Conceito de Vibração

Ángel Zamora Ramírez | Agosto 2023
Licenciado em Física

Vibração é um fenômeno físico definido genericamente como o movimento periódico que um objeto realiza em relação a uma posição de equilíbrio. As vibrações seriam, portanto, oscilações estacionárias de um sistema físico quando ele é perturbado.

Experimentamos vibrações praticamente todos os dias. Quando viajamos num veículo podemos sentir as vibrações geradas pelo motor e as que resultam do seu percurso na estrada. Os instrumentos musicais usados para gravar as músicas que amamos são basicamente cordas vibrantes e ar ressoando em cavidades. Mesmo no nível atômico e molecular existem vibrações que são importantes para entender as propriedades de alguns materiais.

Entendendo as vibrações: um único oscilador

O primeiro passo que devemos dar para entender uma vibração é considerar um único oscilador. Imagine uma pequena esfera com uma certa massa presa em lados opostos a duas molas, que por sua vez estão presas em suas extremidades opostas a uma parede cada.

Agora suponha que perturbemos esse sistema, por exemplo, empurrando a massa na direção de uma das molas. Ambas as molas aplicarão uma força que se oporá a esta perturbação, uma delas tentará puxar a massa para a posição de equilíbrio e a outra vai querer empurrar a massa para a posição de equilíbrio. No entanto, por conservação de energia, assim que a massa atingir a posição de equilíbrio ela passará desta e novamente as molas aplicarão as forças para retornar a massa à posição de equilíbrio.

O resultado disso é que a massa continuará se movendo da direita para a esquerda em torno da posição de equilíbrio devido à perturbação inicial e à força aplicada pelas molas. O que temos aqui é basicamente um oscilador harmônico simples. Esta é a base para a compreensão das vibrações e sistemas mais complexos.

Osciladores acoplados

Suponha que agora ao sistema anterior adicionamos uma massa igual à já existente. De tal forma que agora temos as duas massas unidas por uma mola e as duas molas anteriores presas por um lado a uma das massas e pela outra ponta presas à parede. Agora vamos perturbar o sistema movendo ambas as massas de sua posição de equilíbrio.

Após a perturbação, ambas as massas começarão a fazer um movimento oscilatório em torno de suas posições de equilíbrio, porém, o movimento neste caso é mais caótico e dependerá mais das condições iniciais, ou seja, de quanto cada uma das massas se moveu de sua posição de equilíbrio.

O curioso desse caso é que independente da oscilação resultante, esta é, na verdade, uma combinação de duas oscilações mais simples. Neste caso, uma delas é uma oscilação paralela, ou seja, uma em que ambas as massas se movem na mesma direção, a outra é uma oscilação antiparalela onde ambas as massas se movem em direções opostas. Ambos os movimentos oscilatórios são chamados de “modos normais” e combinando-os em maior ou menor grau dão origem a todos os movimentos oscilatórios que este sistema pode realizar.

O número de modos normais é igual ao número de osciladores que compõem o sistema. Neste caso, temos dois modos normais porque nosso sistema é composto por dois osciladores. Se adicionarmos mais um oscilador a este sistema teremos três modos normais, se adicionarmos outro oscilador teremos quatro modos normais e assim sucessivamente.

O caso limite ocorre quando consideramos agora um sistema formado por um número infinito de osciladores. Neste sistema teremos um número infinito de modos normais e se encurtarmos a separação entre eles ao mínimo teremos uma convergência para o caso contínuo. Os fenômenos vibratórios do mundo real correspondem a meios contínuos que são perturbados, desta forma os abordamos.

Exemplo: Uma corda vibrando

Podemos aplicar todos os itens acima para entender as vibrações de, por exemplo, uma corda presa em ambas as extremidades. Quando perturbamos a corda, ela começa a fazer um movimento oscilante em torno de sua posição de equilíbrio. Como nos casos anteriores, este movimento oscilatório será uma combinação de oscilações mais simples análogas aos modos normais dos osciladores acoplados. Esses movimentos são chamados de “harmônicos” e são essenciais para entender qualquer vibração.

A corda anterior pode ser, por exemplo, a corda de um violão. Ao tocar a corda obtemos uma nota musical que é na verdade uma combinação dos diferentes harmônicos da corda e cujas frequências são múltiplos inteiros um do outro. Ao tocar a corda em outro local do violão, modificamos seu comprimento, o que dá origem a outro tipo de harmônico e, portanto, a outra nota musical.

Artigo de: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado em Física. Cursando Mestrado em Engenharia e Física Biomédica.

Referencia autoral (APA): Zamora Ramírez, A.. (Agosto 2023). Conceito de Vibração. Editora Conceitos. Em https://conceitos.com/vibracao/. São Paulo, Brasil.

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