Resonance
02 Mar, 2013
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PRESENTATION: Any mechanical system with some elasticity can oscillate when externally disturbed. A greater or smaller amplitude of oscillation depends on the relationship between the characteristics of the damped system and the frequency of the external force.
- Ten Things You Should Do with a Tuning Fork, James Lincoln, Phys. Teach. 51, 176 (2013)
- Demonstration of simple and dramatic resonance in a whiskey bottle, Norihiro Sugimoto (Stray Cats), Phys. Teach. 51, 58 (2013)
- A Simple Experiment to Explore Standing Waves in a Flexible Corrugated Sound Tube, Maria Eva Amorim, Teresa Delmira Sousa, P. Simeão Carvalho, andAdriano Sampaioe Sousa, Phys. Teach. 49, 360 (2011)
INTRODUCTION: Resonance is a phenomenon that is produced when a body that is capable of vibrating is subjected to the action of a periodical external force whose period of vibration coincides with the characteristic period of vibration of the body itself. This means that a relatively small yet constant force can make the amplitude of an oscillating system become very large.
In such circumstances, the body vibrates, progressively increasing the amplitude of motion. This effect can be destructive in some rigid materials such as when a glass shatters as a soprano sings a note that reaches and sustains its frequency of resonance.
OBJECTIVE: To demonstrate the effect of resonance on a tin.
MATERIALS: tin, scissors.
SETUP: Use the scissors to cut 7 vertical strips in the can, each about 1 cm wide, separated from each other so that they can vibrate, and each with a length that varies continually from one strip to the next in such a way that the shortest strip is 1/3 long and the longest 2/3.
On the other side of the can, opposite the middle strip of the 7, cut another strip with the same length as this middle one.
EXPLANATION: If we make the single strip cut into the opposite side of the can vibrate, resonance will be produced in the middle strip opposite it that has the same length, and also, to a lesser extent, in the strips closest to it. This is due to the fact that they vibrate with similar frequencies. If we cut the single strip shorter, then the shorter strips will now be seen to resonate.
CONCEPTS: resonance, resonance frequency, natural frequency, resonance oscillator, acoustic resonance, mechanical resonance.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: Cristian Rueda, Álvaro Santiago, Carlos Saso
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
53 responses to "Resonance"
El estudio experimental de la resonancia puede ser una gran oportunidad para desarrollar competencias artísticas empleando distintos sonidos a diferentes frecuencias. Este apartado de la física debería ser empleado en los centros de forma multidisciplinar ya que relaciona muy bien la física con la música. De hecho debería relacionarse con las propiedades del sonido sobretodo la altura y el timbre mostrando como funciona la resonancia en los diferentes materiales y explicando la relevancia que esta propiedad presenta en los grandes maestros de fabricación de intrumentos a lo largo de la historia y en la actualidad.
El vídeo es un claro ejemplo de cómo con un material sencillo y de fácil adquisición, se puede enseñar física. En este caso, se trata del fenómeno de la resonancia, que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza externa periódica. Si el periodo de la fuerza coincide con el periodo de vibración de dicho cuerpo, el cuerpo vibra aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento.
La resonancia, no sólo se pude aplicar para explicar el fenómeno en física sino que también se pude utilizar durante las clases de música, ya que muchos instrumentos musicales se diseñan con cavidades resonantes para producir variedad de sonidos. Además se puede explicar en mecánica, la resonancia mecánica de una estructura o cuerpo es el aumento en la amplitud del movimiento de un sistema debido a la aplicación de fuerza pequeña en fase con el movimiento; en electrónica, la resonancia eléctrica es el fenómeno que se produce al coincidir la frecuencia propia de un circuito con la frecuencia de una excitación externa; en electromagnetismo se refiere a la resonancia magnética nuclear, tecnología utilizada tanto en química como en medicina; en astronomía, la resonancia orbital se produce cuando los periodos de traslación o de rotación de dos o más cuerpos guardan entre ellos una relación expresada fracciones de números enteros.
Ya que la resonancia es un fenómeno que rodea al alumno, es importante que comprenda bien el concepto y para ello la mejor manera es experimentando.
En ingeniería, la resonancia puede ser tanto beneficiosa como perjudicial; puede ser utilizada para aumentar la eficiencia de sistemas como osciladores y relojes, pero también puede causar el colapso de estructuras como puentes y edificios si no se controla adecuadamente.
Otro experimento sencillo en el que se puede observar el fenómeno de resonancia es éste, en el que se utilizan copas de cristal. Existía la leyenda urbana de que los hornos microondas utilizaban la frecuencia de vibración del agua para calentar los alimentos mediante la fricción entre las moléculas. En realidad, la vibración de las moléculas de agua en estos electrodomésticos se consigue gracias a un campo electromagnético fluctuante, las moléculas de agua (polares) se orientan en relación a este campo cambiante y es su movimiento lo que produce el calor.
En este enlace podemos ver una sencilla animación que nos explica el proceso.
La resonancia magnética nuclear (RMN) es un fenómeno físico basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos. La RMN también se refiere a la familia de métodos científicos que explotan este fenómeno para estudiar moléculas (espectroscopia de RMN),macromoléculas (RMN biomolecular), así como tejidos y organismos completos.
Todos los núcleos que poseen un número impar de protones o neutrones tienen un momento magnético y un momento angular intrínseco, en otras palabras, tienen un espín > 0. Los núcleos más comúnmente empleados en RMN son el protio (1H, el isótopo más sensible en RMN después del inestable tritio,3H, el 13C y el 15N, aunque también son utilizados los isótopos de núcleos de muchos otros .
La espectroscopía (RMN) es una técnica espectroscópica no destructiva, basada en las propiedades magnéticas de la materia y aplicada a cualquier sustancia química en estado líquido o sólido que contenga núcleos con espines nucleares. Ésta es una de las técnicas espectroscópicas más utilizadas en la actualidad que permite resolver diversos problemas de la investigación química y de control de calidad.
La técnica de RMN comprende aplicaciones como son: elucidación estructural, determinación conformacional, establecimiento de equilibrios químicos, cinéticas químicas, cuantificación de mezclas, control de calidad, análisis conformacionales y estereoquímicos, entre otros.
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Os animo a que visitéis el siguiente vídeo que trata de un experimento sobre la resonancia. Con una placa metálica, un generador de frecuencias y un salero, el sonido crea patrones geométricos preciosos. Se trata de un fenómeno acústico en el que la propagación del sonido en un medio limitado ( una placa metálica cuadrada) a determinadas frecuencias hace que los granos de sal se concentren en las líneas nodales.
Un experimento sencillo a la vez que interesante, pero que quizás no ayude muy bien a los alumnos a comprender el fenómeno de la resonancia si no se conocen bien los fundamentos matemáticos. Tal vez sea más visible en el otro vídeo de resonancia de esta página, y se trata de un fenómeno de gran importancia en arquitectura e ingeniería. Un desgraciado ejemplo de ello es el caso del derrumbamiento del puente de Tacoma en 1940 debido al efecto de resonancia producido por el viento. Medía 1600 metros (el 3º más largo de la época) y tan solo llevaba 2 años construido.
Para finalizar, una vez más un homenaje a Nikola Tesla, del cual se dice que era capaz de hacer temblar edificios e incluso barrios enteros con tan solo un oscilador electromecánico de bolsillo. No en vano un circuito RLC es análogo a un sistema oscilante, amortiguado y forzado…
Finalmente hay teorías, no se si conspiranoicas o no, que acusan al proyecto estadounidense situado en Alaska, el proyecto HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program), de ser capaz de producir terremotos gracias a este fenómeno, e incluso alterar el clima.
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En el siguiente vídeo se realiza un experimento de resonancia en el cual se observa claramente cómo al crear una vibración en una copa, esta se transmite por resonancia a una segunda copa que no está en contacto con la primera. Al igual que el de la lata, se trata de un experimento muy sencillo y visual que no precisa de materiales difíciles de conseguir.
La resonancia magnética tiene diferentes aplicaciones, por ejemplo computación cuántica, química y análisis no destructivos, en medicina… En esta última área, las resonancias magnéticas representan un análisis seguro e indoloro en el cual se utiliza un campo magnético y ondas de radio para obtener imágenes detalladas de los órganos y las estructuras del cuerpo. Durante un examen médico mediante resonancia magnética las ondas de radio manipulan la posición magnética de los átomos del organismo, lo cual es detectado por una gran antena y es enviado a una computadora que realiza millones de cálculos que crean imágenes claras y en blanco y negro de cortes transversales del organismo. Así, las resonancias magnéticas se utilizan para detectar una variedad de afecciones, entre las que se encuentran los problemas cerebrales, de la médula espinal, el esqueleto, el tórax, los pulmones, el abdomen, la pelvis, las muñecas, las manos, los tobillos y los pies. Su capacidad para resaltar los contrastes en los tejidos blandos hace que resulte muy útil para descifrar problemas en las articulaciones, los cartílagos, los ligamentos y los tendones.
Se puede ver un ejemplo en el siguiente enlace.
La resonancia es fundamental en la música y no solo en lo que se refiere a la fabricación de instrumentos. La construcción de auditorios requiere de una gran aplicación de la física acústica y en especial de la resonancia.
Un claro exemplo de como con materias que podemos atopar nas nosas casas se pode facer un experimento para observar os fenómenos de resonancia.
Este experimento pódese realizar con alumnos de niveis baixos da ESO ata bacharelato
Una manera sencilla de explicar el fenómeno de resonancia.
Un bo exemplo de resonancia na vida real que significou un custe material moi elevado foi a caída por resonancia da ponte Tacoma Narrows, nos EEUU. Esta ponte construída entre 1938 e 1940 colapsou polo efecto de vento, que fixo que a ponte entrase en resonancia, o 7 de novembro do 1940. No seguinte vídeo pódese ver o colapso da ponte gravado en directo.
Como se pode ver a resonancia é un efecto físico que é moi importante a ter en conta sobre todo na construción de estruturas.
Outro exemplo de resonancia que se pode amosar aos alumnos na clase é a iteración entre dous diapasóns, como se pode ver no seguinte vídeo.
Hai un bo documento na rede que fala sobre este caso e outros que se mostran como efectos da resonancia, cando en realidade a causa real pola que se produciu o colapso da ponte de Tacoma foi un fenómeno físico coñecido co nome de flameo. Ao parecer, este fenómeno xa se producira con anterioridade noutra ponte-malecón de Brighton, que se desmoronou o 29 de novembro de 1836 por mor dunha galerna.
Unha práctica sinxelísima de resonancia é o que se chama resonancia de Helmholtz, que é o fenómeno que se produce cando se sopla a través da boca dunha botella baleira, que deu lugar ao resonador de Helmholtz. Unha boa explicación física e un par de prácticas asociadas pódense ver aquí.
Unha práctica sinxelísima de resonancia é o que se chama resonancia de Helmholtz, que é o fenómeno que se produce cando se sopla a través da boca dunha botella baleira, que deu lugar ao resonador de Helmholtz, absorbente acústico creado para eliminar artificialmente unha estreita marxe de frecuencias. Unha boa explicación física e un par de prácticas asociadas pódense ver aquí.
Una forma sencilla de ilustrar el fenómeno de resonancia a los alumnos. También se podría hacer fácilmente con una guitarra, cuando tocas una nota que coincide con la nota de una de las cuerdas al aire, esta empieza a vibrar sin que se la toque. Lo mismo pasaría usando dos diapasones, cuando suena unos, el otro empieza a vibrar y sonar también en sincronía. En este otro vídeo se puede ver también otra explicación del fenómeno de resonancia. Además también se explica que es el fenómeno por el que funciona la cóclea de nuestro oído y nos permite oír.
Esta es una forma sencilla de ilustrar el fenómeno de resonancia a los alumnos. Este fenómeno también podría ilustrarse utilizando una guitarra, por ejemplo, ya que al tocar una nota que coincide con la que da otra de las cuerdas al aire, esta segunda cuerda vibrará sin que la toquen. Lo mismo ocurrirá con dos diapasones afinados en la misma frecuencia. En este otro vídeo se explica el fenómeno y cómo es lo que actúa en la cóclea de nuestros oídos y nos permite escuchar.
Ao falar de resonancia a min venme á mente o “pedal de resonancia” dos pianos. A función deste pedal é a de “liberar” as cordas do piano para que vibren durante máis tempo tras ser percutidas. Ao eliminar o apagador e deixar libres as cordas do piano, cando tocamos unha nota, ademais de soar esa nota por vibración da corda percutida, tamén se producen vibracións por simpatía de outras cordas do piano que non foron percutidas. Isto débese a que ao vibrar unha corda, ademais de facelo na súa frecuencia natural, tamén produce harmónicos (múltiplos desta frecuencia natural) que son os que inducen as vibración simpáticas.
O protagonista do seguinte vídeo explica a resonancia simpática das cordas do piano facéndoas vibrar ao manter pulsado o pedal de resonancia mentres canta. As frecuencias das notas que el canta fan vibrar as cordas do piano da mesma frecuencia sen necesidade de pulsalas.
Con este experimento se demuestra de forma muy sencilla el fenómeno físico de la resonancia. Este fenómeno, que ocurre cuando se ejerce una fuerza periódica sobre un cuerpo con una frecuencia coincidente con el periodo de vibración del sistema oscilante, está presente además de en los típicos ejemplos de péndulos y diapasones en muchas acciones de nuestra vida cotidiana. Una de ellas es en el acto tan sencillo como el de columpiar a los niños. En este caso es necesario aplicar la fuerza en un momento determinado y acoplarse al movimiento oscilatorio del columpio para evitar que se frene. Es muy importante mantener la amplitud del movimiento para evitar que se dispare o que se frene el columpio. En el link proporcionado habla de este y otros ejemplos como cuando se columpian ellos mismos mediante el impulso usando su propio cuerpo y variando la altura del centro de masa, como se llega a romper una copa o vaso de cristal por una nota aguda, o el uso de las cajas de resonancia en música para aumentar la intensidad del sonido.
O concepto físico de resonancia paréceme dfícil de comprender a pesares de que é moi visual. Pode observarse en case tódolos instrumentos de corda, na rotura das copas de cristal ou na propia demostración desta páxina coa lata. Con todo, penso que este vídeo pode axudar a ter un maior entendemento da base deste fenómeno físico. Mediante un Tubo de Rubens, Steve Mould explica de maneira sinxela o concepto de frecuencia, resonancia, onda estacionaria, pulso, nodo, antinodo ou amplitude do son, entre outros. Paréceme unha demostración fantástica, moi visual, ao adoptar as lapas a “forma” das ondas, cos seus nodos e antinodos, e ao escoitar perfectamente o incremento de volume do son. Na súa canle podedes atopar centos de experimentos e demostracións de física, química, bioloxía, xeoloxía e outras disciplinas, moi chamativas e curiosas, con explicacións sinxelas que logo poden ser ampliadas coa bibliografía que aporta na descrición do vídeo ou nos comentarios.
En la web del Exploratorium encontramos ejemplos de dispositivos muy sencillos y visuales que podemos construir para explicar en el aula el concepto de resonancia. En el primer ejemplo se colocan una serie de bolas en el extremo de varias varillas de diferente longitud y se hace vibrar todo el conjunto. Cuando la frecuencia de la vibración coincide con la frecuencia de resonancia de una de las varillas, ésta vibrará con mucha más amplitud que las demás. En el segundo ejemplo se emplean aros de cartulina de diferentes diámetros y se hace vibrar el conjunto, observando como el tamaño de cada aro influye en su frecuencia de resonancia. También sería interesante que los alumnos experimentasen en el aula, construyendo los aros de diferentes materiales y observando si esto influye en su frecuencia de resonancia.
Otro gran ejemplo de cómo con materiales económicos y cotidianos se pueden llevar, de forma sencilla, experimentos de física al aula. En este caso, de forma muy visual observamos como la onda pasa de una tira de la lata a la otra, entendiendo el concepto de resonancia, tan ampliamente utilizado en acústica, sanidad, arquitectura…
En física, la resonancia describe el fenómeno de incremento de amplitud que ocurre cuando la frecuencia de una fuerza periódicamente aplicada es igual o cercana a una frecuencia natural del sistema en el cual actúa. Es un concepto un poco complicado de entender y hacer estos experimentos ayuda a una mejor compresión del mismo. Los fenómenos de resonancia ocurren con todos los tipos de vibraciones u ondas: están la resonancia mecánica, resonancia acústica, resonancia electromagnética, resonancia magnética nuclear (NMR), resonancia de giro del electrón (ESR) y resonancia de funciones ondulatorias cuánticas. Por ejemplo, si tomamos unas copas de cristal podemos realizar un experimento de resonancia acústica. Cuando frotamos el borde de una copa, esta vibra y entra en resonancia, si nos pasamos de cierta frecuencia esta puede llegar a romper. Aquí os dejo un enlace donde se ve en slow motion este efecto y en este otro enlace hacen unos experimentos muy interesantes para ver el fenómeno de resonancia.
Comparto un vídeo donde poniendo como ejemplo el colapso del puente colgante de Tacoma se expone la diferencia entre resonancia y flameo.
Tal e como se indica en algún comentario anterior, a resonancia é básica no funcionamento dos instrumentos musicais. Un fenómeno curioso debido á resonancia prodúcese nos instrumentos de corda frotada, especialmente no violoncello, cando a nota tocada practicamente coincide coa frecuencia natural de vibración do instrumento. Neste punto o instrumento emite un son desagradable e que se debe evitar chamado lobo. Para evitalo utilízanse elementos chamados matalobos que, ou modifican a frecuencia natural do instrumento ata unha non utilizada na música occidental (como os cuartos de ton), ou absorben esa vibración.
Es una manera muy visual y divulgativa de explicar cómo un sistema entra en resonancia, aunque los principios son algo más complejos. Destacar que en un sistema ideal se incrementaría la amplitud del movimiento oscilatorio hasta el infinito en cada ciclo. Un ejemplo parecido al presentado sería el de un niño en un columpio. Sin tener conocimiento del fenómeno de resonancia un padre ejerce la fuerza en la espalda de su hijo justo cuando este tiene velocidad nula o lo que es lo mismo, el punto de inflexión del movimiento armónico de columpiarse. De esta manera alimentamos el movimiento con un nuevo impulso en cada oscilación. En esta página podemos encontrar como profesor Roger Bowley explica “cómo funciona” un columpio y el fenómeno de la resonancia paramétrica. Como un columpio no es un sistema ideal, la fuerza que aplicamos en la espalda del niño trata de vencer el amortiguamiento del sistema para mantener la amplitud constante. En el caso ideal la amplitud se incrementaría en cada oscilación infinitamente.
En construcción de maquinaria el fenómeno de la resonancia es algo indeseable, pero muy difícil de estudiar teóricamente, sobre todo cuando están involucrados muchos objetos y materiales que interactúan entres sí, como por ejemplo el motor de un coche. Es habitual que ante un pequeño desajuste el conductor experimente vibraciones a determinadas velocidades. Esto se debe a que el sistema entra en resonancia y es peligroso. En construcción el causante de muchas oscilaciones es el viento, que si coincide con la frecuencia natural de la estructura entra en resonancia, dando lugar a altas tensiones que pueden provocar su colapso. El típico ejemplo, ya mencionado anteriormente, es el del puente de Tacoma, sin embargo, hay muchos otros. Otro ejemplo de este fenómeno puede observarse en las señales de tráfico, fijas en el suelo. Las señales de tráfico de stop fijas en el suelo pueden verse levantadas del suelo y escoradas, pero intactas. Esto es debido a que, en este caso, el viento provocó oscilaciones iguales a la frecuencia natural, con lo cual, aunque inicialmente la fuerza del viento no podría levantar la señal del suelo, el incremento de esta al entrar en resonancia sí es capaz de, finalmente, arrancarla. Todo sistema tiene asociado varias frecuencias naturales, es inevitable, pero se pueden modificar. La clave está en diseñarlos para que estas frecuencias se sitúen lo más alejadas posible de las frecuencias de uso.
Esto lo experimenté yo hace años cuando tocaba el piano en el salón de mi casa. Al lado del piano había un mueble expositor de vajilla, y al tocar ciertas notas, escuchaba vibrar a algunos vasos, y se notaba muchísimo. Hablando de música, también se experimenta la resonancia cuanto tocas golpeas un diapasón al lado del otro. Si detenías el primero, al segundo lo escuchabas vibrar tenuemente durante unos segundo pese a no haberlo tocado (no puede estar en contacto con una mesa, tiene que estar agarrado en la parte inferior).
En Valladolid hay un puente que se llama Puente Colgante que es del siglo XIX y es una estructura metálica del tipo de la torre Eiffel de París. Cuando lo cruzaban tropas militares en la guerra civil rompían filas para evitar que se colapsara por resonancia. El fenómeno de resonancia me lo explicaron mientras veíamos ese puente y aún recuerdo tanto el concepto como la anécdota. Pero según parece, la resonancia no es la culpable del colapso de los puentes, sino el flameo que es una vibración auto excitada y es un concepto que se utiliza normalmente en aeronáutica.
Este experimento puede servir como un primer contacto para comprender el concepto de resonancia (fenómeno que se produce cuando un cuerpo es sometido a la acción de una fuerza periódica externa, cuyo período de vibración coincide con el período de vibración característico de dicho cuerpo). La aplicación de la resonancia es útil en multitud de campos (medicina, música, electrodomésticos…). Sin embargo, puede tener efectos devastadores cuando se provocan oscilaciones iguales a la frecuencia natural de un sistema, como el ejemplo de este puente, o el que se muestra en este enlace en un helicóptero.
Mencionar las aplicaciones de la resonancia eléctrica, mediante un circuito eléctrico LC. Consiste, básicamente en una bobina y un condensador conectados en paralelo, entre los que se produce un intercambio de energía con una cierta frecuencia, llamada frecuencia de resonancia. Estos circuitos son utilizados para generar señales a una frecuencia específica, o para seleccionar una señal de una frecuencia específica de una señal más compleja.
Como ejemplo más claro tenemos los sintonizadores de radio, el telecontrol, mandos a distancia o el reconocimiento de tarjetas de acceso.
El traqueteo del motor de un autobús o camión que a menudo escuchamos cuando el autobús se deja inactivo es un ejemplo de la aparición del fenómeno de resonancia. Las vibraciones de un motor pueden causar ondas resonantes en las estructuras contiguas cuando la frecuencia de vibración del motor es comparable a la frecuencia de vibraciones de las estructuras circundantes. Este suceso lo apreciamos más en vehículos antiguos o con un amplio kilometraje ya que se va un produciendo un desgaste de sus piezas (cigüeñal,vávulas…) por lo que hay más holgura.
Neste vídeo, un pouco no senso contrario, o usuario mostra como topar a frecuencia de resonancia dun obxecto, neste caso dunha campaíña, empregando un PC e un micrófono. Aplicación interesante se o que queremos facer é o famoso experimento da copa que escacha cando lle aplicamos a frecuencia axeitada.
¿Guarda relación con la resonancia de resistencia de los materiales?
Un tema moi interesante e atractivo. En acústica arquitectónica tamén se pode observar este fenómeno, cando algunhas lonxitudes de onda do son encaixan con as dimensión de unha sala. Desta forma na sala haberá zonas de máximos e zonas de mínimos, onde apenas chegue o son, algo a evitar principalmente en salas de concertos. Isto chámase modos propios ou modos resonantes da sala. Poderíase levar a cabo na aula facendo unha proba da súa acústica.
Este experimento sobre resonancia sería interesante llevarlo a la clase de física, de este modo se puede explicar de una forma clara dicho fenómeno. Otro experimento relacionado con este, que se podría realizar para complementar la explicación, sería el del siguiente vídeo. En él se busca, frotando el borde de una copa con agua, la frecuencia a la cual la otra copa, colocada cerca de la primera pero sin tocarse, comienza a vibrar por resonancia. Para poder percibir mejor este efecto, se coloca sobre la segunda copa un papel con algo de arena. En este caso también se puede comentar las figuras que conforma la arena y cómo esto depende de los modos de vibración.
La resonancia es un fenómeno de vibración característico de dicho cuerpo, en el cual una fuerza relativamente pequeña y constante, hace que un sistema grande oscile si coincide con su frecuencia interna. Esto ocurre el algunos puentes oscilantes que pueden colapsar.
Este experimento me parece muy ilustrativo para los alumnos de secundaria, para explicarles un concepto que en mi opinión es bastante abstracto, aunque todos y todas tengamos una idea de lo que es la resonancia. Es muy interesante cómo en paleontología, a base de fósiles de animales se intenta recrear los sonidos que debían de emitir estos cuando estaban vivos. Especialmente con los dinosaurios, se han hecho reconstrucciones de la vocalización de algunos de ellos, como del herbívoro de pico de pato Parasaurolophus. Este animal tenía una cresta gigante en la cabeza que se conectaba a sus vías respiratorias, que debía de funcionar como una cámara de resonancia, permitiéndole emitir una gama de sonidos. Gracias a los fósiles conservados, se pudo reproducir los sonidos que posiblemente emitía este animal con un modelo. Este artículo entra más en profundidad sobre la evolución de los sonidos emitidos por los animales, que me parece muy interesante.
Este experimento es una excelente manera de ilustrar la resonancia de una manera fácil de entender para los estudiantes. Es divertido y educativo al mismo tiempo, y seguramente seguirá siendo una adición valiosa a cualquier currículo de ciencia. La resonancia también puede ser peligrosa, como en el caso de los puentes colgantes, donde las vibraciones pueden alcanzar niveles peligrosos si la frecuencia de las ondas del viento coincide con la frecuencia natural del puente, pudiendo llegar a colapsar el puente y producir su rotura. Como en el puente de Tacoma … más o menos 🙂
Curioso experimento que permite observar la resonancia de una forma muy sencilla. Fascinante el fenómeno de la resonancia, que se encuentra en muchos campos de la física, como por ejemplo la sintonización de las radios. El ejemplo más típico, la conocida radio de galena.
Experimento ilustrativo de la resonancia, en clase suele haber algún alumno o alumna que va al conservatorio o tiene conocimientos de música. Están familiarizados con este término y es una buena idea implicar a estos alumnos en la realización del experimento y que ellos mismos intenten explicar el concepto a sus compañeros.
La Resonancia es un fenómeno que amplifica una vibración. Se produce cuando una vibración se transmite a otro objeto cuya frecuencia natural es igual o muy cercana a la de la fuente. La estructura del benceno es un híbrido que no cambia, único, en el que se combinan ambas formas de resonancia. Las estructuras resonantes difieren solo en las posiciones de sus electrones. Ni la posición, ni la hibridación de los átomos cambia de una estructura de resonancia a otra.
Como vemos en muchos de los comentarios a este experimento, los fenómenos de resonancia ocurren con todos los tipos de vibraciones u ondas: están la resonancia mecánica, la acústica, la electromagnética, resonancia magnética nuclear (NMR)… Sin embargo, cuando pienso en resonancia, lo primero que se me viene a la cabeza, como a otros de mis compañeros, es el famoso Puente de Tacoma y su desplome. Sobre este y otros malegrados puentes, hay un artículo muy ameno en la revista Jot Down, donde nos explican que no todos los derrumbes de puentes tienen que ver con la llamada “resonancia catastrófica” sino con otros fenómenos fisicos y estructurales.
Como futura profe de ciencias de la salud, la principal aplicación que se me viene a la cabeza tras leer y ver el experimento es explicar a mis alumnos con el cómo funciona el sistema auditivo. Quizás también sería interesante a la hora de explicarlo tener otros modelos de diferente longitud para trabajar con ellos conceptos de deficiencia en la transmisión sensorial.
Una forma muy visual de explicar la resonancia aplicada a una estructura a pequeña escala. Extrapolando el experimento, si en esta estructura afecta de esta forma, como puede afectar a una estructura de mayor tamaño? Los esfuerzos y desplazamientos se amplifican o disminuyen? Podría entrar en colapso una estructura por el efecto de la resonancia?
Además de este experimento, existen otras posibilidades a la hora de explicarle al alumnado el fenómeno de resonancia, teniendo en cuenta además que debemos relacionar los conceptos explicados en las aulas con la vida de los alumnos/as, en este sentido: a) Cuando se escucha música dentro de una habitación, algunas veces al aparecer sonidos de frecuencia muy baja los vidrios de las ventanas empiezan a vibrar violentamente. Esto ocurre, naturalmente, porque hay un fenómeno de resonancia, ya que en tales casos la frecuencia de los sonidos graves coincide con alguna de las frecuencias naturales de oscilación de los vidrios de las ventanas; b) Por otro lado, cuando el ejercito formado por decenas de soldados marchan dando golpes rítmicos de frecuencia muy constante en el suelo, al cruzar un puente (estructura elástica con sus propias frecuencias naturales de vibración), en caso de que conserven su marcha acompasada se corre el peligro de que su frecuencia de golpeteo coincida con alguna de las frecuencias naturales del puente. Por lo tanto, para evitar ese peligro a las formaciones de soldados se les ordena romper la marcha cuando cruzan un puente.
Otro ejemplo de resonancia mecánica es la resonancia sísmica, que ocurre cuando un fenómenos sísmico (ej. terremoto) hace que un edificio y el suelo donde se ubica se balanceen al mismo ritmo, amplificando las vibraciones y originando el colapso del edificio. Es por esto que en ciudades como México o Japón, donde los terremotos son muy frecuentes, se juega con la estructura de los edificios para sacar al edificio de este periodo de vibración, agregando muros de rigidez, contravientos o amortiguadores, según el caso. En esta noticia y en esta demostración experimental se explica más en detalle y de forma muy clara el fenómeno de resonancia sísmica, describiendo el comportamiento de diferentes estructuras ante un terremoto, dependiendo de su altura, rigidez y periodo del movimiento.
Este video muestra una forma muy interesante y sencilla de explicar la resonancia, que además, se puede enfocar como una actividad multidisciplinar en la que se involucren otras asignaturas como música o tecnología. Incluso, sería muy interesante ampliar este ejercicio proponiendo que cada alumno haga su propia lata con características diferentes, para que puedan estudiar como afectan las distintas condiciones a la resonancia.
En relación a este experimento os comparto un pequeño video que e visto recientemente en @ProCiencia_SaberEsPoder. En él se muestran varios efectos sorprendentes y curiosas atribuidos al fenómeno de resonancia. Además, el video pone de manifiesto que cada objeto tiene una frecuencia natural de vibración y si se le perturba vibra con esa frecuencia. Y si un cuerpo periódicamente provoca sobre otro un estimulo cuya frecuencia es su frecuencia natural ocurre el fenómeno de resonancia.
Este experimento es ideal para acercar la asignatura de Física a la asignatura de Música y que el alumnado vea usos cotidianos y reales de lo que aprenden en sus clases.
Experimento muy sencillo, que sirve perfectamente con su objetivo de enseñar la resonancia. Otra experimento sobre este tema, quizá un poco más elaborado sería un resorte elástico con una masa suspendida que se perturba golpeándolo lateralmente. Observamos que el sistema oscila, demostrando que cualquier sistema mecánico con elasticidad puede experimentar oscilaciones cuando se le perturba externamente. La amplitud de la oscilación depende de la relación entre las características del sistema amortiguado y la frecuencia de la fuerza externa aplicada. Si la frecuencia de la perturbación coincide con la frecuencia natural del sistema, se espera una amplitud máxima en la oscilación. Este experimento proporciona una demostración práctica de estos principios en sistemas elásticos.
Lo mejor para empezar este experimento es empezar con el un ejemplo realmente no relacionada totalmente con la resonancia en una estructura real, que provocó su caída, como fue el Puente de Tacoma. Se muestra una foto en el pdf de explicación y a través de ella se puede activar la curiosidad sobre el alumnado, Igualmente que con la lata el experimento puede hacerse con vasos de cristal de diferente tamaño y espesor, incluso vasos iguales con agua en su interior de diferentes espesores para recrear música, donde cada una oscilará según una frecuencia que determina la nota que sonará.
El concepto de frecuencia de resonancia también es importante en el diseño de edificios. Para realizar un buen diseño estructural, lo ideal es que la frecuencia natural del edificio se aleje lo más posible de la frecuencia de un posible terremoto. De no hacerlo, el edificio podría entrar en resonancia pudiendo llegar al colapso de la estructura. Este hecho se produce cuando la frecuencia natural y la frecuencia de resonancia coinciden. En función de la altura del edificio y la distancia al epicentro de un terremoto, el fenómeno de la resonancia será más o menos probable, ya que edificios bajos son más sensibles a frecuencias altas y los altos a frecuencias más bajas.