Iniciado por Estrafalarius
A ver. Ya se ha dicho un poco antes que el ejemplo del columpio, aunque muy visual y didáctico, no es el mejor. La frecuencia de un péndulo (y un columpio lo es, igual que una lámpara que cuelga) sí depende de la amplitud de oscilación. Lo que ocurre es que para ángulos de oscilación pequeños la variación es poco apreciable. Por eso los relojes de péndulo eran precisos (oscilaban poco). Pero a medida que aportas más energía al sistema la amplitud aumenta y la frecuencia varía.
Sería más correcto el ejemplo de una señal. Todos hemos agarrado una señal de tráfico (prohibido aparcar, por ejemplo) y la hemos sacudido. La señal, igual que un puente o que un péndulo en oscilaciones cortas, tiene una frecuencia de resonancia propia. Cuando sacudimos la señal según su frecuencia de resonancia, esta oscila más y más hasta que, si somos unos vándalos, rompemos su mástil. Parece que con poca energía (los empujones que le proporcionamos) obtenemos mucha energía (la necesaria para romper un perfil de acero), pero no es así. ¿Qué está ocurriendo?
Como han explicado más arriba, cada empujón es un aporte de energía que se almacena en el objeto que resuena (en forma de energía potencial gravitatoria en el péndulo, potencial elástica en la señal, un muelle o el puente). Cuanta mayor sea la amplitud, más energía almacenada (y viceversa).
Cada pequeño empujón se suma al anterior y, por lo tanto, el sistema almacena esta energía en forma de una amplitud de oscilación cada vez mayor. No es que poca energía obtenga mucha (la termodinámica lo prohíbe) sino que, como la analogía del bidón, cada gota se suma a la anterior hasta que el bidón está lleno.
¿Por qué hay un punto en el que no parece aumentar la amplitud? (Por ejemplo, el columpio que ya no se eleva más o el puente de vídeo, que oscila unos milímetros y no sigue hasta caerse aunque la máquina siga funcionando). Pues porque los columpios, puentes y señales de verdad (no los modelos matemáticos) tienen pérdidas de rozamiento, mayores cuanto mayor sea su movimiento.
En cada empujón aportamos un poco de energía. El sistema almacena parte en forma de amplitud y otra parte la disipa por rozamiento. Al principio, la energía total aportada es poca (llevamos pocos empujones), por lo que la amplitud es poca y, en consecuencia, las pérdidas son pocas. Cada nuevo empujón se aprovecha en forma de aumento de amplitud de oscilación. Pero a medida que la energía aportada aumenta (no empujones mayores, sino más y más empujones acumulados) aumenta la amplitud y, con ella, los rozamientos y la disipación. El sistema cada vez disipa más, de cada nuevo empujón, cada vez se aprovecha menos, y llega un punto en el que se disipa toda nueva aportación. Las aportaciones se han equiparado con las pérdidas.
En el vídeo del puente, la masa de tres kilos que oscila sólo aporta energía para que el puente vibre unos milímetros. A partir de ese punto, cada nuevo empujón es disipado en rozamientos internos del sistema (p.e., remaches que rozan). Una masa mayor proporcionaría más energía en cada oscilación, con lo que el puente vibraría más hasta alcanzar un nuevo equilibrio pérdidas/aportaciones de cada oscilación. Si la aportación de cada oscilación es lo bastante grande, al final el puente se rompe (su estructura no aguanta la amplitud de oscilación).
¿Qué ocurre si no aportas energía (empujón) con la misma frecuencia de resonancia? Esto se ve mejor con el ejemplo del columpio.
Imagina que el columpio está subiendo y que, en vez de esperar al punto de máxima amplitud (ese instante en que se queda parado y le empujas) le das el empujón antes. En este caso, la energía que aportas no se almacena en el sistema. Estás empujando en el sentido contrario al del movimiento, y tu energía se emplea en frenarlo.
Volviendo a la pregunta inicial: ¿Por qué no se emplea la máquina de hacer terremotos para obtener energía? Puede parecer una buena idea si razonas "con poca energía (un empujón) obtengo mucha energía (me cargo un puente)". Pero ya has visto que no es así.
Si te cargas un puente (o una señal) no es porque has aportado poca energía en un empujón. Por supuesto, hay un último empujón que es el que lo rompe (igual que hay una última gota que es la que desborda el bidón), pero antes de ese último empujón ha habido muchos otros. La energía total aportada ha sido, en realidad, muy grande.
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