Oscilações
Movimento harmónico, fase, pêndulo, amortecimento e resposta forçada.
Uma massa de presa a uma mola de começa à direita do equilíbrio e move-se para a direita a . Ainda se afasta antes de regressar. A posição inicial não é a amplitude, pois precisamos também da velocidade para localizar o início do ciclo; estes dados determinam movimento, fase e energia antes de acrescentarmos amortecimento.
Movimento harmónico simples
Uma massa ligada a uma mola ideal de constante , sem atrito, satisfaz
Medimos desde o equilíbrio. Os pontos em e indicam a primeira e a segunda derivadas no tempo, ou seja velocidade e aceleração. A solução é , com , e
A frequência mede-se em hertz; é uma frequência angular em . Confundi-las introduz um fator , por isso verifica sempre as unidades pedidas.
Nas extremidades , a velocidade é zero e o módulo da aceleração é máximo. No equilíbrio, a velocidade tem módulo máximo e a aceleração é zero. O corpo atravessa o equilíbrio porque aí a velocidade é máxima: a inércia leva-o para o outro lado, onde a mola volta a travá-lo.
A força de retorno opõe-se sempre ao afastamento do equilíbrio, mas nem sempre à velocidade: acelera o corpo quando ele regressa ao equilíbrio. Verifica a solução por substituição: se , então , que é a equação do movimento.
Condições iniciais e fase
Uma forma que evita escolher a fase primeiro é
Assim, , com e . Usa os dois sinais para escolher o quadrante de , porque um só não chega.
Para , , e , . Temos . Então e . Escolhemos o quarto quadrante, por exemplo . A posição começa positiva e a aumentar, por isso a fase deve ter cosseno positivo e seno negativo. O período é .
Energia
No oscilador ideal,
No exemplo, . Inicialmente, e , que somam esse valor. A rapidez num ponto é , mas o sinal depende de o corpo ir ou regressar, por isso decide o sentido pelo movimento.
Numa mola vertical, escreve primeiro a equação desde o comprimento natural: . O equilíbrio novo está em . Com , a equação fica . O peso muda a posição de equilíbrio, mas não a frequência neste modelo linear.
Pêndulo simples
Para um ponto material suspenso por um fio ideal de comprimento , a componente tangencial da segunda lei dá a equação. O peso projeta-se na tangente como e a tensão é radial, por isso não entra na equação tangencial:
Com pequenos ângulos em radianos, e , dando . Para , . A massa não entra na expressão, porque cancela entre força e inércia. Para amplitudes grandes, o período aumenta e a aproximação deixa de ser suficiente. A primeira correção relativa é aproximadamente , com o ângulo em radianos.
Um corpo extenso suspenso é um pêndulo físico. Não substituas o seu tamanho pelo comprimento de um fio sem analisar o centro de massa e a inércia.
Oscilador amortecido
Para e , uma resistência linear , com em , dá
Definimos e . A comparação determina o regime:
| Regime | Condição | Comportamento |
|---|---|---|
| Subamortecido | Oscila com amplitude decrescente | |
| Crítico | Raiz dupla, sem oscilação periódica | |
| Sobreamortecido | Soma de duas exponenciais reais |
Para condições iniciais de repouso fora do equilíbrio, o crítico regressa mais depressa sem oscilar do que os sobreamortecidos. Para outras condições iniciais, um movimento não oscilatório ainda pode atravessar o equilíbrio uma vez; não definas o regime apenas por nunca mudar de sinal.
No caso subamortecido, estudado na análise experimental, a solução oscila e a envolvente exponencial reduz os picos:
No crítico, . No sobreamortecido, as taxas são e . As constantes vêm de posição e velocidade iniciais.
O gráfico usa a solução analítica de , , e , com valor crítico . Compara , , e . Abaixo do valor crítico há oscilação, embora um período muito longo possa não caber no segundo mostrado. No crítico e no sobreamortecido não há oscilação periódica. Para estas condições iniciais, compara também a rapidez do regresso ao equilíbrio.
A curva mostra um segundo de movimento. A posição inicial é 5 cm e a velocidade inicial é zero.
Condições iniciais com amortecimento
No regime subamortecido, escrever a solução como seno e cosseno torna as constantes diretas:
Em , . Ao derivar, também derivamos a exponencial: . Portanto,
Não uses , que só vale sem amortecimento. Na forma , temos , e , quando . O coeficiente da envolvente não é necessariamente a posição inicial nem um pico efetivamente atingido.
Com , , e , obtemos , e . A envolvente começa em , mas o corpo começa em , parado. A aceleração inicial é e fá-lo regressar ao equilíbrio.
Decaimento e fator de qualidade
A envolvente da amplitude é . O tempo para a amplitude cair para metade é . A energia satisfaz exatamente . Para amortecimento fraco, a energia média por ciclo decai aproximadamente como , duas vezes mais depressa no expoente do que a amplitude.
Outra notação usa e . Nesta convenção, a amplitude decai como . Verifica se um tempo indicado num ajuste pertence à amplitude ou à energia, porque a constante da energia é metade.
Com os valores anteriores e , , , , e .
Para picos do mesmo sinal separados por um período amortecido , a razão dos picos é . Aplicando o logaritmo, o decremento logarítmico é . A análise experimental usa esta relação para estimar .
Oscilador forçado e ressonância
Acrescentando , com constante ao variar a frequência, a solução geral soma duas partes. O transitório é a solução da equação homogénea e depende das condições iniciais. Para , o transitório decai. A resposta permanente fica e oscila à frequência imposta , não à frequência livre :
A fase satisfaz , que escolhe o quadrante a partir dos sinais do numerador e do denominador. Em baixa frequência, a resposta aproxima-se de e acompanha a força. Em , atrasa-se e . Em frequência muito alta, a amplitude diminui e o atraso aproxima-se de .
Para constante ao variar a frequência, o máximo da amplitude ocorre em , se . Não é exatamente a frequência natural quando existe amortecimento. Acima desse limiar não há pico de amplitude a frequência positiva. No limite sem amortecimento e com força na frequência natural, não há amplitude permanente finita: a resposta cresce com o tempo.
Ver resposta normalizada
Para comparar dois amortecimentos, dividimos a frequência por e a amplitude pelo deslocamento estático . Com , a resposta fica
Mais amortecimento baixa e alarga o pico e afasta-o de para frequências menores.
Para , , e , em a amplitude é . O pico fica em e tem amplitude aproximada .
A seleção é estreita quando o amortecimento é fraco. Três pêndulos simples com , e metros têm frequências próprias de cerca de , e (com ). Uma força externa a põe quase só o segundo a oscilar com amplitude grande. É a versão com pêndulos de uma questão do exame de recurso de 26 de junho de 2023.
As três frequências angulares, em , respondem a perguntas diferentes:
| Grandeza | Pergunta | Relação |
|---|---|---|
| Oscilação sem amortecimento nem força periódica | ||
| Oscilação livre com amortecimento linear subcrítico | ||
| Máximo da amplitude permanente com constante |
Para , as três existem e . Um oscilador pode ser subamortecido e não ter um pico de amplitude a frequência positiva: o limiar de ressonância é mais restrito.
Exercícios
Determinar a amplitude
Um oscilador harmónico simples ideal tem ω_0 = 10 rad/s, x_0 = 0,03 m e v_0 = 0,40 m/s. Qual a amplitude, em metros?
Pista
A posição inicial não é necessariamente a amplitude.
Mais uma pista
A² = x_0² + (v_0/ω_0)².
Solução
De x_0 = A cos φ e v_0 = −Aω_0 sin φ obtém-se A² = x_0² + (v_0/ω_0)². Então A = √(0,03² + 0,04²) = 0,05 m. A energia inicial contém uma parte cinética e outra potencial.
Erros frequentes
Tomar A = x_0 sem verificar se a velocidade inicial é zero.
Tempo de meia amplitude
A envolvente é A(t) = A_0 exp(−t), com t em segundos. Quanto tempo demora a amplitude a cair para metade?
Pista
Divide a equação por A_0 antes de aplicar logaritmo.
Solução
t = ln 2 ≈ 0,693 s. No regime de amortecimento fraco, a energia média decai aproximadamente com o dobro do expoente da amplitude, por isso o tempo de meia energia é cerca de metade, ou seja 0,347 s.
Erros frequentes
Confundir a metade da amplitude com a metade da energia.
Três frequências do mesmo oscilador
Um oscilador tem e . É excitado por uma força de amplitude constante ao variar a frequência.
- Determina a frequência da oscilação livre amortecida.
- Determina a frequência do pico da amplitude da resposta permanente.
- Ordena estas duas frequências e a frequência natural. Indica a condição para existir um pico a frequência positiva.
Pista
Solução
Na oscilação livre, .
Na resposta forçada, . Logo, . A frequência livre descreve o movimento sem força periódica; o pico seleciona a maior amplitude entre respostas permanentes com frequências impostas diferentes.
Para amortecimento positivo, o pico a frequência positiva exige . Aqui , portanto existe. Não basta ser subamortecido para garantir esse pico.
Confere a tua resposta:
- Obtenho frequência livre amortecida de √96 rad/s.
- Obtenho pico de amplitude de √92 rad/s.
- Distingo ambas da frequência natural de 10 rad/s e indico o limiar de existência do pico.
Escolher o quadrante da fase
Pista
Mais uma pista
Solução
Confere a tua resposta:
- Obtenho A = 0,12 m a partir da velocidade inicial.
- Escolho φ = π/2, ou um valor equivalente módulo 2π.
- Substituo em x(0) e v(0) para confirmar posição nula e velocidade negativa.
Erros frequentes
Escolher o pêndulo que ressoa
Pista
Solução
- O de ℓ = 10/π² m, com frequência própria de 0,50 Hz.. f₀ = √(g/ℓ)/2π dá 0,50 Hz, igual à excitação; os outros ficam em 0,41 e 0,71 Hz.
- O de ℓ = 15/π² m, por ser o mais comprido.. O mais comprido tem a frequência mais baixa, cerca de 0,41 Hz, fora da excitação.
- O de ℓ = 5/π² m, por ser o mais leve de excitar.. O mais curto oscila a cerca de 0,71 Hz; a proximidade à excitação decide, não o comprimento.
- Os três com a mesma amplitude, porque a força é comum.. A mesma força produz amplitudes diferentes; só o sintonizado responde em grande.
Erros frequentes
Classificar o regime
Pista
Solução
- Subamortecido, com ω_d ≈ 19,90 rad/s.. γ = 2 e ω_0 = 20, logo γ < ω_0.
- Crítico.. O crítico exige γ = ω_0, ou seja b = 10 kg/s.
- Sobreamortecido.. O sobreamortecido exige γ > ω_0.
Erros frequentes
Afastar-se do equilíbrio, com amortecimento
Um oscilador linear tem e . Começa em , com velocidade . Escreve a solução na forma e verifica as condições iniciais. O coeficiente da envolvente é ?
Pista
Solução
O regime é subamortecido e . Em , . A velocidade inicial é , dando . Portanto,
com em segundos. A posição inicial é e a velocidade é . O coeficiente da envolvente vale , cerca de . Não é a posição inicial. Usar daria velocidade inicial de , até com o sentido errado, por ignorar a derivada da exponencial.
Confere a tua resposta:
- Obtenho ω_d = 4 rad/s, C = 0,08 m e D = 0,08 m.
- Verifico a posição de 0,08 m e velocidade de +0,08 m/s no instante inicial.
- Distingo o coeficiente da envolvente de 0,08√2 m da posição inicial.