MAS

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El movimiento armónico simple (MAS) es un tipo especial de movimiento periódico en el que la fuerza restauradora (elástica) sobre el objeto en movimiento es directamente proporcional a la magnitud del desplazamiento del objeto y actúa hacia su posición de equilibrio.

El resultado es una oscilación que continúa indefinidamente salvo que sea inhibida por fricción o cualquier otra disipación de energía.

Puede considerarse la proyección unidimensional del movimiento circular uniforme (MCU).

Movimiento armónico simple, mostrado en el espacio real y en el [espacio fásico](https://es.wikipedia.org/wiki/Espacio_fásico). La órbita es periódica.
Movimiento armónico simple, mostrado en el espacio real y en el espacio fásico. La órbita es periódica.

Son ejemplos de MAS el movimiento de una masa unida a un muelle, un péndulo simple o un yugo escocés:

Magnitudes

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Amplitud A

Máxima elongación (desplazamiento máximo de la posición de equilibrio).

En el SI se mide en m.

Periodo T

Tiempo empleado en completar una oscilación completa.

En el SI se mide en s.

Frecuencia f

Número de oscilaciones por unidad de tiempo: $f = 1/T$.

En el SI se mide en Hz.

Frecuencia angular ω

$$ \omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f $$

En el SI se mide en rad/s.

Fase inicial

Indica el estado de oscilación/vibración inicial.

Se denota por $\varphi_0$.

En el SI se mide en rad.

Ecuaciones

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La posición de un MAS puede expresarse indistintamente en función del seno o del coseno, sin más que variar la fase inicial, teniendo en cuenta las relaciones:

sin α = cos (α – π/2)
cos α = sin (α + π/2)

Posición

Velocidad

Aceleración

Dinámica del MAS

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Ley de Hooke

$$ k = m\omega^2 $$
$$ \omega = \sqrt{\frac{k}{m}} $$
$$ T = \frac{2\pi}{\omega} = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}};\quad f = \frac{1}{T} = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}} $$

Puedes aprender más sobre masas y resortes con este excelente laboratorio:

Péndulo simple

Consiste en una masa suspendida de un pivote de forma que puede oscilar libremente.

En este caso la componente tangencial del peso actúa como fuerza recuperadora, acelerando la masa hacia su posición de equilibrio, provocando la oscilación alrededor de ella.

\begin{align*} -mg\sin\theta &= ma \\ -g\sin\theta &= -\omega2x \\ -g\sin\theta &= -\omega2l\theta \end{align*}

  • En la aproximación para ángulos pequeños, $\sin\theta\approx\theta$, por lo que el movimiento se aproxima por un movimiento armónico simple de frecuencia angular: $$ \omega = \sqrt{\frac{g}{l}} $$
  • El tiempo que tarda la masa en completar una oscilación completa es el periodo, que únicamente depende de la longitud del péndulo y de la aceleración de la gravedad, a través de la expresión: $$ T = \frac{2\pi}{\omega} = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}} $$
  • Fuera de la aproximación para ángulos pequeños, el periodo de un péndulo también depende ligeramente de la amplitud de la oscilación.

Puedes estudiar los factores que influyen en el periodo de un péndulo con este excelente laboratorio:

Energía del MAS

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Energía potencial elástica

$$ E_\mathrm p = \frac{1}{2}kx^2,\quad \text{donde $k=m\omega^2$} $$
$$ E_\mathrm p = \frac{1}{2}kA^2\sin^2\left(\omega t + \varphi_0\right) $$

Energía cinética

$$ E_\mathrm c = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2}m\omega^2\left(A^2-x^2\right) = \frac{1}{2}k\left(A^2-x^2\right) $$
$$ E_\mathrm c = \frac{1}{2}mA^2\omega^2\cos^2\left(\omega t + \varphi_0\right) = \frac{1}{2}kA^2\cos^2\left(\omega t + \varphi_0\right) $$

Energía mecánica

$$ E_\mathrm m = E_\mathrm c + E_\mathrm p = \frac{1}{2}k\left(A^2-x^2\right) + \frac{1}{2}kx^2 = \frac{1}{2}kA^2 $$

Aprende más sobre la energía del MAS con este excelente 🧵 hilo sobre el oscilador armónico simple:

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