La resonancia mecánica es la tendencia de un sistema mecánico a responder con mayor amplitud cuando la frecuencia de sus oscilaciones coincide con la frecuencia natural de vibración del sistema (su frecuencia de resonancia o frecuencia resonante ) más cerca que con otras frecuencias. Puede causar movimientos de balanceo violentos y fallas potencialmente catastróficas en estructuras construidas incorrectamente, incluidos puentes, edificios y aviones. Este es un fenómeno conocido como desastre por resonancia.
Evitar los desastres por resonancia es una preocupación importante en todos los proyectos de construcción de edificios, torres y puentes . El edificio Taipei 101 , por ejemplo, depende de un péndulo de 660 toneladas (un amortiguador de masa ajustado ) para modificar la respuesta en resonancia. La estructura también está diseñada para resonar a una frecuencia que no se produce normalmente. Los edificios en zonas sísmicas suelen construirse para tener en cuenta las frecuencias oscilantes del movimiento del suelo previsto. Los ingenieros que diseñan objetos que tienen motores deben asegurarse de que las frecuencias resonantes mecánicas de los componentes no coincidan con las frecuencias vibratorias de los motores u otras piezas que oscilan fuertemente.
Muchos objetos resonantes tienen más de una frecuencia de resonancia. Dichos objetos vibrarán fácilmente en esas frecuencias y menos en otras frecuencias. Muchos relojes marcan el tiempo mediante resonancia mecánica en un volante , un péndulo o un cristal de cuarzo .
La frecuencia natural del sistema mecánico muy simple consistente en un peso suspendido por un resorte es:
donde m es la masa y k es la constante del resorte . Para una masa dada, al endurecer el sistema (aumentar ) aumenta su frecuencia natural, lo cual es una característica general de los sistemas mecánicos vibratorios.
Otro ejemplo sencillo de sistema resonante con el que la mayoría de la gente tiene experiencia práctica es el columpio . Es una forma de péndulo. Si se excita (empuja) el sistema con un período entre empujones igual a la inversa de la frecuencia natural del péndulo, el columpio oscilará cada vez más alto, pero si se excita a una frecuencia diferente, será difícil moverlo. La frecuencia de resonancia de un péndulo, la única frecuencia a la que vibrará, viene dada aproximadamente, para pequeños desplazamientos, por la ecuación: [1]
donde g es la aceleración debida a la gravedad (aproximadamente 9,8 m/s 2 cerca de la superficie de la Tierra ) y L es la longitud desde el punto de pivote hasta el centro de masa. (Una integral elíptica proporciona una descripción para cualquier desplazamiento). Nótese que, en esta aproximación, la frecuencia no depende de la masa .
Los resonadores mecánicos funcionan transfiriendo energía repetidamente de la forma cinética a la potencial y viceversa. En el péndulo, por ejemplo, toda la energía se almacena como energía gravitatoria (una forma de energía potencial) cuando la plomada está instantáneamente inmóvil en el punto más alto de su oscilación. Esta energía es proporcional tanto a la masa de la plomada como a su altura sobre el punto más bajo. A medida que la plomada desciende y gana velocidad, su energía potencial se convierte gradualmente en energía cinética (energía de movimiento), que es proporcional a la masa de la plomada y al cuadrado de su velocidad. Cuando la plomada está en el punto más bajo de su recorrido, tiene máxima energía cinética y mínima energía potencial. El mismo proceso ocurre luego a la inversa a medida que la plomada asciende hacia el punto más alto de su oscilación.
Algunos objetos resonantes tienen más de una frecuencia de resonancia, particularmente en los armónicos (múltiplos) de la resonancia más fuerte. Vibrarán fácilmente en esas frecuencias, y menos en otras frecuencias. "Seleccionarán" su frecuencia de resonancia de una excitación compleja, como un impulso o una excitación de ruido de banda ancha. En efecto, está filtrando todas las frecuencias que no sean su resonancia. En el ejemplo anterior, la oscilación no puede ser excitada fácilmente por frecuencias armónicas, pero sí por subarmónicos , como empujar la oscilación cada segunda o tercera oscilación.
Varios ejemplos de resonancia mecánica incluyen:
La resonancia puede provocar movimientos violentos de balanceo en estructuras construidas, como puentes y edificios. El puente peatonal Millennium de Londres (apodado el puente tambaleante ) presentó este problema. Un puente defectuoso puede incluso ser destruido por su resonancia (ver el puente colgante de Broughton y el puente de Angers ). Los sistemas mecánicos almacenan energía potencial en diferentes formas. Por ejemplo, un sistema de resorte /masa almacena energía como tensión en el resorte, que finalmente se almacena como energía de enlaces entre átomos .
En mecánica y construcción, un desastre por resonancia describe la destrucción de un edificio o de un mecanismo técnico por vibraciones inducidas a la frecuencia de resonancia de un sistema , lo que lo hace oscilar . La excitación periódica transfiere de manera óptima la energía de la vibración al sistema y la almacena allí. Debido a este almacenamiento repetido y al aporte adicional de energía, el sistema oscila cada vez con mayor fuerza, hasta que se supera su límite de carga.
El dramático y rítmico giro que provocó el colapso en 1940 del puente original de Tacoma Narrows , conocido como "Galloping Gertie" , se describe a veces en los libros de texto de física como un ejemplo clásico de resonancia. Las catastróficas vibraciones que destruyeron el puente se debieron a una oscilación causada por las interacciones entre el puente y los vientos que pasaban por su estructura, un fenómeno conocido como aleteo aeroelástico . Robert H. Scanlan , el padre del campo de la aerodinámica de puentes, escribió un artículo sobre esto. [2]
Existen varios métodos para inducir resonancia mecánica en un medio. Se pueden generar ondas mecánicas en un medio sometiendo un elemento electromecánico a un campo eléctrico alterno que tenga una frecuencia que induzca resonancia mecánica y que sea inferior a cualquier frecuencia de resonancia eléctrica. [3] Dichos dispositivos pueden aplicar energía mecánica de una fuente externa a un elemento para estresarlo mecánicamente o aplicar energía mecánica producida por el elemento a una carga externa.
La Oficina de Patentes de los Estados Unidos clasifica los dispositivos que prueban la resonancia mecánica bajo la subclase 579, estudio de resonancia , frecuencia o amplitud , de la Clase 73, Medición y prueba . Esta subclase está a su vez indentada bajo la subclase 570, Vibración. [4] Dichos dispositivos prueban un artículo o mecanismo sometiéndolo a una fuerza vibratoria para determinar cualidades, características o condiciones del mismo, o para detectar, estudiar o realizar análisis de las vibraciones generadas o existentes de otro modo en el artículo o mecanismo. Los dispositivos incluyen métodos adecuados para provocar vibraciones en una resonancia mecánica natural y medir la frecuencia y/o amplitud que produce la resonancia. Varios dispositivos estudian la respuesta de amplitud en un rango de frecuencias . Esto incluye puntos nodales , longitudes de onda y características de onda estacionaria medidas en condiciones de vibración predeterminadas.
