O que é um oscilador harmônico?

Um oscilador harmônico é um sistema em física que age de acordo com a lei de Hooke. Esta regra descreve o comportamento elástico e afirma que a quantidade de força aplicada a uma mola, ou outro objeto elástico, é proporcional ao seu deslocamento. Um sistema de oscilador harmônico retorna à sua posição original quando a força é removida do objeto elástico.

Nos cursos de física, um exemplo simples de um bloco preso a uma parede por uma mola é frequentemente usado para ilustrar o conceito de oscilação harmônica. A superfície na qual o bloco desliza é assumida como sem atrito. Quando o sistema é acionado, segue a equação ω ₀ = 2πf ₀ , que também é igual à raiz quadrada da constante da mola (k), dividida pela massa do bloco (m).

ω ₀ é a velocidade angular, que possui unidades de radianos por segundo ef ₀ é a frequência natural, que possui unidades de Hertz. O período do bloco - o tempo necessário para realizar um ciclo completo de movimento - é igual a um dividido por f ₀ . A constante da mola indica a rigidez da mola e é exclusiva para cada mola. Possui unidades de força por comprimento, por exemplo, Newtons por metro.

Este exemplo simples é chamado de oscilador harmônico não amortecido e teoriza que, uma vez que o bloco se move ao longo de uma superfície sem atrito, ele continuará se movendo na mesma frequência para sempre. Na realidade, no entanto, tal situação não ocorreria. Sistemas reais com atrito são chamados de sistemas amortecidos, nos quais o movimento do bloco diminui, o deslocamento da mola fica mais curto e o sistema eventualmente pára de se mover.

Um sistema de oscilador harmônico pode ser sobrecarregado, sobrecarregado ou criticamente amortecido. As equações diferenciais descrevem o movimento de sistemas amortecidos, de modo que sua solução pode ser bastante complexa. Cada tipo de sistema amortecido possui seu próprio tipo de movimento, que é facilmente reconhecível.

Em um sistema sobrecarregado, o bloco não oscila. Ele retorna à sua posição original lentamente após a aplicação da força e a mola para de se mover. O bloco pode oscilar por um bom tempo em um sistema sub-amortecido, com a mola se alongando menos a cada oscilação consecutiva até que o sistema retorne ao repouso. Um sistema criticamente amortecido se comporta da mesma maneira que um sistema sobrecarregado, mas foi projetado de maneira ideal para retornar à posição original o mais rápido possível.

Um oscilador harmônico quântico descreve como duas moléculas interagem umas com as outras. Eles vibram para frente e para trás de maneira semelhante a uma massa em uma mola. Em vez de uma constante de mola, a equação de um oscilador harmônico quântico usa uma constante de força de ligação, que descreve a força da ligação entre as duas moléculas. A relação entre a velocidade angular e a frequência é a mesma.