a mí” y sin más se sienta en el columpio de al lado a la espera de que su hijo haga algo. Juanito no sabe columpiar, así que se limita a empujarlo de forma aleatoria y estocástica (no periódica) de forma que Juan apenas se mueve del sitio. Pero como Juanito lee El rincón de Liumeg (sí, es un máquina) se pone a pensar qué es lo que está haciendo mal y trata de recordar cómo lo hace su padre.
Pues bien (y aquí está la física del asunto) Juanito empuja con todas sus fuerzas a su padre, y como era de esperar éste apenas oscila. Pero cuando está en la parte más alta de la pequeña oscilación Juanito lo empuja de nuevo. Esta vez la oscilación es algo más grande, pero levemente. Juanito repite esta operación una y otra vez, haciendo lo que todos conocemos como “columpiar a alguien”. Cada vez la oscilación se va haciendo más y más grande hasta que finalmente (si obviamos las cantidades de movimiento por las cuales el niño podría salir volando si le da y el hecho de que a partir de cierto momento no llegaría al lugar donde se para el columpio) Juanito consigue columpiar a su padre.
Este es un ejemplo claro de que una pequeña perturbación que debería pasar desapercibida si se da en el momento clave y de forma repetida (columpiar justo en el momento adecuado) puede dar lugar a una gran vibración. Cuando columpiamos a alguien lo que estamos haciendo es perturbar un sistema de forma periódica, con la misma frecuencia que la del sistema (siempre que llega a lo más alto y va a empezar a bajar, empujamos de nuevo), es decir, su frecuencia natural y por tanto, estamos haciendo que el sistema entre en resonancia y por consiguiente, vaya acumulando cada vez más y más energía (sistema resonante).
Esto mismo es exactamente lo mismo que lo que todos hemos visto alguna vez en la tele de una cantante de ópera estallando una copa de cristal con un grito. Lo que está haciendo es emitir un sonido con la misma frecuencia que la frecuencia natural de la copa, haciéndola vibrar y acumular cada vez más energía hasta que finalmente estalla.
Una cosa curiosa es que mediante la resonancia se puede afinar una guitarra incluso teniendo un oído pésimo (yo de hecho es así como lo hago, jeje). En las guitarras hay una relación entre cuerdas y trastes, de forma que en general, una cuerda suena igual (vamos a suponer que está afinada) que la siguiente en el 5º traste (en el caso de la 2ª cuerda creo que es en el 4º traste, si no recuerdo mal). Esto qué quiere decir, pues que si tocas la 6ª cuerda (la de arriba del todo) en el 5º traste la 5ª cuerda comenzará a vibrar sin que nadie la toque, ya que estarás emitiendo un sonido de la misma frecuencia que su frecuencia natural y, por tanto, entrará en resonancia.
Quizá penséis que esto no tiene una especial repercusión en la vida normal, pero hay un caso que yo cuando lo vi me dejó flipado y que refleja exactamente lo que es la resonancia mecánica. Se trata del puente de Takoma, uno de los primeros puentes colgantes de la historia, un hito arquitectónico que se topó con algo insólito hasta la fecha. Cuando soplaban vientos de unos 80 km/h, éste, al pasar entre los hilos que mantenían el puente, los hacía vibrar con una frecuencia similar a su frecuencia natural, de manera que la energía se iba acumulando y transmitiendo al puente en sí. El resultado... aquí lo tenéis.
http://youtu.be/SzObC64E2Ag
(Si os parece muy largo en la página hay otros más cortitos, pero vamos, que merece la pena)

Últimamente han surgido nuevas teorías al respecto que no se decantan tanto por la resonancia mecánica como por un tal “efecto bandera” pero lo cierto es que no no sé hasta qué punto eso está contrastado. Yo no tengo mucha idea al respecto y en cualquier caso, me parece un caso muy gráfico de todo lo que hemos hablado.
Por la misma razón, los soldados nunca pasan marchando sobre puentes, porque al tener un ritmo tan marcado, establecen una fuerza periódica externa que puede dañar la estructura del puente.
Bueno, pues esto ha sido todo, si tenéis alguna duda no dudéis en comentarlo.
¡Hasta luego!

7 comentarios:

  1. Lo de los soldados no es resonancia. Son un montón de tíos pisando a la vez o, lo que es lo mismo, la superposición de un montón de pequeñas ondas en el mismo instante.

    Si además da la casualidad de que la frecuencia del paso coincide con la natural del puente ya es la hostia.
    :)

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    1. Ahí no digo que sea resonancia, digo que como es una perturbación periódica y constante puede generar oscilaciones forzadas y dañar la estructura del puente.

      Evidentemente si coincide con alguna de las frecuencias de resonancia del puente (los objetos complejos tienen varias) se van todos al carajo pero rápido :)

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    2. Lo de los soldados si es real porque crean un tipo de resonancia acumulando la masa y engergia dañando las particulas

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    3. Lo de los soldados si es real porque crean un tipo de resonancia acumulando la masa y engergia dañando las particulas

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  2. Lo mejor de todo son los comentarios aclaratorios entre paréntesis! Gracias, Migue!

    Fdo.: Álvaro.

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    1. Me alegro de que te haya gustado. Acabo de poner la "segunda parte" en la página de Facebook. De todas maneras, la dejo aquí para que quede todo en la misma entrada del blog:

      http://naukas.com/2012/03/26/la-resonancia-bien-entendida-el-puente-de-tacoma-narrows/

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  3. Hola.
    No sé quien eres, no sé qué haces. Es la primera vez que entro a tu blog.
    Yo vine acá buscando si frecuencia natural es lo mismo que frecuencia de resonancia. No encontré la respuesta, pero sí quiero decir que el ejemplo del columpio me dio mucha risa, sobretodo la parte "sí, es un máquina", aunque no estoy seguro por qué.
    Gracias de todas maneras

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