Resonance
25 Feb, 2013
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PDFAt Christmas
PRESENTATION: On a bar, several pendulums of distinct lengths are placed and made to oscillate at the same time in a direction perpendicular to the bar. When the frequency of the applied external force coincides with the natural frequency of any one of the pendulums, then that pendulum acquires an oscillation with an amplitude that is much greater than that of the others.
- Demonstration of simple and dramatic resonance in a whiskey bottle, Norihiro Sugimoto (Stray Cats), Phys. Teach. 51, 58 (2013)
- Teaching the Concept of Resonance with the Help of a Classical Guitar, M. Kaan Kasar, Kemal Yurumezoglu, and Serap Kaya Sengoren, Phys. Teach. 50, 558 (2012)
- “Ode to Joy” Played on Wine Glasses, Diane Riendeau, Phys. Teach. 47, 317 (2009)
INTRODUCTION: The study of oscillating systems is simplified if the oscillations are periodic, but in a real situation (one that is not ideal) external forces damp the movement. To maintain the periodicity of the oscillations we need an external force. Mechanical resonance is a particular phenomenon in which the constant force we apply to our system coincides with the pulsation of resonance, a characteristic of each oscillating system itself. When both magnitudes coincide, the amplitude of the oscillating system reaches its maximum value.
OBJECTIVE: To demonstrate in a practical way how amplitudes vary in oscillating systems depending on the force applied.
MATERIALS: metal bar, bodies with the same mass (Christmas baubles), string.
SETUP: Tie the baubles to the metal bar, so that the external periodical force we apply is the same for all four oscillating systems. This will allow us to analyse the variance in amplitude. Very similar experiments can be carried out using the same basic theory used for this type of practical demonstration of mechanical resonance.
EXPLANATION: Because our four oscillating systems are joined to the same bar, the force we apply to the bar is also applied equally to the four systems. Using several different forces, we can see in a practical way how each system has its own natural frequency, which, when it coincides with the external force, reaches its maximum amplitude compared to the others, which, as a rule, have low amplitudes.
CONCEPTS: periodic motion, oscillating systems, damped oscillations, period/frequency of oscillation, the natural frequency of a system, driven damped oscillation, mechanical resonance.
APPLICATIONS: Although resonance may appear to be a very complex physical situation, it is behind some phenomena that we can see in our daily lives, as when a grandfather pushes his grandson on a swing. But that is not all. Resonance also explains relatively common scenes such as why a very high-pitched voice is able to break a glass, or why armies have to break step when they cross bridges to prevent the marching troops from entering into resonance, or why we notice our car vibrating at a particular speed as it enters into resonance and we have either to speed up or slow down to solve the problem. This phenomenon is still not 100% under control, which might sound strange, but is demonstrated by the problems encountered at the “Millennium Bridge” in London on its opening day in 2000, a relatively recent date, and which can be seen at the following link:
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.
STUDENTS 2012-2013: Carlos Vázquez, Fabián Varela, Eduardo Vázquez, Cristian Hermida
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
69 responses to "Resonance"
Un fenómeno que tamén se explica por resonancia é o funcionamento dos fotosistemas das células vexetais. Non é exactamente o mesmo que a resonancia mecánica pero noméanse da mesma forma debido á súa semellanza. No caso dos fotosistemas transmiten enerxía dunhas macromoléculas a outras por resonancia de electróns.
La resonancia es fenómeno muy importante para la construcción de edificios y puentes, en casos de terremotos o vientos, debido la frecuencia de resonancia estos puede crear efectos devastadores. Pero la frecuencia de resonancia no trae solo malas noticias, sino es muy importante en la elaboración de instrumentos musicales.
Una fuerza externa periódica con frecuencia adecuada y un sistema que no quiere pararse, fundamentan el fenómeno de resonancia, que ha sido utilizado para explicar muchos sucesos, desde estallar copas a hundir puentes.
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Precisamente, el puente de Tacoma Narrows duró menos de cinco meses debido, en parte, a este fenómeno. Y eso que cuando se inauguró el pueblo experimentó una notable aumento en el turismo: los viajeros pasaban a propósito por el puente para disfrutar de una sensación de fluctuación, parecida a la de una montaña rusa. Pero el 7 de Noviembre el puente se desplomó debido a dos fenómenos físicos:
– Oscilaciones verticales por flexión que duraron varios meses debidas a la coincidencia de la frecuencia de desprendimiento de vórtices con una de las frecuencias naturales del puente.
– Oscilaciones torsionales debidas a la compleja interacción del viento con el puente oscilando, siendo estas últimas la causa de la caída del puente.
A día de hoy el tema sigue siendo objeto de debate y controversia entre quienes defienden esta justificación y los que creen que se trata de un modelo de resonancia no lineal, donde la causa de la fuerza periódica es aún desconocida.
Cuando la frecuencia de la fuente emisora de ondas coincide con la frecuencia natural del resonador (objeto que oscila) se llega a una condición conocida como resonancia. La resonancia se define como la tendencia de un sistema físico a oscilar con una amplitud mayor en algunas frecuencias. La amplitud del sistema oscilante depende de la magnitud de la fuerza que se le aplique periódicamente al emisor de ondas y también está relacionada con las frecuencias de ondas del emisor y la frecuencia natural del sistema oscilante.
En el caso de los puentes colgantes cuando los vientos impactan sobre ellos, se crean muchos torbellinos llamados vórtices y cuando éstos tienen la misma frecuencia natural que el puente se denomina resonancia.
Aquí os dejo un vídeo de Discovery en el que se explica el fenómeno de la resonancia en los puentes colgantes.
Otro ejemplo de resonancia. Vídeo en el que se estudia si es posible o no romper una copa.
Aquí os dejo un interesante enlace donde nos explica cómo se produce la resonancia acústica. Y aquí un ejemplo de cómo se produce el fenómeno de resonancia entre 2 diapasones.
Unha das aplicacións máis interesantes deste fenómeno é a Resonancia Magnética aplicada na medicina. O seguinte vídeo explica a aparición e evolución desta técnica na década dos 70s e a súa introdución de maneira progresiva nos diferentes ámbitos da medicina. Este outro vídeo amosa o incremento da frecuencia de vibración no planeta, tamén denominado Resonancia de Schumann (que se cría constante), que mide a cantidade de ondas electromagnéticas, e dicir a carga eléctrica almacenada na ionosfera. Este aumento vese como un indicador da variación da temperatura e o clima.
Para min unha das aplicacións máis útiles da resonancia, aparte da mécanica na construción, é a súa aplicación en medicina. En concreto a aplicación da radiación magnética cerebral, para o diagnóstico de tumores cerebrales. Con esta técnica se conseguen ver estructuras de dentro da cabeza que son se poden ver con ningunha outra técnica. Neste enlance se explica o funcionamento da técnica. E neste outro enlace describe a forma en que se realiza o exame e a preparación necesaria.
La resonancia no solo es una característica de los sistemas mecánicos; cualquier tipo de onda, ya sea mecánica, acústica, magnética…presenta este fenómeno. En el caso de la acústica, se refuerzan ciertas amplitudes sonoras como resultado de la coincidencia de ondas similares en frecuencias. Este fenómeno es el que se muestra en el siguiente vídeo, donde se construye un sistema casero con el que podemos “ver” ondas sonoras que entran en resonancia, al someter al sistema a determinadas frecuencias, formando una serie de patrones o dibujos.
Un ejemplo simple para entender la resonancia sería cuando damos un empujón al columpio, éste va y viene, tardando un cierto tiempo en cada oscilación. A ese tiempo se le llama el periodo de oscilación, y es el inverso (uno partido por) de la frecuencia. Si empujamos el columpio al azar, con fuerza constante, a veces lo empujaremos cuando esté viniendo hacia nosotros, con lo cual se detendrá casi por completo, y otras veces lo empujaremos cuando esté empezando a alejarse de nosotros, con lo que conseguiremos elevarlo más. Imaginemos ahora que empujamos el columpio con exactamente su frecuencia natural de oscilación. Es decir, empujamos siempre en el mismo momento, cuando empieza a alejarse de nosotros. Aunque usemos una fuerza no muy grande, notaremos cómo cada vez el columpio se aleja más, y más, hasta que llegue casi a superar la altura del poste donde está suspendido, momento en el que la cadena se doblará y el columpio caerá sin ser sujetado por la cadena (pues ésta se ha doblado), sufriendo un fuerte tirón repentino al volver a tensarse la cadena.
Una resonancia es, como término global, un movimiento periódico (o casi periódico) en el que se refuerza una oscilación al someter a un sistema a oscilaciones de una frecuencia determinada. Así pues, de este concepto parten multitud de invenciones humanas de las que, en mi opinión, la más relevante es la de los instrumentos musicales. Los tipos en los que se dividen (percusión, cuerda frotada, cuerda punteada, viento…) no cambian el hecho de que todos ellos tienen en común dos partes: la llamada caja de resonancia, que amplifica el sonido, y algún componente al que aplicamos una fuerza que lo hace vibrar periódicamente. Este componente puede ser una lengüeta, una cuerda o una lámina tensada, según el instrumento. Los distintos matices del sonido se obtienen variando dicha vibración en intensidad o frecuencia.
Arturo Quirantes, profesor titular de física en la universidad de Granada, afirma que el puente de Tacoma no colapsó por la resonancia. Según sus propias palabras “Hubo resonancia en el puente de Tacoma Narrows, pero no fue esa la causa de su colapso.” El colapso se produjo por el fenómeno conocido como autoexcitación aerodinámica. Los movimientos verticales del puente si se deben a la resonancia, pero no la destrucción del puente.
Recomiendo 3 artículos de este profesor publicados en Naukas en donde aborda el fenómeno de la resonancia y los puentes: Tacoma 1 y Tacoma 2.
Y en este artículo se aborda el puente Arcos de Alconétar, en España, que presentaba una problemática similar a la del puente Tacoma.
Esta experiencia permite observar de forma visual el concepto de resonancia. Un concepto que de otra forma podría resultar difícil de interiorizar al no verlo directamente y tener que creer que es así porque lo dice un docente. De esta forma, sin embargo, se puede apreciar bien cómo cuando la frecuencia de la fuerza oscilante y la frecuencia natural del oscilador coinciden se genera este fenómeno.
Una forma muy sencilla, común y próxima es el columpio y la forma en la que columpiamos a nuestros hijos, cuando éstos son pequeños. Se trata de un fenómeno que no se produce porque la fuerza aplicada sea muy grande, sino porque se aplica con la misma frecuencia que tiene el oscilador y, además, en el lugar adecuado.
Es fácil observar que, aunque es necesario suministrar energía para mantener en movimiento el columpio, esto no es suficiente. El aporte de energía no puede ser realizado de cualquier forma sino que es necesario que se la proporcionemos en el momento oportuno (por ejemplo el más alto) y que nos acoplemos a su ritmo oscilatorio.
Videos nos que se ilustra moi ben a relación entre a frecuencia natural de oscilación e o fenómeno da resonancia.
Resulta llamativo observar el avance de un grupo de soldados en formación. Se llegan a sentir las vibraciones de los pasos que son realizados de forma conjunta y coordinada. Desde hace muchos años a los soldados en formación que se disponen a cruzar un puente se les grita el famoso “¡Roooompan filas!” Las estructuras tienen una frecuencia de oscilación propia. Si la frecuencia de las pisadas de los hombres coincidiese con alguna de las frecuencias naturales de la estructura del puente, éste podría entrar en resonancia e iniciar la oscilación de éste pudiendo causar daños en él. Un grupo de hombres en formación podrían afectar a un puente muy pequeño, pero el viento en cambio puede hacer oscilar puentes muy grandes. Vídeo sobre puentes.
Las oscilaciones producidas en el Millenium Bridge de Londres el día de su inauguración ponen de manifiesto que el fenómeno de la resonancia mecánica no está totalmente controlado. El Millenium Bridge surge con el propósito de aligerar el tránsito de los demás puentes que atraviesan el Támesis y une dos de los puntos más turísticos de la ciudad: la catedral de St. Paul y el museo Tate Modern. El diseño futurista de su estructura se realiza con motivo del nuevo milenio y el puente se inaugura en el año 2000, atrayendo a miles de visitantes. Ante la gran afluencia de personas, el puente colgante comenzó a oscilar de forma imponente, como podemos ver en el vídeo que se propone en la descripción del experimento. Estos movimientos estaban causados porque el puente era, por diseño, una estructura flexible, y su frecuencia natural de resonancia estaba cerca de la del paso humano. Esto significa que si, por azar, algunas personas caminaran de forma sincronizada, el puente se volvería inestable. Los pequeños bamboleos producidos por esta sincronía inicial provocaron que las personas se vieran casi obligadas a moverse al ritmo del puente, lo que incrementó todavía más su oscilación, provocando el efecto que podemos ver en el vídeo. Como consecuencia, el puente se cerró al público tan solo dos días después de su inauguración y recibió comúnmente el nombre de Wobbly Bridge, en español «Puente tambaleante». El Millenium Bridge permaneció cerrado durante dos años, en los cuales los ingenieros instalaron amortiguadores para absorber las oscilaciones laterales y verticales de forma que, desde su reapertura, el puente es totalmente seguro.
Un experimento muy apropiado y fácil de hacer para comprobar en estas fechas del año en qué consiste la resonancia. Casualmente, hace unos días presentamos para una de las asignaturas del máster varios proyectos de investigación para alumnos de secundaria. Uno de los proyectos consistía en estudiar el efecto de la música sobre las plantas. A día de hoy dicha influencia parece más cosa de fantasía que de realidad, pero ¿tendrá la resonancia algo que ver con la supuesta influencia que la música ejerce sobre las plantas? ¿Entrarán de algún modo en resonancia las ondas del sonido de la música con algún tejido, orgánulo o molécula de la planta, afectándola a nivel fisiológico? Al fin y al cabo, si la resonancia es capaz de producir efectos tan llamativos como los que se ven en este vídeo, ¿sería descabellado pensar que pueda afectar también a la fisiología de los seres vivos?
Aquí os dejo un enlace a un artículo donde se analiza matemática y cualitativamente el fenómeno de la resonancia, se muestran situaciones de la vida real en la cual puede aparecer este fenómeno; se proponen experimentos para que la resonancia se pueda analizar en los laboratorios básicos de física, y finalmente se muestran algunos dispositivos que de manera económica y no demasiado complicada se pueden armar en los laboratorios para el estudio de este fenómeno.
En este vídeo podemos ver otro experimento sobre la resonancia con dos copas: Una de las copas contiene agua y la otra está vacía. A la copa vacía se le pone encima papel cebolla con unos granos de arena. Cuando frotamos la copa con agua, por un lado escuchamos un sonido y por el otro, veremos cómo los granos de arena se moverán, esto quiere decir que la copa vacía experimentará una vibración formándose una onda estacionaria. Además, la resonancia tiene muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, la audición está relacionada con el fenómeno de la resonancia , la resonancia musical, la resonancia de las moléculas de agua para calentar los alimentos en los hornos microondas.
El fenómeno de resonancia mecánica es muy importante en la construcción, dado que, debido a este fenómeno, puede producirse la amplificación de las vibraciones que sufren los componentes, por ejemplo, en una máquina. Las pequeñas vibraciones que se producen simplemente por el funcionamiento de un motor o una bomba, pueden afectar seriamente a la maquinaria. A pesar de todo, la resonancia tiene muchas aplicaciones en campos diversos como la medicina o la música. El propio cuerpo humano presenta estructuras que actúan como cajas de resonancia de la voz, como la boca, la faringe o el tórax.
Un proceso de resonancia también se puede provocar y observar de forma sencilla en una bañera en casa, cuando forzamos, generamos con las manos un movimiento oscilatorio. Cuando la frecuencia de oscilación del agua se iguala con la de resonancia que está determinada por geometría de la bañera y la profundidad del agua, el agua se saldrá de la bañera así que ojo 😉
Por otra parte, y relacionado con cuerpos de agua de mayor volumen, la resonancia portuaria es un fenómeno por el cual se produce la oscilación del cuerpo de agua semi encerrado en un puerto, y que se caracteriza porque este presenta niveles de agitación sobre amplificados, de gran contenido energético, de ocurrencia súbita, y de corta duración.
La resonancia portuaria se produce al coincidir las frecuencias de oscilación naturales del cuerpo de agua, con las frecuencias de oscilación de las olas del océano que se propagan hacia el puerto, actuando éstas como elemento forzador.
Por lo tanto, cuando se produce un fenómeno de resonancia en un puerto la superficie libre del agua sufre una sobre-amplificación extraordinaria en un tiempo corto dentro de las dársenas de los puertos, llegando a provocar violentas inundaciones por efectos de rebase del flujo hacia las zonas colindantes a las dársenas, pudiendo llegar a destruir y dañar parte de las instalaciones portuarias: instalaciones administrativas, turísticas, de recreo, pesqueras y deportivas. A estos daños hay que sumarle los que ocurren por la rotura que experimentan los amarres de las embarcaciones, debido a las tensiones extraordinarias que éstos sufren, haciendo que las embarcaciones colisionen entre sí, pudiendo producirse la destrucción total de un gran número de barcos en un solo episodio resonante.
Una aplicación directa de este experimento es el funcionamiento de un columpio, algo que todos hemos experimentado de pequeños, sin ser conscientes de ello. Cuando empujamos el columpio con exactamente su frecuencia natural de oscilación es cuando conseguimos que alcance la mayor altura sin hacer más fuerza: vídeo. Funcionamiento de un columpio.
Otro ejemplo ya mencionado es la rotura de una copa de cristal al conseguir el mismo periodo de vibración con la voz. En este vídeo, la youtuber Physics Girl explica cómo consiguió romper una copa con su voz y por qué esto es posible.
La funcionalidad de un puerto costero depende agitación en el interior del mismo. Por ello el problema de resonancia en el interior de los puertos es un tema tan relevante, tal y como comenta PabloH. A pesar de que en la actualidad se realizan gran número de estudios para la viabilidad de los puertos, para que estos resistan los mayores temporales, todavía existen ejemplos muy recientes donde se ha descuidado la estabilidad de las aguas interiores, haciendo que grandes y costosas obras permanezcan casi inutilizadas debido a ello. Un ejemplo ha sido el puerto exterior de A Coruña, en Punta Langosteira, que ha tenido que buscar con gran urgencia una solución a la agitación en el interior del puerto.
Estos experimentos con la frecuencia de resonancia, además de para la asignatura de Física y Química, se pueden emplear para comprender mejor ciertos conceptos de Biología. Por ejemplo, la resonancia es fundamental en el sistema auditivo. En el interior de la cóclea se encuentra la membrana basilar. Esta membrana varía en rigidez y grosor a lo largo de su longitud, con lo que varía también la frecuencia de resonancia en los distintos puntos de la misma. Esto provoca que el ápice de la membrana resuene en respuesta a sonidos de baja frecuencia (tonos graves), y que la base resuene en respuesta a sonidos de alta frecuencia (tonos agudos). Esta vibración de la membrana desplaza al Órgano de Corti, donde se encuentran las células receptoras que contactan con las neuronas que enviarán la información al cerebro. Así, según la zona de la membrana que esté vibrando, podemos discriminar sonidos dentro de un amplio rango de frecuencias (20 a 20000 Hz).
Recuerdo que durante las clases hicimos un ejercicio de resonancia mecánica usando diapasones, que es otra forma de poner de manifiesto este fenómeno. El ejercicio consistía en coger dos diapasones, capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia, y colocarlos próximos uno frente al otro; cuando se hace vibrar uno, el otro emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.
Muy interesante. Además, es de vital importancia entender este comportamiento ya que en construcción puede suponer un problema no tenerla en cuenta.
Me parece muy interesante cómo se emplea y explica de manera muy dinámica y visual el concepto de resonancia. Con un par de materiales cotidianos podemos crear un sencillo escenario para poder mostrar este fenómeno. Buscando ejemplos de aplicaciones para este proceso, me he encontrado con la aplicación de la resonancia de las moléculas de agua, algo que empleamos casi a diario en nuestras casas. Este fenómeno se utiliza para calentar alimentos en el microondas. Su funcionamiento se basa en la vibración de las moléculas de agua al ser excitadas por un campo magnético debido a que se trata de una molécula polar. La molécula de agua entra en resonancia con una frecuencia (comúnmente de 2450 MHz), de manera que se pone a vibrar alrededor de su posición inicial causando una fricción o rozamiento y por tanto un calentamiento de los alimentos. En este vídeo, se muestra muy gráficamente como funciona nuestro microondas.
La resonancia es el fenómeno encargado de que las copas de cristal presenten una armónica característica. Al frotar una copa, esta vibra de na frecuencia determinada. Por tanto, suena con un tono definido. ¿Y esto a que se debe? Para que se produzca el sonido hay que frotar el borde de la copa muy suavemente y despacio. Así se produce una onda estacionaria cuya frecuencia depende de la forma, tamaño y tipo del cristal de la copa. Esto se pone de manifiesto en el siguiente vídeo en donde el músico interpreta una pieza de “Cascanueces”. Realmente IMPRESIONANTE!!
Estos vídeos ilustran muy bien el concepto de resonancia, que consiste en la vibración de un cuerpo frente a la acción de una fuerza con el mismo periodo de vibración que la de dicho cuerpo. Esto es muy interesante desde el punto de vista de la arquitectura e ingeniería, por ejemplo. Las construcciones deben diseñarse de forma que sus frecuencias de resonancia no coincidan con las frecuencias vibratorias de los motores, o incluso, si estas están construidas en zonas sísmicas, se debe tener en cuenta las frecuencias oscilantes del movimiento del suelo esperado. Para evitar este problema incluso se instalan una especie de montajes flotantes (como un amortiguador) para absorber las frecuencias resonantes. Es el caso del edificio Taipei 101, como se observa en el siguiente enlace.
Un experimento similar e moi fácilmente aplicable pódese facer utilizando espaguetis e nubes de gominola.
El experimento aquí presentado es muy sencillo de realizar con los alumnos y muy visual. En el campo de la resonancia existen experiencias muy diversas, ya que son fácilmente realizables con elementos cotidianos o fáciles de adquirir. En el programa de televisión El Hormiguero es un concepto que suelen emplear en los experimentos que realiza Marron. Dos ejemplos son las Olas Resonantes, donde Marron mediante la resonancia que crea en una piscina es capaz de elevarse, o en el que consigue apagar unas velas mediante la resonancia.
Esta experiencia se podría ampliar en el aula mostrando ejemplos de puentes que entraron en resonancia (mecánica); algunos diseñados por reputados arquitectos. También se podría explicar, que las tropas de los ejércitos, rompen filas al pasar por un puente para que éste no entre en resonancia.
Un fenómeno sorprendente que llama la atención relacionado con la resonancia son las llamadas Figuras de Chladni, que son los patrones formados por una sustancia granulada sobre una superficie plana vibrando en un modo propio. En el siguiente vídeo se detalla cómo realizar un experimento que dé lugar a estas figuras, dando la explicación física hacia el final: la arena se deposita en las zonas de reposo por interferencia negativas entre ondas emitidas y reflejadas.
Outro caso coñecido de resonancia é cando un ou unha cantante direxen a súa voz hacia unha copa de cristal coa intención de escachala. Ao recibir certa frecuencia, prodúcese o fenómeno da resonancia que pode chegar a romper a copa, tal e como vemos aquí.
Tras leer este experimento podríamos plantearnos la siguiente pregunta: ¿Todos los objetos experimentan resonancia?. La respuesta es no, puesto que cualquier objeto que disipe energía más rápido de lo que se agrega no resonará. Si intentásemos realizar este experimento bajo el agua, la fricción de las cuerdas moviéndose a través del agua disipará la energía más rápido de lo que la agregaría. Como consecuencia, el movimiento de la clavija no se acumula en ninguna frecuencia y no habría resonancia. Otra curiosidad acerca de la resonancia es lo que ocurre durante los terremotos. Cuando la frecuencia de resonancia del suelo se acerca mucho o coincide con una de las frecuencias de resonancia de los edificios, estos se derrumban.
Los dos vídeos me han parecido muy interesantes para explicar el concepto de resonancia, y el experimento que se plantea también considero que es dinámico y sencillo, una actividad que podrían realizar los alumnos en el aula perfectamente y que permite demostrar de manera práctica la variación de las amplitudes de sistemas oscilantes distintos dependiendo de la fuerza que se aplique. Por otro lado, utilizar sus aplicaciones en la vida cotidiana (funcionamiento del columpio, etc) hacen que el alumnado se sienta mucho más motivado a la hora de entender el concepto.
Una de las formas de acercar la ciencia a los más pequeños y a los adolescentes es con contenido audiovisual de calidad, atractivo, actualizado y tratado de una manera hasta cierto punto “informal”, la cual ayude a “perder” el miedo a las ciencias, ver su aplicación y atractivo e interesarse por ellas. En este sentido, uno de los programas divulgativos que más está funcionando en la actualidad es “Órbita Laika”, de RTVE (presentado por el matemático Eduardo Sáenz de Cabezón). A continuación os comparto un vídeo en el que un geólogo (Nahúm Méndez) trata el tema de la resonancia aplicado a los terremotos; está muy bien porque unifica temas como la propagación de las ondas sísmicas, los péndulos y la flexibilidad para construir edificios más resistentes, la frecuencia de oscilación, etc. Os dejo también otro vídeo del mismo programa, en este caso de un doctor en física (Javier Santaolalla), que explica las ondas y la resonancia con una cuerda, un muelle, lentes, o el clásico proceso de romper una copa con sonido, entre otras demostraciones.
La resonancia es un tema que me encanta, ya que hay formas de explicarla muy interesantes. Uno de los ejemplos que suele introducirse en el aula es el derrumbe de alguna estructura oscilante cuando la fuerza externa tiene una frecuencia similar a la frecuencia natural del sistema. Algún ejemplo típico de libros de texto depende de otros factores no relacionados directamente con la resonancia.
Un ejemplo muy conocido en resonancia y mencionado en algunos de los comentarios anteriores es el puente de Tacoma Narrows pero también podemos mostrar el ejemplo de La Estación Espacial Internacional.
Los motores de los cohetes para la Estación Espacial Internacional (ISS) son controlados por piloto automático. Normalmente, los parámetros instalados para controlar el sistema de control del motor para el módulo Zvezda hacen que los motores de los cohete impulsen la Estación Espacial Internacional a una órbita superior. Los motores de los cohetes se montan en bisagras, generalmente la tripulación no se da cuenta de la operación. Sin embargo el 14 de enero de 2009, los parámetros cargados hicieron que el piloto automático balanceara los motores de los cohetes en oscilaciones cada vez más amplias, a una frecuencia de 0.5 Hz. Estas oscilaciones fueron captadas en vídeo y duraron 142 segundos.
Para no infravalorar el fenómeno de resonancia, dejo 5 ejemplos de construcciones que fueron un fracaso …. igual no siempre debido a la resonancia….
Existen distintos tipos de resonancia. Las más conocidas son la mecánica, acústica y magnética. En mecánica y construcción me parece interesante mencionar los desastres de resonancia; edificaciones que fueron un fracaso (no en todos los casos influye únicamente la resonancia pero sirve bastante bien para ilustrar consecuencias de no tener en cuenta este fenómeno). Para ilustrar la resonancia acústica existen varios experimentos sencillos. Una actividad para crear figuras de Chladni seguro que resulta muy interesante, ya que en función de la frecuencia de los sonidos utilizados se crean patrones artísticos diferentes. En cuanto a la resonancia magnética esta se utiliza mucho en medicina. La resonancia también se puede vincular con la biología, por ejemplo, la membrana basilar en el oído. Esta membrana es la responsable de la respuesta en frecuencia del oído humano, es decir, el margen de frecuencias de resonancia disponible en la membrana basilar determina que frecuencias somos capaces de oír. En nuestro caso desde los 20 a los 20.000 Hz aproximadamente.
Llevando estos conocimientos a mi ámbito de estudio, la arquitectura, y como comentaron otros compañeros, es importante tener en cuenta a la hora de diseñar un edificio si se encuentra en una zona sísmica para poder diseñar una estructura coherente y resistente. Los terremotos generan resonancias que pueden llevar al colapso estructural de los edificios, este vídeo es muy claro al respecto. Por ejemplo Japón al encontrarse en el Cinturón de Fuego del Pacífico, está considerada como una zona de sismos frecuentes, por ello los edificios están preparados para estas eventualidades, a continuación adjunto un vídeo de pruebas realizadas en un edificio de hormigón para analizar su resistencia.
Al leer resonancia, lo primero en lo que pensé fue en la Resonancia Magnética que se realiza en los hospitales para diagnóstico por imagen, y obviamente algo tienen que ver: la resonancia magnética se basa en la variedad de los átomos y en las distintas energías que emiten al ser excitados por un campo magnético externo, básicamente, lo que se hace cuando te someten a una prueba de este estilo es normalmente inyectar un contraste al paciente y luego someterle a un campo magnético externo, resultado de esta exposición, los átomos emiten energías que son capturadas por el equipo de Resonancia construyendo una imagen (también conocida como corte) que permite el diagnóstico posterior y la detección de estructuras. La ventaja principal que ofrece este método frente a otros como el conocido TAC es que no se expone al paciente a Rayos-X, lo cual como sabemos es perjudicial para la salud.
Sempre que falan de resonancia recordo as explicacións de fisica de 1º de industriais na que o profesor a hora de explicar este fenómeno, nos poñía o video da Ponte de Takoma, xa citado este video en comentarios anteriores e co enlace o video
La verdad es que este video no ha llegado a cubrir mis expectativas. Esperaba algo más visual y llamativo. Pero viendo el comentario de otros compañeros sobre el Puente de Tacoma, me parece que es algo digno de al menos mostrar al alumnado, indicando todas las posibles causas de este tipo de colapso. Por lo menos, a modo de anécdota de los desastres que pueden ocurrir si no se tiene en cuenta ciertos aspectos.
El tema de la resonancia es uno de esos temas que aparece en numerosos aspectos de la vida cotidiana sin darnos cuenta en muchos de ellos. Muchos mencionados en comentarios anteriores: estructuras que entran en resonancia y colapsan, como algunos puentes, o el efecto de los terremotos en los edificiones y la importancia de evitar algunas frecuencias de resonancia, la rotura de una copa con un sonido… A mi me gusta buscar las frecuencias de resonancia de habitáculos con mucho eco y típicamente cuadrados… Funciona muy bien en la ducha, si te pones a cantar, algunas notas sonarán mucho más fuerte que otras, que serán justo las de los modos resonantes de donde te encuentres.
Es un fenómeno a tener muy en cuenta en el diseño de estructuras, ya que puede llegar a provocar el colapso de las mismas. En muchos libros y otras fuentes se sigue poniendo como ejemplo el puente de Tacoma Narrows, aunque ahora se sabe que la resonancia no es la “responsable. En la siguiente noticia hacen referencia a situaciones de este estilo, aunque no todas acabaron en colapso.
Un ejemplo real de resonancia es cuando hay una marcha militar, cuando los soldados van a cruzar un puente se les ordena a cruzarlo con la marcha libre para así evitar el efecto de la resonancia.
La resonancia y el columpio. ”Es más fácil ver a un niño de tres años hacerlo que explicarlo desde el punto de vista físico”. El profesor Roger Bowley lo explica en este enlace.
Este experimento resulta interesante porque permite comprobar de manera visual el efecto de resonancia. De esta forma, cuando se aplica una fuerza externa de igual frecuencia que la natural, la amplitud es mayor.
La resonancia mecánica tiene aplicaciones en diversos aspectos de la vida real. Algunos ejemplos adicionales: a) Cristales en Electrónica: En dispositivos electrónicos como relojes y teléfonos móviles, los cristales de cuarzo se utilizan en resonadores para mantener una frecuencia de oscilación constante. La resonancia permite la generación precisa de señales temporales, fundamental para la sincronización en dispositivos electrónicos; b) Resonancia Magnética Nuclear (RMN):En medicina, la RMN se basa en la resonancia de núcleos atómicos en un campo magnético. Al aplicar pulsos de radiofrecuencia, se induce la resonancia en los núcleos, generando señales que se utilizan para crear imágenes detalladas del interior del cuerpo; c) Puentes y Estructuras: Ingenieros civiles tienen en cuenta la resonancia al diseñar puentes y otras estructuras. Evitar que las frecuencias naturales de la estructura coincidan con las frecuencias externas, como las provocadas por el viento, es crucial para prevenir daños por vibración excesiva; d) Instrumentos Musicales: En la música, la resonancia es esencial. Un ejemplo clásico es el cuerpo de una guitarra, que resuena y amplifica el sonido de las cuerdas al vibrar en armonía con ellas. Los instrumentos de cuerda, viento y percusión también aprovechan la resonancia para generar tonos ricos y prolongados.Estos ejemplos ilustran cómo la resonancia mecánica influye en diversos campos, desde la tecnología y la medicina hasta la ingeniería y la música, demostrando su importancia y versatilidad en la vida cotidiana.
Al leer esta entrada sobre la resonancia, al momento vino a mi mente el puente de Tacoma. He leído los comentarios que hablan sobre esta estructura y acabo de descubrir que no fue “culpa” de la resonancia el colapso de la infraestructura 🙂
Impactante el movimiento del puente de Londres…, con tanta gente. No lo había relacionado con la Resonancia Mecánica.
Otro ejemplo de resonancia entre dos diapasones.Super interesante.
Todos tenemos en la cabeza la idea de que una cantante de ópera podría ser capaz de romper copas de cristal sin romperlas, sólo con su voz. Es el ejemplo típico en el que pensamos cuando hablamos de resonancia mecánica. Precisamente con una copa realizaron este experimento en El Hormiguero (como bien decía una compañera, suelen realizar muchos basados en este fenómeno físico). En el experimento, introducen una pajita dentro de una copa y las someten a distintas frecuencias de sonido. La pajita y la copa van vibrando y cuando la pajita sale disparada de la copa se supone que hemos descubierto la frecuencia de resonancia de la copa. A continuación lo comprueban y la copa se rompe.
El fenómeno de resonancia magnética (RM) fué descubierto en 1946 por F. Bloch y E. Purcell por el cual recibieron el premio Nóbel en 1952. Estos científicos demostraron que ciertos núcleos sometidos a la acción de un campo magnético intenso son capaces de absorber energía que provienen de ondas de radiofrecuencia y emitir a su vez señales que pueden ser captadas por una antena. A mí me parece extraordinario. Este es el motivo por el cual obtenemos imágenes en un imán de resonancia magnética, gracias a los protones del átomo de hidrógeno y a que nuestro cuerpo está formado en un 60% de H2O. Si aplicamos una radiación electromagnética, onda de radio frecuencia (RF), con una frecuencia idéntica a la de precesión de los núcleos de hidrógeno, estos empiezan a girar
al mismo compás y son capaces de absorber energía de ese haz de radiación. Este fenómeno de absorción de energía se llama resonancia. Sin duda un gran descubrimiento.
El fenómeno de la resonancia magnética (RM) fue descubierto en 1946 por F. Bloc y E. Purcell, que recibieron en 1956 el premio Nobel por su hallazgo. Estos científicos demostraron que ciertos núcleos sometidos a la acción de un campo magnético intenso son capaces de absorber energía que proviene de ondas de radiofrecuencia y emitir a su vez señales que pueden ser captadas por una antena. Esto explicaría el porqué podemos obtener imágenes del cuerpo humano cuanto sometemos a éste un campo magnético. Los ejemplos explicados en el experimento me parecen estupendos para empezar a conocer el mundo de la resonancia.
Interesante tema, pero cos experimentos que se mostran nos vídeos non se acaba de entender ben o principio teórico que se quere explicar.
A resonancia é un factor determinante e critico na construción de edificios en zonas de especial perigo sísmico, pode ser un factor crítico na resposta dun edificio a un terremoto, se a frecuencia de ondas sísmicas coincide coa frecuencia natural de vibración do edificio a amplitude das vibracións pode aumentar e tamén aumentarían os danos estruturais. Un exemplo dos perigos da resonancia na construción vémolo no acontecemento de Tacoma Narrows, o deseño desta ponte era propenso a resonancia debido a súa forma esvelta e falta de elementos estabilizantes, cando aumentaba o vento alcanzaba a mesma resonancia que a frecuencia de vibración da ponte estas vibracións aumentaron e xeraron un movemento incontrolable como se ve no segundo vídeo, obviamente a ponte colapsou despois dunha hora de movemento.
La resonancia es un fenómeno fascinante y muy cotidiano. Un ejemplo claro es el funcionamiento del piano. Cuando presionas una tecla, activas un mecanismo que hace que las cuerdas vibren. La caja de resonancia o tabla armónica, ubicada bajo las cuerdas, amplifica y da forma a ese sonido, contribuyendo a la riqueza tonal del piano. La caja de resonancia en un piano no solo amplifica el sonido, sino que también le confiere su carácter distintivo. La forma, el tamaño y los materiales de la caja afectan la calidad tonal del piano. Una caja de resonancia bien diseñada mejora la respuesta tonal, la claridad y la proyección del sonido Es increíble cómo la resonancia está presente en nuestra música diaria, ya que la caja de resonancia no solo la tienen instrumentos de percusión, sino los de cuerdas, como la guitarra o el violín. La necesidad de una caja de resonancia más grande en instrumentos que cubren rangos más graves (contrabajo, violonchelo o bombo) se debe a la longitud de las ondas sonoras asociadas con esas frecuencias más bajas. En términos simples, para reproducir notas graves, se requiere una mayor longitud de onda, y esto implica la necesidad de una caja de resonancia más grande para permitir la vibración adecuada del aire y la producción óptima de sonido. Una caja de resonancia más grande proporciona el espacio necesario para que las ondas sonoras se desarrollen y se amplifiquen, contribuyendo así a la calidad y proyección del sonido en registros bajos.
En el siguiente enlace se muestra esta teoría aplicada a los puentes, lo cual es muy importante para garantizar la seguridad de todos, aunque la resonancia no es siempre la responsable…
Al escuchar la palabra resonancia lo primero que me viene a la cabeza son las resonancias magnéticas, del ámbito de la medicina, que son una técnica de diagnóstico por imágenes. Por lo que he buscado información para ver si existe alguna relación entre las resonancias mecánicas y las magnéticas. Obviamente existía una relación ya que las resonancias, ya sean en el ámbito mecánico o magnético destacan la importancia de entender cómo los sistemas responden a frecuencias específicas y cómo esa información puede ser aprovechada para obtener datos valiosos, teniendo así ambas una aplicación en medicina. La resonancia magnética se utiliza por ejemplo para obtener imágenes detalladas del interior del cuerpo. Mientras que la resonancia mecánica se utiliza en la ecografía Doppler, a través de frecuencias ultrasónicas para medir el flujo sanguíneo y detectar posibles obstrucciones o irregularidades. Atendiendo a más posibles aplicaciones de la resonancia mecánica me llamó la atención su uso en el diseño de amortiguadores para vehículos.
Como ben se mostran nos recursos do apartado de “máis información” o concepto de resonancia é de vital importancia na maioría das estruturas. O exemplo máis coñecido é o das pontes, en especial o da ponte de Tacoma. Pero ademáis deste, por exemplo, en enxeñaría aeroespacial, as normativas establecen que a primeira frecuencia natural de todos os satélites sexa superior a 100 Hz, xa que as frecuencias das forzas externas que sofre o cohete soen estar nese rango. De coincidir ámbolas dúas, o satélite podería chegar a romper durante o lanzamento.
En comentarios anteriores algunos compañeros y compañeras han dejado ejemplos de puentes que colapsaron por problemas de resonancia u otras causas, ej; Puente de Broughton, puente Tacoma Narrows, pasarela del Milenio de Norman Foster, etc. El efecto de la resonancia no se queda ahí; en el siguiente enlace os dejo un video de un experimento con péndulos invertidos que se podría hacer en clase y explica cómo los terremotos de México (1985), Haití (2010) o Japón (2011) provocaron el colapso de varios edificios al entrar en resonancia.
La resonancia magnética (RM) es una técnica de diagnóstico que se basa en el fenómeno de resonancia nuclear. Aunque la resonancia magnética no es exactamente el mismo fenómeno que el descrito en el experimento, utiliza principios similares de resonancia, en este caso, con los núcleos de hidrógeno en los tejidos del cuerpo humano. La resonancia magnética se utiliza para obtener imágenes detalladas del interior del cuerpo, especialmente para observar el cerebro, los músculos, las articulaciones y otros órganos. Al aplicar un campo magnético y ondas de radiofrecuencia en el cuerpo, se induce una resonancia nuclear en los átomos de hidrógeno presentes en los tejidos del cuerpo. Cuando estas ondas interactúan con los tejidos, los núcleos de hidrógeno “resuenan”, y luego emiten señales que se utilizan para generar imágenes detalladas del cuerpo humano.
Recomiendo el siguiente material complementario: Primero, un video donde se explica el funcionamiento y modelado matemático (básico) de los fenómenos de vibración y resonancia en diseño estructural; Además, recomiendo el siguiente vídeo (corto) en el que se ejemplifica cómo la forma de una estructura afecta a su frecuencia de resonancia (complementando el vídeo anterior).
Este artículo sobre la resonancia es realmente esclarecedor. La explicación sobre cómo una fuerza periódica externa puede hacer que un sistema oscilante alcance su máxima amplitud es muy clara y detallada. Además, es fascinante cómo se pueden observar estos efectos en experimentos simples, como los péndulos acoplados o las tiras de una lata vibrante. Para añadir, sería interesante mencionar cómo la resonancia no solo es un fenómeno físico, sino que también tiene aplicaciones prácticas importantes. Por ejemplo, en la ingeniería civil, se debe tener en cuenta la resonancia para evitar daños estructurales en puentes y edificios. También es crucial en la medicina, donde la resonancia magnética se utiliza para obtener imágenes detalladas del interior del cuerpo humano. ¡Es increíble ver cómo un concepto tan fundamental tiene tantas aplicaciones prácticas!
O experimento de resonancia mecánica é unha ferramenta educativa excelente para promover o pensamento científico no alumnado de secundaria. Permite demostrar de forma visual e práctica como a frecuencia natural dun sistema inflúe nas súas oscilacións, vinculando conceptos abstractos a situacións reais. Ademais, fomenta a formulación de hipóteses, a observación crítica e o traballo experimental en grupo. Actividades como esta favorecen o desenvolvemento do método científico e facilitan a comprensión de fenómenos cotiáns, como o balance dun columpio ou a estabilidade estrutural de pontes, facendo a física máis atractiva e aplicable á vida diaria.