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El oscilador armónico simple. AP04

Movimiento armónico: Ejemplo n°1 de movimiento oscilatorio armónico. Problema resuelto. Ejemplo, cómo calcular la elongación, velocidad y aceleración

Ejemplo n° 1 de movimiento armónico.

Ejemplo n° 1) Se conecta a un resorte de constante elástica K = 5 N/m un cuerpo de 200 g de masa que puede oscilar libremente sobre una superficie horizontal sin rozamiento. Estirando el resorte se desplaza el cuerpo 5 cm desde la posición de equilibrio y se suelta desde el reposo. Calcula:

  1. El período del movimiento
  2. Las expresiones de la elongación, la velocidad y la aceleración en función del tiempo
  3. Los valores máximos de la velocidad y de la aceleración
  4. La fuerza recuperadora cuando x = 0,05 m

Compresión y elongación de un resorte

Desarrollo

Datos:

K = 5 N/m

m = 200 g = 0,2 kg

x = 5 cm = 0,05 m

Fórmulas:

ω² = K/m

ω = 2·π/T

x = A·sen ((ω·t) + φ)

v = ω·A·sen (ω·t + φ)

F = -K·x

Solución

a.

Determinamos la pulsación para hallar el período:

ω = K/m

ω = (5 N/m)/(0,2 kg)

ω = 5 rad/s

T = 2·π/ω

T = 2·π/5 s

T = 0,4 π s

b.

A t0 = 0, el cuerpo se halla en el máximo valor de la elongación, en el sentido positivo del desplazamiento.

Por tanto,

A = x0 = 0,05 m

φ0 = π/2

x = A·sen ((ω·t) + φ0)

x = 0,05·sen (5·t + π/2)

v = A·ω·cos ((ω·t) + φ0) = 0,05·5·cos (5·t + π/2)

v = 0,25·cos (5·t + π/2)

a = -A·ω²·sen ((ω·t) + φ0) = -0,05·5²·sen (5·t + π/2)

a = -1,25·sen (5·t + π/2)

c.

Como el módulo de la velocidad es máximo si cos ((ω·t) + φ0) = ±1:

Vmáx = ±A·ω = ±0,25 m/s

El módulo de la aceleración es máximo cuando sen ((ω·t) + φ0) = ±1:

amáx = ±A·ω² = ±1,25 m/s²

d.

Aplicamos la expresión de la fuerza recuperadora para calcularla:

Fx = -K·x

Fx = -(5 N/m)·0,05 m = -0,25 N

Fuente:

http://www.freewebs.com/fisicamontpe/

Física de 2° de Bachillerato - Colegio Montpellier

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Signos utilizados en las fórmulas y cálculos:

  • Signo separador de miles: punto (.)
  • Signo separador decimal: coma (,)
  • Signo de multiplicación: punto medio (·) o × (para producto vectorial)
  • Signo de división: barra (/) o dos puntos (:)

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