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Sobre el curioso fenómeno de la Frecuencia Estructural Natural de las cosas (ACTUALIZADO)
eliax id: 10726 josé elías en oct 22, 2013 a las 12:10 AM (00:10 horas)
Hoy les voy a hablar en eliax de un tema que por lo general lo aprenden a nivel universitario en clases de mecánica, arquitectura o ingeniería civil, y que algunas personas nunca llegan a entender, pero hoy les prometo que incluso si nunca fueron a la universidad, entenderán este asombroso tema, lo que de paso les abrirá los ojos ante algunos interesantes fenómenos naturales...

Se trata de la frecuencia de oscilación natural de estructuras físicas, como edificios y puentes, y del increíble poder destructivo que esto oculta para los que saben manejarlo y para los que desconocen como controlarlo...

Pero antes de continuar, hablemos de columpios, y ya verán por qué en unos momentos...

ColumpioUn columpio, como todo el mundo sabe, no es más que un movimiento de oscilación en donde por lo general un niño (o alguien como mente de niño, como yo) se mueve de un lado a otro.

Y "el truco" para ser un buen "columpiador" es esperar justo cuando uno está en uno de los extremos, para dar un empujoncito adicional al columpio, en esencia agregando cada vez más un poquititito más de fuerza con cada "columpiaso".

Pero otra forma de montar columpios es teniendo a alguien que nos empuje. Aun si permanecemos totalmente quietos, alguien puede empujarnos, esperar que regresemos hacia atrás, y volver a empujarnos. Inicialmente la persona que nos empuje pone mucho esfuerzo en empujarnos, pero desde que llega un punto en que estamos ya recorriendo una buena distancia, esa persona solo tiene que empujarnos con un poquititito de fuerza cada vez que llegamos al extremo, para que sigamos meciéndonos.

Pues si entendieron eso, les aseguro que sin necesidad ni de una sola fórmula matemática, entenderán lo que sigue a continuación...

Sucede, que todo en el universo tiene una oscilación, desde átomos (que viven "agitándose" de un lado a otro), hasta edificios y puentes.

Esto es evidente en edificios bien altos, digamos, de 50 pisos en adelante, en donde el edificio literalmente se balancea unos cuantos centímetros de lado a lado continuamente, aunque la mayoría de las personas no lo nota.

Pues ese movimiento del edificio, de un lado hacia otro en lo que aparenta ser un movimiento perpetuo infinito, es a lo que se le llama "la frecuencia de oscilación natural estructural" de las cosas. Y el hecho que sepan de la existencia de eso, tiene grandes repercusiones, particularmente en la ingeniería civil (aunque también aplica a otras ciencias como la aeronáutica).

Por ejemplo, al uno saber que estructuras como edificios y puentes tienen este movimiento oscilatorio (y noten, que eso incluye incluso casas de 1 solo piso, aunque se note muchísimo menos), permite que los ingenieros puedan diseñar de forma tal que hagan a estas edificaciones mucho más seguras.

Pero, ¿qué tan importante es esto? Pues que si no se toma en consideración estas variables, es incluso posible destruir todo un edificio o puente, debido a que sería posible combinar el movimiento de una fuera externa casi exactamente con la misma de la oscilación natural de por ejemplo un puente. ¿Pero y eso, qué significa?

Pues similar a cuando estás en un columpio, que alguien te da un pequeño empujoncito más en el momento justo (es decir, juuuusto al extremo de tu columpiada) para hacer que te mesas aun más, de la misma manera, el viento estaba dando ráfagas de aire a la misma intensidad de la oscilación natural del puente.

Es decir, si el puente inicialmente se mueve de un lado a otro cada 5 segundos, las ráfagas de viento podrían llegar exactamente cada 5 segundos, en esencia dando un pequeño "empujoncito" al puente, lo que cause que en el próximo "columpiaso" el puente recorra una distancia un poquito mayor a la anterior. Y mientras más se repita el proceso, más se movería el puente, hasta llegar al asombroso extremo que verán en el video.

Armado con ese conocimiento, una persona por ejemplo podría destruir todo un rascacielos con tan solo poner unos rieles en su tope, un gran contrapeso, y hacer que justo en el momento que el edificio llega a un extremo de su ondulación, que este reciba un empujoncito extra, y repetir ese proceso en sincronización con la frecuencia natural del edificio, en esencia haciendo que este se mueve un poquitito más cada ves hacia los lados, hasta llegar el punto que este colapse.

Por lo que como pueden ver, esto tiene posibles aplicaciones desctructivas, aunque la realidad es que su gran uso ha sido para lo opuesto, para aplicaciones constructivas en la ingeniería civil, haciendo la vida más segura para miles de millones de personas de todo el mundo...

Actualización 1: Un ejemplo de video que utilicé en el texto lo removí, debido a que como me alertaron unos lectores en los comentarios, no representaba la idea del texto. ¡Gracias por estar atento a los detalles de lo escrito! :)

Mass DamperActualización 2: En este enlace un mejor ejemplo visual de cómo se contrarrestan estas fuerzas en edificiaciones altas modernas (¡gracias Alberto Cano en los comentarios por el enlace!).

autor: josé elías

Comentarios

  • Y mientras se mueve el puente, mueve a todo el aire en su entorno, que este a su vez mueve el punte y asi continua el efecto.

    El aire y la aerodinamica deberia ser mas ensenada en la escuela, yo termine la secundaria sin comprender estos principios, aprendi vectores, matrices, limites, etc... Pero lo basico no lo ensenan... Con suerte se aprende en la universidad.

  • Yo recuerdo ese video! Salía en Encarta!!

    • Yo también lo vi en Encarta... pero ahí lo ponían dentro del tema de la "resonancia" si la memoria no me falla.

  • Ya veo que no es tan absurda un arma capaz de producir terremotos.

  • Hola Elias, generalmente concuerdo en la mayoría de las cosas que publicas en eliax.com, así como en la mayoría de lo que explicas en este post, a excepción de que la frecuencia natural haya sido la causa del colapso del puente de Tacoma(lo de las armas para hervir la sangre no lo se (probablemente, microondas?)), pero como lo explica Henry en uno de los mejores canales científicos de youtube, "MinutePhysics" la causa del colapso fue otra, aquí la explicación http://www.youtube.com/watch?v=6ai2QFxStxo aunque no por eso la explicacion que das debe ser imposible, solo digo que esa no fue la causa ese fatidico dia, como sea me encanta tu blog, saludos.

  • Alguien ha oído sobre la "nota marrón".

  • Hay algunos fallos en el texto.

    Eliax: Pues ese movimiento del edificio, de un lado hacia otro en lo que aparenta ser un movimiento perpetuo infinito, es a lo que se le llama "la frecuencia de oscilación natural estructural" de las cosas.

    Estás confundiendo términos. La frecuencia natural de oscilación, es aquella frecuencia para la que se produce la resonancia.

    Ejemplo: Una fuerza f, con una frecuencia w, incide sobre el columpio de tal manera que cuando la fuerza f es aplicada sobre el columpio, la resistencia que éste ofrece a la fuerza f es mínima, maximizando el balanceo del columpio. (evidentemente esto tiene un límite, y es el que la propia fuerza f impone)

    2. El puente de tacoma narrow, tenía digamos una frecuencia natural, llamémosla w_narrow. Resulta que a sotavento se producían unos remolinos (vórtices de Karman) debido al paso del aire a través de la estructura en la zona superior y en la zona inferior. Dichos remolinos resultaban tener una frecuencia de aparición igual a la frecuencia de oscilación del puente. Cada vez que un vórtice abandona el puente por la parte superior, crea una fuerza de arriba abajo; cuando lo hace por la parte inferior, la fuerza tiene sentido opuesto.

    Aquí viene mejor explicado: http://naukas.com/2012/03/26/la-resonancia-bien-entendida-el-puente-de-tacoma-narrows/

    Respecto a lo de las armas del ejército, tengo entendido que simplemente son microondas de alta energía (muchos vatios). Las microondas tienen la propiedad de orientar los dipolos (agua, grasas, etc) lo que significa que tienen una carga positiva parcial en un extremo y una carga negativa parcial en el otro, y por tanto giran en su intento de alinearse con el campo eléctrico alterno de las microondas, y por lo tanto calientan. (así es como funciona el horno-microondas de casa)

    • Miguel,

      Creo que tienes razón, y desconocía el tema en cuanto a la controversia sobre las causas de este puente.

      Y como nota Wikipedia en inglés (que acabo de consultar): "The bridge's collapse had a lasting effect on science and engineering. In many physics textbooks, the event is presented as an example of elementary forced resonance with the wind providing an external periodic frequency that matched the bridge's natural structural frequency, though the actual cause of failure was aeroelastic flutter.[1] Its failure also boosted research in the field of bridge aerodynamics-aeroelastics, the study of which has influenced the designs of all the world's great long-span bridges built since 1940."

      Deja ver cómo corrijo el texto, pues la idea que presento está bien, lo que está mal es el ejemplo de ese puente en particular... ;)

      !!!Abrazos y gracias por estar atento al text!!!

  • Esto no es un descubrimiento nuevo, probablemente se le dio nombre hace pocos años relativamente, pero los soldados romanos al cruzar un puente rompian fila mientras marchaban. de ahi viene la expresion "rompan filas". varias veces se les caian los puentes debido a la vibracion que generaban todos los pies marchando al unisono.

  • La famosa maquina de terremotos de Nicola Tesla, también hay un capitulo de los cazadores de mitos, donde hacen oscilar un puente con un aparatito chiquito, donde lo tildan al mito de la maquina de terremotos como probable

  • Muy bien explicado eliax! Te hago un par de aportes:
    Lo unico esque eso de destruir un edificio con rieles vibrando a la frecuencia fundamental es un poco exagerado!
    La verdad es que una estructura tiene varias frecuencias (o periodos) de vibrar, siendo la fundamental (de la que tu hablas) la mas alta (o el periodo mas bajo) y la que mueve mayor masa de la estructura (a esta se le llama periodo natural). Pero esta frecuencia solo esta asociada al moviemiendo un un determinado procentaje de masa de la estructura (digamos 15 o 20 %), entonces si es la que mas afecta, pero no controla el movimiento de toda la estructura.

    Pero efectivamente, dependiendo del tipo de suelo (suelos mas blandos poseen menores frecuencias de vibrar, suelos mas rígidos mayores frecuencias) se intenta que el edificio tenga la frecuencia opuesta, de esa forma no hay resonancia.

  • Sobre Nicola Tesla corria el rumor que habia construido un artefacto que producia ese efecto en los edificios, llegando incluso a probarlo con presuntos resultados positivos, aunque sea un simple rumor, esta bien tener en la memoria un genio poco reconocido en el publico general

  • Savia lo de puentes y edificios paro no lo de las armas.muy bueno el articulo gracias.

  • Perdón es sabia no savia.

  • Ya no se si creer lo que muestran algunos documentales, pero en uno del History Channel, contaban muchas cosas sobre el invento de Tesla. Una de las cosas que comentaban es que un día se empezó a sacudir terriblemente el complejo de edificios donde estaba trabajando Tesla. De una forma tan brutal que algunos empezaron a resquebrajarse. Las personas que sabían de su investigación llamaron a la policía porque Tesla no respondía a la puerta cuando llamaban. La policía no tuvo mas opción que tirar la puerta de su estudio, y cuando entraron lo vieron a Tesla dándole de martillazos a la maquina. Resulta que el artilugio creado por Tesla se había trabado y el no lo podía "apagar", lo que casi hizo que se derrumbaran los edificios :P. Así contaba el documental, y realmente no me sorprendería que fuera verdad, un genio como el de Tesla podría hacer uso de la física de esta manera sin duda alguna.

    • Hay un capitulo de los mythbusters sobre esa máquina de Tesla y hablan también del puente que dijo Elias.También prueban el mito de que si un batallón camina en ritmo por un puente puede tumbarlo por la vibración. Esta en Youtube.

      • Si, no dudo del efecto fisico mencionado, dudo sobre la anecdota de como casi Tesla tira todo el edificio donde estaba porque se le daño la maquina :P.

  • interesante, me surge la duda de como contraresta la misma naturaleza esta clase de fenomenos? la naturaleza contra la naturaleza en lucha por sobrevivir.

  • Elias una verdadera aplicacion de esto se encuentra en la Torre Taipei 101. Aqui la pagina de Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Tuned_mass_damper

    • En la torre Taipei 101 esta inclusive para exhibición del publico. muy cool!

  • En el ejemplo del columpio, lo importante -y que no se menciona- es que, a pesar de ir más rápido conforme más se le empuja, siempre tarda lo mismo en hacer una ida y vuelta.

    Es el tema del período de un péndulo, que solo depende de la longitud del cable. Es quizás la estructura más simple donde se ve lo del período natural.

    Además, en ese mismo ejemplo se ve lo de que es la frecuencia de resonancia: si se le empuja con esa frecuencia -cada vez que llaga atrás del todo- la oscilación aumenta de amplitud, y al final te darías la vuelta completa.

  • Eliax, me gustaria que hicieras un post con tu opinion del nuevo Nexus 5. Tengo un Galaxy S4, y quisiera saber si vale la pena venderlo para cambiarme al Nexus 5.

  • He escuchado que incluso el agua tiene una frecuencia de resonancia a la cual se electrolisis se lleva a cabo con mayor eficiencia, Alguien sabe de esto?

  • Tengo conocimiento de esto aunque mi carrera no tiene nada que ver, esto es muy importante.

  • Estimado Eliax, en el párrafo:
    Pero, ¿qué tan importante es esto? Pues que si no se toma en consideración estas variables, es incluso posible destruir todo un edificio o puente, debido a que sería posible combinar el movimiento de una fuera externa casi exactamente con la misma de la oscilación natural de por ejemplo un puente. ¿Pero y eso, qué significa?

    Esta la palabra fuera en vez de fuerza.
    Un abrazo.

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por "Anonimo" en abr 7, 2010


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