EXPERIÊNCIAS INTERACTIVAS

NO MUSEU DE CIÊNCIA DA FCUP

  • OSCILADORES ACOPLADOS

APRESENTAÇÃO

Na montagem concebida para esta experiência (ver figura esquematizada) as massas m1 e m2 das esferas vermelha e azul, respectivamente, são aproximadamente iguais. As molas que suspendem as esferas apresentam constantes elásticas k1 e k2 também aproximadamente iguais mas bastante superior (10x) ao valor das constantes elásticas k12 e k21 das molas de acoplamento.

Configuração do sistema de dois osciladores acoplados – 2 massas, 4 molas e 2 vibradores

As oscilações são forçadas por intermédio dos vibradores V1 e V2 alimentados por amplificadores de potência a partir de sinais sinusoidais de frequência e amplitude controladas pelo operador (por acesso remoto). As roldanas R1 e R2 servem também de sensores da rotação associada ao deslocamento da massa m1 (vermelha) e m2 (azul) respectivamente.

No acesso remoto, o operador dispõe da informação (em tempo real) do deslocamento y1 e y2 dos osciladores assim como os sinais proporcionais às forças excitadoras.

O operador pode livremente (nos limites estabelecidos no próprio programa) variar a amplitude e frequência dos sinais em V1 e V2, observando (e registando) as oscilações y1 e y2 do sistema (note o sentido de y1 e y2 na figura).

 

 

EXPLICAÇÃO

A interpretação dos resultados é razoavelmente simples se considerarmos um modelo físico-matemático que não contemple os atritos e as inércias das roldanas e molas que compõem o sistema. Porém, não é possível ignorar o atrito no regime forçado na vizinhança da ressonância, caso contrário o sistema entrava em colapso.

Uma aproximação contemplando um modelo que satisfaça melhor as observações experimentais exige o tratamento de um sistema de equações diferenciais de 2ªordem não lineares por métodos numéricos. Brevemente, pensamos disponibilizar uma simulação em JAVA© que será um contraponto às observações experimentais (reais, não simuladas) a que o leitor tem acesso com estas experiências.

No desenvolvimento das equações de movimento, no caso ideal (sem atrito) e em regime livre (não forçado), encontramos o seguinte sistema:

 

A solução deste sistema de equações é normalmente conseguida a partir da busca das frequências próprias dos osciladores, isto é, as frequências para as quais as duas massas oscilam com a mesma frequência.

Na presente montagem experimental, os valores dessas frequências são aproximadamente e . No primeiro caso, as duas massas oscilam em fase e no segundo caso em oposição de fase. Isto significa que em regime livre as equações dos osciladores são respectivamente:

                                        e

 

Qualquer outra solução, dependendo das condições iniciais (posição e velocidade dos osciladores no instante inicial), pode ser representada como uma combinação linear das soluções particulares anteriores.

A realidade (bem notada nas experiências que efectuou) mostra que há uma forte dissipação da energia dos osciladores devido aos atritos. Sendo assim, em regime livre, a oscilação rapidamente decairia para zero. Por esse motivo, foram introduzidos os vibradores que são fontes externas com a capacidade de fornecer a energia que compense as perdas dos osciladores. A energia absorvida é máxima para os valores próprios de frequência e praticamente irrelevante para valores de frequência dos vibradores afastados de  ou  .(Verifique esta afirmação nos seus resultados experimentais). Quando se ligam o(s) vibrador(es) há um fenómeno transitório para rapidamente surgir um comportamento permanente por imposição externa. É este regime que, na prática, vai ser objecto da nossa análise teórica e experimental.

Comece por aplicar apenas um vibrador (basta colocar em zero a amplificação do outro vibrador). Ao aproximar a frequência do vibrador de a amplitude dos osciladores atingem valores máximos com oscilação em fase. Idem para  com oposição de fase. Observe também que entre  e  poderá encontrar um comportamento de batimento (porquê?).

Que acontecerá se ligar os 2 vibradores respectivamente com as frequências próprias  e ?

 

Há uma riqueza de informação física no estudo destes osciladores acoplados, relacionados com a sobreposição de ondas, ressonância e factor de qualidade dos osciladores, transferência de energia entre os osciladores etc. que o leitor poderá explorar na interpretação dos resultados reais que obtém desta experiência.

 

Dados experimentais do sistema:

 

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