Che cos'è un oscillatore armonico?
Un oscillatore armonico è un sistema in fisica che agisce secondo la legge di Hooke. Questa regola descrive il comportamento elastico e afferma che la quantità di forza applicata a una molla, o altro oggetto elastico, è proporzionale al suo spostamento. Un sistema oscillatore armonico ritorna nella sua posizione originale quando la forza viene rimossa dall'oggetto elastico.
Nei corsi di fisica, un semplice esempio di un blocco fissato a una parete da una molla viene spesso usato per illustrare il concetto di oscillazione armonica. Si presume che la superficie su cui scorre il blocco sia priva di attrito. Quando il sistema viene messo in moto, segue l'equazione ω 0 = 2πf 0 , che è anche uguale alla radice quadrata della costante elastica (k), divisa per la massa del blocco (m).
ω 0 è la velocità angolare, che ha unità di radianti al secondo, e f 0 è la frequenza naturale, che ha unità di Hertz. Il periodo del blocco - il tempo necessario per attraversare un ciclo completo di movimento - è uguale a uno diviso per f 0 . La costante della molla indica quanto è rigida la molla ed è unica per ogni molla. Ha unità di forza per lunghezza, ad esempio Newton per metro.
Questo semplice esempio si chiama oscillatore armonico non smorzato e teorizza che, poiché il blocco si muove lungo una superficie priva di attrito, continuerà a muoversi alla stessa frequenza per sempre. In realtà, tuttavia, tale situazione non si verificherebbe. I sistemi reali con attrito sono chiamati sistemi smorzati, in cui il movimento del blocco rallenterà, lo spostamento della molla diventerà più breve e il sistema alla fine smetterà di muoversi.
Un sistema di oscillatori armonici può essere sovradimensionato, indebolito o smorzato in modo critico. Le equazioni differenziali descrivono il movimento dei sistemi smorzati, quindi la loro soluzione può essere piuttosto complessa. Ogni tipo di sistema smorzato ha il suo tipo di movimento, tuttavia, che è facilmente riconoscibile.
In un sistema sovradimensionato, il blocco non oscilla. Ritorna lentamente nella posizione originale dopo l'applicazione della forza e la molla smette di muoversi. Il blocco può oscillare per un bel po 'in un sistema poco umido, con la molla che si allunga di meno ad ogni oscillazione consecutiva fino a quando il sistema non ritorna a riposo. Un sistema smorzato in modo critico si comporta più o meno allo stesso modo di un sistema sovradimensionato, ma è progettato in modo ottimale per tornare alla posizione originale il più rapidamente possibile.
Un oscillatore armonico quantico descrive come due molecole interagiscono tra loro. Vibrano avanti e indietro in modo simile a una massa su una molla. Invece di una costante di molla, l'equazione per un oscillatore armonico quantistico usa una costante di forza di legame, che descrive la forza del legame tra le due molecole. La relazione tra la velocità angolare e la frequenza è la stessa.