Vibración (física): definición, tipos, periodo, frecuencia y amplitud

Descubre la vibración en física: definición clara, tipos, periodo, frecuencia y amplitud con ejemplos y aplicaciones en sonido e ingeniería.

La vibración significa un movimiento rápido de ida y vuelta (o de subida y bajada) en torno a un punto de equilibrio. La vibración puede ser periódica (tener un patrón) o aleatoria. Algo que vibra puede agitarse al mismo tiempo. Si vibra de forma periódica, puede producir una nota musical porque puede hacer vibrar el aire. Esta vibración enviará ondas sonoras al oído y al cerebro.

En la ingeniería estructural, incluida la ingeniería antisísmica, las vibraciones pueden ser malas. Pueden hacer que la estructura falle.

El tiempo que tarda un objeto que vibra en ir y venir completamente es el periodo. El número de movimientos de vaivén en un segundo es su frecuencia, medida en hercios (Hz). La mayor distancia posible del punto de equilibrio es la amplitud.

Tipos de vibración

• Periódica: se repite en el tiempo con un patrón definido. Ejemplo: un péndulo o una cuerda de guitarra que vibra. Muchas vibraciones periódicas se modelan como movimiento armónico simple.
• Aleatoria: no sigue un patrón regular; ocurre en sistemas con muchas fuentes de excitación impredecibles, como el ruido de una máquina o la turbulencia del viento.
• Libre: es la vibración de un sistema tras recibir una perturbación inicial y sin forzamiento continuo (por ejemplo, una cuerda punteada).
• Forzada: ocurre cuando un sistema recibe una excitación externa continua (por ejemplo, una vibración producida por un motor). Si la frecuencia de la fuerza coincide con la frecuencia natural del sistema puede producirse resonancia.
• Amortiguada: en la práctica casi todas las vibraciones pierden energía con el tiempo por fricción o resistencia, de modo que la amplitud disminuye progresivamente.

Movimiento armónico simple (MAS)

El movimiento armónico simple es el tipo más sencillo de vibración periódica y sirve como aproximación para muchos sistemas. Matemáticamente se expresa como:

x(t) = A cos(ωt + φ)

donde:

• A es la amplitud (máxima desviación respecto al equilibrio).
• ω es la velocidad angular, en radianes por segundo.
• φ es la fase inicial.

Periodo, frecuencia y relación entre ellas

• Periodo (T): tiempo de un ciclo completo, en segundos (s).
• Frecuencia (f): número de ciclos por segundo, en hercios (Hz). f = 1/T.
• Velocidad angular (ω): ω = 2π f = 2π / T.

Estas relaciones permiten pasar fácilmente entre las diferentes formas de describir la vibración.

Amplitud y energía

La energía almacenada en un oscilador (por ejemplo, masa-resorte) depende de la amplitud. Para sistemas lineales la energía total es proporcional al cuadrado de la amplitud (E ∝ A²): si se duplica la amplitud, la energía se cuadruplica.

Amortiguamiento y factor de calidad

En sistemas reales hay pérdidas de energía que reducen la amplitud con el tiempo; esto se llama amortiguamiento. El grado de amortiguamiento determina:

• Si las oscilaciones desaparecen rápidamente (amortiguamiento fuerte).
• Si persisten muchas oscilaciones antes de detenerse (amortiguamiento débil).

El factor de calidad (Q) es una medida adimensional que cuantifica cuánto tarda en desvanecerse una vibración: mayor Q significa menor amortiguamiento relativo y picos de resonancia más pronunciados.

Resonancia y frecuencia natural

Cada sistema tiene una o varias frecuencias naturales. Si se aplica una fuerza periódica cuya frecuencia coincide con la natural, se produce resonancia, que puede aumentar mucho la amplitud y causar daños (esto es crítico en puentes, edificios y máquinas). Por eso en ingeniería se diseñan sistemas para evitar coincidencias entre frecuencias de excitación y frecuencias naturales, o se añade amortiguamiento.

Aplicaciones y ejemplos

• Música: cuerdas, membranas y tubos que vibran producen notas que percibimos como sonido, al hacer vibrar el aire y generar ondas sonoras.
• Ingeniería estructural: análisis sísmico y control de vibraciones para evitar fallos en edificios y puentes.
• Vehículos y maquinaria: diagnóstico por vibraciones para detectar piezas desgastadas o desequilibrios.
• Electrónica: osciladores, filtros y resonadores que dependen de vibraciones eléctricas o mecánicas.
• Medicina: imágenes por ultrasonido y estudios de vibración en tejidos.

Medición y unidades

• Frecuencia: hercio (Hz), equivalente a ciclos por segundo.
• Periodo: segundos (s).
• Amplitud: unidades de longitud (m), ángulo (rad) o presión, según el tipo de vibración.
• Velocidad y aceleración: a menudo se miden para caracterizar vibraciones (m/s y m/s²).

En resumen, la vibración es un fenómeno presente en muchos aspectos de la física y la ingeniería. Comprender sus características—tipo, periodo, frecuencia, amplitud, amortiguamiento y resonancia—es esencial para aprovechar sus aplicaciones y evitar sus efectos perjudiciales.

Búsqueda por letra