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Movimiento armónico simple (MAS)

Un movimiento que se repite cada cierto tiempo fijo es periódico. Si el objeto va y viene alrededor de un punto central y la fuerza que lo atrae de vuelta es proporcional a su distancia a ese punto (F = −kx), el movimiento es armónico simple. Su posición es x = A sin(ωt + φ), con ω = 2π/T = 2πf. La rapidez es máxima en el centro, la aceleración es máxima en los extremos y la energía total ½kA² se mantiene constante.

🎬 Historia paso a paso

  1. Una bola va y viene por un riel. Vuelve al mismo sitio una y otra vez. El tiempo de un viaje completo es el periodo T. Los viajes por segundo son la frecuencia f = 1/T.
  2. Dibujamos la posición x de la bola frente al tiempo. La curva es una onda seno suave: x = A sin(ωt). A es la amplitud, la mayor distancia al centro.
  3. Una bola que da vueltas en un círculo con rapidez constante proyecta una sombra. La sombra hace un MAS. La fuerza sobre ella siempre apunta al centro y crece con la distancia: F = −kx.
  4. Dos bolas con la misma A y el mismo T, una un poco por detrás. Ese retraso es la diferencia de fase φ. La fase dice en qué punto de su ciclo está cada bola.
  5. En el centro la bola va más rápida, así que la energía cinética es máxima. En los extremos se detiene, así que la energía potencial es máxima. El total ½kA² no cambia.
  6. Juego libre: cambia la amplitud, el periodo y la fase, y mira cómo cambian la gráfica y las barras de energía.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Todo movimiento periódico es un MAS?

No. También tiene que ir y venir, con un tirón de vuelta al centro que crece al mismo ritmo que la distancia (F = −kx).

¿Por qué aparece una curva seno?

Porque la sombra de un movimiento circular constante es A sin(ωt). La gráfica del 3D se dibuja a partir de la bola en movimiento.

¿Qué significa el signo menos en F = −kx?

La fuerza siempre apunta al lado contrario del desplazamiento, es decir, hacia el centro. Mira cómo la flecha roja cambia de lado.

¿Por qué la bola no se detiene en el centro, donde la fuerza es cero?

Llega allí con su mayor rapidez. Fuerza cero significa aceleración cero, no rapidez cero, así que se pasa de largo.

¿Qué es exactamente la fase?

El ángulo (ωt + φ). Dice dónde está el cuerpo y hacia dónde se mueve. La bola amarilla del paso 4 tiene el mismo movimiento pero otra fase.

¿Adónde va la energía en los extremos?

Toda se guarda como energía potencial en el muelle. Se convierte de nuevo en energía cinética cuando el cuerpo vuelve.

Movimiento periódico y oscilatorio

Un movimiento que se repite después de intervalos de tiempo iguales es periódico. La Tierra dando vueltas al Sol y las agujas de un reloj son periódicas.

Si además el objeto se mueve de un lado a otro alrededor de un punto central (la posición media o de equilibrio), el movimiento es oscilatorio. Toda oscilación es periódica, pero no todo movimiento periódico es una oscilación (la aguja de un reloj gira, no va y viene).

El desplazamiento en función del tiempo

El desplazamiento x es la distancia del objeto al centro, con signo (+ a un lado, − al otro). En el MAS, x cambia con el tiempo como una onda seno (o coseno):

x(t) = A sin(ωt + φ)

Un seno y un coseno son la misma curva, solo desplazada, así que x = A cos(ωt + φ′) también es correcta con otro valor de φ′.

El MAS, su ecuación y el círculo de referencia

El movimiento armónico simple es un movimiento de vaivén en el que la fuerza recuperadora (el tirón de vuelta al centro) es proporcional al desplazamiento y apunta en sentido contrario:

F = −kx  por tanto  a = −ω²x, con ω = √(k/m).

El signo menos indica que la fuerza siempre apunta hacia el centro. Forma diferencial: d²x/dt² + ω²x = 0.

Círculo de referencia: si un punto recorre una circunferencia de radio A con velocidad angular constante ω, su sombra sobre un diámetro hace un MAS. Por eso la misma ω aparece en el movimiento circular y en el MAS.

Velocidad y aceleración

Fase y diferencia de fase

El ángulo completo (ωt + φ) se llama fase. Indica el estado del movimiento: dónde está el objeto y hacia dónde se mueve.

Dos MAS con la misma ω tienen una diferencia de fase Δφ. Si Δφ = 0 se mueven juntos (en fase); si Δφ = π siempre se mueven al revés (en oposición de fase). La velocidad se adelanta π/2 respecto al desplazamiento, y la aceleración está en oposición de fase (π) con el desplazamiento.

La energía en el MAS

Un oscilador cambia energía entre dos formas y mantiene fijo el total (sin rozamiento):

En x = 0: K = E, U = 0. En x = ±A: K = 0, U = E. K = U cuando x = A/√2. K y U se repiten dos veces en cada periodo, así que varían con periodo T/2.

Pruébalo: un péndulo casero

Ata una llave o una piedra pequeña a un hilo de 1 m y déjala oscilar un poco. Con el cronómetro del móvil mide el tiempo de 20 oscilaciones completas. Divide entre 20 para obtener T. Luego calcula f = 1/T. Ahora suéltala desde una amplitud mayor (pero aún pequeña): T casi no cambia. Es una señal de MAS. En el 3D de arriba, mueve el deslizador de A y comprueba que T tampoco cambia.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Un péndulo hace 40 oscilaciones en 20 s. Calcula su periodo, su frecuencia y su frecuencia angular.

T = 20/40 = 0.5 s. f = 1/T = 2 Hz. ω = 2πf = 4π ≈ 12.6 rad/s.

2. x = 0.05 sin(10πt + π/6) m. Calcula la amplitud, la frecuencia, el periodo y la fase inicial.

Comparando con x = A sin(ωt + φ): A = 0.05 m, ω = 10π rad/s, así que f = ω/2π = 5 Hz, T = 0.2 s, φ = π/6.

3. Un cuerpo con MAS tiene A = 4 cm y T = 2 s. Calcula la rapidez máxima y la aceleración máxima.

ω = 2π/T = π rad/s. v_max = Aω = 0.04 × π ≈ 0.126 m/s. a_max = Aω² = 0.04 × π² ≈ 0.395 m/s².

4. Para el cuerpo del ejemplo anterior, calcula la rapidez cuando x = 2 cm.

v = ω√(A² − x²) = π√(0.04² − 0.02²) = π√(0.0012) ≈ π × 0.0346 ≈ 0.109 m/s.

5. Una masa de 0.2 kg hace un MAS con ω = 5 rad/s y A = 0.1 m. Calcula la energía total y la energía cinética en x = 0.06 m.

k = mω² = 0.2 × 25 = 5 N/m. E = ½kA² = ½ × 5 × 0.01 = 0.025 J. U = ½ × 5 × 0.0036 = 0.009 J, así que K = 0.025 − 0.009 = 0.016 J.

6. ¿En qué desplazamiento la energía cinética es igual a la potencial?

K = U significa ½k(A² − x²) = ½kx², así que A² = 2x² y x = ±A/√2 ≈ ±0.71A.

7. Dos MAS: x₁ = 3 sin(ωt) y x₂ = 3 cos(ωt). Calcula la diferencia de fase.

cos(ωt) = sin(ωt + π/2), así que x₂ se adelanta a x₁ en π/2 (90°). Cuando uno está en el centro, el otro está en un extremo.

8. ¿Cuál de estos es un MAS: (a) a = −9x, (b) a = −9x², (c) a = 9x?

Solo (a): la aceleración es proporcional a x y de sentido contrario; ω = √9 = 3 rad/s, T = 2π/3 s. (b) no es proporcional a x y (c) apunta alejándose del centro.

Errores comunes

Test de práctica

1. En el MAS la fuerza recuperadora es:
2. Si T = 0.25 s, la frecuencia es:
3. En el MAS la rapidez es máxima en:
4. La energía total de un oscilador con muelle es:
5. La diferencia de fase entre el desplazamiento y la aceleración en el MAS es:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el movimiento armónico simple con palabras sencillas?

Un movimiento de vaivén en el que el tirón de vuelta al centro crece en proporción a la distancia al centro: F = −kx.

¿Cuál es la ecuación del MAS?

x = A sin(ωt + φ), o a = −ω²x si hablamos de la aceleración.

¿Se conserva la energía en el MAS?

Sí, sin rozamiento la energía total ½kA² se mantiene constante mientras la energía cinética y la potencial se intercambian.

Dónde se estudia

PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIIOscillations and waves
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIOscillations
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aMechanical oscillations and waves
Ukraine10 класMechanics
Ukraine10 класMechanics
CBSE (India)Class 11Oscillations and Waves
England (GCSE, A level)Year 133.6 Further mechanics and thermal physics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Oscillations
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Oscillations
Japan高校2年Various motions
South Korea고등학교 2학년Elastic waves and sound
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Oscillations and waves
FranceTerminaleLab sciences: Waves
Russia11 классMechanical oscillations
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 1 Ch.2 Oscillations

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