Che cos'è il movimento armonico?
Il movimento armonico è il concetto di un sistema oscillante o ripetitivo come un pendolo, una molla o l'orbita di un pianeta attorno al sole. I sistemi che sono in movimento armonico conservano energia e quantità di moto finché l'energia interna rimane la stessa. In un sistema reale, cioè non ideale, si verifica una perdita di energia dovuta all'attrito anche in quantità infinitesimale a causa della collisione con molecole. Devono esistere due qualità principali affinché un sistema possa sperimentare il movimento oscillatorio: elasticità e inerzia; a causa della prima legge di Newton, tutti gli oggetti hanno inerzia. Pertanto, deve esistere una fonte di elasticità, come una molla.
Un semplice sistema armonico include uno o più oggetti oscillanti che sono fissati a una molla o altra sorgente elastica, come un peso attaccato a una molla. Il movimento dell'oggetto altera la velocità secondo uno schema sinusoidale. La forza elastica che fornisce il momento dell'oggetto aumenta con la distanza dal centro del movimento; più lontano è l'oggetto, maggiore è la forza elastica esercitata. Quando l'oggetto arriva alla fine del suo movimento, la forza lo fa muovere all'indietro a velocità crescente verso l'altra estremità del percorso oscillante in cui il ciclo si ripete. Il semplice movimento armonico è usato per illustrare il concetto, ma non tiene conto dell'attrito.
Il movimento attenuato, al confronto, include l'attrito o altre forze esterne che rallenteranno il sistema e alla fine gli faranno raggiungere l'equilibrio, o nessun movimento. Maggiore è l'attrito in un sistema, più rapidamente un oggetto oscillante raggiungerà l'equilibrio. Il sovra-smorzamento consente solo pochi cicli di oscillazione prima dell'equilibrio; lo smorzamento critico crea un rapido ritorno all'equilibrio, come un ammortizzatore in un'auto; e il underdamping fa sì che l'oscillazione diminuisca nel tempo. Un mezzo più viscoso come l'acqua crea più attrito.
Il movimento armonico ha molte applicazioni nella vita di tutti i giorni. Qualsiasi tipo di sistema oscillante - che si tratti del pendolo di un orologio, di una molla proveniente dal sistema di sospensione di un'auto o della rotazione del volano di un motore - subisce una forma di oscillazione smorzata. Ad esempio, conoscere la forza di attrito che provoca lo smorzamento consente il calcolo della forza motrice necessaria per mantenere un tasso di oscillazione costante in un sistema armonico. Ci sono anche applicazioni musicali; conoscere la lunghezza di una corda di chitarra, ad esempio, fornisce un metodo per calcolare la velocità di oscillazione quando viene data una forza motrice, e quindi la frequenza della nota suonata.