oscilações mecanicas

Introdução

Este trabalho faz parte da disciplina de Física da 10ª classe. Com o tema: Oscilações mecânicas.

Após a introdução, iniciamos o trabalho com a noção de oscilações, tipos de oscilações, grandezas que caracterizam as oscilações.

Segue-se depois das grandezas que caracterizam as oscilações, a dependência do período das oscilações de um pêndulo em relação ao comprimento.

E por fim versaremos acerca da lei da conservação de energia. E vamos terminar o trabalho com uma conclusão em relação ao trabalho e uma bibliografia.

Esperamos que o presente trabalho possa constituir um contributo importante para a aprendizagem da disciplina de Física.

Oscilações Mecânicas

No nosso dia-a-dia durante as nossas tarefas observamos, fenômenos que se repetem ao fim de um certo intervalo de tempo, e a esses fenômenos designam-se  fenômenos periódicos.

Exemplo de baloiço, onde baloiça de frente para trás.

Os movimentos oscilatórios tem uma característica comum realizam-se em redor de uma posição  de equilíbrio.

Porém, nem todos os movimentos periódicos são oscilatórios. Ora vejamos um autocarro realiza um movimento de vai e vêm, com uma regularidade de um terminal para o outro. Neste exemplo, o movimento é periódico mas não é oscilatório.

Classificação das oscilações

As oscilações dividem-se em dois tipos:

•  As oscilações mecânicas;
• As oscilações electromagnéticas.

Oscilações mecânicas

 São aquelas cujas grandezas Físicas são mecânicas  e variam em função de tempo. Ex: a mola elástica, pêndulo; etc. São movimentos periódicos, no tempo(t), de uma grandeza em termo de uma posição de equilíbrio.

Oscilações electromagnéticas

São aquelas cujas grandezas Físicas são eléctricas ou magnéticas e variam em função do tempo. Ex: intensidade da corrente, etc.

Materiais usados no estudos das oscilações mecânicas

Para o estudo das oscilações mecânicas, no laboratório, é comum usarem-se sistemas de corpos, como pêndulos osciladores de molas elásticas.

O pêndulo simples é um sistema formado por um fio inestencivél de comprimento(l) com massa desprezível e um corpo de massa(m) denso e com dimensões pequenas, em relação ao comprimento do fio.

 O oscilador de mola elástica é um sistema formado por um corpo de massa(m) preso a uma mola de massa desprezível.

Tipo de oscilador	Deposito de energia	Forma de energia
Mola	Corpo em movimento	Energia cinética
	Mola estendida	Energia potencial
Pêndulo	Corpo em movimento	Energia cinética
	Corpo elevado(força de grav.)	Energia potencial

 As oscilações mecânicas dividem-se em:

•   Oscilações harmónicas simples
• Oscilações amortecidas

Oscilações ou movimentos harmônicas simples (MHS)

São aquelas que mantém constante, com o tempo, o seu período(T), a sua frequência(f) e a sua amplitude(A).

Isto acontece porque as forças de resistência do meio onde ocorrem são nulas.

Oscilações amortecidas

 São aquelas cuja amplitude, frequência e período decrescem sucessivamente com o tempo, devido as forças de resistência do meio.

Grandezas que caracterizam as oscilaçóes mecânicas

Um oscilador de mola elástica ou do pêndulo pode ocupar varias posições intermédias, que não correspondem nem aos máximos dessa distensão (compreensão ou afastamento) nem a posição de equilibro.
Essas posições são chamados de elongações.

Elongação(X) – é o deslocamento momentâneo da partícula oscilante, em relação a sua posição de equilíbrio.

Amplitude da oscilação(A) – é o deslocamento máximo da partícula, em relação a posição de equilíbrio.

A unidade no SI, tanto da elongação como da amplitude é o metro(m).

Outras unidades:

1dm=10^-1m

1cm=10^-2m

1mm=10^-3m
 Frequência(f) – é o número de vezes (N) em que um fenômeno se repete por unidade de tempo( t).
Assim temos:    
               

A sua unidade no SI é o  Hertz (Hz). Em homenagem ao fisico alemão Heinrich HERTZ (1857-1894):

1Hz = 1s^-1

Outras unidades:

1KHz=10³Hz

1MHz=10⁶Hz

1GHz=10⁹Hz
Período (T) – é o tempo necessario ( ) para que um oscilador execute uma oscilação completa.

Assim temos:  

A unidade do período no SI é o segundo(s).

Outras unidades:

1min=60s

1h=3600s

1dia=24x3600s

A relação entre o período e a frequência é:

                                             

Dependêcia do período das oscilações de um pêndulo

Com o comprimento

O pêndulo simples pode ser utilizado como um instrumento de medição de tempo, devido a regularidade das suas oscilações.

O físico holandês Christian Huygensem 1973, descobriu esta relação ao usar um pêndulo simples para calibrar um relógio.

O período constante do pêndulo simples serve para medir o tempo e possibilita a regularidade e uniformidade do funcionamento de um relogio, isto é, o período é dirretamente proporcional ao comprimento

Com a massa

Em quanto aumentamos a massa do corpo do pêndulo devemos corrigir o comprimento do fio porque o comprimento do pêndulo deve ser medido entre o ponto de fixação no gancho e o centro geométrico da massa. Deve ser garantido também que o ângulo do desvio seja sempre o mesmo. Quer dizer que o período duma oscilação é independente  da  massa do corpo.

Lei da conservação de Energia

Numa oscilação mecânica amortecida, a soma da energia cinética e da energia potencial (energia mecânica) do corpo diminui  continuamente. A energia mecânica do corpo transforma-se em energia térmica, isto é:

E_c + E_p → Energia térmica

As oscilações que se processam fornecendo apenas uma única vez energia ao oscilador, chama-se Oscilações Próprias, e a frequência com que oscilam  chama-se Frequência Própria (ƒ_o).

As oscilações resultantes da introdução da energia, por um outro oscilador, chamam-se oscilações forçadas. E a frequência, com que se fornece energia, chama-se de Frequência Excitadora ( ƒ_e) , ou Frequência Da Força Externa ( f_ex , w_ex).

Neste caso da oscilação forçada, o sistema oscilante recebe energia cinética dum outro  sistema, por causa da força externa que  influencia o movimento do oscilador.

1.     A força externa pode atuar no momento  em que o corpo do pêndulo  da mola se move para cima. Se a força externa atuar no sentido contrário ao do movimento do corpo, a energia mecânica diminui por um determinado valor e a amplitude da oscilação reduz-se. Continuando a força externa a atuar desta mesma maneira por algum tempo, a oscilação pode ser anulada e o corpo entrar em repouso.

2.   Se a força externa atua no momento em que o corpo do pêndulo da mola se move para baixo, a energia mecânica do sistema oscilante aumenta por causa da energia induzida  e a amplitude das oscilações aumenta.
Continuando a força externa a atuar da mesma maneira, a oscilação é cada vez reforçada e a amplitude atinge valores que podem causar a destruição do sistema.

   Ressonância

Cada sistema oscilante pode gradualmente diminuir as amplitudes das oscilações devido ao amortecimento e depois dum determinado tempo o oscilador fica em repouso. Enquanto para que um oscilador oscile permanentemente, a energia perdida pelo amortecimento deve ser induzida também permanentemente.

 Estas indução da energia deve satisfazer duas condições:

•  A indução da energia deve concordar com a frequência própria do oscilador.
•  A indução da energia deve ser realizada no tempo certo.

  Se a frequência da energia induzida não corresponde à frequência própria do oscilador, então as amplitudes serão reduzidas, mas aproximando-se a frequência da força externa á frequência própria a amplitude atinge o máximo.

      ƒ_ex ≈ ƒ_o

  A esta concordância entre a frequência da força externa e a frequência própria chama-se ressonância.

Enquanto a energia introduzida pela força externa for maior do que a energia perdida pelo amortecimento no sistema da oscilação, as amplitudes atingem altos valores, que podem culminar com a destruição do sistema oscilante. A este caso chama–se catástrofe de ressonância.

 Exemplos do uso da ressonância:

A ressonância pode ser usada para efeitos benéficos, mas também tem efeitos negativos. A ressonância como caso especial da oscilação forçada, tem uma grande importância na técnica e na vida diária. A ressonância utiliza-se na técnica para medir a frequência. O instrumento de medição  da  frequência é constituído com alguns osciladores – folhas elásticas de aço- e um electro-imã. A quela folha elástica de aço, cuja frequência própria coincide com a frequência da força externa, tem maior amplitude. Em muitos casos como na construção de pontes, torres, casas, maquinas, fundações aviões, etc.os engenheiros devem evirar a ressonância para que as maquinas não sejam destruídas.

 Temos como um dos exemplos na passagem de uma colina militar sobre uma ponte, a marcha deverá ser descompassada para evitar que a frequência da marcha se iguale a frequência própria da ponte , o que poderá causar grandes danos na ponte.

 E também temos  outro exemplo, no transporte de água de uma mulher, isto é ,em alguns casos diariamente vemos mulheres transportando água numa lata sobre a cabeça. Essa água na cabeça representa um sistema oscilante. O impulso faz conque a água comesse a oscilar na lata, a superfície livre da água entra em movimento oscilatório.

 A mulher, andando , o pé representa um outro sistema oscilante.

 A frequência dos passos ,o levantamento e o abaixamento do corpo introduz uma força ao sistema de oscilação na lata. Quando a frequência dos passos da mulher é a mesma que a frequência da água, a amplitude da água oscilante aumenta e a água sai da lata. Há duas possibilidades que as mulheres aplicam para evitar que a água transborde da lata:

1.      Elas mudam  a frequência dos seus passos.

2.      Introduzem algumas folhas de uma planta na superfície da água e assim mudam a frequência própria do sistema de oscilação de água.

As mulheres as vezes utilizam conhecimentos físicos sem os conhecer e isso desde há muitos séculos.

Conclusão

No trabalho supra apresentado concluímos que:

As pessoas  no seu  dia-a-dia realizão tarefas que se repetem num intervalo de tempo, não só as pessoas realizam este movimento temos objetos que também fazem movimentos repetitivos, como por exemplo o relógio. A esses movimentos designa-se movimentos periódicos.

E também que uma oscilação mecânica é o movimento periódico, de um corpo, em torno da posição de equilíbrio. E durante uma oscilação há uma variação periódica das grandezas Físicas.

E vimos também que para estudar as oscilações mecânicas, no laboratório, é comum usarem-se sistemas de corpos, como pêndulos osciladores de molas elásticas.

E as oscilações mecânicas divide-se em oscilações harmônicas que são aquelas que possuem amplitudes constantes e as oscilações amortecidas são aquelas cuja amplitudes diminuem com o tempo.

Falamos também das características de uma oscilação mecânica que são:

-A amplitude (A);  A elongação (x); O período (T); E a frequência (f). E dissemos também que o período em relação ao comprimento ele é diretamente proporcional enquanto que com a massa ele é diretamente proporcional.

 E falamos também da lei da conservação de energia e dissemos que:

Numa oscilação mecânica amortecida, a soma da energia cinética e da energia potencial transforma-se em energia térmica, isto é:

E_c + E_p → Energia térmica

Um  oscilador faz oscilações próprias depois que ele receba um único impulso. A frequência neste caso chama-se frequência própria.

As oscilações que processam fornecendo periodicamente, energia ao oscilador têm o nome de oscilações forçadas. A frequência neste caso têm nome frequência excitadora.

 Ressonância e a oscilação especialmente forte, que ocorre durante uma oscilação forçada, quando a frequência própria do oscilador é igual à frequência excitadora. A característica mais importante da ressonância é o alcance de um máximo na amplitude das oscilações do corpo o seu valor corresponde à chamada a frequência de ressonância que é igual a frequência própria.

 A ressonância pode ser usada para efeitos benéficos bem como para efeitos negativos.

Bibliografia

Manuais

VILANCULOS, Anastácio Mário

COSSA, Rogério Eleazar Carlos

Física pela prática, 10 ªclasse

Moçambique editora,

BURRE, Gunter

Física 10ªclasse (1ª edição)

Editora escolar

ANTÓNIO, Amândio

CHIZIANE, Rodrigues

Física 10ªclasse, saber Física

Longman moçambique, Lda -1ª edição