La cicloide (III)

La cicloide tiene la propiedad de ser tautócrona:

Si desde dos puntos, a diferentes alturas de una cicloide invertida, dejamos caer dos bolas, éstas llegan a la vez a la parte más baja a pesar de hacer recorridos diferentes.

Christiann Huygens fue el primero en descubrir esa propiedad y aplicarlo a los relojes de péndulo. Aunque se variase la amplitud del péndulo, el período de tiempo siempre sería el mismo si el recorrido de la lenteja del péndulo fuera el de una cicloide.

Situando el péndulo entre dos topes formados por medias cicloides se consigue el objetivo.

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Con el deslizador puedes modificar el tiempo y observar la posición de las dos bolas. Pulsando el botón de "play" se activa la animación.

Las ecuaciones de la cicloide invertida son:
$$x=r\alpha-rsen\alpha \wedge y=rcos\alpha-r$$
La velocidad de caída de una bola desde un punto de la curva a otro inferior es:
$$v_\alpha=\sqrt{2gh}$$$$h=y_\beta-y_\alpha=rcos\beta-rsen\alpha$$$$cos\beta=2cos^2\frac{\beta}{2}-1$$ $$v_\alpha=2\sqrt{gr}\sqrt{cos^2\frac{\beta}{2}-cos^2\frac{\alpha}{2}}$$$$ds=\sqrt{(\frac{dx}{d\alpha})^2+(\frac{dy}{d\alpha})^2}d\alpha=2rsen\frac{\alpha}{2}d\alpha$$$$dt=\frac{ds}{v}=\frac{2rsen\frac{\alpha}{2}}{2\sqrt{gr}\sqrt{cos^2\frac{\beta}{2}-cos^2\frac{\alpha}{2}}}$$ $$t=\sqrt{\frac{r}{g}}\int_\beta^{\pi}\frac{sen\frac{\alpha}{2}}{\sqrt{cos^2\frac{\beta}{2}-cos^2\frac{\alpha}{2}}}\,\mathrm{d}\alpha=$$ $$2\sqrt{\frac{r}{g}}\int_0^{cos\frac{\beta}{2}}\frac{1}{\sqrt{cos^2\frac{\beta}{2}-u^2}}\,\mathrm{d}u=$$ $$2\sqrt{\frac{r}{g}}\int_0^1\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\,\mathrm{d}x=\frac{\pi}{2}\sqrt{\frac{r}{g}}$$

Por tanto, el tiempo recorrido es independiente del punto de partida. Es una constante que depende del parámetro r de la cicloide.

Movimiento armónico simple (II)

Composición de dos movimientos armónicos simples (MAS) de la  misma dirección:

Misma frecuencia:

Las ecuaciones son:
$$x_1=A_1sen(wt+\phi_1) \wedge x_2=A_2sen(wt+\phi_2)$$
La resultante será:
$$x=x_1+x_2=Asen(wt+\phi)$$
Si están en fase: $$A=A_1+A_2$$ Si están en oposición: $$A=A_1-A_2$$  

Distinta frecuencia:

Las ecuaciones son:
$$x_1=A_1sen(w_1t) \wedge x_2=A_2sen(w_2t)$$ $$A=A_1+A_2$$
La amplitud en general es:
 $$A=\sqrt{A_1^2+A_2^2+2A_1A_2cos(w_1-w_2)t}$$

Sigue las instrucciones de utilización del modelo de Excel que puedes descargar a continuación:
  • Se puede modificar la  AMPLITUD, la FRECUENCIA ANGULAR de cada movimiento y el DESFASE entre ellos.
  • Se muestran el PERÍODO, la ELONGACIÓN, la VELOCIDADAD y la ACELERACIÓN de cada movimiento.
  • Se muestran la ELONGACIÓN, la VELOCIDADAD y la ACELERACIÓN del movimiento resultante.
  • Se puede elegir la representación de las elongaciones, velocidades o aceleraciones de los movimientos y de su resultante pulsando el botón correspondiente.
  • Se puede elegir el INTERVALO, de representación de las gráficas de la elongación, velocidad y aceleración del movimiento resultante.
  • Al variar el INSTANTE, cambia la posición del punto en el movimiento, al mismo tiempo que el punto que representa su elongación, su velocidad y su aceleración en las gráficas.
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Movimiento armónico simple (I)

Se llama movimiento ármónico simple (MAS) el que posee un punto que se mueve a lo largo del diámetro de una circunferencia, ocupando en cada instante la proyección sobre dicho diámetro de otro punto auxiliar que recorre la circunferencia, con movimiento circular uniforme.

La elongación es:
$$x=Asen(wt+\phi)$$
Derivando, se obtiene la velocidad:
$$v=-wAcos(wt+\phi)$$
Y volviendo a derivar, se obtiene la aceleración:
$$a=-w^2Asen(wt+\phi)=-w^2x$$
Por tanto el MAS responde a esta ecuación diferencial:
$$\frac{d^2x}{d^2t}+w^2x=0$$
La amplitud y el desfase se pueden obtener de la siguiente manera:
$$A=\sqrt{x_0^2+\frac{v_0}{w^2}}$$
$$tg\phi=\frac{x_0w}{v_0}$$

Sigue las instrucciones de utilización del modelo de Excel que puedes descargar a continuación:
  • Se puede modificar la  AMPLITUD, el PERÍODO y el DESFASE.
  • Se muestran la FRECUENCIA ANGULAR, la ELONGACIÓN, la VELOCIDADAD y la ACELERACIÓN.
  • Se puede elegir el INTERVALO, de representación de las gráficas correspondientes.
  • Al variar el INSTANTE, cambia la posición del punto en el movimiento, al mismo tiempo que el punto que representa su elongación, su velocidad y su aceleración en las gráficas.
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